第十章 波式传感器.ppt

第十章 波式和射线式传感器,第十章 波式和射线式传感器,超声波传感器,微波传感器,射线式传感器,引言,超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。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。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波型转换等现象。超声波的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。,超声波及其物理性质,1,超声波传感器的原理,2,超声波传感器应用,3,10.1,超声波及其物理性质,1,、超声波的概念和波形,机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称为波。人能听见声音的频率为,20Hz,20kHz,，即为声波，超出此频率范围的声音，即,20Hz,以下的声音称为次声波，,20kHz,以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为,100Hz,8kHz,。,超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强,10.1.1,超声波的基本概念,图,10-1,声波的频率界限图,当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质,界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。,超声波的波型及其传播速度,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。通常有：,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。,超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存,在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度,c,为,式中：,介质的密度；,B,a,绝对压缩系数。,上述的,、,B,a,都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变,化。,0,100,范围内蒸馏水声速随温度的变,化,从表可见，蒸馏水温度在,0,100,范围内，声速随温度的变化而变化，在,74,时达到最大值，大于,74,后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。,在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为,横波声速为纵波的一半,，,表面波声速为横波声速的,90%,。气体中纵波声速为,344 m/s,，,液体中,纵波声速在,900,1900m/s,。,超声波的反射和折射,声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射,另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射,。,由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角,的正弦与反射角,的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角,的正弦与折射角,的正弦之比，等于入射波在第一介,质中的波速,c,1,与折射波在第二介质中的波速,c,2,之比，即,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、透射波的声强；,、,分别为声波的入射角和折射角；,z,1,、,z,2,分别为两介质的声阻抗,。,当超声波垂直入射界面，即,=,=0,时，则,可知，若,z,2,zc,1,，则反射系数,R,0,，透射系数,T,1,，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,z,2,z,1,反射系数,R,1,，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当,z,1,z,2,时，反射系数,R,1,，声波在界面上几乎全反射。如：在,20,水温时，水的特性阻抗为,z,1=1.48106kg/(m2s),空气的特性阻抗为,z,2=0.000 429106 kg/(m2s),z,1,z,2,故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。,超声波的声速和波长,（,1,）声速,纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。,介质的声阻抗,Z,等于介质的密度,和声速,c,的乘积，即,Z,=,c,（,2,）波长,超声波的波长,与频率,f,乘积恒等于声速,c,，即,f,=,c,常用材料的密度、声阻抗与声速（,0,）,材 料,密度,(10,3,kgm,-1,),声阻抗,Z,（,10,3,MPas,-1,）,纵波声速,c,L,（,km/s,）,横波声速,c,s,（,km/s,）,钢,7.8,46,5.9,3.23,铝,2.7,17,6.32,3.08,铜,8.9,42,4.7,2.05,有机玻璃,1.18,3.2,2.73,1.43,甘油,1.26,2.4,1.92,水（,20,）,1.0,1.48,1.48,油,0.9,1.28,1.4,空气,0.0013,0.0004,0.34,超声波的指向性,超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。,1,超声源,2,轴线,3,指向角,4,等强度线,指向角,与超声源的直径,D,、以及波长,之间的关系为,sin,=1.22,/,D,设超声源的直径,D,=20mm,，射入钢板的超声波（纵波）频率为,5MHz,，则根据式（可得,=4,o,，可见该超声波的指向性是十分尖锐的。,超声波的衰减,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）。,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。,在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的,扩散衰减,，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。,散射衰减,是指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,是由于介质粘滞性，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。,10.2,超声波传感器,利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探,测器或传感器。,超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是利用压电材料的压电效应来工作的：,逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信,号，可作为接收探头。,超声波探头主要由压电晶片、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,。,双晶直探头,由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内。其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。,斜探头,压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如,30,、,45,等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得。,聚焦探头,分辨试件中细小的缺陷，这种探头称为聚焦探头，是一种很有发展前途的新型探头。,聚焦探头采用曲面晶片来发出聚焦的超声波，也可以采用两种不同声速的塑料来制作声透镜，还可利用类似光学反射镜的原理制作声凹面镜来聚焦超声波。如果将双晶直探头的延迟块按上述方法加工，也可具有聚焦功能。,箔式探头,利用压电材料聚偏二氟乙烯（,PVDF,）高分子薄膜，制作出的薄膜式探头称为箔式探头，可以获得,0.2mm,直径的超细声束，用在医用,CT,诊断仪器上可以获得很高清晰度的图像。,空气传导型探头,超声探头的发射换能器和接收换能器一般是分开设置的，两者结构也略有不同，,发射器的压电片上粘贴了一只锥形共振盘，以提高发射效率和方向性。接收器在共振盘上还增加了一只阻抗匹配器，以滤除噪声，提高接收效率。空气传导的超声发射器和接收器的有效工作范围可达几米至几十米。,1,外壳,2,金属丝网罩,3,锥形共振盘,4,压电晶体片,5,引脚,6,阻抗匹配器,7,超声波束,超声波探头耦合剂,一般不能直接将其放在被测介质表面来回移动，以防磨损。,空气的密度很小，将引起,3,个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。,常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。,10.3,超声波传感器应用,超声波物位传感器,超声波物位传感器是利用超声波在,两种介质的分界面上的反射,特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换,能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。,几种超声物位传感器的结构原理示意图,(a),超声波在液体中传播；,(b),超声波在空气中传播,对于单换能器来说，超声波从发射器到液面，又从液面反射到换能器的时间为,则,式中：,h,换能器距液面的距离；,c,超声波在介质中传播的速度。,对于双换能器，超声波从发射到接收经过的路程为,2,s,，,而,因此液位高度为,式中：,s,超声波从反射点到换能器的距离；,a,两换能器间距之半。,超声波流量传感器,超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多卜勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。,超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量,。,超声波测厚传感器,超声波测厚常用脉冲回波法。,超声波探头与被测物体表面接触。主控制器产生一定频率的脉冲信号，送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头，以产生重复的超声波脉冲。脉冲波传到被测工件另一面被反射回来，被同一探头接收。如果超声波在工件中的声速,是已知的，设工件厚度为,，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,=,t,/2,环境考虑因素,气流,外部噪音,温度作用,传感器被污染,目标物体,气流,气流会造成声波的偏转折射,目标物体,Sensor,外部噪音,温度作用,冷,低温环境会降低声波的传播速度,高温环境会提高声波的传播速度,3cm,3cm,3cm,3cm,热,传感器被污染,异物的聚集作用,*,导致弱信号输出,*导致无反射信号,注意,:,尽管传感器被污染也是一个需要考虑的因素，但超声波传感器仍然能够在充满异物的操作环境中，卓越的完成传感监测工作。,目标物体材料,目标表面,粗糙的目标表面会对声波有散射作用,如目标物体是柔软或海面状的，反射信号是最小值。,3,3cm,3cm,3,目标形状,-,目标物体上的突起会对声波有散射作用,3,3cm,3cm,3,目标大小,小型目标物体只能反射部分声波,1cm,1,3cm,由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。,在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即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，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为,340m/s,，根据计时器记录的时间,t,，就可以计算出发射点距障碍物的距离,s,。,即：,s=340,t/2,，这就是所谓的时间差测距法。,超声波测距仪的设计,工作频率的确定主要基于以下几点考虑：,(1),如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。,(2),工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辩识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。,(3),从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。,超声波测距仪的总体设计方案,超声波发射头,超声波接收头,振荡电路,驱动电路,波形变换,放大电路,控制,处理,单元,显示,电源部分,发射电路,接收电路,控制部分,电源部分,超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的,40kHz,频率信号。由于超声波振子也有约,2000PF,的电容，有充放电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。使用方波进行驱动时，由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。,振荡电路可用,555,产生占空比可调的,40kHz,方波信号。,超声波发射头,振荡电路,驱动电路,振荡电路部分,驱动电路部分,控制电路部分,本电路中采用,555,定时器构成振荡电路，,2,脚（,6,脚）及地之间的电容不断的进行充、放电，导致,555,时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端,3,脚交替输出高电平与低电平，输出波形为近似矩形波，此电路也称为自激多谐振荡器。,555,多谐振荡器的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容,C,两端电压不能突变，,555,的,2,脚为低电平，,555,时基电路置位，即,3,脚输出高电平，内部放电晶体管截止，,7,脚被悬空，此时正电源,V,DD,通过电阻,R1,、,R2,向电容,C,充电，使,C,两端电压不断升高，约经时间,t,H,，,C,两端电压即阈值端（,6,脚）电平升至,2V,CC,/3,时，,555,时基电路翻转复位，,3,脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，,7,脚也为低电平，此时电容,C,储存电荷将通过,R2,向,7,脚放电，使,C,两端电压即,555,的触发端,2,脚电平不断下降，约经,t,L,时间，电压降至,V,CC,/3,时，,555,时基电路又翻转置位，,3,脚又输出高电平，,7,脚再次被悬空，正电源又通过,R1,R2,向,C,充电，如此周而复始，电容,C,不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，,3,脚将交替输出高电平和低电平。,555,多谐振荡电路的脉冲宽度,T,L,由电容,C,的放电时间来决定：,T,L,0.7R,2,C,T,H,由电容,C,的充电时间来决定：,T,H,0.7,（,R,1,+R,2,）,C,输出振荡信号的周期为：,T,=,T,L,+,T,H,频率为：,输出脉冲占空比为：,占空比：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。,若调整可调电阻,VR1,，可改变输出矩形波的频率和占空比。,当调整,VR1,使得输出为,40kHz,时，由于（,VR1+R2,）,R3,，输出波形占空比约为,50%,，为近似理想对称方波。,555,的强制复位端,4,脚由另一个,555,低频振荡器的输出取反后控制。,Control,IC2,组成超声波载波信号发生器。由,IC1,输出的脉冲信号控制，输出约,1ms,频率,40kHz,，占空比,50,的脉冲，停止约,70ms,。,本电路采用,CMOS,六反相器,CD4069,构成驱动电路，为了增大驱动电流，可以采用,CD4069,中两个甚至三个方向器并联的方式实现。,CD4069,由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力提高。,超声波接收电路的基本工作原理,超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。,由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。,超声波接收头,波形变换,放大电路,超声波接收电路图,放大电路,1,检波电路,放大电路,2,接收部分,比较输出,超声波接收头和,IC4,组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经,IC4,的,2,级放大,1000,倍（,60dB,），第,1,级放大,100,倍（,40dB,），第,2,级放大,10,倍（,20dB,）。用,R10,和,R11,进行分压，这时在,IC4,的同相端有,4.5V,的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。,倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至,IC5,进行处理。检波电路作用：检出反射脉冲信号的直流电压以判断有无反射信号。,电容的作用,1,）,旁路,旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件，它能使稳压器的输出均匀化，降低负载需求。就像小型可充电电池一样，旁路电容能够被充电，并向器件进行放电。为尽量减少阻抗，旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。,2,）,去耦,去耦，又称解耦。从电路来说，总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。去耦电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。,将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。,3,）,滤波,从理论上（即假设电容为纯电容）说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。但实际上超过,1uF,的电容大多为电解电容，有很大的电感成份，所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。电容的作用就是通高阻低，通高频阻低频。电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。,微波是一种高频率的电磁波，其频率范围约在,300,300 000MHz(,相应的波长为,100,0,1cm),在,300MHz,至,300GHz,之间它具有波动性、高频性、热特性和非热特性四大基本特性。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性微波量子的能量为,1 99l0,-25,1,9910,-22,j,它与生物组织的相互作用主要表现为热效应和非热效应。微波能够透射到生物组织内部使偶极分子和蛋白质的极性侧链以极高的频率振荡，引起分子的电磁振荡等作用，增加分子的运动，导致热量的产生。微波还能够对氢键、疏水键和范德华产生作用，使其重新分配，从而改变蛋白质的构象与活性。生物体的非热特性一 生物效应是微波的重要特性之一，它已成为医学、细胞学等方面研究的一个重要方面，同时它也能为微波理疗或微波手术等方面提供理论依据 随着人们对微波加热技术认识的深入，它已引起了许多科学工作者的关注，并在一些方面进行了深入而广泛的研究。,微波传感器,概述：,微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。包括感应物体的存在，运动速度，距离，角度信息,。,微波传感器,-,原理：,由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。,微波传感器主要由微波振荡器和微波天线组成。微波振荡器是产生微波的装置。构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。由微波振荡器产生的振荡信号需用波导管传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状。,二、微波传感器及其分类,微波传感器就是指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，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，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。,根据上述原理，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物的位置、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接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或被测物的位置与含水量等参数。,微波传感器,的优点及存在的问题,1,、优点,实现非接触测量,测量速度、灵敏度高,能在恶劣环境条件下检测,输出信号可以调制在载频信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥测,2,、微波传感器存在的问题,微波传感器的主要问题,是零点漂移和标定问题,，这尚未得到很好的解决。其次，使用的时候外界因素影响比较多，如温度、气压，取样位置等。,微波传感器,的应用,1、微波湿度（水分）传感器,酒精含水量测量仪框图,MS,A,1,A,2,T,1,T,2,PT,AT,DD,含水酒精,不含水酒精,授课教师：王,翥,2、微波液位计,微波液位计,微波,发射天线,微波,接收天线,l,d,3、,微波物位计,微波,发射天线,微波,接收天线,振荡器,电源,被测,对象,前置放大器,放大器,电压比较器,射线式传感器,测量原理,利用核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特性工作的传感器。可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。,1,、核辐射源,放射性同位素,在核辐射传感器中，常采用,、,、,和,X,射线的核辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素,。,放射性同位素的特点,：,在没有外力作用下能,自动发生衰变,，,并释放出上述射线。,其衰减规律为：,式中,J,、,J,0,分别为,t,和,t,0,时刻的辐射强度，,为衰变常数。,核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命。核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。,2,）核辐射与物质的相互作用,核辐射线的吸收、散射和反射,、,、,射线穿透过物质程中，一部分粒子能量被物质吸收，一部分粒子被散射掉，能量衰减规律为,式中,J,、,J,0,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，,a,m,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。反射的大小与反射物质的厚度关系为：,式中：,J,h,反射物质厚度为,h,(mm),时，放射线被反射的强度；,J,m,当,h,趋向无穷大时的反射强度，,J,m,与原子序数有关；,h,辐射能量的常数。,当,J,0,、,a,m,、,J,m,、,h,、,等已知后，只要测出,J,或,J,h,就可求出其穿透厚度,h,。,电离作用,当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对，电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。,粒子,（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，但射程,(,带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离,),较短。,粒子,质量小，电离能力比同样能量的,粒子要弱，由于,粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。,粒子,几乎没有直接的电离作用。,核辐射传感器,核辐射与物质的相互作用,是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及,、,、,和,X,射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子等。,1),电离室,如图，在电离,室,两侧的互相绝缘的电极上，施加极化电压，使两极板间形成电场。在射线作用下，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流,I,，,在外接电阻上便形成压降。电流,I,与气体电离程度成正比，电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻,R,上的电压值就可得到核辐射强度。,电离室主要用于,探测,、,粒子,。电离室的窗口直径约,100mm,左右。,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。,2),盖格计数管,盖格计数管又称为气体放电计数管，其中心有一根与管子绝缘的金属丝作为阳极，管壳内壁涂有导电金属层作为阴极，计数管内充有氩、氮等气体。在两极间加上适当电压，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。,盖格计数管的特性曲线如下图所示。,J,1,、,J,2,代表入射的核辐射强度，,J,1,J,2,。,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),闪烁计数管,闪烁计数管由,闪烁晶体,(,受激发光物体，常有气体、液体和固体三种，分为有机和无机两类,),和,光电倍增管,组成。当辐射照射到闪烁晶体上，便激发出微弱的闪光，闪光射到光电倍增管上（由于,闪,光很微弱，必须使用光电倍增管才会有光电流输出），就会在其阳极形成脉冲电流，从而得到与核辐射有关的电信号。,4,、核辐射传感的应用举例,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,核辐射流量计,核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量。如图，在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室。当气体流经两电极间时，由于核辐射使被测气体电离，产生电离电流；电离子一部分被流动的气体带出电离室，电离电流减小。随着气流速度的增加，带出电,离室的离子数增加，电离电流也随之减小。当外加电场,定，辐射强度恒定时，离子迁移率基本是固定的，因此，可以比较准确地测出气体流量。,2,核辐射测厚仪,核辐射测厚仪是利用射线的散射与物体厚度的关系来测量物体厚度的。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,上的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离室,3,的辐射强度取决于辐射源,2,的放射线经镀锡钢带镀锡层后的反向散射，,电离室,4,的辐射强度取决于,8,的辐射线经挡板,5,位置的调制程度。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，使电极电流相等。用检测仪表测出挡板的位移量，即可测量镀锡层的厚度。,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,