第9章辐射式感器.ppt

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1、第九章 辐射式传感器,第一节 红外辐射传感器,第二节 超声波传感器,第四节 辐射式传感器的应用举例,第三节 核辐射传感器,本章主要介绍三种辐射式传感器-红外辐射、核辐射和超声波传感器。,第一节 红外辐射传感器,红外辐射技术在最近40年来已经发展成为一门新兴技术科学。它在广泛的领域中特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术，空间科学的敏感部件。,一、红外辐射的基本特点,1、波长：红外辐射就是红外光，其波长从1.0-1000微米。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电磁波中的位置如图9

2、-1所示。,2、红外光的最大特点就是具有光热效应，能辐射热量。,图9-l 电磁波谱,3、红外光与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度与所有电磁波相同。,4、红外光衰减、吸收、穿透性能：红外光在介质中传播会产生衰减。红外光在金属中传播衰减很大但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。气体对其吸收程度各不相同。大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。根据研究分析证明，对于波长为15微米、814微米区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。,自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生

3、红外光辐射。 红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的热能强度也不一样。,例如，黑体是能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体、镜体是能全部反射红外辐射的物体、透明体是能全部穿透红外辐射的物体，灰体是能部分反射或吸收红外辐射的物体，对于这些物体红外光将产生不同的光热效应。但严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。 上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。,2、红外辐射的基本定律,1希尔霍夫定律 希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比

4、于它的吸收本领、这就是希尔霍夫定律。可用下面公式表示：,式中 物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；,该物体对辐射能的吸收系数； 等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是 常数。,黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领与波长和温度无关，即 1。黑体吸收本领最大，但是加热后，它的发射热辐射也比任何物体都要大。,2斯忒藩玻尔兹曼定律,物体温度越高它辐射出来的能量越大。可用下面公式表示：,式中： 某物体在温度T、时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。 斯忒藩玻尔兹曼常数 比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体的 1 T物体的绝对温度。,3维恩位移定律,热辐射

5、发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，物体峰值辐射波长 与物体的自身的绝对温度T成反比。即,从下图所示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时、峰值辐射波长在红外区域。,图9-2,三、红外探测器(传感器),能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置称为红外探测器(红外传感器)红外探测器根据热电效应和光子效应制成。前者为热敏探测器，后者为光子探测器。从理论上讲探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器； 但是，实际上各种波长的红外辐射的功率对物体的加热效果是不相同的。光子探测器常用光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)

6、和光电磁效应。,1红外探测器的一般组成,红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。,光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外探测器两种。 反射式光学系统的红外探测器的结构如图9 -2所示。它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。,透射式光学系统的红外探测器如图10-4所示。透射式光学系统的部件用红外光学材

7、料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料,在测量700 C以上的高温时,用波长为0.753微米范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100-700 c范围的温度时，一般用35微米的中红外光，多用氯化镁、氧化镁等热敏材料；,测量100度以下的温度用波长为5一14微米的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射光学系统用得较多。,第二节 超声波传感器,超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：用超声波使

8、物体或物性变化的功率应用，称之谓功率超声；用超声波获取若干信息，称之谓检测超声。这两种起声的应用。同样都必须借助于超声波探头(换能器或传感器)来实现。 目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益利经济效益。,超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围在10k一1000GHz其中常用的频率大约在10K3MHz之间。超声波在超声场(被超声所充满的空间)传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散，反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波

9、受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声波在传播过程中产生如下特性和作用。,1超声波的传播速度,一、超声波的基本特性,超声波在介质中产生三种形式的振荡波：横波质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波质点振动方向与传播方向一致的波；表面波质点振动介于纵波与横波之间沿表面传播的波。,横波只能在固体中传播纵波能在固体、液体和气体中传播表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波。超声波的频率越高、越与光波的某些性质相似。 超声波与其他声波一样。其传波速度与介质密度和弹性特性有关. 超声波在气体和液体中、其传播速度 为：,式中： 一 介质的密度； 一绝对压缩系数。,超声波在固体中，其

10、传播速度分为两种情况：,(1)纵波在固体介质中传播的声速：,其传播速度与介质形状有关：,细棒,薄板,无限介质,E一杨氏模量 泊松系数,(2)横波声速公式,（无限介质）,一般可视横波声速为纵波声速的一半,2超声波的物理性质,(1)超声波的反射和折射： 超声波传播到两种特性阻抗不同的介质的平面分界面上时，一部分声波被反射；另部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为声波的反射和折射如同95所示。,、 分别为两介质特性阻抗其小q和为反射波和折射波的速度。 、 为反射波和折射波的速度。,反射角、折射角与其速度满足折射定律的关系式：,图9-5,全反射的条件：,如果声波斜入射到两固体介质

11、界面或两粘滞弹性介质界面时，一列斜入射的纵波不仅发生反射纵波和折射纵波，而是还产生反射横波和折射横波。,超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源x处的声压和声强衰减规律如下：,(2)超声波的衰减,超声波与声源间酌距离； A 衰减系数。,(3)超声波的干涉,如果在一种介质中传播几个声波，于是全产生波的干涉现象。若以两个频率相同，振幅 和 不等、波程差为d的两个波的干涉为例，该两个波的合成振幅为：,从上式看出，当 或 （为正整数)时合成振幅达到最大值： ，而当 (n13，5，)时，合振幅为最小值,由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大和最小的超超

12、声场。,3超声波对超声场产生的作用(效应),超声波在超声场中传播时，会对超声场产生如下几种十分有用的作用(效应)。,(1)机械作用： 超声波在传播过程中、会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运动，虽然产生的位移和速度不大，但是，与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大。有时超过重力加速度的数万倍，这么大的加速度足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用。,(2)空化作用,在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动、当射声强达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，

13、这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为声空化(Acoustic cavitation)。这种声空化现象是超声学及其应用的基础。,液体形成空化作用与介质的温度、压力、空化核半径、含气量、声强、粘滞性、频率等团素有关。一般情况下，温度高易于空化；液体中含气高、空化阀值低、易于空化；声强高，也易于空化；频率高，空化阀值高，不易于空化。例如，在15kHz时，产生空化的声强只需要0.162.1 6W , 而频率在500kHz时,所需要的声强则为100一400w/ 。,在空化中当气泡闭合时所产生的冲击波强度最大。局部压力可达到上千个大气压，由此足以看出空化的巨大作用和应用前景。,（3)热学作用 如果超

14、声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收。同时由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度升高值更大，这是因为分界面上特性阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间的相对摩擦而发热。 超声波的热效应在工业、医疗上都得到广泛应用。,二、超声波传感器,利用超声波在超声场中的物理特性和种种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器，超声波传感器可以是超声波发射装置、也可以既能发射又能接收发射超声波的装置。这些装置一般都能将声信号转换成电信号。,超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头

15、和液浸探头。超声波探头接其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。 压电式探头主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜组成，其结构如图106所示。,图9-6超声探头结构,压电晶体多为圆板形，其厚皮与超声频率成反比例如，晶片厚度为1mm，自然频率约为1.89MHz厚度0.7mm，自然频率为2.5MHz。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。,如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变差。,第三节 核辐射传感器,核辐射传感器的测量原理是基于核辐射粒子的电离作用、穿透能

16、力、物体吸收、散射和反射等物理特性，利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。,一、核辐射相关的知识：,1、放射性同位素的相关知识： 在核辐射传感器中，常采用 、 、 和x射线的核辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素。 所谓放射性同位素就是原子序数相同，原子质量不同的元素，这些同位素的衰减规律： 为衰减常数。,核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核致衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命。还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。,二 、核辐射的物理特性,1、核辐射,核

17、辐射是放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速的粒子束或射线。主要有四种： 射线、射线、 射线和X射线。 ， 射线分别是带正、负电荷的高速粒子流； 射线不带电，是以光速运动的光子流；x射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。,通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性酌强弱。辐射强度单位用ci(居里)表示：1Ci的辐射强度就是辐射源ls内有 次核衰变。另外还有 毫居里、微居里等单位。在检测仪表中常用毫居里或微居里作为计量单位。,2、核辐射与物质的相互作用,（1）核辐射线的吸收、散射和反射,、 、 射线穿透物质时，由于原子中的电子会产生共振，振动的电子形成四面八方散射的电磁波，在其

18、穿透过程中，一部分粒子能量被物质吸收一部分粒子被散射掉。三种射线中 射线穿透能力最强， 射线次之， 射线最弱。,射线的散射作用表现最为突出。当 射线穿透物质时，容易改变其运动方向而产生散射现象。当产生相反方向散射时，更容易产生反射。反射的大小取决于散射物质的性质和厚度。 射线的散射随物质的原子序数增大而加大。当原子序数增大到极限情况时，投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来。,(2)电离作用,当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对。电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。 离子由于能量、质量和电荷大故电离作用最强，但射程（带电粒子在物质中穿行

19、时能量耗尽前所经过的直线距离)较短。,粒子质量小，电离能力比同样能量的 粒子要弱由于 粒子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。 在辐射线的电离作用下，每秒钟产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可出下式表示：,带电粒子的能量； 离子对的能量； 辐射源的强度；在辐射源强度为1Ci时，每秒放射出的粒子数，利用上式可以测量气体密度等。,三、核辐射传感器,核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数计、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分折气体、鉴别各种粒子等。,1电离室,利用电离室测量核辐射强度的示意图见图9-

20、7。在电离室两侧的互相绝缘的电极上施加极化电压，使两极板间形成电场，在射线作用下，两极板间的气体被电离，带电粒子在电场作用下运动形成电流I，于是在外接电阻上便形成压降。电流I与气体电离程度成正比，电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻R上的电压值就可得到核幅射强度。,图9-8电离室结构示意图,2盖格计数管（气体电离室）,盖格计数管又称为气体放电计数管，其结构如图9-9所示。计数管中心有一根金属丝并与管子绝缘它是计数管的阳极，管子内壁涂有导电金属层，为计数管的阴极，并在两盖极间加上适当电压。,计数管内充有氩、氮等气体，当核辐射进入计数管内后、管内气体被电离。当电子在外电场的作用下向阳极运动

21、时，由于碰撞气体产生次级电子次极电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子这样次级电子急剧倍增，发生“雪崩”现象使阳极放电。放电后，由于雪崩产生的电子都被中和，阳极积聚正离子，这些正离子被称为“正离子鞘”。,图9-9,正离子的增加使阳极附近电场降低，直至不产生离子增值，原始电离的放大过程停止。在外电场作用下正离子鞘向阴极移动，在串联电阻R上产生脉冲电压，其大小正比于正离子鞘的总电荷。由于正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打击出次级电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，又一次产生次级电子和正离子蹈，于是又一次产生脉冲电压，周而复始便产生连续放电。,盖格计数管的特性曲线如图910所示。盖格计数管常

22、用于探测 射线和 粒子的辐射量(强度）,图9-10 特性曲线,3闪烁计数管（将在应用举例中介绍）,第四节 辐射式传感器的应用举例,一、红外气体分析仪,根据红外辐射在气体中的吸收带的不同、可以对气体成分进行分析。例如二氧化碳，它对红外光的透射光谱如图911所示:,图9-11,二氧化碳对波长(A)为2.7微米、4.33微米和14.5微米的红 外光能强烈吸收，而且吸收谱线相当的宽，即存在吸收 带。根据实验分析，只有4.33微米吸收带不受大气中其 他成分影响，因此可以利用这个吸收带来判别大气中的 二氧化碳成分。,图9-12是二氧化碳红外气体分析仪示意图。它由样品室、参比室、电机式调制、反射镜系统、滤光

23、片、红外检测器和选频放大器等组成。 测量时，使待测气体连续流过样品室参比室里充满没有二氧化碳的气体或含有一定量的c02的气体。红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室,再经反射镜系统，将红外光经中心波长为4.33微米的红外光滤色片投射到红外敏感元件上、敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射。,图9-12红外气体分析仪示意图,若样品室和参比室均无二氧化碳气体，只要两束辐射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射。因此，敏感元件只有直流响应交流选频放大器输出为零。 若进入样品室的气体中含有二氧化碳气体，对4.33微米的辐射就有吸收，那么两束辐射的通量不等，则敏

24、感元件所接收到的就是交变辐射，这时选频放大器输出不为0。经过标定后就可以从输出信号的大小来推测二氧化碳的含量。,二、脉冲反射式超声液位测量系统,图a、b、c表示采用自发自收单换能器方式时的三种基本方案的工作原理：图a是液介式的情况、图b是气介式的情况、图c是固介式的情况。如换能器至液面的垂直距离为L，从发到收所经历的时间(即超声脉冲在换能器和液面之间来回一次所经历的时间）为t，超声在液体中传播的速度为c，则换能器到液面的距离L可按下式求出：,图 9-13,上图则表示一发一收双换能器方式时的三种基本方案的工作原理：图d为液介式原理、图e为气介式原理、图f为固介式原理。相对于自发自收式单换能器超声

25、液位测量原理，双换能器超声液位测量的计算公式都要复杂些，必须作某些方式的修正。,图9-14,一般说来，在以上六种基本方案中优先选用自发自收换能器工作方式。因为：第一，单换能器方式中液位计算公式简单，因而由于原理引进的系统误差比较小；第二，单换能器使用的传感器少，相应的接头、电缆等附件也少，从经济角度和可靠性角度(元件越少、系统故障率越低)考虑都比双换能器有优势。,方案的最终最定：,此前述超声液位测量基本原理可知，单换能器液介式测量方案是一种比较有效的超声液位测量方法。如图9-15所示 ，在该方法中使用波导管装置，其一是用作传感器安装设备，其二是保证管内液体比较干净、气泡少，减小杂乱的声学噪声；

26、其三则可以保证管内液面比较平静，使得反射信号比较强而且稳定 。,从信号获取和精度的角度考虑，测量方案还需要解决三个问题。第一个问题是如果液面动态倾斜，换能器可能根本不能接收到回波信号，因此要能做到动态液面跟随。从测量标准差公式(3.2)中看到，测量误差来源于速度测量误差和时间测量误差。第二个问题是实现速度自校正，第三个问题是如何识别回波信号，准确测量回波时刻。,图9-15波导管方案,硬件方案,超声液位测量系统依信号传输的过程可分为：信号产生、信号接收、信号放大、信号采集、信号分析和处理。,选用PC104工控机为超声液位测量的主控平台 ，窄脉冲产生电路中，8254器件产生一个等于超声波半周期的窄

27、脉冲，经隔离电路后到达发射电路，同时启动地址计数器和A/D转换器；经过发射电路的放大，产生足够驱动超声波换能器的高压激励脉冲。发射波信号和回波信号经调理放大后到达A/D转换器。,从发射脉冲开始，A/D转换器将全部信号都高频采样记录到波形数据存储器中，各个记录值的存储地址就代表着该值的时刻。,三、基于PC/104的高精度、便携式建材放射性检测仪,建材中的核素所放射的射线 对人体的影响很大，所以有必要对建材进行放射性检测。,（1）射线和闪烁体发生相互作用而损失能量，并使闪烁体的原子、分子产生电离、激发。 （2）闪烁体中处于激发态的原子和分子在退激过程中发射光子。 （3）光子被收集到光电倍增管的光阴

28、级上，通过光电效应在光阴级上打出光电子。 （4）光电子在光电倍增管中，经过各级光电倍增，电子数目可增加几个数量级。 （5）阳极收集倍增后的电子，在负载电阻上产生电压脉冲，输出脉冲的幅度约为几百毫伏至几伏。,其中电压脉冲的幅值与射线的能量成正比，而脉冲数的多少代表该种能量射线的强度。所以只要测出脉冲的幅值就可以知道该种建材中核素的能量，从而知道建材中含有哪些核素，通过脉冲数的多少就知道建材中所含该种核数的强度（含量），所以关键在于检测脉冲的峰值和一定时间内脉冲的个数。最终形成所谓的能谱曲线。,能谱图,便携式方案结构原理图,脉冲信号的峰值检测,本系统的峰值检测采用由峰值检测器PKD-01和嵌入式工

29、控机PC/104结合构成的负脉冲信号的峰值检测电路，其框图如图4所示：,脉冲经过整形电路后进入上图的峰值检测电路，它被分为两路：一路进入PKD-01的-INA，此时PKD-01工作于负脉冲检测状态。一路进入反相放大器，它将负脉冲信号放大1.1倍并转换为正的脉冲V1，V1再进入比较器的反相输入端-INC脚，与峰值检测器的输出V2进行比较。 在信号未达到最大值之前，PKD-01工作在峰值检测状态，V1V2时，PKD-01中的比较器输出为低电平；当达到峰值后V2保持为恒定值不变，V1从峰值处开始减小，当V1V2时，比较器输出将产生由低到高的跳变，经过反相器后输入工控机打印口的-ACK脚，将产生中断。

30、在中断服务程序中，PC/104会发出1，0的数据到打印口的8位数据端口的低两位，也即图4中并口的D0、D1，它们分别与PKD-01的 、 连接在一起。,从而控制PKD-01保持住峰值（PEAK HOLD），然后启动A/D采集卡采集峰值，并通过查询相应的状态位的方式获知峰值采集是否完成；当检测到采集结束标志，PC/104将对应道数上的计数加1，在显示屏上可观察到某一道计数增加一个。随后PC/104发出1、1数据控制PKD-01复位（RESET）为V2=0；然后分别置D0、D1为0，0，这样PKD-01重新工作在峰值检测状态（PEAK DETECT）；最后退出中断，等待下一个脉冲的到来。,峰值检测控制流程图,所以峰值检测控制逻辑的实现是由软、硬件相结合构成的智能峰值检测系统，峰值时刻到的判别是由峰值检测器PKD-01来完成，从而确定检测峰值时刻；整个峰值的检测、保持、复位过程的控制由软件通过PC/104的并口来完成，这很有利于系统的调试。,