【教学课件】第一节红外辐射传感器

第9 章 辐射式传感器,第一节 红外辐射传感器,第九章 辐射式传感器,第二节 超声波传感器,第三节 核辐射传感器,四、红外传感器应用,一、红外辐射的基本特点,三、红外探测器,二、红外辐射的基本定律,第一节 红外辐射传感器,一、红外辐射的基本特点,1、一种,不可见光,。 波长范围大致在0.761000 m。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。,2、红外辐射的物理本质是,热辐射,。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射能量就越强。,自然界中的任何物体，只要温度在绝对零度以上，都能产生红外辐射,（,光谱中最大光热效应区,）。,3、具有,反射、 折射、散射、干涉、吸收,等特性， 它在真空中也以光速传播，具有明显的波粒二相性。 ,4、 大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是,22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”,。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。,二、红外辐射的基本定律,1、希尔霍夫定律,一个物体向周围辐射能量的同时，也吸收周围物体的辐射能，希尔霍夫定律指物体的辐射发射量E,r,和吸收率之比与物体的性质无关，总等于同一温度下绝对黑体的辐射能量。,E,r,：物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能,：物体对辐射能的吸收系数,E,0,：等价于黑体在相同温度时辐射的能量，为常数,黑体：,能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体。是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，吸收本领与波长和温度无关，即 =1，加热后，发射热辐射与比任何物体都大。,镜体：,能全部反射红外辐射的物体。,透明体,：能全部透过红外辐射的物体。,灰体：,能部分反射或吸收红外辐射的物体。,2、普朗克定律,描述的是黑体辐射发射量的光谱特征，以严格的数学关系给出：,E：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-波尔兹曼常数，5.669710,-12,w/cm,2,k,4,:比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比。,T：物体的绝对温度。,3、斯忒藩-波尔兹曼定律,物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次方成正比，并与 成正比。物体温度越高辐射能量越大。,4、维恩位移定律,物体峰值波长与物体自身的绝对温度成反比。,三、红外探测器,红外传感器一般由,光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元,等组成。,1、红外探测器类型,（1）热探测器,热探测器的工作机理是：,利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。,主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。,热释电效应：,电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。,用此效应制成的“铁电体”，其,极化强度,（单位面积上的电荷）,与温度有关,。,当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。,如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的,电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。,（2）光子探测器,光子效应：入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。,光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。,2、红外探测器基本参数,（1）响应率,输出电压与输入的红外辐射功率之比。,（2）响应波长范围,红外探测器响应率与入射辐射的波长的关系。,（3）噪声等效功率（NEP）,若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就是噪声等效功率。,（4）探测率：,（5）响应时间,加入或去掉辐射源的响应速度。两种时间相等。,3、红外探测器的组成,红外探测器由,光学系统，敏感元件，前置放大器、信号调制器,组成，光学系统是其重要组成部分，根据光学系统的结构分为,反射式,和,透射式,两种。,（1）反射式红外探测器,1.浸没透镜 2.敏感元件 3.前置放大器 4.聚乙烯薄膜 5.次反射镜 6. 主反射镜,（2）透射式红外探测器,1.光谱 2.保护窗口 3.光栅 4.透镜 5.浸没透镜,6. 敏感元件 7.前置放大器,四、红外传感器应用,1. 红外测温仪,2.红外线气体分析仪,几种气体对红外线的透射光谱,红外线气体分析仪结构原理图,3、红外无损探伤仪,第一节 红外辐射传感器,第九章 辐射式传感器,第二节 超声波传感器,第三节 核辐射传感器,一、 超声波的波型及其传播速度,第二节 超声波传感器,二、超声波传感器,三、超声波传感器应用,第二节 超声波传感器,超声波：高于,210,4,Hz,的机械波,一、 超声波的波型及其传播速度,1、超声波波型, 纵波：,质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；, 横波：,质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； , 表面波：,质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。,2、超声波传播速度,（1）在气体、液体中传播,（2）在固体中传播,纵波在固体中传播：与介质形状有关,E：杨氏模量 ：泊松系数,K：体积弹性模量,G：剪片弹性模量,横波在固体中传播,3、超声波的物理性质,（1）超声波的反射和折射,声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得:,式中：,I,0,I,r,I,t,：分别为入射波、反射波、透射波声强；,、,分别为声波的入射角和折射角；,1,c,1,、,2,c,2,分别为两介质的声阻抗，其中,c,1,和,c,2,分别为反射波和折射波的速度。,当超声波垂直入射界面，即=0时，则,由上两式可知，若,2,c,2,1,c,1,，则反射系数R0，透射系数T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若,2,c,2,1,c,1, 反射系数R1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当,1,c,1,2,c,2,时，反射系数R1，声波在界面上几乎全反射。如：在20水温时，水的特性阻抗为,1,c,1,=1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为,2,c,2,=0.000 429106 kg/(m2s), ,1,c,1, ,2,c,2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时， 将发生全反射。,声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为,式中：,P,x,、,I,x,距声源,x,处的声压和声强； ,x,声波与声源间的距离； ,衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。,（2）超声波的衰减,声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的,扩散、散射和吸收。,声波的扩散,：随声波传播距离增加而引起声能的减弱。,散射衰减,：超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、 介质的性质和散射粒子的性质有关。,吸收衰减,：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。,（3）超声波的波型转换,主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜、引线等组成。 压电晶片多为圆板形， 厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。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。,二、超声波传感器,三、超声波传感器应用,1、超声波物位传感器,2、超声波流量传感器,一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度， 因此超声波传播时间差为,由于cv, 从上式便可得到流体的流速， 即,此时超声波的传输时间将由下式确定：,3、超声波探伤,脉冲发生器,接收放大,显示器,探头,发射波,接收波,缺陷波,高频连续,波发生器,试,件,放大器,显示器,发射,探头,接收,探头,4、超声波测温,主控器,发射电路,探,头,反,射,板,控制电路,时钟电路,计数器,放大整形,接收波,发射波,第一节 红外辐射传感器,第九章 辐射式传感器,第二节 超声波传感器,第三节 核辐射传感器,第三节 核辐射传感器,一、核辐射基本知识,同位素：,具有相同的核电荷数Z而有不同的质子数A的 原子所构成的元素。,核辐射,：假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。,衰变：,某种物质，在没有任何外界作用时，原子核向外辐射出某种射线而变成另外一种元素。,衰变规律：,放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即,式中： J,0,开始时的放射源强度； ,J经过时间为t以后的放射源强度； ,放射性衰变常数。,半衰期：,指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，又称为放射性同位素的寿命。,放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放射性同位素要求它的半衰期比较长，且对放射出来的射线能量也有一定要求， 因此常用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。P,244,表10-2。,1. 射线,质量,为4.002 775u(原子质量单位)，带有,正电荷,，实际上即为,氦原子核,，这种粒子流通常称作射线。 一般粒子具有,40100MeV,的能量，平均寿命为几微秒到1010年。它从核内射出的,速度为20km/s,，粒子的射程长度在空气中为,几厘米到十几厘米,。,原子质量单位：,12,C原子质量1.992710,-26,kg,其质量的十二分之一 1.6606,10,-27,kg。,二、核辐射的种类,2. 射线,粒子的,质量,为0.000 549 u，带有,一个单位的电荷,。它所带的能量为100 keV几兆电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达,20m,。 ,3. 射线,原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为衰变（或称跃迁），发生跃迁时所放射出的射线称射线或光子，是以光速运动的光子流，不带电。,4. X射线,原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。,三、核辐射与物质的相互作用,1、核辐射线的吸收、散射与反射,射线的穿透能力最强，射线次之，射线最弱。,粒子或射线能量的衰减关系：,射线散射能力最强，随物质的原子序数增大而增大。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。反射的大小与反射物质的厚度有关系：,2、 、射线与物质的相互作用,（1）电离,当、射线穿过物质时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对自由电子和正离子组成的离子对。这种现象称为电离。,（2）激发,若在相互作用中，轨道电子获得的能量还不足以使它脱离原子成为自由电子，仅使自由电子从低能级跃迁到高能级，这种相互作用称为激发。,3、 射线与物质的相互作用,（1）光电效应,（2）康普顿效应,当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子， 光子则被吸收，这种现象称为光电效应。,光电效应也伴随有次级辐射产生。当射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果， 它的强度将减弱， 它也遵循指数衰减规律。,入射,光子,原子,光子,电子,入射,光子与介质中的电子发生碰撞，,光子偏离原来的方向，同时将一部分能量转移给电子，使电子按,射出。,由于散射效应，按原来方向进行的粒子的数目将减少， 但远小于电离和激发效应引起的粒子的数目的减少。 在检测技术中，,射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用， 但以电离效应为主，用粒子来使气体电离比其它辐射强得多。,和粒子一样，粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电离，但,与射线相比射线的电离作用较小,。 由于粒子的质量比粒子小很多，因此,更易被散射,。粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用， 使粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：,J=J,0,e,-h,式中：J,0,和J粒子穿经厚度为h、密度为的吸收,体前后的强度； ,线性吸收系数。,射线与射线相比，透射能力大,，电离作用小。在检测中主要是根据辐射吸收来测量材料的厚度、 密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度，利用粒子很大的电离能力来测量气体流的。,与射线相比，射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大， 在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据,辐射穿透力强,这一特性来制作探伤仪、 金属厚度计和物位计等。,1. 电离室,四、核辐射传感器,常用的核辐射探测器有：,电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器,等。,一般电离室工作在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于射到电离室上的核辐射强度。,差分电离室,2.,正比计数管,放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。,输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子对的数目，,而电子、正离子对数正比于气体吸收的放射线的能量,。因此，,正比计数管可以探测入射放射线的能量。,3. 盖革-弥勒计数管,与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域， 具有放大作用。,盖革-弥勒计数管特性曲线,4. 闪烁计数器,物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能， 然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。,闪烁晶体的种类很多，按化学组成成分可分为有机和无机两大类，按物质形态分则可分为固态、液态和塑料等类型。通常使用固态闪烁体， 其中有银激活的硫化锌ZnS(Ag)、 铊激活的碘化钠NaI(T1)、铊激活的碘化铯CsI(T1)、 金激活的碘化锂LiI(Au)等。 有机闪烁体中应用最广的有蒽、芪、三联苯和萘等。,光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其变为电子并将这些电子倍增放大为可测量的脉冲。光电倍增管可以分为电场聚焦型和无聚焦型两类。在每一类中，按照次阴极的几何形状及排列方式的不同又分为几种。放射性同位素检测仪表中常用的GDB-19和GDB-10分别为直线聚焦型和百叶窗式无聚焦型。 光电倍增管的基本特性有光特性、阳极的电流电压特性、光阴极的光谱响应等。入射到光阴极上的光通量F与阳极电流ia之间的关系称为此光电倍增管的光特性，一般光电倍增管的ia与光通量F成正比。在一定的光通量F中，光电倍增管的阳极电流与工作电压的关系是电流随工作电压的增加而急剧上升，上升到某一值后达到饱和。,光谱响应是指光阴极发射光电子的效率随入射光波长而变化的关系。在组合闪烁计数器时，光电倍增管的光谱灵敏度范围必须和闪烁晶体发出的光谱相配合。,闪烁计数器负载电阻上产生脉冲，其幅度一般为零点几伏到几伏，较盖革-弥勒计数管的输出脉冲的幅度为小。闪烁计数器的输出脉冲与入射粒子的能量成正比，它探测射线的效率在20%30%以上，比盖革-弥勒计数管和离子室高很多； 它探测、射线的效率接近100%。 由于闪烁体中一次闪烁的持续时间很短, 故最大计数率一般为106108数量级。若输出采用电流法，则记录的辐射强度不受限制。,5. 半导体探测器,半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而X射线或射线由于光电效应、 康普顿散射、 电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷， 可以将放射线变为电信号。 ,就半导体而言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料也进行了研究。目前, 开发的半导体传感器有PN结型传感器、 表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。,透射式厚度计,五、核辐射传感器的应用,1. 核辐射厚度计,透射式厚度计射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t的关系为,J=J,0,e,-t,或,式中：被测材料的密度； ,被测材料对所用射线的质量吸收系数；,J,0,没有被测物体时射到探测器处的射线强度。,零位法透射式厚度计,散射法:,放射源和核辐射探测器可置于被测物质的同一侧，射入的被测物质中的射线，由于和被测物质的相互作用，而使得其中的一部分射线反向折回，并进入位于与放射源同侧的核辐射探测器而被测量。 射到核辐射探测器处的后向散射射线强度与放射源至被测物质的距离，以及与被测物质的成分、密度、厚度和表面状态等因素有关，因此改变其中一个参数而保持其它参数不变，则测得的射线强度将仅随该参数而变化。 利用这种方法可测量薄板的厚度、 覆盖层厚度、材料的成分、密度等参数。这种方法的优点为非接触测量，且不损坏被测物质。,射线强度与散射体厚度之间的关系式为,J,散,=,J,饱和,（1-e,-kt,）,式中：t和散射体的厚度和密度； ,J,散,和J,饱和,厚度为t和厚度为“无限大”时的后向散射射线强度；,k与射线能量有关的系数。,2. 辐射式物位计(,射线),图 (a) 定点测量: 将射线源I0与探测器安装在同一平面上，由于气体对射线的吸收能力远比液体或固体弱， 因而当物位超过和低于此平面时，探测器接收到的射线强度发生急剧变化。 可见， 这种方法不能进行物位的连续测量。,图 (b) 将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测器。显然，探测器接收到的射线强弱与物位的高度有关。这种方法可对物位进行连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300500 mm)， 测量准确度较低。 ,3. 核辐射流量计,放射源,电极,电极,气流,E,A,