波及射線傳感器

1、n 聲波頻率界限聲波頻率界限 聲波頻率界限聲波頻率界限0 xxpp e20 xxII e聲壓聲壓 聲強(qiáng)聲強(qiáng) x：聲波與聲源之間距離；聲波與聲源之間距離； ：衰減系數(shù)衰減系數(shù)Np/mNp/m（奈培（奈培/ /米）；米）；: : 為為 X=0 X=0 處聲壓、聲強(qiáng)；處聲壓、聲強(qiáng)； 0P0IxPxI聲波隨聲波隨 X X 增加聲能增加聲能由于擴(kuò)散吸收而減弱。由于擴(kuò)散吸收而減弱。 不同超聲波傳感器工作方式不同超聲波傳感器工作方式 c)c)反射式反射式 a）兼用型）兼用型專用型專用型b)直射式直射式各種超聲波傳感器產(chǎn)品超聲波傳感器等效電路CCLR等效電路電感性 電容性頻率frfa電抗特性 超聲波傳感器可等

2、效為一超聲波傳感器可等效為一個(gè)個(gè)RLCRLC的串并聯(lián)諧振電路。由電的串并聯(lián)諧振電路。由電抗特性可見中間是電感性，兩抗特性可見中間是電感性，兩邊是電容性，這是超聲波傳感邊是電容性，這是超聲波傳感器所特有的。其中器所特有的。其中 在超聲波發(fā)送器雙振子施加在超聲波發(fā)送器雙振子施加40KHz40KHz電壓，通過逆壓電電壓，通過逆壓電效應(yīng)，使壓電振子振動發(fā)送出超聲波信號。接收探頭經(jīng)效應(yīng)，使壓電振子振動發(fā)送出超聲波信號。接收探頭經(jīng)正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換電路將接收到正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換電路將接收到的信號放大處理。的信號放大處理。超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理超聲波

3、傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)雙壓電振子雙壓電振子圓錐形共振盤圓錐形共振盤柵孔柵孔壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻壓電晶片為圓形薄片，超聲波頻率率f f與圓片厚度成反比；與圓片厚度成反比； 阻尼塊阻尼塊吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)，無阻吸收聲能，降低機(jī)械品質(zhì)，無阻尼時(shí)，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振尼時(shí)，電脈沖停止晶片會繼續(xù)振蕩，加長脈沖寬度，使分辨率變蕩，加長脈沖寬度，使分辨率變差。差。超聲波探頭結(jié)構(gòu)超聲波探頭結(jié)構(gòu) xie超聲波測液位超聲波測液位hhsh2ah2as超聲波在液體中傳播測量超聲波在液體中傳播測量超聲波在空氣中傳播測量超聲波在空氣中傳播測量單換能器單換能器 從發(fā)射到接收的時(shí)間從發(fā)射到接收的時(shí)間 ： t

4、 = 2h/C t = 2h/C 傳感器到液面的距離：傳感器到液面的距離： h = ct/2 h = ct/2 雙換能器雙換能器 經(jīng)過的路程：經(jīng)過的路程： 2S = ct 2S = ct 液位高度：液位高度： NoImageC C：超聲波在介：超聲波在介質(zhì)中傳播速度質(zhì)中傳播速度 發(fā)射驅(qū)動電路：發(fā)射驅(qū)動電路： 由反向器由反向器組成組成RC RC 振蕩器經(jīng)門電路完成振蕩器經(jīng)門電路完成 功率放大，經(jīng)功率放大，經(jīng)CPCP耦合耦合 傳送給超聲波振子產(chǎn)傳送給超聲波振子產(chǎn) 生超聲發(fā)射信號。生超聲發(fā)射信號。 超聲波傳感器發(fā)射基本電路超聲波傳感器發(fā)射基本電路 超聲波傳感器測距基本電路主要由超聲波傳感器測距基本電

5、路主要由 振蕩振蕩發(fā)射電路發(fā)射電路、檢測電路檢測電路兩部分組成：兩部分組成：振蕩器頻率調(diào)整振蕩器頻率調(diào)整超聲波傳感器接收電路超聲波傳感器接收電路 檢測電路：檢測電路： 超聲波信號極微弱，需要增益高的放大電路超聲波信號極微弱，需要增益高的放大電路 用于檢測反射波，輸出的高頻信號電壓接檢用于檢測反射波，輸出的高頻信號電壓接檢 波、放大、開關(guān)電路輸出或報(bào)警。波、放大、開關(guān)電路輸出或報(bào)警。100100倍放大倍放大 超聲波測距模塊：最大距離超聲波測距模塊：最大距離600cm600cm，最小距離，最小距離2cm2cm功放功放40KHz OSC 定時(shí)器定時(shí)器前置放大前置放大檢波檢波平方放大平方放大輸出輸出V

6、CC VCC 12V12V三位 顯示器被被 測測 物物發(fā)送，由發(fā)送，由555555構(gòu)成多諧振蕩器，構(gòu)成多諧振蕩器，RCRC電路產(chǎn)生電路產(chǎn)生40KHz40KHz等幅波放大送功放輸出；等幅波放大送功放輸出； 接收，放大、檢波，信號處理根據(jù)被測物體的基準(zhǔn)距離設(shè)定反射脈沖時(shí)接收，放大、檢波，信號處理根據(jù)被測物體的基準(zhǔn)距離設(shè)定反射脈沖時(shí) 間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。定時(shí)器控制觸發(fā)電路和門電路。間，調(diào)整振蕩器觸發(fā)時(shí)間。定時(shí)器控制觸發(fā)電路和門電路。 測距原理：測距原理： 周期周期 T=1/20=50ms T=1/20=50ms 340m/s340m/s50ms= 17m 50ms= 17m 17m/2=817m

7、/2=80cm0cm 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期 T=1/40KHz=25m T=1/40KHz=25m 340m/s 340m/s（n n25s25s）= = 往返距離往返距離 單程距離單程距離= =距離距離/2/240KHz40KHz高頻信號與高頻信號與20Hz20Hz周期信號調(diào)制成周期信號調(diào)制成短脈沖群向外發(fā)送，短脈沖群向外發(fā)送， 測距通過定時(shí)控制電路、觸發(fā)電路、測距通過定時(shí)控制電路、觸發(fā)電路、門電路變換為與距離有關(guān)的信號，用門電路變換為與距離有關(guān)的信號，用時(shí)鐘脈沖對這個(gè)信號的發(fā)送和接收之時(shí)鐘脈沖對這個(gè)信號的發(fā)送和接收之間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸間的延遲時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出值就是檢測的

8、距離出值就是檢測的距離。 超聲波測距原理時(shí)序波形示意圖超聲波測距原理時(shí)序波形示意圖各種超聲波測厚傳感器超聲波測流量 超聲波頻譜分析 超聲波探傷傳感器醫(yī)學(xué)超聲波檢測 超聲波測液位 因?yàn)橐驗(yàn)榧t外輻射俗稱紅外線是一種不可見光，其光譜位于可見光中紅色以外，紅外輻射俗稱紅外線是一種不可見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱紅外線，波長約所以稱紅外線，波長約0.751000m 。 工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的位置（波段）分為工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的位置（波段）分為: 近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段。近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段。 紅外線和電磁波一樣，以波的形式在空間傳播

9、，紅外線和電磁波一樣，以波的形式在空間傳播， 紅外線在通過大氣層紅外線在通過大氣層時(shí)，有三個(gè)波段通過率最高：時(shí)，有三個(gè)波段通過率最高： 22.6m,35m,814m 紅外探測器主要有兩大類型紅外探測器主要有兩大類型： 1 1）熱探測器熱探測器（熱電型）（熱電型） 包括有：熱釋電、熱敏電阻、熱電偶等；包括有：熱釋電、熱敏電阻、熱電偶等； 2 2）光子探測器光子探測器（量子型），利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下（量子型），利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；產(chǎn)生光電子效應(yīng)，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化； 其中有光敏電阻、光電管、光電池等。其中有光敏電阻、光電管、光

10、電池等。 q 量子型光子探測器與光電傳感器原理相同，量子型光子探測器與光電傳感器原理相同， 本節(jié)主要介紹本節(jié)主要介紹熱電型紅外探測器熱電型紅外探測器?；谖矬w的熱效應(yīng)，首先將光輻射能變成材料自身的溫基于物體的熱效應(yīng)，首先將光輻射能變成材料自身的溫度，利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號；度，利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號； 包括了包括了光光熱熱電電，兩次信息變換過程；，兩次信息變換過程； 光光熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高；熱階段，物質(zhì)吸收光能，溫度升高； 熱熱電階段，利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)換為電信號；電階段，利用某種效應(yīng)將熱轉(zhuǎn)換為電信號； 熱釋電材料：有晶體、陶瓷、塑料等鐵電體

11、；熱釋電材料：有晶體、陶瓷、塑料等鐵電體； 熱釋電結(jié)構(gòu)：把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄熱釋電結(jié)構(gòu)：把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄片兩面鍍上電極（類似電容），為使晶體吸片兩面鍍上電極（類似電容），為使晶體吸收紅外線，將透明電極涂上黑色膜。收紅外線，將透明電極涂上黑色膜。P黑色膜黑色膜電極電極透明電極透明電極P熱探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器吸收輻射能后引起溫度升熱探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器吸收輻射能后引起溫度升高，使其它物理量變化；如熱釋電、熱敏電阻、熱電偶、氣體等。高，使其它物理量變化；如熱釋電、熱敏電阻、熱電偶、氣體等。 晶體本身具有一定極化強(qiáng)度，當(dāng)紅外輻射照晶體本身具有一定極化強(qiáng)度，當(dāng)紅外

12、輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體表面時(shí)，薄片溫度射到已經(jīng)極化的鐵電體表面時(shí)，薄片溫度T T升高，升高，使極化強(qiáng)度使極化強(qiáng)度P P降低，表面電荷降低，表面電荷Q Q減少，釋放部分電減少，釋放部分電荷，所以稱熱釋電。荷，所以稱熱釋電。 溫度一定時(shí)極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表溫度一定時(shí)極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表的自由電荷慢慢中和，不顯電性，的自由電荷慢慢中和，不顯電性，熱釋電材熱釋電材料料要顯示出電特性，要顯示出電特性，熱釋電傳感器需要熱釋電傳感器需要用光用光調(diào)制器調(diào)制器，使溫度變化，調(diào)制器的入射光頻率，使溫度變化，調(diào)制器的入射光頻率必須大于中合時(shí)間的頻率。必須大于中合時(shí)間的頻率。 NoImagePPTT/

13、自自發(fā)發(fā)極極化化P黑色膜黑色膜電極電極透明電極透明電極P 鐵電體在溫度變化時(shí)極化強(qiáng)度發(fā)生變化，表面產(chǎn)生電荷，鐵電體在溫度變化時(shí)極化強(qiáng)度發(fā)生變化，表面產(chǎn)生電荷，升溫或降溫時(shí)升溫或降溫時(shí)電荷極性相反電荷極性相反。無論溫度上升還是下降，。無論溫度上升還是下降，介質(zhì)從帶電到不帶電有一個(gè)中合時(shí)間，為使電荷不被中介質(zhì)從帶電到不帶電有一個(gè)中合時(shí)間，為使電荷不被中和掉，必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態(tài)，使電和掉，必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態(tài)，使電荷表現(xiàn)出來。荷表現(xiàn)出來。電極電極TTONOFF自發(fā)極化被中合，自發(fā)極化被中合，T P ，中合，中合， T P ， 中合中合 所以熱釋電傳感所以熱釋電傳感器

14、必須用光調(diào)制器，器必須用光調(diào)制器，使調(diào)制光的頻率大使調(diào)制光的頻率大于中合頻率于中合頻率。 熱釋電元件熱釋電元件 熱釋電元件可視為電流源，產(chǎn)生的是電荷熱釋電元件可視為電流源，產(chǎn)生的是電荷 下式說明熱釋電材料只有在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生電流、電壓：下式說明熱釋電材料只有在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生電流、電壓：d Pd TISSgd td t式中：式中： SS元件面積；元件面積； PP極化強(qiáng)度；極化強(qiáng)度；gg熱釋電系數(shù)。熱釋電系數(shù)。熱釋電元件結(jié)構(gòu) 熱釋電元件因紅外線照射產(chǎn)生熱量，似乎與波長無關(guān)，熱釋電元件因紅外線照射產(chǎn)生熱量，似乎與波長無關(guān)， 但元件的窗口選用不同材料做濾光器，通過波長選擇確定但元件的窗口選用不同材

15、料做濾光器，通過波長選擇確定 是哪個(gè)范圍內(nèi)波長產(chǎn)生的熱。有鈮酸鍶鋇、鉭酸鋰，工作溫度是哪個(gè)范圍內(nèi)波長產(chǎn)生的熱。有鈮酸鍶鋇、鉭酸鋰，工作溫度-40-40+85+85，工作視角，工作視角5 5。熱釋電元件熱釋電元件絕緣電阻很高，幾十幾百兆歐，容易引入噪絕緣電阻很高，幾十幾百兆歐，容易引入噪聲，聲，熱釋電元件熱釋電元件的電荷要加到電阻形成電壓輸出，使用時(shí)的電荷要加到電阻形成電壓輸出，使用時(shí)要求有較高的輸入電阻，還需用要求有較高的輸入電阻，還需用FETFET進(jìn)行阻抗變換。通常進(jìn)行阻抗變換。通常熱釋電傳感器已經(jīng)將前極的場效應(yīng)管熱釋電傳感器已經(jīng)將前極的場效應(yīng)管FETFET和輸入電阻安裝和輸入電阻安裝在管殼

16、中。在管殼中。0d PUIZSZd t 熱釋電元件等效電路熱釋電元件等效電路 輸出電壓：輸出電壓： 熱釋電元件等效電路OUTOUT+V+VGNDGNDRsRsRgRg 光量子型是利用光電效應(yīng)，通過改變電子能量的狀態(tài)引光量子型是利用光電效應(yīng)，通過改變電子能量的狀態(tài)引起電學(xué)現(xiàn)象，光量子型傳感器有：起電學(xué)現(xiàn)象，光量子型傳感器有： 光電導(dǎo)型（光電導(dǎo)型（PCPC），電阻受光照后引起電阻變化；），電阻受光照后引起電阻變化； 光電型（光電型（PVPV），由于光照產(chǎn)生光生電子），由于光照產(chǎn)生光生電子空穴對；空穴對； 光電磁型（光電磁型（PEMPEM），利用光電磁），利用光電磁PEMPEM效應(yīng)，器件加電場效應(yīng)，

17、器件加電場 和磁場的同時(shí)產(chǎn)生與光照成正比的感應(yīng)電荷；和磁場的同時(shí)產(chǎn)生與光照成正比的感應(yīng)電荷； 肖特基型（肖特基型（STST），金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘），金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘 隨光照而變化。隨光照而變化。 區(qū)別：光量子型光電探測器探測的波長較窄，而熱探測器區(qū)別：光量子型光電探測器探測的波長較窄，而熱探測器 幾乎可以探測整個(gè)紅外波長范圍。幾乎可以探測整個(gè)紅外波長范圍。 紅外傳感器可用于紅外傳感器可用于 紅外測溫、遙控器、紅外監(jiān)控報(bào)警紅外測溫、遙控器、紅外監(jiān)控報(bào)警器；器； 紅外攝象機(jī)、夜視鏡；控制裝置中的自動門、干紅外攝象機(jī)、夜視鏡；控制裝置中的自動門、干手機(jī)、自動水龍頭等等；手機(jī)

18、、自動水龍頭等等； 紅外無損檢測，通過測量熱流或熱量來檢測鑒定金屬紅外無損檢測，通過測量熱流或熱量來檢測鑒定金屬 或非金屬材料的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷；或非金屬材料的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷； 紅外成像技術(shù)，紅外變像管成像、紅外攝像管成像、紅外成像技術(shù)，紅外變像管成像、紅外攝像管成像、 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）成像。）成像。 許多場合人們不僅需要知道物體表面平均溫度，更需要許多場合人們不僅需要知道物體表面平均溫度，更需要了解物體的溫度分布情況，以便分析研究物體的結(jié)構(gòu)內(nèi)了解物體的溫度分布情況，以便分析研究物體的結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和狀況，紅外成像技術(shù)就是將物體的溫度分布以部缺陷和狀況，紅外成像技術(shù)就是將物體的

19、溫度分布以圖象的形式直觀地顯示出來。圖象的形式直觀地顯示出來。 熱釋電紅外報(bào)警控制電路熱釋電紅外報(bào)警控制電路 人體輻射紅外線波長人體輻射紅外線波長6 612m12m，溫度，溫度36363737； 人活動的頻率范圍一般在人活動的頻率范圍一般在0.10.110Hz10Hz之間；之間； 熱釋電元件可檢測到熱釋電元件可檢測到10M10M距離，距離，8585的水平視角范圍；的水平視角范圍； 傳感器將熱傳感器將熱電信號電信號 送運(yùn)放送運(yùn)放A A放大，反饋電阻放大，反饋電阻 1.5M1.5M可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)；可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)； 低通排除干擾；輸出直低通排除干擾；輸出直 流信號驅(qū)動蜂鳴器告警。流信號驅(qū)動蜂鳴器告警

20、。 熱釋電電流小工作電流很小。熱釋電電流小工作電流很小。 圖中自動門由熱釋電紅外傳感器檢圖中自動門由熱釋電紅外傳感器檢測是否有人出入，由單穩(wěn)態(tài)控制電機(jī)正測是否有人出入，由單穩(wěn)態(tài)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。自動門控制電路自動門控制電路1.5M 1.5M 增益增益100100倍倍 紅外光束報(bào)警電路紅外光束報(bào)警電路 為防止防盜報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)，監(jiān)控系統(tǒng)不僅嚴(yán)格場地要求，還需通為防止防盜報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)，監(jiān)控系統(tǒng)不僅嚴(yán)格場地要求，還需通 過各種監(jiān)測方式、多方位進(jìn)行監(jiān)測。下圖中，通過兩只串聯(lián)的過各種監(jiān)測方式、多方位進(jìn)行監(jiān)測。下圖中，通過兩只串聯(lián)的LEDLED發(fā)射發(fā)射 紅外光束，另外兩只并聯(lián)的紅外光敏器件接

21、收紅外光束，兩只管子的間紅外光束，另外兩只并聯(lián)的紅外光敏器件接收紅外光束，兩只管子的間 距是小于距是小于75mm75mm，小于人體的肩厚度。，小于人體的肩厚度。 每只光敏管可測到由兩只每只光敏管可測到由兩只LEDLED中任意一只發(fā)射的光信號，只有當(dāng)兩中任意一只發(fā)射的光信號，只有當(dāng)兩 條光束同時(shí)被遮擋阻斷時(shí)接收器才觸發(fā)報(bào)警，也就是說只有大于條光束同時(shí)被遮擋阻斷時(shí)接收器才觸發(fā)報(bào)警，也就是說只有大于75mm75mm的的 物體遮擋時(shí)輸出報(bào)警信號，電路可防止蚊蟲、飛蛾導(dǎo)致的誤報(bào)。物體遮擋時(shí)輸出報(bào)警信號，電路可防止蚊蟲、飛蛾導(dǎo)致的誤報(bào)。 紅外報(bào)警電路紅外報(bào)警電路 紅外報(bào)警電路紅外報(bào)警電路 反射式紅外傳感器

22、工作原理和電路形式反射式紅外傳感器工作原理和電路形式 紅外測溫紅外測溫 P185 紅外測溫系統(tǒng)中各元件的作用？紅外測溫系統(tǒng)中各元件的作用？光光 調(diào)調(diào) 制制 盤盤 紅外測溫是目前較先進(jìn)的測溫方法，特點(diǎn)有：紅外測溫是目前較先進(jìn)的測溫方法，特點(diǎn)有： 1.遠(yuǎn)距離、非接觸測量，適應(yīng)于高速、帶電、高溫、高壓；遠(yuǎn)距離、非接觸測量，適應(yīng)于高速、帶電、高溫、高壓； 2.反映速度快，不需要達(dá)到熱平衡過程，反映時(shí)間在反映速度快，不需要達(dá)到熱平衡過程，反映時(shí)間在s量級；量級； 3.靈敏度高，輻射能靈敏度高，輻射能 與溫度與溫度T成正比；成正比； 4.準(zhǔn)確度高，可達(dá)準(zhǔn)確度高，可達(dá) 0.1內(nèi)；內(nèi)； 5.應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用

23、范圍廣泛， 0下上千度。下上千度。 紅外遙控發(fā)射、接收電路紅外遙控發(fā)射、接收電路NE555振蕩器振蕩器 紅外傳感器調(diào)制解調(diào)電路輸出波形紅外傳感器調(diào)制解調(diào)電路輸出波形紅外探測制導(dǎo) 空空導(dǎo)彈紅外攝像紅 外 測 溫紅外報(bào)警 輻射是一種完美的測量方法，在射線通過被測物時(shí)會伴輻射是一種完美的測量方法，在射線通過被測物時(shí)會伴隨著能量的損失，只要得到確切的損失量，那么就可以隨著能量的損失，只要得到確切的損失量，那么就可以準(zhǔn)確地了解到被測物的厚度、吸收系數(shù)（準(zhǔn)確地了解到被測物的厚度、吸收系數(shù)（CT 值）和強(qiáng)度值）和強(qiáng)度等參數(shù)。等參數(shù)。 海關(guān)海關(guān)X射線掃描儀射線掃描儀定義：核輻射傳感器定義：核輻射傳感器是將入射

24、核輻射（粒是將入射核輻射（粒子）的全部或部分能子）的全部或部分能量轉(zhuǎn)化為可觀測的信量轉(zhuǎn)化為可觀測的信號（如電流、電壓信號（如電流、電壓信號）的裝置。號）的裝置。（1）原子核）原子核 中子中子n (udd)質(zhì)子質(zhì)子P (uud)q 現(xiàn)代原子核的組成現(xiàn)代原子核的組成原子原子q 核素及符號表示，核素是原子核的一種統(tǒng)稱核素及符號表示，核素是原子核的一種統(tǒng)稱核素核素 ：具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱做核素。：具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子核稱做核素。核素表示符號核素表示符號核核 素素質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)符符 號號氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612

25、121212C C碳碳-13-136 67 713131313C C碳碳-14-146 68 814141414C CNoImageNoImage1212C C質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)= =原子序數(shù)原子序數(shù)名稱名稱質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)舉例舉例同位素同位素相同相同不同不同不同不同1 1H H 2 2H H 3 3H H同中子素同中子素不同不同相同相同不同不同2 2H H 3 3HeHe同量素同量素不同不同不同不同相同相同3 3H H 3 3HeHe其它：其它： 穩(wěn)定核素和不穩(wěn)定核素，穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素，穩(wěn)定核素和不穩(wěn)定核素，穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素， 放射性核素和非放射性核素。放射性核

26、素和非放射性核素。最常用的兩個(gè)術(shù)語：核素和同位素最常用的兩個(gè)術(shù)語：核素和同位素q 常用名詞術(shù)語常用名詞術(shù)語 凡是凡是原子序數(shù)原子序數(shù)相同，相同，原子質(zhì)量原子質(zhì)量不同的元素，在元素周不同的元素，在元素周期表中占同一位置，稱期表中占同一位置，稱同位素同位素。 當(dāng)沒有外因作用時(shí)，同位素的原子核會自動產(chǎn)生核結(jié)當(dāng)沒有外因作用時(shí)，同位素的原子核會自動產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)的變化，稱為構(gòu)的變化，稱為核衰變核衰變。不穩(wěn)定核素通過放出射線而不穩(wěn)定核素通過放出射線而蛻變成另一種原子核的過程；蛻變成另一種原子核的過程； 同位素的原子在自動衰變過程中會放出射線，這種同同位素的原子在自動衰變過程中會放出射線，這種同位素就稱位素就稱

27、“放射性同位素放射性同位素”（2）核衰變與核輻射核衰變與核輻射q 核衰變核衰變q 放射性衰減規(guī)律放射性衰減規(guī)律0tNN e 0N t=0 t=0 的原子核數(shù)的原子核數(shù)； t t 時(shí)刻原子核數(shù)；時(shí)刻原子核數(shù)；N 衰減常數(shù)（對每一種核為一常數(shù)衰減常數(shù)（對每一種核為一常數(shù),不同核素值不同）不同核素值不同） 上式可見，放射性核素?cái)?shù)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減；上式可見，放射性核素?cái)?shù)隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減； v 半衰期：半衰期：放射性核素衰減到原始數(shù)目一半所用的時(shí)間，放射性核素衰減到原始數(shù)目一半所用的時(shí)間， 一般用一般用10倍半衰期表示放射性核素的壽命。倍半衰期表示放射性核素的壽命。（2）核衰變與核輻射核衰變與核

28、輻射 一般用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)來表示放射性一般用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的次數(shù)來表示放射性 的強(qiáng)弱，稱放射性活（強(qiáng)）度。的強(qiáng)弱，稱放射性活（強(qiáng)）度。 0tII e放射性強(qiáng)度單位：貝可（放射性強(qiáng)度單位：貝可（BqBq） I t I t時(shí)間的強(qiáng)度；時(shí)間的強(qiáng)度； I I0 0 初始強(qiáng)度；初始強(qiáng)度； （2）核衰變與核輻射核衰變與核輻射11/B q （ 次 核 衰 變 ） 秒不穩(wěn)定的原子核衰變時(shí)發(fā)射出的、載能的、亞原子粒子，不穩(wěn)定的原子核衰變時(shí)發(fā)射出的、載能的、亞原子粒子， 有的帶電有的不帶電。包括有的帶電有的不帶電。包括、 中子質(zhì)子裂變碎中子質(zhì)子裂變碎 片等。這種現(xiàn)象稱片等。這種現(xiàn)象稱“核輻射核輻射”

29、放射性同位素在衰變過程中能放出放射性同位素在衰變過程中能放出、 三種射線，其中：三種射線，其中： 射線射線由由帶正電帶正電的的粒子組成（如粒子組成（如 氦核）；氦核）； 射線射線由由帶負(fù)電帶負(fù)電的的粒子組成（如電子）；粒子組成（如電子）； 射線射線由由中性的中性的光子組成。光子組成。42He（2）核衰變與核輻射核衰變與核輻射 衰變衰變 新元素新元素SgSg衰變?yōu)樗プ優(yōu)镽fRf鑪鑪- - 衰變衰變 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子e ,e ,反中微子反中微子 vv+ + 衰變衰變 F F氟產(chǎn)生正電子產(chǎn)生正電子e ,e ,中微子中微子 vv， O O變變氧氧 衰變衰變 Dy鏑放出射線，能態(tài)變化，原子量、原子序數(shù)不

30、變 核輻射與物質(zhì)間的相互作用主要是核輻射與物質(zhì)間的相互作用主要是 電離、吸收、電離、吸收、 反射反射 q 電離作用電離作用： 帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)會使物質(zhì)的原子發(fā)生電離，帶電粒子在物質(zhì)中穿行時(shí)會使物質(zhì)的原子發(fā)生電離，在它們經(jīng)過的路程上形成離子對。在它們經(jīng)過的路程上形成離子對。 其中：其中：粒子粒子質(zhì)量大，電荷量多，電離能力最強(qiáng)，質(zhì)量大，電荷量多，電離能力最強(qiáng)， 但射程短；但射程短； 粒子粒子質(zhì)量小，電離較弱；質(zhì)量小，電離較弱； 粒子粒子沒有直接電離作用。沒有直接電離作用。NoImage（3 3）核輻射與物質(zhì)間的相互作用）核輻射與物質(zhì)間的相互作用q 吸收、反射吸收、反射 、射線穿透物質(zhì)時(shí)，由于

31、磁場作用原子中電子射線穿透物質(zhì)時(shí)，由于磁場作用原子中電子會產(chǎn)生共振，振動的電子形成散射的電磁波源，使粒子會產(chǎn)生共振，振動的電子形成散射的電磁波源，使粒子和射線能量被吸收和衰減。和射線能量被吸收和衰減。 射線射線穿透能力最弱，在空氣中運(yùn)行軌跡為直線；穿透能力最弱，在空氣中運(yùn)行軌跡為直線； 射線射線次之，穿行時(shí)由于與物質(zhì)原子發(fā)生能量交換而改變次之，穿行時(shí)由于與物質(zhì)原子發(fā)生能量交換而改變方向產(chǎn)生散射，在空氣中運(yùn)行軌跡為折線；方向產(chǎn)生散射，在空氣中運(yùn)行軌跡為折線； 射線射線穿透能力最強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚固體物質(zhì)，穿透能力最強(qiáng)，能穿透幾十厘米厚固體物質(zhì)，在氣在氣體中可穿透數(shù)米，因此體中可穿透數(shù)米，因此射

32、線廣泛用于醫(yī)療診斷、金屬射線廣泛用于醫(yī)療診斷、金屬探傷等。探傷等。（3 3）核輻射與物質(zhì)間的相互作用）核輻射與物質(zhì)間的相互作用q 射線式傳感器通常有兩種主要形式：射線式傳感器通常有兩種主要形式： 一種是測量放射性物質(zhì)的放射線，例如測量天然放射一種是測量放射性物質(zhì)的放射線，例如測量天然放射性的性的U U、ThTh、K K和這三個(gè)量的總量；和這三個(gè)量的總量； 另一種方式是利用放射性同位素測量另一種方式是利用放射性同位素測量非放射性物質(zhì)非放射性物質(zhì)，根據(jù)被測物質(zhì)對輻射線的吸收、反射進(jìn)行檢測，或者根據(jù)被測物質(zhì)對輻射線的吸收、反射進(jìn)行檢測，或者利用射線對被測物質(zhì)的電離激發(fā)作用。利用射線對被測物質(zhì)的電離激

33、發(fā)作用。 后者射線式傳感器主要由放射源和探測器組成。后者射線式傳感器主要由放射源和探測器組成。 （1 1）輻射源）輻射源 輻射源的種類很多，一般選用半衰期較長的同位素，輻射源的種類很多，一般選用半衰期較長的同位素，強(qiáng)度合適的輻射源。常用同位素源有：強(qiáng)度合適的輻射源。常用同位素源有：放射源放射源 半衰期半衰期 射線種類射線種類 能量能量 （銫）（銫） 33.233.2年年 、 0.6614 0.6614 （镅）（镅） 470470年年 、 5.48 27 5.48 27 （钚）（钚） 8686年年 12-21 12-21 （鈷）（鈷） 5.265.26年年 、 0.31,1.17,1.33 0.

34、31,1.17,1.33 （鍶）（鍶） 19.919.9年年 0.54, 2.24 0.54, 2.24 （鐵）（鐵） 2.72.7年年 5.95.9137SC241Am238Pu60Co90SrXX55FeMevKevMevKevKevMevMev 輻射源的結(jié)構(gòu)：輻射源的結(jié)構(gòu)： 應(yīng)使射線從測量方向射出，應(yīng)使射線從測量方向射出， 其它方向應(yīng)盡量減少劑量，其它方向應(yīng)盡量減少劑量， 減少對人體的危害。減少對人體的危害。 其它方向可以用鉛進(jìn)行屏其它方向可以用鉛進(jìn)行屏 蔽，鉛有極強(qiáng)的抗輻射穿蔽，鉛有極強(qiáng)的抗輻射穿 透能力。透能力。 射線源結(jié)構(gòu)一般為絲狀、射線源結(jié)構(gòu)一般為絲狀、 圓拄狀、圓片狀。圓拄狀、

35、圓片狀。 輻射劑量，輻射劑量， 照射量率照射量率 微侖微侖反應(yīng)堆放射性警示標(biāo)記核燃料棒核燃料棒（2） 探測器探測器 探測器是檢測輻射的接收器件或裝置，探測器是檢測輻射的接收器件或裝置，常用的有常用的有電離室電離室、閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器、蓋格計(jì)數(shù)管蓋格計(jì)數(shù)管、正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器。（2） 探測器探測器v 電離室，電離室，電離室是在空氣中電離室是在空氣中或充有惰性氣體的裝置中，設(shè)置或充有惰性氣體的裝置中，設(shè)置一個(gè)平行極板電容器，加幾百伏一個(gè)平行極板電容器，加幾百伏高壓。高壓在極板間產(chǎn)生電場，高壓。高壓在極板間產(chǎn)生電場，當(dāng)粒子或射線射向兩極板之間的當(dāng)粒子或射線射向兩極板之間

36、的空氣時(shí)，在電場作用下正離子趨空氣時(shí)，在電場作用下正離子趨（2） 探測器探測器射線射線向負(fù)極板，電子趨向正極板，產(chǎn)生電離電流。在外電路向負(fù)極板，電子趨向正極板，產(chǎn)生電離電流。在外電路接一電阻接一電阻R R就可形成響應(yīng)電壓，電阻就可形成響應(yīng)電壓，電阻R R的電壓降代表輻射的電壓降代表輻射的強(qiáng)度。的強(qiáng)度。 電離室外加電壓增大，電流趨于電離室外加電壓增大，電流趨于飽和，一般工作在飽和區(qū)，使輸出飽和，一般工作在飽和區(qū)，使輸出電流與外加電壓無關(guān)，輸出只正比電流與外加電壓無關(guān)，輸出只正比于射線到電離室的輻射強(qiáng)度。于射線到電離室的輻射強(qiáng)度。 電離室主要用于探測電離室主要用于探測、射線。射線。 、電離室不能通

37、用，不同粒電離室不能通用，不同粒子相同條件下效率相差很大。子相同條件下效率相差很大。 （2） 探測器探測器射線射線v 蓋格計(jì)數(shù)管蓋格計(jì)數(shù)管 蓋格計(jì)數(shù)管也稱氣體放電計(jì)數(shù)器。蓋格計(jì)數(shù)管也稱氣體放電計(jì)數(shù)器。 一個(gè)密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管一個(gè)密封玻璃管，中間是陽極用鎢絲材料制作，玻璃管內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或是一個(gè)金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空內(nèi)壁涂一層導(dǎo)電物質(zhì)或是一個(gè)金屬圓管作陰極，內(nèi)部抽空充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。充惰性氣體（氖、氦）、鹵族氣體。 蓋格蓋格計(jì)數(shù)管上電壓計(jì)數(shù)管上電壓U U一定時(shí)，射線入射越強(qiáng)電流一定時(shí)，射線入射越強(qiáng)電流I I越大，越大， 輸出脈沖數(shù)輸出脈沖數(shù)N N越大

38、，越大，a a、b b段稱段稱“坪坪”； 蓋格計(jì)數(shù)管主要用于探測蓋格計(jì)數(shù)管主要用于探測粒子和粒子和射線。射線。射線射線k kA Av 閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器 閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成，當(dāng)閃爍體受到閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體和光電倍增管組成，當(dāng)閃爍體受到輻射時(shí)閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增輻射時(shí)閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管的陰極上激發(fā)出電子，在光電倍增管中倍增，在陽極上形管的陰極上激發(fā)出電子，在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流。成電流。1200V閃爍探測器測量射線信號的基本特征閃爍探測器測量射線信號的基本特征入射入射射線射線EhV輸出端電信號輸出端電信號輸出

39、信號幅度：輸出信號幅度：VE脈沖信號產(chǎn)生率脈沖信號產(chǎn)生率單位時(shí)間進(jìn)入探測器射線數(shù)單位時(shí)間進(jìn)入探測器射線數(shù)NaI(Tl)GDB通過分辯信號幅度，可以分辯射線能量；通過測量脈沖信號數(shù)，可以測定射線強(qiáng)弱。v 正比計(jì)數(shù)器正比計(jì)數(shù)器 正比計(jì)數(shù)器是一種充氣型輻射探測器正比計(jì)數(shù)器是一種充氣型輻射探測器 工作在（氣體電離放電）伏安特性曲線的正比區(qū)；工作在（氣體電離放電）伏安特性曲線的正比區(qū)； 計(jì)數(shù)器接收一個(gè)計(jì)數(shù)器接收一個(gè)X X、光子后就輸出一個(gè)電脈沖光子后就輸出一個(gè)電脈沖幅度與光子幅度與光子能量成正比，電子和正離子對數(shù)目正比于氣體吸收的放射線的能量，能量成正比，電子和正離子對數(shù)目正比于氣體吸收的放射線的能量，

40、輸出脈沖的大小正比于入射產(chǎn)生的電子和正離子對數(shù)目。輸出脈沖的大小正比于入射產(chǎn)生的電子和正離子對數(shù)目。讓未被氣體吸收的光子穿過讓未被氣體吸收的光子穿過出射口出射口正比計(jì)數(shù)器工作原理正比計(jì)數(shù)器工作原理使氣體原子電離初級射線高壓v 半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器 荷電粒子入射到半導(dǎo)體中時(shí)，會產(chǎn)生電子荷電粒子入射到半導(dǎo)體中時(shí)，會產(chǎn)生電子空穴對，空穴對，X X射線、射線、射線由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對生成等產(chǎn)生二次電子；高射線由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對生成等產(chǎn)生二次電子；高速二次電子產(chǎn)生更多電子速二次電子產(chǎn)生更多電子空穴對?？昭▽?。 在在PNPN結(jié)空間電荷區(qū)加足夠高結(jié)空間電荷區(qū)加足夠高的偏壓，因射

41、線而電離的載流子加速產(chǎn)生新的電子空穴使載流子倍的偏壓，因射線而電離的載流子加速產(chǎn)生新的電子空穴使載流子倍增，在輸出形成一個(gè)放大脈沖信號，將電荷轉(zhuǎn)換為電信號輸出。增，在輸出形成一個(gè)放大脈沖信號，將電荷轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)：半導(dǎo)體探測器的特點(diǎn)： 輸出信號小，分辨率高；輸出信號小，分辨率高； 類型主要有，類型主要有，SiSi（硅）（硅）低能探測器，低能探測器， GeGe（鍺）（鍺）高能探測器，高能探測器， 分別測量不同能量段的放射線。分別測量不同能量段的放射線。 應(yīng)用：應(yīng)用： 射線可實(shí)現(xiàn)氣體分析，如氣體壓力、流量測量；射線可實(shí)現(xiàn)氣體分析，如氣體壓力、流量測量； 射線可進(jìn)行帶材厚度、

42、密度檢測；射線可進(jìn)行帶材厚度、密度檢測； 射線可探測材料缺陷、位置、密度與厚度測量。射線可探測材料缺陷、位置、密度與厚度測量。X-RAY X-RAY 探測器探測器（1 1） 測厚測厚 透射式測厚透射式測厚 透射式測厚常用透射式測厚常用閃爍閃爍探探測器，閃爍探測器記錄穿透測器，閃爍探測器記錄穿透物體的物體的射線的強(qiáng)度，其輸射線的強(qiáng)度，其輸出電流與輻射強(qiáng)度成正比。出電流與輻射強(qiáng)度成正比。 在輻射穿過物質(zhì)時(shí)，由在輻射穿過物質(zhì)時(shí)，由于物體吸收作用損失部分強(qiáng)于物體吸收作用損失部分強(qiáng)度，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律變化。度，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律變化。在輻射穿過物質(zhì)時(shí)，可根據(jù)在輻射穿過物質(zhì)時(shí)，可根據(jù)質(zhì)量厚度質(zhì)量厚度X X求出被

43、測物體厚求出被測物體厚度度h h。00 xhII eI eI I0 0 入射強(qiáng)度；入射強(qiáng)度； I I 穿過后強(qiáng)度；穿過后強(qiáng)度； x x 質(zhì)量厚度；質(zhì)量厚度； 與材料密度有關(guān)；與材料密度有關(guān)； 質(zhì)量吸收系數(shù)；質(zhì)量吸收系數(shù)；（1 1） 測厚測厚 散射式測厚散射式測厚 散射測厚時(shí)散射測厚時(shí)放射放射（或低能（或低能X射線）射線）源與探測器在源與探測器在同一惻，利用核輻射被物體后向散射的效應(yīng)。散射同一惻，利用核輻射被物體后向散射的效應(yīng)。散射強(qiáng)度與被測距離、物質(zhì)成份、密度、厚度表面狀態(tài)強(qiáng)度與被測距離、物質(zhì)成份、密度、厚度表面狀態(tài)等因素有關(guān)：等因素有關(guān)：1k hIIe散射飽和K K與射線能量有關(guān)的常數(shù)與射線

44、能量有關(guān)的常數(shù) （2 2） 物位測量物位測量 利用介質(zhì)對利用介質(zhì)對射線的吸收作用，不同介質(zhì)對射線的吸收作用，不同介質(zhì)對射線射線的吸收能力不同，固體吸收能力最強(qiáng)，液體居中，氣體的吸收能力不同，固體吸收能力最強(qiáng)，液體居中，氣體最弱。最弱。 輻射源與被測介質(zhì)一定，被測介質(zhì)高度輻射源與被測介質(zhì)一定，被測介質(zhì)高度H H與穿過被測與穿過被測介質(zhì)的射線強(qiáng)度介質(zhì)的射線強(qiáng)度I I成正比關(guān)系。成正比關(guān)系。011lnlnHIIIoIo、I I分別為入射前后的強(qiáng)度，分別為入射前后的強(qiáng)度， 為吸收系數(shù)為吸收系數(shù) （3 3）流量計(jì)（氣體）流量計(jì)（氣體） 在氣流管中裝兩個(gè)電極在氣流管中裝兩個(gè)電極（電極電位不同）（電極電位不

45、同） 放射源放射源S S的射線使氣體電的射線使氣體電離，工作狀態(tài)相離，工作狀態(tài)相 當(dāng)于一個(gè)電離室。當(dāng)于一個(gè)電離室。 當(dāng)被測氣體被電離時(shí)，當(dāng)被測氣體被電離時(shí)， 離子被帶出電離室，室內(nèi)離子被帶出電離室，室內(nèi) 電流減小，氣體流速增加電流減小，氣體流速增加 帶出的離子增多電離室電帶出的離子增多電離室電 流進(jìn)一步減小，流進(jìn)一步減小，由電流的由電流的 變化檢測氣流流速和流量變化檢測氣流流速和流量。 （4 4）探傷探傷 探測器與放射源放在管道內(nèi)，沿焊接縫同步移動，探測器與放射源放在管道內(nèi)，沿焊接縫同步移動，當(dāng)焊縫存在問題時(shí)，穿透管道的當(dāng)焊縫存在問題時(shí)，穿透管道的射線會產(chǎn)生突變，正射線會產(chǎn)生突變，正常時(shí)輸出曲線趨于直線。常時(shí)輸出曲線趨于直線。 （5 5）X X射線熒光分析儀射線熒光分析儀 X X射線熒光基于光電效應(yīng)，能量色散的熒光分析方法由射線熒光基于光電效應(yīng)，能量色散的熒光分析方法由同位素源產(chǎn)生同位素源產(chǎn)生射線，其它物質(zhì)上的次級輻射稱熒光射線；射線，其它物質(zhì)上的次級輻