第11章 波式和射线式传感器

传感器课程电子教案哈尔滨工业大学光电信息与检测技术研究所lihuipeng@.hit.edu.cn第十一章波式和射线式传感器第一节超声波式传感器第二节微波式传感器第三节射线式传感器第一节超声波式传感器一、超声波及其物理性质频率在16～2×104Hz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波。如图超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波从一种介质入射到另一种介质时,在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。1.由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。（固体、液体和气体中传播）②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。（固体中传播）③表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。（固体的表面传播）当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射及折射。在某种情况下，还能产生表面波。各种波型都符合反射及折射定律。传播速度，取决于介质的弹性常数及介质的密度。由于气体和液体的剪切模量为零，所以超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波。气体中的声速344m/s、液体中声速在900~1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90%。2.超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一介质，在两介质的分界面上将发生反射和折射，见图(1)反射定律入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角α等于反射角α′。(2)折射定律入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波中介质的波速c1与折射波中介质的波速c2之比，即21sinsincc3.声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律如下：px,lx——平面波在x处的声压和声强；p0,l0——平面波在x=0处的声压和声强；α——0xxppe20xxIIe声波在介质中传播时，能量的衰减，取定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，就是随着声波传播距离的增加，在单位面积内声能将要减弱。散射衰减就是声波在固体介质中颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮粒子使超声波散射。而声波的吸收是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后等造成的。吸收随声波频率的升高而增高。二、超声波传感器的应用1.超声波传感器为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头，这就是超声波测距原理。超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的逆压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成压电信号，可作为接收探头。超声波探头的具体结构如图超声波探头结构a)发射探头b)1—导线2—压电晶片1—导线2—弹簧3—音膜4—锥形罩3—压电晶片4—锥形罩2.超声波测厚超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高，测试仪器轻便，操作安全简单，易于读数及实行连续自动检测等优点。超声波测厚常用脉冲回波法。脉冲回波法检测厚度的工作原理如图如果超声波在工件中的声速v是已知的，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔T可以测量，因此可求出工件厚度为2vT第二节微波式传感器微波是波长为1m～1mm的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：①空间辐射的装置容易制造；②遇到各种障碍物易于反射；③绕射能力较差；④传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；⑤介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。微波传感器可分为反射式与遮断式两种。1.反射式传感器这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。2.遮断式传感器这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。三、微波传感器的应用1.微波液位计接收天线接收的功率Pr可表示为d——两天线与被测液面间的垂直距离；s——Pt、Gt——发射天线发射的功率和增益；Gr——2224π4dsGGPPrttr2.微波开关式物位计示意图当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为rttrGGPsP2π40PPr第三节射线式传感器一、核辐射的物理基础1.放射性同位素凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置故称之为同位素。原子如果不是由于外来的原因，而自发的产生核结构变化称为核衰变，具有核衰变性质的同位素，叫做放射性同位素。放射性元素从N0个原子衰变到N0/2个原子所经历的时间，称为半衰期。2.核辐射放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为放射性或核辐射。其放出的粒子或射线有(1)α粒子(2)β粒子(3)γ射线3.核辐射与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射。电离是带电粒子与物质相互作用的主要形式。一个粒子在每厘米路径上生成离子对的数目，称为比电离。带电粒子在物质中穿行，其能量逐渐耗尽而停止，其穿行的一段直线距离叫粒子的射程。辐射在穿过物质层后，其能量强度按指I0——入射到吸收体的辐射通量的强度；I——穿过厚度为h(单位为cm)的吸收层后的辐射通量强度；——线性吸收系数。比值μ/ρ(ρ是密度)叫做质量吸收系数，常用表示。)exp(0hII二、射线式传感器射线式传感器主要由放射源和探测器组成。1.放射源利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出α、β粒子或γ射线放射源（也称辐射源）。选择射线源应以尽量提高检测灵敏度和减小统计误差为原则。最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr放射源的结构应使射线从测量方向射出，而其他方向则必须使射线的剂量尽可能小，以减少对人体的危害。β放射源一般为圆盘状，γ射线辐射源一般为丝状、圆柱状或圆片状。β厚度计放射源容器如图放射源容器图2.探测器探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。(1)电离室图为电离室工作原理图(2)闪烁计数器闪烁计数器的示意图如下它由闪烁晶体（简称闪烁体）和光电倍增管组成。当核辐射进入闪烁晶体时，使闪烁晶体的原子受激发光，光透过闪烁晶体射到光电倍增管用的光阴极上打出光电子并在倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，最后被电子仪器记录下来，这就是闪烁计数器记录粒子的基本过程。(3)盖革计数管盖革计数管结构如图它是一个密封玻璃管1，中间一条钨丝2为工作阳极，在玻璃管内壁涂上一层导电物质或另放一金属圆筒3作为阴极。管内抽空后充气，充入气体由两部分组成，主要是惰性气体如氩、氖等，另一部分是加入有机物(如乙醚、乙醇等)。充进有机物的叫有机物计数管；充入卤素的叫卤素计数管。由于卤素计数管寿命长，工作电压低，因而应用盖革计数管的特性曲线如图图中U为加在计数管上的电压，I为入射的核辐射强度，N为计数率(输出脉冲数)。从这曲线中可知，当加在计数管上的电压一定时，辐射强度愈大，则输出脉冲数也愈大，如图中I1比I2大时，相应的输出脉冲数N1也比N2大。盖革计数管常用于探测β粒子和γ三、核辐射检测的应用核辐射可以检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。核辐射厚度计框图如下四、放射性辐射的防护放射性辐射过度地照射人体，能够引起多种放射性疾病，如皮炎、白血球减少症等。因此需要很好地解决射线防护的问题。我国规定：安全剂量为0.05R/d(伦琴/日)，0.3R/W(伦琴/周)。因此在实际工作中要采取多种方式来减少射线的照射强度和照射时间，如采用屏蔽层，利用辅助工具，或是增加与辐射源的距离等各种措施。