中科大现代检测技术课件第5章 数字与现代检测装置

主要内容5.15.25.35.45.1角度数字编码器5.2光栅传感器5.3感应同步器5.4现代传感器数字温度传感器数字温度传感器微机USB/RS232转换芯片USB接口PC机I2C总线SPI总线SCI总线TXRX数字量转换处理传输温度传感器温度传感器微机USB/RS232转换芯片USB接口PC机TXRX信号调理电路A/D转换模拟转换处理传输数字式检测装置的优点输出脉冲或数字信号直接与计算机相接。I2C、SPI、计数器系统组成结构简单，体积小，成本低，测量精度高。数字式检测装置的分类直接数字传感器（数字编码器、CCD传感器、数字温度传感器、压力传感器等）间接数字传感器（脉冲量）（光栅、感应同步器、增量式角度数字编码器）5.1角度数字编码器概念将机械转动的模拟量（角位移）转换成以数字代码形式表示的电信号的传感器。5.1.1

增量式角度数字编码器图5-1编码器的结构功能：将转角转换为脉冲。原理式分辨率转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC零位标志ABCABZABZ正转反转光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m+1/4）倍，m为正整数，并设置了两组光敏元件A、B作为接收器件。图5-2正转反转A、B输出波形Z:零标志脉冲，作为测量的起始基准。2、辨向电路图

5-2辨向电路方框图图

5-3辨向电路波形

u2′门控信号。u1w′和u1w〞提供正反向计数脉冲。工作轴正转，光敏元件1、元件2相位差。与门1、2哪个输出脉冲可逆计数器加计数还是减计数？图

5-3辨向电路波形

工作轴反转，光敏元件1、元件2相位差。与门1、2哪个输出脉冲可逆计数器加计数还是减计数？T

编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内（秒）有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：

m1n=60m1/（NT）5.1.2绝对式角度数字编码器

定义:在码盘上按角度直接进行编码的装置。光电式角度数字编码器组成：光源、光学系统、码盘、读出系统和电路系统。

图5-4光电光电码盘工作原理示意图1、码盘和码制

绝对式码盘与增量式码盘有何区别？透光区不透光区零位标志10码道光电绝对式码盘绝对式接触式编码器演示4个光电元件

4位二进制码盘

最小分辨角度为α=360°/2n

每个方位(转角)对应一个二进制编码图5-5N位二进制码盘2、二进制码盘主要特点（1）码盘特性n位(n个码道)二进制码盘具有2n种不同编码。最小分辨力θ1＝3600／2n（2）转角计算公式：码盘的位置与转角对应，与转动的中间过程无关。D=101011对应的角度？思考（3）二进制码盘转动中，CK变化时，所有Cj(j<K)应同时变化。7→80111→1000，某一个码道提前或延后改变，就可能造成错码。采用循环码盘。图5-66位循环码码盘图5-66位二进制码盘3、循环码与二进制码的转换4位二进制码与循环码的对照表R→C循环码转变为二进制码的电路

图5-8(a)并行变换电路(b)串行变换电路

4、应用

图5-9光学码盘测角仪的原理图将光电元件输出的编码信号经过放大、整形变为电平0、1组合的编码信号，输入到微机的I/O口，微机读入I/O口数据，按公式计算转角。经过二进制码到BCD码，BCD码到七段码的转换，输出对应角度的七段码显示。5.2光栅传感器长度和角度精密测量和数控机床位置检测。扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆5.2.1计量光栅的理论基础

1、光栅的定义由很多相等节距的透光和不透光的刻线相间排列构成的栅形光器件。

W=(a+b)2、光栅的分类

物理光栅：特点：光栅刻线细密，利用光的衍射现象。用途：光谱分析和波长检测。每毫米约有300～1200条线

计量光栅：利用光栅的莫尔条纹现象，应用于位移及和位移相关的物理量测量。每毫米约有20～125条线

计量用黑白透射式长光栅。3、光栅传感器的构造5-10光栅传感器的构造图

4、莫尔条纹形成原理

遮光效应两光栅刻线相交处形成亮带；刻线彼此错开处形成暗带。在与刻线垂直方向，出现周期性的明暗相间的条纹，为莫尔条纹。叠合标尺光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动标尺光栅指示光栅光栅移动莫尔条纹移动两亮（暗）条纹（宽度）间距为莫尔条纹的间距BH。*移过一个光栅栅距，移过一个莫尔条纹。莫尔条纹间距图5-11光栅和横向莫尔条纹（1）运动对应关系在夹角一定的情况下，光栅尺的位移方向与莫尔条纹的移动方向有严格的对应关系。标尺光栅相对于指示光栅的夹角θ方向

标尺光栅移动方向

莫尔条纹移动方向顺时针方向逆时针方向5、莫尔条纹的特点*莫尔条纹对光栅的栅距具有放大作用。光栅尺每移过一个栅距W，莫尔条纹移过一个条纹宽度B，通过读出移过莫尔条纹的数目，来测量位移X。X=NW（2）放大作用放大1/θ（3）误差平均效应莫尔条纹对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件接受的莫尔条纹是在它所接受区域的众多光栅刻线遮透光形成的。10mm有500条刻线在参与工作，某几条刻线的误差或断裂对整个莫尔条纹的位置和形状影响甚微。5.2.2光栅传感器工作原理图5-12光栅传感器组成图光栅光学系统，电子系统（接收、辨向、细分、显示）机械系统处理电路标尺光栅随被测件移动，光电元件受光感受莫尔条纹的变化，后接电路，计出移动莫尔条纹的条数，由X=NW即可测出位移。图5-13光栅输出信号波形莫尔条纹测量位移原理U0X5.2.3辨向原理与细分技术1、辨向原理光电元件25-14辨向原理图

光电元件1图5-15辨向原理电路框图光电元件1光电元件2差动放大器斯密特电路差动放大器斯密特电路与门1微分可逆计数器与门2微分反相触发器QQCLK加减H光敏元件1产生主信号（计数），光敏元件2产生门控信号。主光栅正向移动，光敏元件1先感光，微分输出在控制信号的高电平，与门2有输出，加减控制触发器置1，可逆计数器加法控制母线为高电平，同时与门2输出脉冲经过或门送到可逆计数器时钟输入端加计数。产生主光栅负向移动X向，莫尔条纹做A向运动，光敏元件1后感光，电信号相位滞后光敏元件2相位角。微分输出在控制信号的高电平，与门1有输出，加减控制触发器置0，可逆计数器减法控制母线为高电平，同时与门1输出脉冲经过或门送到可逆计数器时钟输入端减计数。2、细分（倍频）技术细分思想：在一个莫尔条纹周期内，内插N个计数脉冲，每个计数脉冲代表W/N位移量。目的：进一步提高仪器测量分辨率。细分前细分后（2）四细分逻辑分析①光电元件输出的四路信号

1

、四倍频直接细分。（1）原理在一个莫尔条纹间距内等间距放四个光电元件。光栅尺移过一个栅距，细分电路产生四个脉冲，分辨力达W/4。亦可由相位差的两路信号再经反向得到四路信号。+ABu1u3u2u4四细分逻辑电路框图原理性细分电路u1-u4为经过差动放大整形后相位差依次90度矩形脉冲。u1u2u3u4每移过一个光栅栅距，移过一个莫尔条纹。四倍频电路产生四个脉冲信号。一个脉冲信号代表位移W/4。细分电路输出电脉冲微分电路鉴零器差动放大光电元件光电元件光电元件光电元件差动放大差动放大差动放大鉴零器鉴零器鉴零器微分电路微分电路微分电路u4u3u2u1图5-16四细分逻辑电路框图t1u3u13u1②经差分放大后滤除直流信号。四路信号相位差相差。③正弦波变为方波。输入正弦波每过零一次，鉴零器翻转一次，四路方波信号t1

、t2、t3

、t4为后续电路提供辨向信号。(4-23)(4-24)④微分电路提供计数脉冲信号t1

、t2、t3

、t4经过后输出尖脉冲提供计数信号p1、p2

、p3

、p4。⑤逻辑门电路输出加减计数脉冲

Q+、Q-。图5-18四细分加减计数逻辑电路触发器单稳整形或门可逆计数器Q+Q-加减qq计数器CLK⑥逻辑电路实现加减计数2、电阻电桥细分法图5-19电阻电桥细分原理USC用此信号去触发施密特电路图5-20电阻电桥细分电路3、电阻链细分法

图5-21等电阻链细分电路

20细分呢？代表性产品：

德国Heidenhain（海德汉）：封闭式：量程3000mm，分辨力0.1m开放式：量程1440mm，分辨力0.01m开放式：量程270mm分辨力1nm用于数显、数控精密机床、精密伺服同步系统

sincos节距τ节距τ（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢)滑尺定尺5.3感应同步器（1）结构250mm5.3.1感应同步器的理论基础图5-22感应同步器结构铜箔厚度在40-50um，通过光刻和腐蚀工艺刻成需要的绕组图形。滑尺与定尺相对移动，电磁感应在定尺绕组中产生感应电势，感应电势的幅值或相位是滑尺与定尺的位置函数。（2）原理定尺感应电势滑尺加激励图5-23感应同步器原理图图5-24两个线圈相对运动时的感应电势

长矩形激磁线圈B中通以有效值为I的交流电，空间产生同频率的交变磁场。在A线圈中将产生感应电势，A、B不同相对位置产生电势不同。（3）工作原理工作原理图5-25滑尺位置与定尺感应电势变化图导片视视为无限长导线总的感应电势为

余弦绕组激磁电势eB在定尺中的感应电势为正弦绕组激磁电势eA在定尺中的感应电势为K互感耦合系数

（1）鉴幅型系统

滑尺上激励电压要求：同频同相不同幅5.3.2信号处理方式

根据感应电势的幅值测量位移量。放大环节控制环节函数发生器计算显示定尺电动势图5-26鉴幅检测原理图（2）鉴相型系统

根据感应电势的相位来鉴别位移量的工作方式。滑尺上激励电压要求：同频同幅但不同相在定尺上感应电势分别为

图5-27鉴相检测原理图5.3.3感应同步器的应用

1、位移高精度测量

（1）鉴幅式①激励与信号输出激励：函数发生器产生正余弦激励信号加到滑尺的正余弦绕组。输出：电磁耦合在定尺输出电势

图5-28鉴幅位移测量系统框图

函数电压发生器ee≠0，打开与门。时钟脉冲通过与门到转换计数器改变θ1，最终使θ1＝θ2

，e＝0。②数模转换相位跟踪③数模转换位移测量脉冲送可逆计数器通过译码显示显示出位移量。（2）鉴相式数字式位移相位自动跟踪系统。鉴相器两入：输出信号相位θ2

与跟踪信号相位θ1。两出：相位差△θ和相位差状态1或0。脉冲发生器通过计数门送可逆计数器计数。直到△θ=0将加减脉冲转换为跟踪相位的变化。鉴相器输出为1，加脉冲。鉴相器输出为0，减脉冲。脉冲相位变换器（数模转换）

图5-29鉴相式位移测量系统框图

X=1mmM=?θ

1θ2为多少？工作原理：开始，θ2=θ1。△θ=0，计数器清零。（零点）设滑尺相对定尺正向位移，θ2

超前θ1。△θ≠0，计数门开启加计数，同时鉴相器输出控制脉冲移相器移相使θ1增加。5.5现代传感器

5.5.1CCD图像传感器

基本功能：光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。

应用：图像识别技术，固体摄像器件。

图5-30CCD传感器基本功能框图

电荷存储电荷输出电荷转移光电转换1、电荷耦合器件的结构和工作原理（1）基本单元的结构P型硅半导体金属电极Si02氧化物

图5-31线阵列MOS结构图三相脉冲（2）电荷的存储

图5-32有信号电荷的势阱①势阱的产生势阱的深浅取决于UG的大小。势阱的宽度取决于金属电极的宽度。排斥空穴，形成耗尽层，形成对电子的“势阱”②电荷的存储（光像→电像）电荷存储在MOS单元势阱中。光注入式P5-33(a)光注入电子空穴光照激发电子—空穴对，少数载流子（电子）被收集存势阱中，形成“电荷包”，其大小与入射光信号强度和照射时间有关。

电注入P-Si5-33(b)电注入VDDID电压信号加到注入二极管ID上，在IG选通脉冲作用下，光照PN结产生电荷被注入到势阱，直到下电位与区电位相等，IG关断。（3）电荷的传输（耦合）电荷从一个MOS元位置转移到下一个MOS元位置。①三相CCD电极的结构

MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。②电荷的定向转移

多个MOS单元紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。图5-34CCD电荷转移（4）电荷的检测输出①

复位OG关断，ΦR（复位管）选通，直流偏压UDD加到输出二极管上，构成深势阱。②

电压信号输出OG开启，ΦR撤除，电荷流入到输出深势阱，电荷量为QS使A点电位降低。输出电流为A点电压为电压变化量为输出电压为图5-35电荷电流输出P-SiAA2、CCD图像传感器工作原理光积分，通过电荷包将光像变为电像。电荷传输与输出得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列。将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。类型线列和面阵列（1）线列阵（单排和双排）

①光积分光像→电像（电荷包）过程；

光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中。②电荷转移输出

过程：控制信号使转移栅打开，奇偶光敏单元电荷并行地转移到上下两列移位寄存器中，通过移位寄存器串行输出。转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。输出的奇偶信号最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。

电荷转移器件1

1

2

8

3

4

5

6

7电荷转移器件2光敏元转移控制栅U0图5-36双排结构（2）面阵列①帧传输方式光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号逐行下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）②垂直行间传输方式光敏列阵与存储列阵交错排列，（垂直与水平移位寄存器为光屏蔽结构。光敏区存储区水平寄存器输出水平寄存器控制转移光敏区垂直寄存器积分控制两相驱动图5-37帧传输方式图5-38垂直行间传输方式

3、CCD图像传感器应用（1）线阵CCD器件检测物体尺寸

图5-39线阵CCD器件检测物体尺寸原理图（2）文字图像识别系统CCD传感器以逐行扫描的方式把邮政编码数字依次读出。读出的视频信息经视频采集卡，转换为数字信息，数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23图5-40邮政编码识别系统邮政编码识别系统1、光纤结构由纤芯和包层组成（石英、玻璃5—150um)（n1>n2)。外层一层尼龙保护套。5.5.2光纤传感器5-41光纤结构

5-42光纤传光示意图

2、传输原理光的全反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件当光由空气到纤芯时，发生折射当光由纤芯到包层时，发生折射希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有2θi0

内的光才能被光纤接受，全反射传输。（1）按折射率分布n1n2n(r)rrn(r)阶跃型光纤梯度型光纤n1n25-43光纤结构

3、光纤的分类：（2）光纤的传输模式分类单模光纤与多模光纤

光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生反射。入射与反射波相位差为2π的整数倍，形成驻波。能形成驻波的光即为一种模式的光。全反射传播。单模光纤直径10um，多模光纤直径50-100um。n1n2n1n2非功能型光纤传感器：传输图像、信息。（传光型多模光纤）功能型光纤传感器：利用外界物理因素，改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界参数进行测量。（传感型单膜光纤）4、光纤传感器分类

测量对象测量对象光源光源光电元件光电元件5、光纤传感器的测量原理通过被测量的变化来调制光纤中的光波，使光纤中的光波参量随被测量的变化而变化，从而测得被测量信号的大小。5-44光纤传感器原理框图（1）光纤压力（温度）传感器(相位调制型)6、光纤传感器的应用光波通过长度为L的光纤后,出射光波相位延迟压力（温度）变化引起两相干光束相位差5-45光纤压力（温度）传感器通过光波的干涉技术,把相位变化转换为光强变化用光电元件测量干涉条纹移过的数目,对外界物理量检测。P=0或T=T0，传感与参考光纤中传输光同相，输出光电流最大。△P（△T）→△Φ，光电流变化。温度（压力）变化一定值，相移2π，干涉条纹移动一条。温度（压力）变化量与条纹移动数有对应关系，计量移过干涉条纹数，可以检测变化的温度（压力）信号。26.0626.1226.182π整数倍TI△Φ

图5-46光纤微弯对传播光的影响2、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）位移压力活动板光纤固定板图5-47光纤微弯曲传感器弯曲程度越大，输出光强度越小。（3）光纤液位传感器（传光型）原理：光的全反射原理。工作过程：测头未接触到液面，光线在锥面或U型面内发生全反射返回到光电二极管。测头接触到液面，液体与空气的折射率不同，全反射条件被破坏，光线在锥面或U型面内部分光投射入液体内，返回到光电二极管的光强变弱。返回的光强突变时，表明已接触到液面。图5-48光纤液位传感器LED光源光纤光电二极管（4）光纤位移传感器工作原理接收的光强随物体距光纤端面的距离不同而变化。距离越近，接收光强越强；距离越远，散射光越多，接收光强越弱。光源检测器照明光纤接收光纤被测对象探头

图5-49光纤位移传感器

5-50电磁波谱图

波长从0.76µm至1000µm范围内的电磁幅射。（1）红外线（2）红外线特点①在整个电磁波谱中，红外线波段的热功率最大。5.5.3红外传感器

1红外辐射的基本知识

红外电磁炉（加热）σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数发射率ε③任何物体均可外辐射电磁波。温度越高，辐射能量越大。②不同物体（气体）对红外辐射吸收程度不同红外线气体分析测温、热释电人体红外报警来客告知非接触开关。（3）红外线探测器接受红外辐射并将其转换为电信号。（4）红外探测器种类热探测器

红外辐射测温。

①热敏电阻：辐射使电阻温度升高，阻值减小（增大），检测阻值变化可确定辐射量。②热释电型：压电晶体受红外辐射后，其表面温度升高，极化强度降低，表面电荷减少相当于释放掉一部分电荷，输出信号的变化率正比与辐射能量的变化率。如人体红外探测器。③热电偶型：红外辐射引起热电偶温度变化，输出电势变化。热电堆加热。特点：波长不同，辐射能量相同，输出基本相同。

无选择性探测器。④气体型探测器：气体吸收红外辐射能量，引起气室温度变化，气压变化。气体种类和浓度的检测。

5-51电压响应率与波长关系2、红外探测器的主要性能参数

电压响应率

噪声等效功率

噪声等效功率NEP越小，探测器灵敏度越高。

信噪比为1时所需的入射红外辐射功率。投射到红外探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于自身的噪声电压，这个辐射功率叫做噪声等效功率。5-52红外辐射测温仪示意图

加滤光片,增大红外光的透射率，提高灵敏度。3、红外传感器的应用（1）红外测温红外分析仪：利用不同物质对特定波长的红外线辐射能量具有吸收特性的原理而进行物质成分和含量分析的仪器。朗伯特-比耳定律光的吸收定律（2）红外分析仪

物质

5-53水的红外吸收谱

5-54纸张近红外光谱曲线图

例：纸张水分分析仪纸张成品选1.94μm红外辐射，纸张较干，光透射率高，纸张较湿，透射率较低。（3）被动式热释电红外探测器防盗报警装置，接近开关当有人从透镜前走过时，人体发出的10um左右的红外线红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而聚焦红外能源。菲涅尔透镜被动红外探头一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。热释电红外传感器信号处理电路框图热释电红外传感器信号处理框图物体非涅尔透镜热释电红外传感器前置放大器电压比较器驱动器报警器基准电压（4）红外夜视仪（补充）主动式红外线夜视仪被动式红外线夜视仪美日冲绳岛战争，英阿马尔维纳斯群岛战争，海湾战争军事交通汽车夜视仪工作原理：红外探照灯发射出红外线，照射前方目标，由主动红外夜视仪中的观察镜的物镜接收目标反射回来的红外线，在红外交像管的光电阴极面上形成目标的红外光学图像，通过变像管将不可见的红外目标像换成人眼可见的目标图像，在荧光屏上显示出来，于是人眼就可通过观察镜的目镜观察到目标的图像。5.5.4超声波传感器

超声波频率高于2×104Hz的机械波。5-55声波的频率界限图1、超声波的波形及其物理性质纵波、横波、表面波（1）波形纵波：质点振动方向与波的传播方向一致波。能在固体、液体和气体介质中的传播横波在固体中传播表面波在固体表面传播

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、折射外,还发生横波的反射和折射,在某种情况下,还能产生表面波。LL2介质IIL1S2S1介质I界面图5-56波形转换（2）波型转换（3）超声波的折射与反射

（4）超声波的衰减

超声波能量的衰减大小取决于声波的扩散、散射和吸收。声压

所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa=1N/m2。声强

声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2。声功率

声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。2、超声波探头（超声换能器）5-57超声波探头结构（a）发射探头结构（b）接收探头结构导线压电片音膜锥形罩锥形罩压电片导线弹簧思考：超声波探头工作原理。3、超声波液（物）位传感器

对于单换能器（复合换能器）来说,超声波从发射到液面,又从液面反射到换能器的时间为对于双换能器（一对）来说,超声波从发射到被接收经过的路程为2s,而s=

因此液位高度为

h=（s2-a2）1/2

定时器定时测量发射到接收所需时间。4、超声波流量传感器

超声波传输时间差法测流量。如果在流体中设置两个超声波传感器（复合探头）,它们可以发射超声波又可以接收超声波,一个装在上游,一个装在下游,其距离为L。如设顺流方向的传输时间为t1,逆流方向的传输时间为t2,流体静止时的超声波传输速度为c,流体流动速度为v。当探头1为发射探头，2为接收探头时，超声波传播速度为顺流传播时间t1为当探头2为发射探头，1为接收探头时，超声波传播速度为逆流流传播时间t2为时差为流体的平均流速为顺流传播时间t1为逆流流传播时间t2为时差为流体的平均流速为5、超声波探伤（脉冲反射法）超声波发射到被测试件后，传播到有声阻抗的界面上，产生反射。反射波显示在示波器屏幕上。BFT脉冲发生器接收放大器缺欠探头工件图5-58脉冲反射法测厚纵波探测分一次反射波法和多次反射波法。一次反射波按时间顺序屏幕上显示发射波、表面反射波和底面反射波。若工件内部有缺欠，对超声波有较强的吸收，底波幅度减小。多次反射波以多次底波反射为依据。底波反射回探头时，一部分声波被探头接收，另一部分又返回底部，多次反射，直至声能全部衰减完为止。当试件有缺欠时，声波衰减很大，底波反射次数减少，直至消失，由此判断有无缺欠及缺欠的严重程度。倒车雷达

鱼群探测器

医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性，即将超声波发射到人体内，当它在体内遇到界面时会发生反射及折射，并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的，因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同，医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线，或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变，便可诊断所检查的器官是否有病。阅读材料空化作用:超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。5.5.5核辐射传感器

1、核辐射传感器的物理基础

放射性同位素的放射性衰变规律为

J、分别为t和时刻的辐射强度；λ为衰变常数。

核辐射的方式：α辐射、β辐射、γ辐射和X辐射。

射线的与物质作用能量衰减

2、核辐射传感器

核辐射与物质的相互作用时，物质产生电离、吸收和反射可以检测多种物理量。

（1）电离室

图5-59电离室的结构示意图

（2）气体放电计数器（盖格计数器）

U一定，入射的核辐射强度J越高，计数管内产生的脉冲数N越大。探测β粒子和γ射线的辐射量（强度）

图5-60气体放电计数器工作过程：核辐射→电离→电子雪崩放电→阳极正离子鞘→阴极打出次级电子→脉冲电流（3）闪烁计数器

图5-61闪烁计数器由闪烁晶体和光电倍增管两大部分组成。核辐射进入闪烁晶体时，晶体原子受激发出微弱的闪光，透过晶体射到光电倍增管的光电阴极上，经过N级倍增后，在倍增管的阳极上形成脉冲电流，经输出处理电路，就可得到与核辐射量有关的电信号，送到指示仪表或记录器显示。

图5-62管道中气体流量检测

3核辐射传感器的应用

（1）核辐射流量计

V垂直于电离室轴线（2）核辐射测厚仪

图5-63核辐射测厚仪

辐射源1辐射射线被镀锡层散射后进入电离室1。设镀锡层越厚，散射能量越小。辐射源2辐射射线被由电机控制的挡板遮挡部分后进入电离室2。两个电离室电流差动输出，在电阻上形成压降。经放大，输出电压控制电机带动挡板运动。