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1、傳 感 器 原 理 與 應(yīng) 用第11章 波式、射線式和紅外傳感器 第11章 波式、射線式和紅外傳感器11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.2 微 波 式 傳 感 器11.3 核 輻 射 式 傳 感 器11.4 紅 外 傳 感 器11.5 核 輻 射 與 紅 外 傳 感 器 應(yīng) 用 舉 例 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器 人 耳 能 聽 到 的 聲 波 頻 率 在 20 H z 20 kH z之 間 。 超 過 20 kH z的 稱 為 超 聲 波 ， 低 于 20 H z的稱 為 次 聲 波 。 常 用 的 超 聲 波 頻 率 為 幾 十 kH z到幾 十 MH z。 11.1 超

2、聲 波 式 傳 感 器 超 聲 波 傳 感 器 是 利 用 超 聲 波 的 特 性 研 制 而 成的 傳 感 器 。 超 聲 波 具 有 頻 率 高 、 波 長 短 ， 特 別 是方 向 性 好 、 能 夠 成 為 射 線 而 定 向 傳 播 等 特 點 。 超聲 波 對 液 體 、 固 體 的 穿 透 本 領(lǐng) 很 大 ， 尤 其 是 對 不透 光 的 固 體 ， 可 穿 透 幾 十 米 的 深 度 。 超 聲 波 碰 到雜 質(zhì) 或 分 界 面 會 產(chǎn) 生 反 射 、 折 射 和 波 型 轉(zhuǎn) 換 等 現(xiàn)象 。 因 此 超 聲 波 檢 測 廣 泛 應(yīng) 用 在 工 業(yè) 、 國 防 、 生物 醫(yī) 學(xué)

3、 等 方 面 。 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器一 些 超 聲 波 傳 感 器 如 圖 所 示 。 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器CUSS 陶 瓷 超 聲 波 傳 感 器 如 圖 所 示 。 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.1.1 超 聲 波 的 基 本 性 質(zhì)11.1.2 超 聲 波 傳 感 器11.1.3 超 聲 檢 測 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 1.波 型 及 其 轉(zhuǎn) 換 (1)波 型 由 于 聲 源 在 介 質(zhì) 中 施 力 方 向 與 波在 介 質(zhì) 中 傳 播 方 向 的 不 同 ， 超 聲 波 的 波 型 也 不同 ， 通 常 有 三

4、種 形 式 縱 波 。 質(zhì) 點 振 動 方 向 與 傳 播 方 向 一 致 的波 為 縱 波 。 它 能 在 固 體 、 液 體 或 氣 體 中 傳 播 。 橫 波 。 質(zhì) 點 振 動 方 向 垂 直 于 傳 播 方 向 的波 稱 為 橫 波 ， 它 只 能 在 固 體 中 傳 播 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 表 面 波 。 質(zhì) 點 振 動 介 于 縱 波 和 橫 波 之 間 ，介 質(zhì) 表 面 受 擾 動 的 質(zhì) 點 振 動 軌 跡 為 一 橢 圓 ， 如 圖所 示 。 沿 著 固 體 表 面 傳 播 ， 振 幅 隨 深 度 增 加 而 迅速 衰 減 ， 實 際 上 在 距 表 面 一

5、 個 波 長 以 上 的 地 方 ，振 動 己 近 消 失 。 工 業(yè) 應(yīng) 用 中 主 要 采 用 縱 波 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) (2)波 型 轉(zhuǎn) 換 當 縱 波 以 某 一 角 度 入 射 到 第二 介 質(zhì) (固 體 )的 界 面 上 時 ， 除 了 有 縱 波 的 反 射 、折 射 以 外 ， 還 發(fā) 生 橫 波 的 反 射 和 折 射 ； 在 某 種 情況 下 ， 還 能 產(chǎn) 生 表 面 波 。 各 種 波 型 都 符 合 反 射 及折 射 定 律 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 2.傳 播 速 度 超 聲 波 的 傳 播 速 度 與 介 質(zhì) 的 密 度 和 彈 性 特

6、 性有 關(guān) 。 氣 體 中 聲 速 約 344 m/s、 液 體 中 為 9001900 m/s； 在 固 體 中 縱 波 、 橫 波 、 表 面 波 三 者 的聲 速 有 一 定 的 關(guān) 系 ， 通 常 橫 波 聲 速 約 為 縱 波 的 一半 ， 表 面 波 聲 速 約 為 橫 波 的 90 %。 在 鋼 材 中 的縱 波 聲 速 約 5000 m/s。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 3.反 射 及 折 射 超 聲 波 在 兩 種 介 質(zhì) 中傳 播 時 ， 在 它 們 的 交 界 面上 ， 一 部 分 能 量 反 射 回 原介 質(zhì) ， 稱 為 反 射 波 ； 另 一部 分 能 量 透 射

7、 界 面 ， 在 另一 介 質(zhì) 內(nèi) 繼 續(xù) 傳 播 ， 稱 為折 射 波 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 對 于 反 射 波 ， 當入 射 波 和 反 射 波 的 波 型相 同 、 波 速 相 等 時 ， 反射 角 a 等 于 入 射 角 a。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 對 于 折 射 波 ， 入 射角 a、 折 射 角 b、 入 射 波在 介 質(zhì) 1中 的 速 度 c1及 折射 波 在 介 質(zhì) 2中 的 速 度 c2之 間 的 關(guān) 系 為 )1.11(sinsin 21cca b亦 即 bsinsin 21 cac 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 考 慮 到 可 能 有 波 型 轉(zhuǎn)

8、換 ， 如 圖 所 示 ， 可 寫 成 統(tǒng)一 的 公 式 如 下 b aaa sinsin sinsinsin S2L2 2S11L1L cc ccc 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 當 超 聲 波 垂 直 于 入 射 界 面 ， 即 a b 0時 ，聲 波 的 反 射 系 數(shù) R和 透 射 系 數(shù) T分 別 如 下式 中 ， I0, Ir, It分 別 為 入 射 波 、 反 射 波 、 透 射 波 的聲 強 ； r 1c1、 r2c2分 別 為 兩 介 質(zhì) 的 聲 阻 抗 ， r為 密度 ， c為 速 度 。 22211 22110t22211 22110r )(4 cc ccIITcc

9、ccIIR rr rrrr rr , 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 由 上 面 兩 式 可 知 若 r2c2r1c1， 則 R0， T1， 此 時 聲 波 幾 乎沒 有 反 射 ， 全 部 從 第 一 介 質(zhì) 透 射 入 第 二 介 質(zhì) ； 若 r2c2r1c1, R1， 則 聲 波 在 界 面 上 幾 乎全 反 射 ， 透 射 極 少 。 當 r 1c1r2c2時 ， 也 有 R1。 22211 22110t22211 22110r )(4, cc ccIITcc ccIIR rr rrrr rr 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 例 如 ， 20 時 水 的 聲 阻 抗 為 r1c1 1.

10、48 106 kg/(m2s)， 空 氣 的 聲 阻 抗 為 r2c2 0.000 429 106 kg/(m2s)， r1c1r2c2， 故 超 聲 波 從 水 中 傳 播 至水 氣 界 面 時 ， 將 發(fā) 生 全 反 射 。 反 之 亦 然 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 4.超 聲 波 的 衰 減 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時 ， 隨 著 傳 播 距 離 的 增加 ， 能 量 逐 漸 衰 減 ， 距 離 聲 源 x處 的 聲 壓 p和 聲 強 I 的 衰 減 規(guī) 律 為 )3.11(e )2.11(e 200 Axx Axx II pp 式 中 ， A為 衰 減 系 數(shù) 。

11、 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 衰 減 系 數(shù) A與 介 質(zhì) 密 度 及 波 的 頻 率 有 很 大關(guān) 系 。 氣 體 密 度 小 ， 則 衰 減 快 ， 尤 其 在 頻 率 高時 衰 減 更 快 。 因 此 在 空 氣 中 采 用 的 超 聲 波 頻 率較 低 (幾 十 kH z)， 而 在 固 體 或 液 體 中 較 高 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時 ， 能 量 的 衰 減 決 定 于 聲波 的 擴 散 、 散 射 和 吸 收 。 (1)擴 散 衰 減 是 指 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時 ，其 波 前 逐 漸 擴 展 ， 從 而 導(dǎo) 致

12、聲 波 能 量 逐 漸 減 弱 的現(xiàn) 象 。 它 和 波 陣 面 的 幾 何 形 狀 有 關(guān) 。 在 理 想 介 質(zhì) 中 ， 聲 波 的 衰 減 僅 來 自 于 聲 波 的擴 散 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) (2)散 射 衰 減 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 遇 到 尺寸 與 其 波 長 可 相 比 或 更 小 的 障 礙 物 時 會 產(chǎn) 生 散 射衰 減 。 產(chǎn) 生 散 射 衰 減 的 原 因 很 多 ， 可 分 為 兩 種 情況 ， 一 種 是 材 料 本 身 的 不 均 勻 ， 如 兩 種 材 料 的 交界 面 、 雜 質(zhì) 和 氣 孔 、 晶 體 材 料 的 各 向 異 性

13、 等 ； 另一 種 是 晶 粒 尺 寸 可 與 超 聲 波 波 長 相 比 的 粗 晶 粒 材料 ， 斜 入 射 的 超 聲 波 在 晶 界 的 散 亂 反 射 使 得 聲 能變 為 熱 能 而 損 耗 。 在 金 屬 中 這 往 往 是 超 聲 波 衰 減的 主 要 原 因 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) (3)吸 收 衰 減 超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時 ， 由于 介 質(zhì) 本 身 的 粘 滯 性 和 熱 傳 導(dǎo) 所 引 起 的 聲 能 損耗 稱 為 吸 收 衰 減 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 5.聲 阻 抗 介 質(zhì) 有 一 定 的 聲 阻 抗 ， 聲 阻 抗 等 于

14、介 質(zhì) 密度 與 超 聲 波 速 的 乘 積 。 11.1.1 超聲波的基本性質(zhì) 6.聲 壓 當 超 聲 波 在 彈 性 介 質(zhì) 中 傳 播 時 ， 介 質(zhì) 質(zhì) 點 除了 承 受 未 遭 擾 動 時 的 靜 壓 強 p0之 外 ， 還 有 隨 時 間交 替 變 化 的 附 加 壓 強 p， 稱 后 者 為 聲 壓 。 聲 壓 pf(x,y,z,t)， 是 時 間 和 空 間 的 函 數(shù) 。 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.1.1 超 聲 波 的 基 本 性 質(zhì)11.1.2 超 聲 波 傳 感 器11.1.3 超 聲 檢 測 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 11.1.2 超聲波傳感器 以 超 聲

15、波 作 為 檢 測 手 段 ， 必 須 產(chǎn) 生 超 聲 波 和接 收 超 聲 波 。 完 成 這 種 功 能 的 裝 置 就 是 超 聲 波 傳感 器 ， 習(xí) 慣 上 稱 為 超 聲 換 能 器 ， 或 者 超 聲 探 頭 。 按 超 聲 波 探 頭 的 結(jié) 構(gòu) ， 可 分 為 直 探 頭 ， 斜 探頭 ， 雙 探 頭 和 液 浸 探 頭 等 。 按 其 工 作 原 理 又 可 分為 壓 電 式 、 磁 致 伸 縮 式 、 電 磁 式 等 。 實 際 使 用 中壓 電 式 探 頭 最 為 常 見 。 11.1.2 超聲波傳感器 (1)壓 電 式 超 聲 波 探 頭 圖 示 為 壓 電 式 超

16、聲 波探 頭 結(jié) 構(gòu) ， 主 要 由 壓 電 晶 體 ， 吸 收 塊 (阻 尼 塊 )、保 護 膜 等 組 成 。 11.1.2 超聲波傳感器 (2)磁 致 伸 縮 型 超 聲 波換 能 器 其 工 作 原 理 是 基 于對 磁 性 材 料 加 上 磁 場 后 ， 就在 磁 場 方 向 產(chǎn) 生 應(yīng) 變 的 磁 致伸 縮 效 應(yīng) 和 加 上 應(yīng) 力 后 就 發(fā)生 磁 化 的 逆 磁 致 伸 縮 效 應(yīng) 。 圖 示 為 典 型 結(jié) 構(gòu) ， 其 上 限 頻 率 可 到 100 kH z左右 ， 主 要 用 于 海 洋 魚 群 探 測 器 和 聲 納 。 11.1.2 超聲波傳感器 (3)電 磁 超

17、聲 換 能 器 電 磁 超 聲 換 能 器 是 一種 新 型 的 超 聲 發(fā) 射 接 收 裝 置 。 特 點 是 超 聲 產(chǎn) 生 和接 收 的 過 程 中 換 能 器 與 媒 質(zhì) 表 面 非 接 觸 、 無 需 加聲 耦 合 劑 (提 高 耦 合 效 率 ， 如 B超 )、 重 復(fù) 性 好 、檢 測 速 度 高 。 11.1.2 超聲波傳感器 如 圖 所 示 ， 是 洛 侖 茲 力 式 電 磁 超 聲 換 能 器 產(chǎn)生 超 聲 波 的 原 理 圖 。 11.1.2 超聲波傳感器 (4)激 光 超 聲 波 發(fā) 生 器 它 是 利 用 激 光 來 產(chǎn) 生超 聲 波 的 。 激 光 可 以 在 固

18、體 中 產(chǎn) 生 超 聲 ， 也 可 以在 氣 體 和 液 體 中 產(chǎn) 生 超 聲 。 產(chǎn) 生 機 理 主 要 是 熱 彈性 膨 脹 機 理 ， 脈 沖 激 光 將 引 起 振 動 。 對 于 圖 示 壓 電 式 超 聲 波 探 頭 ， 超 聲 波 頻 率 與晶 片 厚 度 d、 縱 波 波 速 c、 密 度 r的 關(guān) 系 為11.1.2 超聲波傳感器)4.11( )1(22 時 ndcdncf式 中 ， n為 諧 波 級 數(shù) ， n 1,2,3, 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.1.1 超 聲 波 的 基 本 性 質(zhì)11.1.2 超 聲 波 傳 感 器11.1.3 超 聲 檢 測 技

19、 術(shù) 的 應(yīng) 用 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 1.超 聲 波 測 量 厚 度 超 聲 波 測 厚 主 要 有 脈 沖 回 波 法 ， 共 振 法 、 干涉 法 等 幾 種 。 應(yīng) 用 較 廣 的 是 脈 沖 回 波 法 。 脈 沖 回 波 法 測 量 試 件 厚 度 是 先 測 量 超 聲 波 脈沖 往 返 通 過 試 件 所 需 的 時 間 間 隔 t， 然 后 根 據(jù) 超 聲波 在 試 件 中 的 傳 播 速 度 c求 出 試 件 的 厚 度 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 測 量 時 超 聲 波 探 頭 與 被 測 物 體 表 面 接 觸 ； 主控 制 器 控 制 發(fā) 射 電

20、 路 發(fā) 射 一 定 頻 率 的 脈 沖 信 號 ，激 發(fā) 探 頭 發(fā) 射 超 聲 波 脈 沖 進 入 試 件 ， 到 達 底 面 后反 射 回 來 ， 并 由 同 一 探 頭 接 收 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 測 出 從 發(fā) 射 到 接 收 的 時 間 間 隔 t， 則 試 件 厚度 為 。 )5.11(2/ctH 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 2.超 聲 波 物 位 傳 感 器 它 是 利 用 超 聲 波 在 兩 種 介 質(zhì) 的 分 界 面 上 的 反射 特 性 制 成 的 。 根 據(jù) 發(fā) 射 和 接 收 換 能 器 的 功 能 ，傳 感 器 又 可 分 為 單 換 能 器

21、 和 雙 換 能 器 。 單 換 能 器發(fā) 射 和 接 收 超 聲 波 均 使 用 一 個 換 能 器 ， 而 雙 換 能器 發(fā) 射 和 接 收 各 由 一 個 換 能 器 擔(dān) 任 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 超 聲 波 發(fā) 射 和 接 收 換 能 器 可 設(shè) 置 在 液 體 中 ，讓 超 聲 波 在 液 體 中 傳 播 。 由 于 在 液 體 中 衰 減 比 較小 ， 所 以 即 使 發(fā) 射 的 超 聲 脈 沖 幅 度 較 小 也 可 以 傳播 。 發(fā) 射 和 接 收 換 能 器 也 可 以 安 裝 在 液 面 上 方 ，讓 超 聲 波 在 空 氣 中 傳 播 ， 這 種 方 式

22、便 于 安 裝 和 維修 ， 但 超 聲 波 在 空 氣 中 的 衰 減 比 較 厲 害 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 對 于 圖 示 單 換 能 器 來 說 ， 超 聲 波 從 發(fā) 射 到 液面 ， 又 從 液 面 反 射 到 換 能 器 的 時 間 為)6.11(2ht 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 對 于 圖 示 雙 換 能 器 來 說 ， 液 位 高 度 為 )7.11(2 22 ath 超 聲 物 位 傳 感 器 具 有 精 度 高 和 使 用 壽 命 長 的特 點 ， 但 若 液 體 中 有 氣 泡 或 液 面 發(fā) 生 波 動 ， 便 會有 較 大 的 誤 差 。 11

23、.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 3.超 聲 波 流 量 傳 感 器 超 聲 波 流 量 傳 感 器 的 測 定 原 理 是 多 樣 的 ， 如傳 播 速 度 變 化 法 、 波 速 移 動 法 、 多 普 勒 效 應(yīng) 法 、流 動 聽 聲 法 等 。 但 目 前 應(yīng) 用 較 廣 的 主 要 是 超 聲 波傳 輸 時 間 差 法 ， 它 利 用 的 是 超 聲 波 在 靜 止 流 體 和流 動 流 體 中 的 傳 輸 速 度 不 同 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 在 流 體 的 上 、 下 游 相距 L設(shè) 置 兩 個 超 聲 波 傳 感器 ， 它 們 既 可 發(fā) 射 又 可 接收 超 聲

24、波 。 設(shè) 順 流 方 向 的傳 輸 時 間 為 t1， 逆 流 方 向的 傳 輸 時 間 為 t2， 流 體 靜止 時 的 超 聲 波 速 度 為 c，流 體 流 動 速 度 為 ， 則 c Ltc Lt 21 , 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 一 般 來 說 ， 流 體 的 流 速 遠 小 于 超 聲 波 在 流 體中 的 傳 播 速 度 ， 那 么 超 聲 波 傳 播 時 間 差 為 22212 22 cLc Lc Lc Ltt 則 tLc 22 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用在 實 際 應(yīng) 用 中 ， 超聲 波 傳 感 器 安 裝 在 管 道的 外 部 ， 從 管 道 的 外 面

25、透 過 管 壁 發(fā) 射 和 接 收 超聲 波 不 會 給 管 路 內(nèi) 流 動的 流 體 帶 來 影 響 。 但 公式 需 相 應(yīng) 地 改 變 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 4.超 聲 波 探 傷 超 聲 波 探 傷 主 要 是 通 過 測 量 信 號 往 返 于 表 面和 缺 陷 之 間 的 時 間 ， 來 確 定 缺 陷 和 表 面 之 間 的 距離 ； 測 量 回 波 信 號 的 幅 度 和 改 變 發(fā) 射 換 能 器 的 位置 ， 來 確 定 缺 陷 的 大 小 和 方 位 。 這 就 是 通 常 所 說的 脈 沖 反 射 法 或 A掃 描 法 。 此 外 還 有 B掃 描 法

26、、 C掃 描 法 、 D掃 描 法 等 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 A掃 描 法 、 B掃 描法 、 C掃 描 法 、 D掃 描法 如 圖 所 示 。 11.1.3 超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用 一 種 多 功 能 超 聲 診 斷系 統(tǒng) 如 圖 所 示 。 超 聲 波 在 醫(yī) 療 領(lǐng) 域 還有 非 常 廣 泛 的 應(yīng) 用 ， 可 用于 疾 病 診 斷 和 治 療 。 11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.1.1 超 聲 波 的 基 本 性 質(zhì)11.1.2 超 聲 波 傳 感 器11.1.3 超 聲 檢 測 技 術(shù) 的 應(yīng) 用 第11章 波式、射線式和紅外傳感器11.1 超 聲 波 式 傳

27、感 器11.2 微 波 式 傳 感 器11.3 核 輻 射 式 傳 感 器11.4 紅 外 傳 感 器11.5 核 輻 射 與 紅 外 傳 感 器 應(yīng) 用 舉 例 11.2 微波式傳感器 1.微 波 式 傳 感 器 的 優(yōu) 點 (1)測 量 具 有 非 接 觸 性 ， 可 進 行 活 體 檢 驗 ，大 部 分 測 量 不 需 要 取 樣 。 (2)能 夠 適 應(yīng) 惡 劣 環(huán) 境 下 的 檢 測 。 如 高 溫 、高 壓 、 有 毒 、 放 射 性 環(huán) 境 及 惡 劣 天 氣 等 。 11.2 微波式傳感器 2.微 波 式 傳 感 器 的 缺 點 (1)零 點 漂 移 和 標 定 問 題 尚 未

28、 獲 得 較 滿 意 的解 決 。 (2)受 外 界 影 響 的 因 素 比 較 多 ， 如 溫 度 、 壓力 、 取 樣 位 置 等 。 此 外 ， 一 般 價 格 昂 貴 。 11.2 微波式傳感器一 些 應(yīng) 用 如 圖 所 示 。 11.2 微波式傳感器 一 種 用 于 自 動 門 的 微 波 傳 感器 及 微 波 感 應(yīng) 控 制 器 如 圖 所 示 。用 途 ： 適 用 于 賓 館 、 銀 行 、 辦 公樓 、 工 廠 等 出 入 人 員 較 多 場 所 的自 動 門 。 11.2 微波式傳感器11.2.1 微 波 的 性 質(zhì) 與 特 點11.2.2 微 波 振 蕩 器 與 微 波 天

29、 線11.2.3 微 波 傳 感 器 及 其 應(yīng) 用 11.2.1 微波的性質(zhì)與特點 微 波 是 波 長 為 1 mm 1 m的 電 磁 波 ， 電 磁 波波 段 的 劃 分 如 下 表 所 示 。 11.2.1 微波的性質(zhì)與特點 微 波 可 細 分 為 三 個 波 段 ： 分 米 波 、 厘 米 波 、毫 米 波 (甚 至 還 包 括 亞 毫 米 波 )。 既 具 有 電 磁 波 的性 質(zhì) ， 又 不 同 于 普 通 無 線 電 波 和 光 波 的 性 質(zhì) 。 微波 具 有 下 列 特 點 ： 定 向 輻 射 裝 置 容 易 制 造 ； 遇 到 各 種 障 礙 物 易 于 反 射 ； 繞 射

30、 能 力 差 ； 傳輸 特 性 好 ， 傳 輸 過 程 中 受 煙 霧 、 火 焰 、 灰 塵 、 強光 的 影 響 很 小 ； 介 質(zhì) 對 微 波 的 吸 收 與 介 質(zhì) 的 介電 常 數(shù) 成 比 例 ， 水 對 微 波 的 吸 收 作 用 最 強 。 11.2 微波式傳感器11.2.1 微 波 的 性 質(zhì) 與 特 點11.2.2 微 波 振 蕩 器 與 微 波 天 線11.2.3 微 波 傳 感 器 及 其 應(yīng) 用 11.2.2 微波振蕩器與微波天線 微 波 振 蕩 器 是 產(chǎn) 生 微 波 的 裝 置 。 由 于 微 波 波長 很 短 ， 頻 率 很 高 (300 MH z 300 G H

31、 z)， 要 求振 蕩 回 路 具 有 非 常 微 小 的 電 感 與 電 容 。 故 不 能 用普 通 電 子 管 與 晶 體 管 構(gòu) 成 微 波 振 蕩 器 。 構(gòu) 成 微 波振 蕩 器 的 器 件 有 調(diào) 整 管 ， 磁 控 管 或 某 些 固 體 元 件 。 由 微 波 振 蕩 器 產(chǎn) 生 的 振 蕩 信 號 需 要 用 波 導(dǎo) 管(波 長 在 10 cm以 上 可 用 同 軸 線 )傳 輸 ， 并 通 過 微 波天 線 發(fā) 射 出 去 。 11.2.2 微波振蕩器與微波天線 為 了 使 發(fā) 射 的 微 波 具 有 尖 銳 的 方 向 性 ， 天 線應(yīng) 具 有 特 殊 的 結(jié) 構(gòu) 。

32、常 用 的 有 喇 叭 型 天 線 、 拋 物面 天 線 、 介 質(zhì) 天 線 與 隙 縫 天 線 等 。(a)扇 形 喇 叭 天 線 ； (b)圓 錐 形 喇 叭 天 線 ；(c)旋 轉(zhuǎn) 拋 物 面 天 線 ； (d)拋 物 柱 面 天 線 11.2 微波式傳感器11.2.1 微 波 的 性 質(zhì) 與 特 點11.2.2 微 波 振 蕩 器 與 微 波 天 線11.2.3 微 波 傳 感 器 及 其 應(yīng) 用 1.微 波 傳 感 器 微 波 傳 感 器 是 利 用 微 波 特 性 來 檢 測 某 些 物 理量 的 器 件 或 裝 置 ， 通 常 由 微 波 振 蕩 器 、 微 波 天 線以 及 微

33、 波 檢 測 器 三 部 分 組 成 。 由 發(fā) 射 天 線 發(fā) 出 微波 ， 遇 到 被 測 物 體 時 被 吸 收 或 反 射 ， 使 微 波 功 率發(fā) 生 變 化 。 利 用 接 收 天 線 ， 接 收 通 過 或 反 射 回 來的 微 波 ， 并 將 它 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號 ， 再 經(jīng) 過 信 號 調(diào) 理電 路 ， 即 可 顯 示 出 被 測 量 ， 實 現(xiàn) 微 波 檢 測 。11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 根 據(jù) 其 工 作 原 理 ， 微 波 傳 感 器 可 分 為 反 射 式和 遮 斷 式 兩 類 。 (1)反 射 式 微 波 傳 感 器

34、它 是 通 過 檢 測 被 測物 反 射 回 來 的 微 波 功 率 或 經(jīng) 過 的 時 間 間 隔 來 測 量被 測 量 的 。 可 測 量 物 體 的 位 置 、 位 移 、 厚 度 等 。 (2)遮 斷 式 微 波 傳 感 器 它 是 通 過 檢 測 接 收天 線 接 收 到 的 微 波 功 率 大 小 來 判 斷 發(fā) 射 天 線 與 接收 天 線 之 間 有 無 被 測 物 體 或 被 測 物 體 的 厚 度 、 含水 量 等 參 數(shù) 的 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 2.微 波 傳 感 器 的 應(yīng) 用 (1)微 波 液 位 計 它 由 相 互 構(gòu) 成 一 定 角 度 、相 距

35、 為 s的 發(fā) 射 天 線 與 接 收 天 線 構(gòu) 成 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 微 波 傳 播 的 距 離 為 2222 422 dsdsa 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 波 長 為 l的 微 波 從 被 測 液 面 反 射 后 進 入 接 收天 線 。 接 收 天 線 接 收 到 的 功 率 將 隨 被 測 液 面 的 高低 不 同 而 異 。 接 收 天 線 接 收 到 的 功 率 為)8.11(44 22 rtt2r ds GGPP l 式 中 ， Pt為 發(fā) 射 天 線 發(fā) 射 的 功 率 ； Gt為 發(fā) 射 天 線的 增 益 ； Gr為 接 收 天 線 的 增 益

36、。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 (2)微 波 物 位 計 圖 示 為 微 波 開 關(guān) 式 物 位 計示 意 圖 。 當 被 測 物 位 較 低 時 ， 接 收 天 線 接 收 到 的功 率 為 )9.11(4 rtt20 GGPsP l 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 當 被 測 物 位 升 高 到 天 線 所 在 高 度 時 ， 微 波 束部 分 被 吸 收 ， 部 分 被 反 射 ， 接 收 天 線 接 收 到 的 功率 為 )10.11( 0r PP 式 中 ， 是 由 被 測 物 形 狀 、 材 料 性 質(zhì) 、 電 磁 性 能等 因 素 決 定 的 系 數(shù) 。 11.2.3 微

37、波傳感器及其應(yīng)用 圖 示 為 一 種 新 型 的 導(dǎo)向 微 波 式 物 位 測 量 儀 。 極短 的 微 波 脈 沖 沿 著 一 根 鋼纜 、 套 管 、 或 鋼 棒 發(fā) 射 出去 ， 接 觸 到 介 電 常 數(shù) 不 同的 介 質(zhì) 后 被 反 射 回 來 。 通 過 一 種 特 殊 的 掃 描 技 術(shù) 可 高 精 度 地 測 量 很短 的 微 波 運 行 時 間 。 通 過 計 算 微 波 的 運 行 時 間 ，可 計 算 出 到 介 質(zhì) 的 距 離 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 (3)微 波 測 厚 儀 在 被 測 金 屬 上 、 下 兩 面 各安 裝 一 個 終 端 器 。 微 波

38、 傳 輸 路 線 如 圖 所 示 ， 被 測金 屬 厚 度 增 大 時 微 波 電 行 程 長 度 將 減 小 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 這 個 電 行 程 長 度 變 化 是 十 分 微 小 的 。 為 此 ，常 采 用 微 波 自 動 平 衡 電 橋 。 左 邊 為 測 量 臂 ， 右 邊為 參 考 臂 。 參 考 臂 中 微 波 傳 輸 路 線 如 圖 所 示 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 若 測 量 臂 和 參 考 臂 電 行 程 完 全 相 同 ， 則 反 相迭 加 的 微 波 經(jīng) 檢 波 器 檢 波 后 ， 輸 出 為 零 ， 電 橋 平衡 ； 若 二 者 電

39、行 程 長 度 不 同 ， 則 有 輸 出 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 此 差 值 信 號 經(jīng) 放 大 后 控 制 可 逆 電 機 ， 使 補 償短 路 器 產(chǎn) 生 位 移 ， 改 變 參 考 臂 的 電 行 程 ， 直 到 測量 臂 與 參 考 臂 電 行 程 完 全 相 同 為 止 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 補 償 短 路 器 位 移 與 被 測 金 屬 厚 度 增 量 之 間 的關(guān) 系 式 為式 中 ， LA、 LB分 別 為 測 量 臂 和 參 考 臂 在 電 橋 平 衡時 的 電 行 程 長 度 ， 且 LA LB； LA、 LB為 電 行 程長 度 的 變 化

40、 值 ； h為 被 測 金 屬 厚 度 變 化 值 ， s為補 償 短 路 器 的 位 移 。 )11.11(22 AB AABB hL sL LLLL 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 (4)微 波 濕 度 傳 感 器 水 分 子 是 極 性 分 子 ， 常態(tài) 下 成 偶 極 子 形 式 ， 分 布 雜 亂 無 章 。 當 微 波 場 中有 水 分 子 時 ， 偶 極 子 受 場 的 作 用 而 反 復(fù) 取 向 ， 不斷 從 電 場 中 得 到 能 量 和 釋 放 能 量 ， 前 者 表 現(xiàn) 為 微波 信 號 的 相 移 ， 后 者 表 現(xiàn) 為 微 波 信 號 的 衰 減 。 這個 特 性

41、可 用 復(fù) 數(shù) 形 式 的 介 電 常 數(shù) e來 表 征 ， 即 eee 式 中 ， e、 e分 別 為 相 移 和 衰 減 的 度 量 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 e與 e不 僅 與 測 試 信 號 頻 率 有 關(guān) ， 還 與 材 料有 關(guān) ， 所 有 極 性 分 子 均 有 此 特 性 。 一 般 干 燥 物 體 ，如 木 材 、 皮 革 、 谷 物 、 紙 張 、 塑 料 等 ， 其 e在 1 5范 圍 內(nèi) ， 而 水 的 e則 高 達 64。 因 此 ， 如 果 材 料 中 含有 少 量 水 分 子 時 ， 其 復(fù) 合 e將 顯 著 上 升 。 e也 有 類似 性 質(zhì) 。 使

42、 用 微 波 傳 感 器 ， 測 量 干 燥 物 體 與 含 一定 水 分 的 潮 濕 物 體 所 引 起 的 微 波 信 號 的 相 移 與 衰減 量 ， 就 可 換 算 出 物 體 的 含 水 量 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用一 種 德 國 生 產(chǎn) 的 微 波 水 分 測 定 儀 如 圖 所 示 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 (5)微 波 傳 感 器 控 制 的 自 動 燈 電 路 圖 如 圖所 示 。 其 核 心 器 件 是 RD627微 波 多 普 勒 效 應(yīng) 傳 感器 模 塊 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 該 模 塊 由 振 蕩 器 、 發(fā) 射 器 、 檢 測

43、 器 、 信 號 放大 器 、 限 幅 、 穩(wěn) 壓 、 延 時 等 電 路 組 成 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 振 蕩 器 產(chǎn) 生 的 微 波 信 號 ， 經(jīng) 環(huán) 形 天 線 發(fā) 射 出去 ， 構(gòu) 成 一 個 覆 蓋 范 圍 大 于 100 m2的 微 波 監(jiān) 控 區(qū)域 ， 當 有 人 在 該 區(qū) 域 內(nèi) 走 動 時 ， 反 射 回 來 的 微 波信 號 產(chǎn) 生 頻 移 ， 該 信 號 經(jīng) 檢 測 器 處 理 后 ， 再 經(jīng) 放大 ， 輸 出 一 種 和 人 體 移 動 相 應(yīng) 的 超 低 頻 信 號 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 SA1接 通 后 ， IC1加 電 處 于

44、守 候 狀 態(tài) 。 當 有 人來 時 ， 使 IC2內(nèi) 部 開 關(guān) 閉 合 ， 繼 電 器 J驅(qū) 動 SA2閉合 導(dǎo) 通 ， 燈 泡 ZD發(fā) 光 。 人 走 后 燈 泡 熄 滅 。 11.2.3 微波傳感器及其應(yīng)用 (6)微 波 測 定 移 動 物 體 的 速 度 它 是 利 用 雷達 能 動 地 將 微 波 發(fā) 射 到 對 象 物 ， 并 接 收 反 射 波 的能 動 型 傳 感 器 。 若 物 體 到 發(fā) 射 天 線 的 距 離 為 r、相 對 運 動 速 度 為 ， 則 由 于 多 普 勒 效 應(yīng) ， 反 射 波的 頻 率 fr發(fā) 生 偏 移 ， fr f0 fD， fD是 多 普 勒

45、頻 移 ，可 表 示 為 cff 0D 2 11.2 微波式傳感器11.2.1 微 波 的 性 質(zhì) 與 特 點11.2.2 微 波 振 蕩 器 與 微 波 天 線11.2.3 微 波 傳 感 器 及 其 應(yīng) 用 第11章 波式、射線式和紅外傳感器11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.2 微 波 式 傳 感 器11.3 核 輻 射 式 傳 感 器11.4 紅 外 傳 感 器11.5 核 輻 射 與 紅 外 傳 感 器 應(yīng) 用 舉 例 11.3 核輻射式傳感器 核 輻 射 式 (射 線 式 )傳 感 器 是 根 據(jù) 被 測 物 質(zhì) 對核 輻 射 的 吸 收 、 反 射 、 散 射 或 核 輻

46、射 對 被 測 物 質(zhì)的 電 離 激 發(fā) 作 用 而 進 行 工 作 的 。 11.3 核輻射式傳感器11.3.1 核 輻 射 式 傳 感 器 的 物 理 基 礎(chǔ)11.3.2 核 輻 射 傳 感 器 的 組 成 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) 1.同 位 素 凡 原 子 序 數(shù) 相 同 而 原 子 質(zhì) 量 不 同 的 元 素 ， 在元 素 周 期 表 中 占 同 一 位 置 ， 稱 之 為 同 位 素 。 當 沒有 外 因 作 用 時 ， 有 的 同 位 素 的 原 子 核 會 自 動 發(fā) 生衰 變 并 放 出 射 線 ， 這 種 同 位 素 就 稱 為 放 射 性 同 位素 。 其

47、衰 減 規(guī) 律 為 )12.11(e 0 tlaa 式 中 ， a0、 a分 別 為 初 始 時 與 經(jīng) 過 時 間 t后 的 原 子核 數(shù) ； l為 衰 變 常 數(shù) 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) 常 用 和 l有 關(guān) 的 另 一 個 常 數(shù) 即 半 衰 期 t來 表示 衰 變 的 快 慢 。 半 衰 期 是 指 放 射 性 同 位 素 的 原子 核 數(shù) 衰 變 到 一 半 時 所 需 要 的 時 間 ， 可 求 出 t為)13.11(693.02ln llt t和 l都 是 不 受 任 何 外 界 作 用 影 響 而 且 和 時 間無 關(guān) 的 恒 量 。 但 是 ， 不 同 放

48、 射 性 元 素 的 半 衰 期 是不 同 的 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) 2.核 輻 射 放 射 性 同 位 素 在 衰 變 過 程 中 放 出 一 種 特 殊 的帶 有 一 定 能 量 的 粒 子 束 或 射 線 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 核輻 射 。 其 放 出 的 粒 子 束 或 射 線 有 以 下 幾 種 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) (1)a粒 子 質(zhì) 量 為 4.002775 u， 帶 有 2個 正 電荷 ， 亦 即 氦 原 子 核 。 放 射 出 a粒 子 后 同 位 素 的 原子 序 數(shù) 將 減 少 兩 個 單 位 而 變 為 另 一 種 元 素

49、。 a粒子 具 有 40 100 MeV的 能 量 ， 在 空 氣 中 射 程 為 幾cm到 十 幾 cm， 主 要 用 于 氣 體 分 析 ， 測 量 氣 體 壓力 、 流 量 等 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) (2)b粒 子 它 實 際 上 是 高 速 運 動 的 電 子 ， 質(zhì)量 為 0.000549 u， 帶 有 一 個 單 位 的 負 電 荷 ， 能 量為 100 keV 幾 MeV， 運 動 速 度 比 a粒 子 高 很 多 ，接 近 光 速 ， 在 氣 體 中 的 射 程 可 達 20 m。 b衰 變 是原 子 核 中 的 一 個 中 子 轉(zhuǎn) 變 成 一 個 質(zhì) 子

50、 而 放 出 一 個電 子 的 結(jié) 果 。 放 射 出 b粒 子 后 同 位 素 的 原 子 序 數(shù)將 增 加 一 個 單 位 而 變 為 另 一 種 元 素 。 b粒 子 用 于測 量 材 料 厚 度 、 密 度 等 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) (3)射 線 它 是 一 種 電 磁 輻 射 。 原 子 核 從 不穩(wěn) 定 的 高 激 發(fā) 態(tài) 在 極 短 時 間 內(nèi) (10 14 s)將 多 余 能量 以 電 磁 輻 射 (光 子 )形 式 放 射 出 來 ， 躍 遷 到 穩(wěn) 定的 基 態(tài) 或 較 穩(wěn) 定 的 低 能 態(tài) ， 并 且 不 改 變 其 組 成 的過 程 稱 為 衰

51、變 (或 稱 躍 遷 )， 射 出 的 射 線 稱 射 線或 光 子 。 射 線 的 波 長 較 短 (約 10 10 10 12 m)，不 帶 電 ， 能 穿 透 幾 十 厘 米 厚 的 固 體 物 質(zhì) ， 在 氣 體中 射 程 達 數(shù) 百 米 。 根 據(jù) 輻 射 穿 透 力 強 這 一 特 性 來制 作 探 傷 儀 、 金 屬 厚 度 計 和 物 位 計 等 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) 放 射 性 的 強 弱 稱 為 放 射 強 度 (或 核 輻 射 強度 )， 常 以 單 位 時 間 內(nèi) 發(fā) 生 衰 變 的 次 數(shù) 表 示 。放 射 強 度 也 是 隨 時 間 按 指 數(shù)

52、 規(guī) 律 而 減 少 ， 即)14.11(e 0 tII l 放 射 強 度 的 單 位 是 居 里 (Ci)。 1 Ci等 于 放射 源 每 秒 鐘 發(fā) 生 3.7 1010次 核 衰 變 。 在 檢 測 儀表 中 ， Ci單 位 太 大 ， 通 常 用 它 的 千 分 之 一 來表 示 ， 稱 為 毫 居 里 (mCi)。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) 3.核 輻 射 與 物 質(zhì) 間 的 相 互 作 用 主 要 是 電 離 、 吸 收 和 反 射 。 (1)電 離 作 用 當 具 有 一 定 能 量 的 帶 電 粒 子穿 透 物 質(zhì) 時 ， 通 過 和 物 質(zhì) 相 互 作 用 不

53、 斷 地 損 失能 量 ， 帶 電 粒 子 的 速 度 越 來 越 小 ， 在 它 們 經(jīng) 過的 路 程 上 形 成 許 多 離 子 對 ， 這 即 是 電 離 作 用 。這 是 帶 電 粒 子 和 物 質(zhì) 相 互 作 用 的 主 要 形 式 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) a離 子 由 于 能 量 、 質(zhì) 量 和 電 荷 量 大 ， 故 電離 作 用 最 強 ， 但 射 程 較 短 。 b離 子 質(zhì) 量 小 ， 電 離 能 力 比 同 樣 能 量 的 a粒 子 要 弱 。 由 于 b離 子 易 于 散 射 ， 所 以 其 行 程 是彎 彎 曲 曲 的 。 粒 子 幾 乎 沒 有

54、直 接 電 離 作 用 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) (2)核 輻 射 的 吸 收 、 散 射 和 反 射 a、 b、 射線 穿 透 物 質(zhì) 時 ， 一 部 分 能 量 被 物 質(zhì) 吸 收 ， 一 部 分能 量 被 散 射 掉 。 因 此 ， 粒 子 或 射 線 能 量 (即 強 度 )按 下 述 關(guān) 系 式 衰 減 )16.11(e m0 hJJ r式 中 ， h為 穿 透 物 質(zhì) 的 厚 度 ； r為 物 質(zhì) 的 密 度 ； m為 物 質(zhì) 的 質(zhì) 量 吸 收 系 數(shù) 。 11.3.1 核輻射式傳感器的物理基礎(chǔ) 三 種 射 線 中 ， 射 線 的 穿 透 力 最 強 ， b射

55、線次 之 ， a射 線 最 弱 。 b射 線 的 散 射 作 用 表 現(xiàn) 最 為 突 出 。 當 b射 線穿 透 物 質(zhì) 時 ， 容 易 改 變 其 運 動 方 向 而 產(chǎn) 生 散 射 。向 相 反 方 向 散 射 時 即 反 射 ， 有 時 稱 為 反 散 射 。 反 射 大 小 取 決 于 散 射 物 質(zhì) 的 性 質(zhì) 和 厚 度 。 b射 線 的 散 射 隨 物 質(zhì) 的 原 子 序 數(shù) 增 大 而 加 大 。 當原 子 序 數(shù) 增 大 到 極 限 時 ， 幾 乎 全 部 反 射 回 來 。反 射 的 大 小 與 反 射 物 質(zhì) 厚 度 有 如 下 關(guān) 系 11.3.1 核輻射式傳感器的物理

56、基礎(chǔ) 式 中 ， Jh為 反 射 物 質(zhì) 厚 為 h時 ， 射 線 被 反 射 的 強度 ； Jm為 當 h趨 向 無 窮 大 時 的 反 射 強 度 ， 與 原 子序 數(shù) 有 關(guān) ； h為 取 決 于 輻 射 能 量 的 常 數(shù) 。)17.11()e1( hm hh JJ 11.3 核輻射式傳感器11.3.1 核 輻 射 式 傳 感 器 的 物 理 基 礎(chǔ)11.3.2 核 輻 射 傳 感 器 的 組 成 11.3.2 核輻射傳感器的組成 核 輻 射 傳 感 器 主 要 由 輻 射 源 和 探 測 器 組 成 。 1.輻 射 源 利 用 核 輻 射 傳 感 器 進 行 測 量 時 ， 需 要

57、有 可 放射 出 a、 b粒 子 或 射 線 的 輻 射 源 。 選 擇 輻 射 源 應(yīng) 盡量 提 高 檢 測 靈 敏 度 和 減 小 統(tǒng) 計 誤 差 。 為 避 免 經(jīng) 常更 換 放 射 源 ， 要 求 半 衰 期 較 長 。 因 此 ， 盡 管 放 射性 同 位 素 種 類 很 多 ， 但 能 用 于 測 量 的 只 有 20種 左右 。 最 常 用 的 有 60Co、 137Cs、 241Am及 90Sr等 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 放 射 源 容 器 的 結(jié) 構(gòu) 應(yīng) 能 使 射 線 從 測 量 方 向 射出 ， 其 他 方 向 盡 可 能 少 ， 以 減 少 對 人 體 的

58、 危 害 。b輻 射 源 一 般 為 圓 盤 狀 ， 射 線 輻 射 源 一 般 為 絲 狀 、圓 柱 狀 或 圓 片 狀 。 圖 示 為 b厚 度 計 輻 射源 容 器 ， 輻 射 線 出 口 處 裝有 耐 輻 射 薄 膜 ， 以 防 灰 塵侵 入 ， 并 能 防 止 輻 射 源 受到 意 外 損 傷 而 造 成 污 染 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 2.核 輻 射 探 測 器 核 輻 射 探 測 器 又 稱 核 輻 射 接 收 器 。 其 作 用 是將 核 輻 射 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 電 信 號 ， 探 測 出 射 線 的 強 弱和 變 化 ， 從 而 探 測 出 被 測 參 數(shù)

59、的 大 小 及 變 化 。 其工 作 原 理 或 者 是 根 據(jù) 在 核 輻 射 作 用 下 某 些 物 質(zhì) 的發(fā) 光 效 應(yīng) ， 或 者 是 根 據(jù) 當 核 輻 射 穿 過 它 們 時 發(fā) 生的 氣 體 電 離 效 應(yīng) 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 常 用 的 核 輻 射 探 測 器 有 ： 電 離 室 、 蓋 革 彌勒 計 數(shù) 管 、 閃 爍 計 數(shù) 器 和 半 導(dǎo) 體 探 測 器 等 。 (1)電 離 室 電 離 室 是 利 用 射 線 對 氣 體 的 電 離作 用 而 設(shè) 計 的 一 種 輻 射 探 測 器 ， 它 的 主 要 組 成 部分 是 兩 個 電 極 和 充 滿 在

60、兩 個 電 極 間 的 氣 體 。 氣 體可 以 是 空 氣 或 某 些 惰 性 氣 體 。 電 離 室 的 形 狀 有 圓柱 體 和 方 盒 狀 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 如 圖 所 示 ， 在 電 離 室 兩 側(cè) 放 置 相 互 絕 緣 的 板電 極 ， 加 上 適 當 電 壓 。 放 射 線 進 入 電 極 間 的 氣 體中 ， 電 離 室 中 的 氣 體 介 質(zhì) 被 電 離 ， 離 子 在 電 場 作用 下 移 動 形 成 電 流 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 電 流 I與 電 壓 U的 關(guān) 系 曲 線 如 圖 所 示 (曲 線 1、2、 3分 別 代 表 不 同

61、的 輻 射 強 度 下 的 特 性 曲 線 )。一 般 電 離 室 工 作 在 特 性 曲 線 的 飽 和 段 ， 其 輸 出 電流 正 比 于 入 射 到 電 離 室 中 的 核 輻 射 強 度 。 1 2 3 UU2U1O I 11.3.2 核輻射傳感器的組成 在 核 輻 射 檢 測 儀 表 中 ， 有 時 用 一 個 電 離 室 ，有 時 用 兩 個 。 用 兩 個 電 離 室 時 設(shè) 計 成 差 分 電 離 室 ，以 減 少 測 量 誤 差 ， 如 圖 所 示 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 電 離 室 主 要 用 來 探 測 a、 b粒 子 。 在 同 樣 條件 下 ， 進 入

62、 電 離 室 的 a粒 子 比 b粒 子 所 產(chǎn) 生 的 電 流大 100多 倍 。 利 用 電 離 室 測 量 a、 b粒 子 時 ， 效 率可 接 近 100 %， 測 量 射 線 時 ， 則 效 率 很 低 。 這 是因 為 射 線 沒 有 直 接 電 離 的 本 領(lǐng) ， 它 是 靠 從 電 離室 的 壁 上 打 出 二 次 電 子 ， 二 次 電 子 起 電 離 作 用 。一 般 電 離 室 的 效 率 只 有 1 % 2 %。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 (2)蓋 革 彌 勒 計 數(shù) 管 (氣 體 放 電 記 數(shù) 管 ) 蓋革 彌 勒 計 數(shù) 管 也 是 根 據(jù) 射 線 對 氣

63、 體 的 電 離 作 用而 設(shè) 計 的 輻 射 探 測 器 。 它 與 電 離 室 不 同 的 地 方 主要 在 于 工 作 在 氣 體 放 電 區(qū) 域 ， 具 有 放 大 作 用 。 因此 ， 它 常 用 于 探 測 b粒 子 和 射 線 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 (3)閃 爍 計 數(shù) 器 物 質(zhì) 受 放 射 線 的 作 用 而 被激 發(fā) ， 在 由 激 發(fā) 態(tài) 躍 遷 到 基 態(tài) 的 過 程 中 ， 發(fā) 射 出脈 沖 光 的 現(xiàn) 象 稱 為 閃 爍 現(xiàn) 象 。 能 產(chǎn) 生 這 種 發(fā) 光 現(xiàn)象 的 物 質(zhì) 稱 為 閃 爍 體 。 閃 爍 計 數(shù) 器 先 將 輻 射 能 變?yōu)?光

64、 能 ， 然 后 再 將 光 能 變 為 電 能 而 進 行 探 測 ， 它由 閃 爍 體 和 光 電 倍 增 管 兩 部 分 組 成 ， 如 圖 所 示 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 例 如 鉈 激 活 的 碘 化 鈉 用 來 探 測 射 線 的 效率 高 達 20 30 。 11.3.2 核輻射傳感器的組成 (4)半 導(dǎo) 體 探 測 器 半 導(dǎo) 體 探 測 器 是 近 年 來迅 速 發(fā) 展 起 來 的 一 種 射 線 探 測 器 。 入 射 到 半 導(dǎo) 體中 的 a、 b粒 子 能 夠 激 發(fā) 電 子 空 穴 對 。 射 線 由于 光 電 效 應(yīng) 、 康 普 頓 散 射 、 電 子

65、 對 效 應(yīng) 等 而 產(chǎn) 生二 次 電 子 ， 也 能 激 發(fā) 電 子 空 穴 對 。 若 取 出 這 些生 成 的 電 荷 ， 可 以 將 放 射 線 變 為 電 信 號 。 11.3 核輻射式傳感器11.3.1 核 輻 射 式 傳 感 器 的 物 理 基 礎(chǔ)11.3.2 核 輻 射 傳 感 器 的 組 成 第11章 波式、射線式和紅外傳感器11.1 超 聲 波 式 傳 感 器11.2 微 波 式 傳 感 器11.3 核 輻 射 式 傳 感 器11.4 紅 外 傳 感 器11.5 核 輻 射 與 紅 外 傳 感 器 應(yīng) 用 舉 例 11.4 紅外傳感器 紅 外 技 術(shù) 是 在 最 近 幾 十

66、 年 發(fā) 展 起 來 的 一 門 新興 技 術(shù) 。 它 已 在 科 技 、 國 防 和 工 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 等 領(lǐng) 域獲 得 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 按 其 應(yīng) 用 可 分 為 以 下 幾 方 面 紅 外 輻 射 計 ， 用 于 輻 射 和 光 譜 輻 射 測 量 ； 搜 索 和 跟 蹤 系 統(tǒng) ， 用 于 搜 索 和 跟 蹤 紅 外 目標 ， 確 定 其 空 間 位 置 并 對 它 的 運 動 進 行 跟 蹤 ； 11.4 紅外傳感器 熱 成 像 系 統(tǒng) ， 可 產(chǎn) 生 整 個 目 標 紅 外 輻 射 的分 布 圖 像 ， 如 紅 外 圖 像 儀 、 多 光 譜 掃 描 儀 等 ； 紅 外 測 距 和 通 信 系 統(tǒng) ； 混 合 系 統(tǒng) ， 是 指 以 上 各 類 系 統(tǒng) 中 的 兩 個 或多 個 的 組 合 。 11.4 紅外傳感器11.4.1 紅 外 輻 射 的 基 本 知 識11.4.2 紅 外 輻 射 的 基 本 定 律11.4.3 紅 外 探 測 器 11.4.1 紅外輻射的基本知識 紅 外 輻 射 又 稱 為 紅 外 線 ， 波 長 范 圍 大 致 在0.76 100