传感器原理13.ppt

第13章射线及微波检测传感器13 1核辐射传感器13 2超声检测13 3红外辐射传感器13 4微波传感器 核辐射 红外 超声波 微波等新兴检测技术在近年来获得飞速的发展 并在很多领域得到越来越多的应用 本章介绍它们在检测技术中实现非电量测量的基本原理和应用实例 13 1核辐射传感器13 1 1核辐射检测的物理基础1 同位素原子序数相同 原子质量数不同的元素称作同位素 不须外因的作用 某些同位素的原子核会发生自动衰变 并在衰变中放出射线 这类同位素称作 放射性同位素 衰减规律为 初始时原子核数 t秒后原子核数 衰变常数 质子数目相同 中子数目不同 放射性同位素的原子核很不稳定 会不间断地 自发地放射出射线 直至变成另一种稳定同位素 这就是所谓 核衰变 放射性同位素在进行核衰变的时候 可放射出 射线 射线 射线等 但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线 核衰变的速度不受温度 压力 电磁场等外界条件的影响 也不受元素所处状态的影响 只和时间有关 放射性同位素衰变的快慢 通常用 半衰期 来表示 半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到其一半所需的时间 一般将它作为该放射性同位素的寿命 如P 磷 32的半衰期是14 3天 就是说 假使原来有100万个P 磷 32原子 经过14 3天后 只剩下50万个了 半衰期是放射性同位素的一特征常数 不同的放射性同位素有不同的半衰期 衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同 2 核辐射放射性同位素在衰变过程中放出带有一定能量的粒子或射线 这种现象称为 核辐射 核辐射包括a b g三种射线 a射线 由带正电的a粒子组成 即氦原子核 其质量为4 002775原子质量单位并带有2个正电荷 粒子主要用于气体分析 测量气体压力 流量等 射线 它实际上是高速运动的电子 其质量为0 000549原子质量单位 放射速度接近光速 衰变是原子核中的一个中子转变成一个质子而放出一个电子的结果 粒子用于测量材料厚度 密度等 射线 它是一种电磁辐射 处于受激态的原子核常在极短的时间内 10 14s 将自己多余能量以电磁辐射 光子 形式放射出来 而使其回到基态 射线的波长较短 约为10 8 10 10cm 不带电 射线在物质中的穿透能力很强 能穿透几十厘米厚的固体物质 在气体中射程达数百米 射线广泛应用于金属探伤 测大厚度等 a射线的证实英国物理学家卢瑟福设计了一个非常巧妙的实验 因为a射线可以穿透很薄的玻璃 厚的玻璃却穿不过 他把放射a射线的物质 例如钋或氡 封在一个很薄的小玻璃管里 这个小玻璃管的壁非常薄 钋或氡放射的a射线可以穿过管壁跑出来 他把这个管壁薄的装有钋或氡的小玻璃管装在一个管壁厚的大一些的玻璃管里 然后把大玻璃管抽成真空 钋或氡不断地放射出a射线 a射线穿过薄玻璃管壁跑出来 但是碰到外层的厚玻璃管壁时就跑不出去了 a射线被抓住了 几天以后 在两个玻璃管之间的夹层中已经捕捉到一定数量的a射线了 在厚玻璃管两端预先封好的电极上通上高压电 管中发出黄色的辉光 用光谱仪检验 真的是氦 欧内斯特 卢瑟福 一 生平简介欧内斯特 卢瑟福 ErnestRutherford 1871 1937 英国物理学家 1908年度诺贝尔化学奖的获得者 1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭 并在新西兰长大 他进入新西兰的坎特伯雷学院学习 23岁时获得了三个学位 文学学士 文学硕士 理学学士 1895年在新西兰大学毕业后 获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室 成为汤姆孙的研究生 1898年 在汤姆孙的推荐下 担任加拿大麦吉尔大学的物理教授 他在那儿呆了9年 于1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任 1919年接替退休的汤姆孙 担任卡文迪许实验室主任 1925年当选为英国皇家学会主席 1931年受封为纳尔逊男爵 1937年10月19日因病在剑桥逝世 与牛顿和法拉第并排安葬 享年66岁 二 科学成就 卢瑟福是二十世纪最伟大的实验物理学家之一 在放射性和原子结构等方面 都做出了重大的贡献 被称为近代原子核物理学之父 1 他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化 放射性能使一种原子改变成另一种原子 而这是一般物理和化学变化所达不到的 这一发现打破了元素不会变化的传统观念 使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次 为开辟一个新的科学领域 原子物理学 做了开创性的工作 2 1912年 卢瑟福根据 粒子散射实验现象提出原子核式结构模型 该实验被评为 物理最美实验 之一 3 质子的发现1919年 卢瑟福做了用 粒子轰击氮核的实验 他从氮核中打出的一种粒子 并测定了它的电荷与质量 它的电荷量为一个单位 质量也为一个单位 卢瑟福将之命名为质子 二 科学成就 4 他通过 粒子为物质所散射的研究 无可辩驳地论证了原子的核模型 因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道 于是他被誉为原子物理学之父 5 人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献 自从元素的放射性衰变被确证以后 人们一直试图用各种手段 如用电弧放电 来实现元素的人工衰变 而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径 这种用粒子或 射线轰击原子核来引起核反应的方法 很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段 在卢瑟福的晚年 他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应 放射性的强弱称为放射性强度 由单位时间内发生衰变的次数来表示 放射性强度也是按指数规律随时间而减小 即 初始时放射性强度 t秒后放射性强度 放射性强度的单位是居里 Ci 1居里等于放射源每秒钟发生3 7 1010次核衰变 在检测仪表中 居里单位太大 所以经常使用的单位是毫居里 mCi 在国际单位制中 放射性强度单位用贝柯勒尔 becquerel 表示 简称贝可 为1秒钟内发生一次核衰变 符号为Bq 1Bq 2 703 10 11Ci 3 核辐射与物质间的相互作用放射性同位素放射出的射线碰到各种物质的时候 会产生各种效应 它包括射线对物质的作用和物质对射线的作用两个相互联系的方面 对核射线来说 它是一种能量传递和能量损耗过程 对受照射物质来说 它是一种对外来能量的物理性反应和吸收过程 核辐射与物质的相互作用主要是电离 吸收和反射 1 电离作用具有一定能量的带电粒子在穿过物质时在它们经过的路程上形成许多离子对 称为电离作用 电离作用是带电粒子与物质相互作用的主要形式 a粒子是高速运动的氦核 具有 2电荷 其通过物质时 主要是与电子碰撞 因为 粒子的质量比电子大得多 它与电子碰撞后 几乎不改变运动方向 而被原子核散射的几率很小 所以 粒子在物质中的路径基本上是直线 其路径长度与射程近乎相等 所谓射程是指带电粒子在物质中穿行时 在能量耗尽停止运动前所经过的直线距离 粒子在通过物质时 物质原子的核外电子受到 粒子的库仑作用而获得能量 如果电子得到的能量可以克服原子核的束缚 则成自由电子 原子发生电离 a粒子由于能量大 电离作用最强 但射程较短 1 电离作用 射线是快速电子流 其质量小 速度快 因此它与物质原子的相互作用与 粒子有很大的差别 表现在电离能力比同样能量的a粒子要弱 而电离能量损失率小 故而穿透能力强 粒子与原子相互作用时 很容易改变运动方向 称之为散射 由于 粒子易于散射 所以其行程是弯曲的 1 电离作用 射线是不带电的高能光子流 因此它与物质相互作用的机制与 等带电粒子不同 g粒子没有直接电离的作用 可以发生光电效应和康普顿效应 光子与物质原子中的束缚电子作用时 其能量全部转移给电子 使它脱离原子飞出 而 光子本身消失 这种过程称为光电效应 光子与物质原子相互作用时 将一部分能量转移给电子 使它脱离原子飞出 而入射光子损失能量并改变运动方向 这种过程称为康普顿效应 又叫康普顿散射 2 核辐射的散射与吸收a b g射线穿过物质时 由于电磁场作用 原子中的电子会产生共振 振动的电子形成向四面八方的电磁波源 使粒子和射线的能量被吸收而衰减 能量的衰减规律 式中J J0分别为射线穿透物质前 后的辐射强度 h为穿透物质的厚度 为物质的密度 am为物质的质量吸收系数 三种射线中 射线穿透能力最强 射线次之 射线最弱 射线的穿透厚度比 要大得多 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 即出现了反射现象 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 反射的大小与反射物质的厚度有如下关系 式中 Jh 反射物质厚度为h mm 时 放射线被反射的强度 Jm 当h趋向无穷大时的反射强度 Jm与原子序数有关 h 辐射能量的常数 当J0 am Jm h 等已知后 只要测出J或Jh就可求出其穿透厚度h 另一方面 当J0 am h等已知后 只要测出J就可求物质的密度 核辐射与物质间的相互作用是进行核辐射检测的物理基础 利用电离 吸收和反射作用并结合 b和 射线的特点可以完成多种基础工作 例如利用 射线实现气体分析 气体压力和流量的测量 射线由于贯穿本领强 可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹 所用的设备叫 射线探伤仪 射线的电离作用很强 可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电 利用b射线进行带材厚度 密度 覆盖层厚度等的检测 利用g射线完成材料缺陷 物位 密度等检测与大厚度的测量等 13 1 2核辐射传感器1 电离室放射线传感器电离室放射线传感器如图所示 电离室两侧设有两块平行极板 它是在空气中设置一个平行极板电容器 对其加上几百伏的极化电压 在极板间产生电场 当有粒子或射线射向二极板之间的空气时 它们在电场的作用下 空气分子被电离成正 负离子 正离子趋向负极 而负离子趋向正极 便产生电离电流 并在外接电阻R上形成压降 测量此压降值可得核辐射的强度 电离室输出信号正比于电离室处射线的强度 电离室主要用于探测 粒子 电离室的窗口直径约100mm左右 不必太大 射线的电离室同 的电离室不太一样 由于 射线不直接产生电离 因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高 光子与物质作用的有效性 因此 射线的电离室必须密闭 电离室具有成本低 寿命长等优点 但输出电流较小 2 盖格计数管盖格计数管又称为气体放电计数管 其中心有一根金属丝并与管子绝缘 它是计数管的阳极 管壳内壁涂有导电金属层 为计数管的阴极 并在两极间加上适当电压 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 阳极被许多正离子包围着 这些正离子被称为 正离子鞘 正离子鞘的形成 使阳极附近电场下降 直到不再产生离子增殖 原始电离的放大过程停止 由于电场的作用 正离子鞘向阴极移动 在串联电阻上产生电压脉冲 其大小决定于正离子鞘的总电荷 与初始电离无关 正离子鞘到达阴极时得到一定的动能 能从阴极打出次级电子 由于此时阳极附近的电场已恢复 次级电子又能再一次产生正离子鞘和电压脉冲 从而形成连续放电 若在计数管内加入少量有机分子蒸汽或卤族气体 可以避免正离子鞘在阴极产生次级电子 而使放电自动停止 盖格计数管的特性曲线如下图所示 图中U为加在计数管上的电压 N为计数率 输出脉冲数 J1 J2代表入射的核辐射强度 J1 J2 由图可知 在外电压U相同的情况下 入射的核辐射强度越强 盖格计数管内严生的脉冲N越多 盖格计数管常用于探测 射线和 粒子的辐射量 强度 3 闪烁计数器闪烁晶体是一种受激发光物质 有固态 液态 气体三种和有机与无机两大类 有机闪烁晶体的特点是发光时间常数小 只有与分辨率高的光电倍增管配合才能获得10 10s的分辨时间 并且容易制成较大的体积 常用于探测b粒子 无机闪烁晶体的特点是对入射粒子的阻止本领大 发光效率高 有很高的探测效率 常用于探测g射线 闪烁计数器的组成如图所示 它由闪烁晶体和光电倍增管组成 当核辐射进入闪烁晶体时 使闪烁体的原子受激发光 光透过闪烁晶体射到光电倍增管的光阴极上 打出光电子并在倍增管中倍增 在阳极上形成电流脉冲 从而得到与核辐射有关的电信号 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 13 1 3核辐射检测技术的应用核辐射传感器除了用于核辐射的测量外 也能用于气体分析 流量 物位 重量 温度 探伤以及医学等方面 1 核辐射在线测厚仪核辐射在线测厚仪是利用物质对射线的吸收程度或核辐射散射与物质厚度有关的原理进行工作的 下图是利用差动和平衡变换原理测量镀锡钢带镀锡层的厚度测量仪 图中3 4为两个电离室 电离室外壳加上极性相反的电压 形成相反的栅极电流 使电阻R的压降正比于两电离室核辐射强度的差值 电离室3的核辐射强度取决于放射源2 放射线经镀锡钢带镀层后的反向散射 电离室4的辐射强度取决于辅助放射源8的放射线经挡板5的位置调制 利用R上的电压 经过放大后 控制电机转动 以此带动挡板5位移 使两电离电流相等 如用检测仪表测量出挡板5的移动位置 即可获得镀层的厚度 1 锡层2放射源3 4 电离室5 挡板6 电机7 滚子8 辅助放射源9 钢带 透射式厚度计如下图所示 它是利用射线穿透物质的能力来制成的检测仪表 它的特点是放射源和核辐射探测器分别置于被测物体的两侧 射线穿过被测物体后射入核辐射探测器 由于物质的吸收 使得射入核辐射探测器的射线强度降低 降低的程度和物体的厚度等参数有关 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 J0 没有被测物体时射到探测器处的射线强度 对于一定的放射源和一定的材料就有一定的 和 则测出J和J0即可计算确定该材料的厚度t 2 核辐射物位计不同介质对g射线的吸收能力是不同的 固体吸收能力最强 液体次之 气体最弱 若核辐射源和被测介质一定 则被测介质高度H与穿过被测介质后的射线强度I的关系为式中I0 I 穿过被测介质前 后的射线强度 m 被测介质的吸收系数 探测器将穿过被测介质的I值检测出来 并通过仪表显示H值 目前用于测量物位的核辐射同位素有Co60及Cs137 因为它们能发射出很强的g射线 半衰期较长 g射线物位计一般用于冶金 化工和玻璃工业中的物位测量 有定点监视型 跟踪型 透过型 照射型和多线源型 g射线物位计的特点是 1 可以实现非接触测量 2 不受被测介质温度 压力 流速等状态的限制 3 能测量比重差很小的两层介质的界面位置 4 适宜测量液体 粉粒体和块状介质的位置 应用 射线检测物位的方法有很多 下图给出了其中一些典型的应用实例 图 a 是定点测量的方法 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 是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300 500mm 测量准确度较低 为了克服图 b 存在的上述缺点 可采用线状的射线源 如图 c 或采用线状的探测器 如图 d 虽然对射线源或探测器的要求提高了 但这两种方法既可以适应宽量程的需要 又可以改善线性特性 3 核辐射流量计测量气体流量时 一般需将敏感元件插在被测气流中 这样会引起压差损失 若气体具有腐蚀性又会损坏敏感元件 应用核辐射测量流量即可避免上述问题 核辐射气体流量计原理如图所示 气流管壁中装有两个电位差不同的电极 其中一个涂有放射性物质 它放出的粒子可以使气体电离 当被测气体流过电离室时 部分离子被带出电离室 因而室内的电离电流减小 当气体流动速度加大时 从电离室带出的离子数增多 电离电流减小也越多 由于辐射强度 离子迁移率等因素也会影响电离电流 为了提高测量准确度 应采用差动测量线路 此法同样适合于其他流体流量的测量 若在流动的液体中加入少量放射性同位素 还可运用放射性同位素跟踪法求取流体的流量 4 核辐射探伤g射线探伤原理如下图所示 放射源放在被测管道内 沿着平行管道焊缝与探测器同步移动 当管道焊缝质量存在问题时 穿过管道的g射线会产生突变 探测器将收到的信号经过放大 然后送入记录仪记录下来 思考题 1 什么是核辐射 2 核辐射如何探测 3 如何利用核辐射探伤 13 2超声检测 超声技术是一门以物理学 电子学 机械及材料科学为基础 应用十分广泛的通用技术之一 在国民经济中 对提高产品质量 保障生产安全和设备安全运行 降低生产成本 提高生产效率等具有重要的意义 超声波具有聚束 定向及反射 散射 透射等特性 按超声振动辐射大小不同大致可分为 利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用 称之为功率超声 利用超声波获取若干信息 称之为检测超声 这两种超声的应用 同样需要借助于超声波传感器 换能器或探头 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 例如超声清洗 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和经济效益 13 2 1超声检测原理振动在弹性介质内的传播称为波动 简称波 频率在16 2 104Hz之间 人耳所闻的机械波 称为声波 低于16Hz的机械波 称为次声波 高于20kHz的机械波 称为超声波 超声波的波长较短 近似作直线传播 在固体和液体媒质内衰减比电磁波小 能量容易集中 可形成较大强度 产生激烈振动 并能引起很多的特殊作用 质点振动方向与传播方向一致的波称为纵波 它能在固体 液体和气体中传播 质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波 它只能在固体中传播 质点振动介于纵波和横波之间 沿着表面传播 振幅随着深度的增加而迅速衰减的波称为表面波 它只能在固体表面传播 当声波以某一角度入射到第二介质 固体 界面上时 除有纵波的反射 折射以外 还会发生横波的反射和折射 在一定条件下 还能产生表面波 各种波型均符合几何光学中的折 反射定律 如图所示 超声波有如下特点 1 能在气体 液体 固体或它们的混合物等各种媒质中传播 也可在光不能通过的金属 生物体中传播 是探测物质内部的有效手段 2 由于超声波与电磁波相比速度慢 对于相同的频率波长短 容易提高测量的分辨率 3 由于传播时受介质音响特性的影响大 所以 反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态 超声检测技术的基本原理通常是利用某种待测的非声量 如密度 浓度 强度 弹性 硬度 粘度 温度 流量 液面 厚度 缺陷等 与某些描述媒质声学特性的超声量 如声速 声衰减 声阻抗 之间存在着直接或间接关系 在探索到这些关系的规律之后就可以通过超声量的测定来测出那些待测的非声量 在超声检测中 非声量的测量是通过声速 声衰减和声阻抗等的测量来进行的 超声波传感器是检测伴随超声波传播的声压或介质变形的装置 利用压电效应 电应变效应 磁应变效应 光弹性效应等应变与其它物理性能的相互作用的方法 或用电磁的或光学的手段等可检测由声压作用产生的振动 多数可兼有超声波发生和检测作用的可逆性 超声波传感器因完成超声波信号和电信号间的变换又被称为超声波换能器 由于它常用于探测物质内部情况 故又称超声波探头 另外 由于能完成超声波振动的发生 检测 故也叫超声波振子 超声波传感器根据其作用原理 有压电式 磁致伸缩式 电磁式等数种 在测试技术中主要是采用压电式 13 2 2压电式超声波换能器压电式超声波换能器的原理是以压电效应为基础的 关于压电效应已在第七章中讲过 作为发射超声波的换能器是利用压电材料的逆压电效应 电致伸缩效应 而接收用的换能器作为 发射 与 接收 兼用 亦即将脉冲交流电压加在压电元件上 使其向介质发射超声波 同时又利用它作为接收从介质中反射回来的超声波 并将反射波转换为电信号送到后面的放大器 因此压电式超声波换能器实际上是压电式传感器 在压电式超声波换能器中 常用的压电材料有石英 SiO2 钛酸钡 BaTiO2 锆钛酸铅 PZT 偏铌酸铅 PbNb2O6 等 换能器由于其结构不同 可分为直探头式 斜探头式 双探头式等多种 1 直探头式换能器直探头式换能器也称为直探头或平探头 它可以发射和接收纵波 直探头主要由压电元件 阻尼块 吸收块 及保护膜组成 其基本结构原理图如图所示 压电晶片多为圆板形 其厚度与超声波频率成反比 例如 厚度为1mm晶片的自然频率约为1 89MHz 厚度为0 7mm晶片的自然频率约为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 2 斜探头式换能器如图所示 可发射与接收横波 压电片产生纵波 经斜楔块倾斜入射到被测工件中 转换为横波 如斜楔块为有机玻璃 斜探头的角度 即入射角 在28 61 之间 在钢中可产生横波 如果把直探头在液体中倾斜入射时 也能产生横波 当入射角增大到某一角度时 使在工件中的横波的折射为90 时 在工件中可产生表面波 而形成表面波探头 因此表面波探头是斜探头的一个特例 1 外壳 2 绝缘柱 3 接线柱 4 接线 5 接线片 6 压电片座 7 吸收块 8 压电片 9 接地铜箔 3 组合式换能器组合式换能器又称为双探头或组合探头 它是把两块压电片装在一个探头架内 一块压电片发射时 另一块接收 双探头可发射与接收纵波 其结构原理图如图所示 压电片下的延迟块 有机玻璃 的作用是使声波延迟一段时间后再射入工件 这样可探测探头近处的工件 1 上盖 11 绝缘座 8 导线 9 接线座 7 压电片座 3 吸收块 6 压电片 10 接地点 2 金属壳 4 隔声层 5 延迟块 13 2 3超声波在检测技术中的应用1 超声波探伤利用超声波可以探查金属内部的缺陷 这是一种非破坏性的检测 即无损检测 利用此方法可对高速运动的板料 棒料进行检测 也可制成自动检测系统 不但能发出报警信号 还可在有缺陷的区域上喷上有色涂料 并根据缺陷的数量或严重程度作出 通过 或 拒收 的决定 1 反射检测法脉冲反射式超声波探伤仪应用得最为广泛 一般在均匀的材料中 缺陷的存在将造成材料的不连续 这种不连续往往又造成声阻抗的不一致 由反射定理我们知道 超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射 反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向 大小有关 脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的 目前便携式的脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的 所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离 纵坐标是超声波反射波的幅值 譬如 在一个钢工件中存在一个缺陷 由于这个缺陷的存在 造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面 交界面之间的声阻抗不同 当发射的超声波遇到这个界面之后 就会发生反射 见下图 反射回来的能量又被探头接受到 在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形 横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度 这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同 反映了缺陷的性质 2 透射检测法当材料内部有缺陷时 材料内部的不连续性成为超声波传输的障碍 超声波通过这种障碍时只能透射一部分声能 在无损检测中 十分细小的微裂纹即可构成超声波不能透过的阻挡层 利用此原理即可构成缺陷的透射检测法 2 超声波测厚度超声波脉冲回波法检测厚度的原理如图所示 超声波探头与被测物体表面接触主控制器发射电路 使探头发出的超声波到达被测物体底面反射回来 该脉冲信号又被探头接收 经放大器放大后加到示波器垂直偏转板上 标记发生器输出时间标记脉冲信号 同时加到该垂直偏转板上 而扫描电压则加在水平偏转板上 因此 在示波器上可直接读出发射与接收超声波之间的时间间隔t 被测物体的厚度h为 无论是超声测厚仪 含测距 还是超声波探伤仪 使用的超声波脉冲必须是窄脉冲 所以超声波换能器 应具有宽频带 窄脉冲特性 必须用窄脉冲激励 否则 发射脉冲与反射脉冲以及反射脉冲之间将会产生重叠现象 影响测量 1 超声波发射电路超声波发射电路实际上是超声波窄脉冲信号形成电路 它由超声波大电流脉冲发射电路和抵消法窄脉冲发射电路组成 超声波大电流脉冲发射电路右下图是一种典型的超声波大电流脉冲发射电路原理图 在测厚仪中 通常采用复合晶体管作开关电路 由BG1和BG2组成高反压大电流脉冲发生的复合管 当同步脉冲到来时 复合管突然雪崩导通 充有较高电压的电容C迅速放电 形成前沿极陡的高压冲击 以激励超声波探头产生超声发射脉冲波 发射脉冲 回波脉冲 抵消法窄脉冲发射电路 抵消法窄脉冲发射电路能发射一个只保留前半周期的窄脉冲信号 从主控器来的正脉冲信号经过两条通路施加到换能器上 一路是经BG2倒相放大成为负脉冲 通过D1加到换能器上 使它开始作固有振荡 另一路是先经过电感L1 L2和变容二极管D3 D4组成的延迟电路 使脉冲信号延迟一段时间 然后再经BG1倒相放大 通过D2加到换能器上 使它在原来振动的基础上 迭加一个振动 调节电位器W1和W3可控制两脉冲信号的幅度 调节W2可以改变变容二极管D3和D4的结电容 从而使脉冲信号的延迟时间在一定范围内变化 通过调节幅度与滞后量 可使两个振动互相叠加后 除了开始的半个周期外 其余部分都因振幅相等 相位相反而互相抵消 使换能器输出窄脉冲 2 超声波接收电路由于超声波的反射信号是很微弱的脉冲信号 因此 接收电路的设计必须考虑如下因素 足够大的增益 至少要60dB的增益 这时既要防止放大器的饱和又要防止其自激 脉冲放大电路与接收换能器之间的阻抗要匹配 使接收灵敏度与信噪比最佳 放大器要以足够宽的频带 使脉冲信号不失真 前置级放大电路必须是低噪声的 由于换能器是容性的 通常选用共射 共集连接的宽频带放大器 电路由输入级 中间级 和输出级组成 输入级增益KI 18dB 能对2mV的输入电压脉冲进行低噪声宽带 5MHz 放大 中间级增益Km 33dB 脉冲信号经输出级的放大 整形后 送入控制显示电路进行计数 3 超声波测温超声波测温多数是以气 液 固三态媒质中温度与声速关系为基础的 许多固体和液体的声速一般随温度增高而降低 而气体的声速与绝对温度的平方根成正比 气体的声速变化率在低温时最大 大多数液体的声速变化率基本上不随温度而变 固体则在高温时声速变化率最大 声波在理想气体中传播过程可认为是绝热过程 声波传播速度u为由上式可以看出 理想气体的声速与绝对温度T的平方根成正比 对空气来说 影响声速的主要原因是温度 可用下式计算声速的近似值最常用的声速测量声速的方法是脉冲传播时间法 回鸣法 相位比较法和共振法等 4 超声波测液位超声波脉冲回波式测量液位的工作原理如图所示 探头发出的超声波脉冲通过介质到达液面 经液面反射后又被探头接收 测量发射与接收超声脉冲的时间间隔和介质中的传播速度 即可求出探头与液面之间的距离 根据传声的方式和使用探头数量的不同 可以分为单探头液介式 a 单探头气介式 b 单探头固介式 c 及双探头液介式 d 等数种 在生产实践中有时只需要知道液面是否升到或降到某个或几个固定高度 则可采用下图所示的超声波定点式液位计 实现定点报警或液面控制 图 a b 为连续波阻抗式液位计的示意图 由于气体和液体的声阻抗差别很大 当探头发射面分别与气体或液体接触时 发射电路中通过的电流也就明显不同 因此利用一个处于谐振状态的超声波探头 就能通过指示仪表判断出探头前是气体还是液体 图 c d 为连续波透射式液位计示意图 图中相对安装的两个探头 一个发射 另一个接收 当发射探头发出频率较高的超声波时 只有在两个探头之间有液体时 接收探头才能接收到透射波 由此可以判断液面是否到达探头的高度 5 超声波测流量利用超声波测流量对被测流体并不产生附加的阻力 测量结果不受流体物理和化学性质的影响 超声波在静止和流动体中的传播速度是不同的 进而形成传播时间和相位上的变化 由此可求得流体的流速和流量 图为超声波测流体流量的工作原理图 图中u为流体的平均流速 c为超声波在流体中的流速 q为超声波传播方向与流动方向的夹角 A B为两个探头 L为其间距离 时差法测流量当A为发射探头 B为接收探头时 超声波传播速度为c vcos 于是顺流传播时间t1为 当B为发射探头 A为接收探头时 超声波传播速度为c vcos 于是逆流传播时间t2为 由于c v 于是上式可近似为 流体的平均流速为 该测量方法精度取决于 t的测量精度 同时应注意c并不是常数 而是温度的函数 相位差法测流量 当A为发射探头 B为接收探头时 接收信号相对发射超声波的相位角 1 当 1很小时 为 当B为发射探头 A为接收探头时 接收信号相对发射超声波的相位角 2为 同样由于c v 于是上式可近似为 流体的平均流速为 该法以测相位角代替上法的精确测量时间 因而可以进一步提高测量精度 式中 超声波的角频率 频率差法测流量 当A为发射探头 B为接收探头时 超声波的重复频率f1为 当B为发射探头 A为接收探头时 超声波的重复频率f2为 流体的平均流速为 当管道结构尺寸和探头安装位置一定时 上式中L 2cos 为常数 v直接与 f有关 而与c值无关 可见该法将能获得更高的测量精度 本节思考题 1 简述超声波测距的基本原理 习题 1 如何用超声波测流体的流量 要求画出工作原理图 并作简要说明 超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射时刻的同时开始计时 超声波在空气中传播 途中碰到被测物就立即返回来 超声波接收器收到反射波就立即停止计时 超声波在空气中的传播速度为340m s 根据计时器记录的时间t 就可以计算出发射点距被测物的距离 s 即 s 340t 2 电磁波 在空间传播着的交变电磁场 它在真空中的传播速度约为每秒30万公里 3 108m s 无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线都是电磁波 不过它们的产生方式不尽相同 波长也不同 把它们按波长 或频率 顺序排列就构成了电磁波谱 电磁波基础 13 3红外辐射传感器 依照波长的长短以及波源的不同 电磁波谱可大致分为 1 无线电波 波长从几千米到1米左右 一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波 2 微波 波长从1米到10 3米 这些波多用在雷达或其它通讯系统 3 红外线 波长从10 3米到7 8 10 7米 4 可见光 这是人们所能感光的极狭窄的一个波段 波长从 780 380 纳米 1nm 10 9m 电磁波基础 5 紫外线 波长从3 10 7米到6 10 10米 6 伦琴射线 这部分电磁波谱 波长从2 10 9米到6 10 12米 伦琴射线 X射线 是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的 7 射线 是波长从10 10 10 14米的电磁波 这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的 放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出 射线的穿透力很强 对生物的破坏力很大 电磁波基础 电磁波的整个频实验证明 不仅无线电波是电磁波 光 X射线 射线也都是电磁波 它们的区别仅在于频率或波长有很大差别 光波的频率比无线电波的频率要高很多 光波的波长比无线电波的波长短很多 而X射线和 射线的频率则更高 波长则更短 为了对各种电磁波有个全面的了解 人们按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来 这就是电磁波谱 电磁波基础 红外辐射俗称红外线 它是一种不可见光 由于是位于可见光中红色光以外的光线 故称红外线 它的波长范围大致在0 76 1000 m 在自然界中只要物体本身具有一定温度 高于绝对零度 都能辐射红外光 例如电机 电器 炉火 甚至冰块都能产生红外辐射 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 辐射的能量就越强 红外光的本质与可见光或电磁波性质一样 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 并具有明显的波粒二相性 能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体 能全部反射的物体称为镜体 能全部透过的物体称为透明体 能部分反射 部分吸收的物体称为灰体 严格地讲 在自然界中 不存在黑体 镜体与透明体 红外辐射和所有电磁波一样 是以波的形式在空间直线传播的 它在大气中传播时 大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带 红外线气体分析器就是利用该特性工作的 空气中对称的双原子气体 如N2 O2 H2等不吸收红外线 而红外线在通过大气层时 有三个波段透过率高 它们是2 2 6 m 3 5 m和8 14 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 13 3 1红外辐射的基本定律1 基尔霍夫定律如图所示 基尔霍夫定律指出任意物体A置于一等温腔内 腔内为真空 物体A在吸收腔内辐射的同时又在发射辐射 最后物体A将与腔壁达到同一温度T 这时称物体A与空腔达到了热平衡状态 在热平衡条件下 物体A发射的辐射功率必等于它吸收的辐射功率 否则物体A将不能保持温度 于是有 式中M 物体A的辐出度 物体A的吸收率 E 物体A上的辐照度 上式又可写为这就是基尔霍夫定律的一种表达形式 即在热平衡条件下 物体的辐出度与其吸收率的比值等于空腔中的辐照度 与物体的性质无关 若物体的吸收率值越大 则它的辐出度也越大 即好的吸收体必是好的发射体 密闭空腔中的辐射为黑体的辐射 黑体的反射率和透射率均为零 吸收率等于 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 普朗克定律普朗克定律在近代物理的发展中占有极其重要的地位 普朗克关于微观粒子能量不连续的假设 首先用于普朗克公式的推导上 得到了与实验一致的结果 它叙述了绝对黑体辐射出射度的光谱密度的分布式中Ml 单位波长辐射通量密度或称光谱辐射通量密度 W cm2 mm 波长 mm T 绝对温度 K c1 第一辐射常量 c1 3 7415 10 16 W m2 c2 第二辐射常数量 c2 1 43879 10 2 m K 3 维恩位移定律此定律给出黑体光谱幅出度的峰值所对应的峰值波长与黑体绝对温度T关系 式中 光谱幅出度的峰值所对应的峰值波长 T 黑体绝对温度 称为维恩位移常数 4 斯忒藩 玻尔兹曼定律物体温度越高 发射的红外辐射能越多 在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为 式中T 物体的绝对温度 K 斯忒藩 玻耳兹曼常数 5 67 10 8W m2 k4 比辐射率 黑体的 1 13 3 2红外传感器的分类红外传感器又称红外探测器 红外探测器是红外检测系统中最重要的器件之一 一般由光学系统 探测器 信号调理电路及显示单元等组成 探测器是红外传感器的核心 红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的 红外探测器的种类很多 按探测机理的不同 分为热探测器和光子探测器两大类 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 热探测器主要有四类 热释电型 热敏电阻型 热电阻型和气体型 其中 热释电型探测器在热探测器中探测率最高 频率响应最宽 所以这种探测器倍受重视 发展很快 2 光子探测器光子探测器的工作机理是 利用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 这种现象称为光子效应 根据所产生的不同电学现象 可制成各种不同的光子探测器 光子探测器有内光电和外光电探测器两种 后者又分为光电导 光生伏特和光磁电探测器等三种 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 热探测器与光子探测器比较 1 热探测器对各种波长都能响应 光子探测器只对一段波长区间有响应 2 热探测器不需要冷却 光子探测器多数需要冷却 3 热探测器响应时间比光子探测器长 4 热探测器性能与器件尺寸 形状 工艺等有关 光子探测器容易实现规格化 13 3 3红外辐射检测技术的应用 1 红外测温红外测温的特点有 1 测量过程不影响被测目标的温度分布 可用于对远距离 带电 以及其他不能直接接触的物体进行温度测量 2 响应速度快 适宜对高速运动物体进行测量 3 灵敏度高 能分辨微小的温度变化 4 测温范围宽 辐射温度计根据维恩位移定律 物体峰值辐射波长 m与物体的自身的绝对温度T成反比 即 只要测量出辐射体 源 的峰值辐射波长 m 即可推测出辐射体的温度 这种测温手段的测温范围 可达 170 3200 响应速度可达几个微秒 可以实现非接触测量 不会破坏温度场 还可以测量几百到上千Km之外物体的温度 2 红外气体分析红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的 只要在红外波段范围内存在吸收带的任何气体 都可用红外辐射进行分析 该法的特点是 灵敏度高 反应速度快 精度高 可连续分析和长期观察气体浓度的瞬时变化 不同气体其吸收波段 吸收带 不同 下图给出了几种气体对红外线的透射光谱 从图中可以看出 CO气体对波长为4 65 m附近的红外线具有很强的吸收能力 CO2气体则发生在2 78 m和4 26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力 如分析CO气体 则可以利用4 26 m附近的吸收波段进行分析 几种气体对红外线的透射光谱 4 65 m 2 78 m 4 26 m 乙炔 乙烷 乙烯 甲烷 二氧化碳红外气体分析仪由气体 含CO2 的样品室 参比室 无CO2 斩光调制器 反射镜系统 滤光片 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 参比室里充满不含CO2的气体 或CO2含量已知的气体 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 经反射镜系统 这两束光可以通过中心波长为4 33 m的红外光滤色片投射到红外敏感元件上 由于斩光调制器的作用 敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射 若样品室和参比室均无CO2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CO2气体 对4 33 m的辐射就有吸收 那么两束辐射的通量不等 则敏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零 经过标定后 就可以从输出信号的大小来推测CO2的含量 3 红外无损探伤仪红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷 对部件结构无任何损伤 例如 检查两块金属板的焊接质量 利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊 为了检测金属材料的内部裂缝 也可利用红外探伤仪 红外无损探伤仪的工作原理如下图所示 将红外辐射对金属板进行均匀照射 利用金属对红外辐射的吸收与缝隙 含有某种气体或真空 对红外辐射的吸收所存在的差异 可以探测出金属断裂空隙 当红外辐射扫描器连续发射一定波长的红外光通过金属板时 在金属板另一侧的红外接收器也同时连续接收到经过金属板衰减的红外光 如果金属板内部无断裂 辐射扫描器在扫描过程中 红外接收器收到的是等量 的红外辐射 如果金属板内部存在断裂 红外接收器在辐射扫描器在扫描到断裂处时所接收到的红外辐射值与其他地方不一致 利用图像处理技术 就可以显示出金属板内部缺陷的形状 4 红外遥测运用红外光电探测器和光学机械扫描成像技术构成的现代遥测装置 可代替空中照相技术 从空中获取地球环境的各种图像资料 在气象卫星上采用的 双通道扫描仪 装有可见光探测器和红外探测器 红外探测还可用于森林资源 矿产资源 水文地质 地图绘制等勘测工作 13 4 1微波概述 微波是波长为1mm 1m的电磁波 所对应的频率为300MHz 300GHz 可以细分为三个波段 分米波 厘米波 毫米波 微波既具有电磁波的性质 又不同于普通无线电波和光波的性质 是一种相对波长较长的电磁波 微波具有下列特点 定向辐射的装置容易制造 遇到各种障碍物易于反射 绕射能力差 传输特性好 传输过程中受烟雾 火焰 灰尘 强光的影响很小 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 13 4微波传感器 13 4 2微波传感器的原理和组成 一 微波传感器的测量原理及分类 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置 由发射天线发出微波 此波遇到被测物体时将被吸收或反射 使微波功率发生变化 若利用接收天线 接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波 并将它转换为电信号 再经过信号调理电路 即可以显示出被测量 实现了微波检测 根据微波传感器的原理 微波传感器可以分为反射式和遮断式两类 1 反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的 通常它可以测量物体的位置 位移 厚度等参数 2 遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度 含水量等参数的 二 微波传感器的组成 微波传感器通常由微波发射器 即微波振荡器 微波天线及微波检测器三部分组成 1 微波振荡器及微波天线微波振荡器是产生微波的装置 由于微波波长很短 即频率很高 300MHz 300GHz 要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容 因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器 构成微波振荡器的器件有调速管 磁控管或某些固态器件 小型微波振荡器也可以采用体效应管 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管 管长为10cm以上 可用同轴电缆 传输 并通过天线发射出去 用于辐射无线电波的天线称发射天线 它把发射器送来的交变电流能量转换为空间电磁波能量 用于接收无线电波的天线称接收天线 它把从空间获取的电磁波能量转换为交变电流能量送给检测器 为了使发射的微波具有尖锐的方向性 天线要具有特殊的结构 常用的天线如图11 1所示 其中有喇叭形天线 图 a b 抛物面天线 图 c d 介质天线与隙缝天线等 喇叭形天线结构简单 制造方便 可以看作是波导管的延续 喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用 可以获得最大能量输出 抛物面天线使微波发射方向性得到改善 常用的微波天线扇形喇叭天线 b 圆锥形喇叭天线 c 旋转抛物面天线 d 抛物柱面天线 2 微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播 所以使用电流 电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头 与其它传感器相比 敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度 作为非线性的电子元件 在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结 而对于频率比较高的可使用肖特基结 在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器 SIS Supercon