第11章波与射线传感器.ppt

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1、,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,主要内容,11.1 超声波传感器 11.2 红外线传感器 11.3 核辐射传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,声波频率界限 人耳听见的波称声波（机械波）频率在1620KHz； 次声波低于20Hz；超声波高于20KHz .,声波频率界限,11.1 超声波传感器 11.1.1 超声波及物理特性,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器 11.1.1 超声波及物理特性,超声波技术 是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术; 通过超声波的产生 传播 接受等物理过程完成

2、。 超声波传感器主要功能是产生、接收超声波信号。 根据超声波的各种物理特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米； 当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。 超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。 超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。,11.1 超声波传感器 11

3、.1.1 超声波及物理特性,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减， 衰减规律用声的能量描述：,11.1 超声波传感器 11.1.1 超声波及物理特性,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,目前市场销售的超声波传感器有两种形式： 专用型 、兼用型 产品通常标有谐振中心频率： 23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。 超声波传感器有发射、接收两部分 发射元件；利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转 换为机械振动产生超声波； 接收元件；利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换 为电信号。,11.1 超声波传感器 11.

4、1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,不同超声波传感器工作方式 超声波传感器使用时的两种形式： 反射式、直射式,11.1 超声波传感器 11.1.2 超声波传感器,发射探头（TX）,接收探头（RX）,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,各种超声波传感器产品,11.1 超声波传感器 11.1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波传感器等效电路,11.1 超声波传感器 11.1.2 超声波传感器,C,C,L,R,等效电路,fr:L、C、R产生的串联谐振频率 fa：L、C、C产生的并联谐振频率,电抗特性,超声波传感器可等效为一个RL

5、C的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中频率低的fr：L、C、R产生的串联谐振频率；频率高的 fa：L、C、C产生的并联谐振频率超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,在超声波发送器双振子施加40KHz电压，通过逆压电效应，使压电振子振动发送出超声波信号。接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号放大处理。,超声波传感器的工作原理,11.1 超声波传感器 11.1.2 超声波传感器,超声波传感器结构,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器 11.1.

6、2 超声波传感器,压电晶片为圆形薄片，超声波频率f与圆片厚度成反比； 阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器 11.1.2 超声波传感器,超声波测液位,s,超声波在液体中传播测量,超声波在空气中传播测量,单换能器 从发射到接收的时间 ： t = 2h/C 传感器到液面的距离： h = Ct/2 双换能器 经过的路程： 2S = ct 液位高度：,C：超声波在介质中传播速度,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,发射驱动电路： 由反向器组成RC 振荡器经门电路完成 功

7、率放大，经CP耦合 传送给超声波振子产 生超声发射信号。,11.1 超声波传感器 11.1.3 超声波传感器测距原理,超声波传感器发射基本电路,超声波传感器测距基本电路主要由 振荡发射电路、检测电路两部分组成：,振荡器频率调整,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波传感器接收电路,检测电路： 超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路 用于检测反射波，输出的高频信号电压接检 波、放大、开关电路输出或报警。,11.1 超声波传感器 11.1.3 超声波传感器测距原理,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波测距模块：最大距离600cm，最小距离2cm,11.1 超声波传感器 1

8、1.1.3 超声波传感器测距原理,发送，由555构成多谐振荡器，RC电路产生40KHz等幅波放大送功放输出； 接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时 间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,测距原理： 40KHz高频信号与20Hz周期信号调制成短脉冲群向外发送， 周期 T=1/20=50ms 340m/s50ms= 17m 17m/2=80cm 测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离。 时钟周期 T=1/4

9、0KHz=25m 340m/s（n25s）= 往返距离 单程距离=距离/2,超声波测距原理时序波形示意图,11.1 超声波传感器 11.1.3 超声波传感器测距原理,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器 11.1.4 超声波传感器应用,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器 11.1.4 超声波传感器应用,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,红外传感器按应用可分为： 热成像遥感技术；红外搜索、跟踪目标、确定位置； 红外辐射测量；通讯；测距等。 红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波， 因为红外波长比无线电波的波长短，所以红外仪器

10、的空间分辨率比雷达高；红外波长比可见光的波长长，因此红外线透过阴霾的能力比可见光强。 红外辐射的物理本质是热辐射，人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已，一个识热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高，辐射红外线越多，辐射能越强。,11.2 红外线传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2.1 红外辐射,红外辐射俗称红外线是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线，波长约0.751000m 。 工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为: 近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。 红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，

11、红外线在通过大气层时，有三个波段通过率最高： 22.6m, 35m, 814m,11.2 红外线传感器,因为空气中氮、氧、氢不吸收红外，使大气层对不同的波长红外线存在不同吸收带，这三个波段对红外探测技术非常重要，红外探测器一般工作在这三个波段。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,红外传感器有两部分组成： 1）红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，根据辐射原的几何尺寸、距离远近可视为点源和面源（基准黑体炉）； 2）红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。 红外探测器主要有两大类型： 1）热探测器（热电型）

12、包括有：热释电、热敏电阻、热电偶等； 2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化； 其中有光敏电阻、光电管、光电池等。 量子型光子探测器与光电传感器原理相同， 本节主要介绍热电型红外探测器。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,热释电效应 热释电元件基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号； 包括了光热电，两次信息变换过程； 光热阶段，物质吸收光能，温度升高； 热电阶段，利用某种效应将热转换为电信号；,热释电材料：有晶体、陶

13、瓷、塑料等铁电体； 热释电结构：把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极（类似电容），为使晶体吸收红外线，将透明电极涂上黑色膜。,热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,晶体本身具有一定极化强度，当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T升高，使极化强度P降低，表面电荷Q减少，释放部分电荷，所以称热释电。 温度一定时极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和，不显电性，热释电材料要显示出电特性，热释电传感器需要用

14、光调制器，使温度变化，调制器的入射光频率必须大于中合时间的频率。,中和的平均时间为,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,铁电体在温度变化时极化强度发生变化，表面产生电荷，升温或降温时电荷极性相反。无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中合时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来。,电极,所以热释电传感器必须用光调制器，使调制光的频率大于中合频率。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,热释电元件 热释电元件可视为电流源，产生的是

15、电荷 下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：,式中： S元件面积； P极化强度；g热释电系数。,热释电元件结构,热释电元件因红外线照射产生热量，似乎与波长无关， 但元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定 是哪个范围内波长产生的热。有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度-40+85，工作视角5。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,热释电元件绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪声，热释电元件的电荷要加到电阻形成电压输出，使用时要求有较高的输入电阻，还需用FET进行阻抗变换。通常热释电传感器已经将前极的场效应管FET和输

16、入电阻安装在管壳中。,热释电元件等效电路,输出电压：,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.2 红外辐射探测器,光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有： 光电导型（PC），电阻受光照后引起电阻变化； 光电型（PV），由于光照产生光生电子空穴对； 光电磁型（PEM），利用光电磁PEM效应，器件加电场 和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷； 肖特基型（ST），金属与半导体接触形成肖特基势垒 随光照而变化。 区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器 几乎可以探测整个红外波长范围。,传感器原理及应用,第11章 波

17、与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.3 红外传感器应用,红外传感器可用于 红外测温、遥控器、红外监控报警器； 红外摄象机、夜视镜；控制装置中的自动门、干手机、自动水龙头等等； 红外无损检测，通过测量热流或热量来检测鉴定金属 或非金属材料的质量和内部缺陷； 红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成像、 电荷耦合器件（CCD）成像。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.3 红外传感器应用,热释电红外报警控制电路 人体辐射红外线波长612m，温度3637； 人活动的频率范围一般在0.110Hz之间； 热释电元件可检测到10M距离，85的水平视角

18、范围； 传感器将热电信号 送运放A放大，反馈电阻 1.5M可调节放大倍数； 低通排除干扰；输出直 流信号驱动蜂鸣器告警。 热释电电流小工作电流很小。,图中自动门由热释电红外传感器检测是否有人出入，由单稳态控制电机正转或反转。,自动门控制电路,1.5M 增益100倍,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器 11.2.3 红外传感器应用,红外光束报警电路,为防止防盗报警系统的误报，监控系统不仅严格场地要求，还需通 过各种监测方式、多方位进行监测。下图中，通过两只串联的LED发射 红外光束，另外两只并联的红外光敏器件接收红外光束，两只管子的间 距是小于75mm，小于人体的

19、肩厚度。 每只光敏管可测到由两只LED中任意一只发射的光信号，只有当两 条光束同时被遮挡阻断时接收器才触发报警，也就是说只有大于75mm的 物体遮挡时输出报警信号，电路可防止蚊虫、飞蛾导致的误报。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,红外测温,P185 红外测温系统中各元件的作用？,红外测温是目前较先进的测温方法，特点有： 1. 远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压； 2. 反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在s量级； 3. 灵敏度高，辐射能 与温度T成正比； 4. 准确度高，可达 0.1内； 5. 应用范围广泛， 0下上千度。,传感器原理及应用,第11章 波与射线

20、传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,红 外 测 温,红外报警,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器,辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测物时会伴随着能量的损失，只要得到确切的损失量，那么就可以准确地了解到被测物的厚度、吸收系数（CT 值）和强度等参数。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,海关X射线扫描仪,11. 3 核辐射传感器,定义：核辐射传感器是将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的信号（如电流、电压信号）的装置。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,（1

21、）原子核,中子n (udd),质子P (uud),现代原子核的组成,原子,核素及符号表示，核素是原子核的一种统称,核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素。,核素表示符号,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,12C,质子数=原子序数,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,其它： 稳定核素和不稳定核素，稳定同位素和不稳定同位素， 放射性核素和非放射性核素。,最常用的两个术语：核素和同位素,常用名词术语,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11. 3 核辐射传

22、感器 11.3.1 核辐射物理基础,凡是原子序数相同，原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称同位素。 当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变。不稳定核素通过放出射线而蜕变成另一种原子核的过程； 同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素”,（2）核衰变与核辐射,核衰变,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,放射性衰减规律, t=0 的原子核数；, t 时刻原子核数；, 衰减常数（对每一种核为一常数,不同核素值不同）,上式可见，放射性核素数随时间按指数规律衰减； 半衰期：放射性核素衰减到原始数目一半所用的时间， 一般用10倍半

23、衰期表示放射性核素的寿命。,（2）核衰变与核辐射,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,一般用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性 的强弱，称放射性活（强）度。 放射性活（强）度也是随时间按指数规律减小：,放射性强度单位：贝可（Bq）,I t时间的强度； I0 初始强度；,（2）核衰变与核辐射,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子， 有的带电有的不带电。包括、 中子质子裂变碎 片等。这种现象称“核辐射” 放射性同位素在衰变

24、过程中能放出、 三种射线，其中： 射线由带正电的粒子组成（如 氦核）； 射线由带负电的粒子组成（如电子）； 射线由中性的光子组成。,（2）核衰变与核辐射,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器, 衰变 新元素Sg衰变为Rf鑪,- 衰变 产生电子e ,反中微子 v,+ 衰变 F氟产生正电子e ,中微子 v， O变氧, 衰变 Dy镝放出射线，能态变化，原子量、原子序数不变,自然界常见的核衰变示例：,11. 3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,核辐射与物质间的相互作用主要是 电离、吸收

25、、 反射 电离作用： 带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。 其中：粒子质量大，电荷量多，电离能力最强， 但射程短； 粒子质量小，电离较弱； 粒子没有直接电离作用。,（3）核辐射与物质间的相互作用,11.3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,吸收、反射 、射线穿透物质时，由于磁场作用原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。 射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线； 射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生散射，在空气中运行轨迹为折线； 射线穿透

26、能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此射线广泛用于医疗诊断、金属探伤等。,（3）核辐射与物质间的相互作用,11.3 核辐射传感器 11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,射线式传感器通常有两种主要形式： 一种是测量放射性物质的放射线，例如测量天然放射性的U、Th、K和这三个量的总量； 另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。 后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。,传感器原理及应用,第11章 波与射

27、线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器 （1）辐射源,辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，强度合适的辐射源。常用同位素源有：,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,（1）辐射源,辐射源的结构： 应使射线从测量方向射出， 其它方向应尽量减少剂量， 减少对人体的危害。 其它方向可以用铅进行屏 蔽，铅有极强的抗辐射穿 透能力。 射线源结构一般为丝状、 圆拄状、圆片状。 辐射剂量， 照射量率 微仑,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,（1）辐射源,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,传感器

28、原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器（2） 探测器,探测器是检测辐射的接收器件或装置，常用的有电离室、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器 （2） 探测器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,电离室，电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的空气时，在电场作用下正离子趋,（2） 探测器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,射线

29、,向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，输出只正比于射线到电离室的辐射强度。 、电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。 电离室主要用于探测、射线。,（2） 探测器,射线,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,盖格计数管 盖格计数管也称气体放电计数器。 一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料

30、制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。,盖格计数管上电压U一定时，射线入射越强电流I越大， 输出脉冲数N越大，a、b段称“坪”； 盖格计数管主要用于探测粒子和射线。,射线,k,A,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,闪烁计数器 闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成，当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。,闪烁探测器测量射线信号的基本特征,入射射线,Eh,输出端电信号,输出信号幅度：VE,脉冲信号产

31、生率单位时间进入探测器射线数,通过分辩信号幅度，可以分辩射线能量；,通过测量脉冲信号数，可以测定射线强弱。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式传感器,正比计数器 正比计数器是一种充气型辐射探测器 工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区； 计数器接收一个X、光子后就输出一个电脉冲幅度与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目。,让未被气体吸收的光子穿过,出射口,正比计数器工作原理,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.2 射线式

32、传感器,半导体探测器 荷电粒子入射到半导体中时，会产生电子空穴对，X射线、射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子空穴对。 在PN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速产生新的电子空穴使载流子倍增，在输出形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。,半导体探测器的特点： 输出信号小，分辨率高； 类型主要有，Si（硅）低能探测器， Ge（锗）高能探测器， 分别测量不同能量段的放射线。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,应用： 射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量； 射线可进行带材厚度、密度检测； 射线可探测材料缺陷、位置、密度

33、与厚度测量。,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用,X-RAY 探测器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用（1） 测厚,透射式测厚 透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。 在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化。在辐射穿过物质时，可根据质量厚度X求出被测物体厚度h。,I0 入射强度； I 穿过后强度； x 质量厚度； 与材料密度有关； 质量吸收系数；,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3

34、 核辐射传感器的应用（1） 测厚,散射式测厚 散射测厚时放射（或低能X射线）源与探测器在同一恻，利用核辐射被物体后向散射的效应。散射强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：,K与射线能量有关的常数,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （2） 物位测量,利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。 辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。,Io、I分别为入射前后的强度， 为吸收系数,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.

35、3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （3）流量计（气体）,在气流管中装两个电极（电极电位不同） 放射源S的射线使气体电离，工作状态相 当于一个电离室。 当被测气体被电离时， 离子被带出电离室，室内 电流减小，气体流速增加 带出的离子增多电离室电 流进一步减小，由电流的 变化检测气流流速和流量。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （4）探伤,探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射

36、传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （5）X射线荧光分析仪,X射线荧光基于光电效应，能量色散的荧光分析方法由同位素源产生射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线； 波长色散荧光分析方法由X光射线管产生X射线。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （5）X射线荧光分析仪,X荧光射线的能量谱和强度与物质的成份、厚度、 密度有关。 探测器将光信号转换为电脉冲，脉冲幅度与元素 的特征X射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同， 能量E大脉冲幅度越高，通过幅度分析器检测出不 同元素，实现元素的定性分析。,而脉冲的多少与样品的含量成正比，含量

37、越高脉冲计数越多，通过每秒的计数率检测样品的含量，实现元素的定量分析。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （5）X射线荧光分析仪,野外现场 快速测量,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （5）X射线荧光分析仪,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,Si(Li)探测器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （6）中子活化分析,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （6）中子活

38、化分析,元素能量谱线,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （7）医学应用-CT,常规X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （7）医学应用-CT,如果把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二维图像）进行观察，就能消除临近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结构。,从断面合成的头部三维图像,传感器原

39、理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器 11.3.3 核辐射传感器的应用 （7）医学应用-CT,计算机断层扫描的二维重建方法的基本原理，如图所示，从线性并排着的X线源发射一定强度的X线，把通过身体的X线用与X线源平行排列的X线传感器接收。然后把X线源和传感器组以体轴为中心一点一点的旋转，反复进行同样的操作。利用这样求得的在各个角度上的投影数据，就得到了垂直于体轴的断面图像。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,（7）医学应用-CT,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,矩阵求解法 如图，设物体（为简单起见，设物体为22大小象素）各部分的衰减系数都是未知的，根据投影X射线成像的原理，当入射强度为I时，X射线通过物体之后，检测器获得的射线强度为I，有：,从投影重建图像：,解方程即可解出物体各个部分的衰减系数。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,本章要点:,超声波传感器及超声波传感器测距原理； 红外辐射探测器，热释电效应和热释电元件； 核辐射传感器，核辐射物理基础，核辐射与 物质间的相互作用，核辐射传感器的应用。,