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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。超声波传感器主要功
2、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11.1.1 超声波及物理特性,传感
3、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11.1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第11章 波
4、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RLC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
5、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11.1.2 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;
6、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
7、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11.1.3 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
8、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=50ms340m/s50ms=17m17m/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=1/40KHz=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.
9、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
10、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,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
11、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)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
12、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
13、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
14、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,
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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)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
21、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
22、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
23、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 D
24、y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、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
25、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
26、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
27、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
28、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,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,1
29、1.3 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
30、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,
31、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
32、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;,
33、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,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
34、,为吸收系数,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 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
35、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
36、脉冲的多少与样品的含量成正比,含量越高脉冲计数越多,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
37、应用(6)中子活化分析,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,
38、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,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。,