第11章波与射线传感器.ppt

,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,主要内容,11.1 超声波传感器11.2 红外线传感器11.3 核辐射传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,声波频率界限人耳听见的波称声波（机械波）频率在1620KHz；次声波低于20Hz；超声波高于20KHz.,声波频率界限,11.1 超声波传感器11.1.1 超声波及物理特性,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器11.1.1 超声波及物理特性,超声波技术 是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术;通过超声波的产生传播接受等物理过程完成。超声波传感器主要功能是产生、接收超声波信号。根据超声波的各种物理特性，使它在检测技术中获得广泛应用。如：超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。超声波为直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器。超声波在空气中传播速度较慢，为340m/s，这一特点使得超声波应用变得非常简单，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。,11.1 超声波传感器11.1.1 超声波及物理特性,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减，衰减规律用声的能量描述：,11.1 超声波传感器11.1.1 超声波及物理特性,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,目前市场销售的超声波传感器有两种形式：专用型、兼用型产品通常标有谐振中心频率：23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。超声波传感器有发射、接收两部分发射元件；利用压电材料的逆压电效应，将高频电振动转 换为机械振动产生超声波；接收元件；利用压电材料正压电效应，将超声波振动转换 为电信号。,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,不同超声波传感器工作方式超声波传感器使用时的两种形式：反射式、直射式,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,发射探头（TX）,接收探头（RX）,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,各种超声波传感器产品,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波传感器等效电路,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,C,C,L,R,等效电路,fr:L、C、R产生的串联谐振频率fa：L、C、C产生的并联谐振频率,电抗特性,超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中频率低的fr：L、C、R产生的串联谐振频率；频率高的 fa：L、C、C产生的并联谐振频率超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,在超声波发送器双振子施加40KHz电压，通过逆压电效应，使压电振子振动发送出超声波信号。接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号放大处理。,超声波传感器的工作原理,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,超声波传感器结构,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,压电晶片为圆形薄片，超声波频率f与圆片厚度成反比；阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器11.1.2 超声波传感器,超声波测液位,s,超声波在液体中传播测量,超声波在空气中传播测量,单换能器从发射到接收的时间：t=2h/C传感器到液面的距离：h=Ct/2双换能器经过的路程：2S=ct液位高度：,C：超声波在介质中传播速度,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,发射驱动电路：由反向器组成RC振荡器经门电路完成功率放大，经CP耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。,11.1 超声波传感器 11.1.3 超声波传感器测距原理,超声波传感器发射基本电路,超声波传感器测距基本电路主要由 振荡发射电路、检测电路两部分组成：,振荡器频率调整,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波传感器接收电路,检测电路：超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路 用于检测反射波，输出的高频信号电压接检 波、放大、开关电路输出或报警。,11.1 超声波传感器 11.1.3 超声波传感器测距原理,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,超声波测距模块：最大距离600cm，最小距离2cm,11.1 超声波传感器11.1.3 超声波传感器测距原理,发送，由555构成多谐振荡器，RC电路产生40KHz等幅波放大送功放输出；接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时 间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,测距原理：40KHz高频信号与20Hz周期信号调制成短脉冲群向外发送，周期 T=1/20=50ms340m/s50ms=17m17m/2=80cm测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离。时钟周期 T=1/40KHz=25m 340m/s（n25s）=往返距离 单程距离=距离/2,超声波测距原理时序波形示意图,11.1 超声波传感器11.1.3 超声波传感器测距原理,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器11.1.4 超声波传感器应用,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1 超声波传感器11.1.4 超声波传感器应用,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,红外传感器按应用可分为：热成像遥感技术；红外搜索、跟踪目标、确定位置；红外辐射测量；通讯；测距等。红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，因为红外波长比无线电波的波长短，所以红外仪器的空间分辨率比雷达高；红外波长比可见光的波长长，因此红外线透过阴霾的能力比可见光强。红外辐射的物理本质是热辐射，人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已，一个识热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高，辐射红外线越多，辐射能越强。,11.2 红外线传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2.1 红外辐射,红外辐射俗称红外线是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线，波长约0.751000m。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为:近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，红外线在通过大气层时，有三个波段通过率最高：22.6m,35m,814m,11.2 红外线传感器,因为空气中氮、氧、氢不吸收红外，使大气层对不同的波长红外线存在不同吸收带，这三个波段对红外探测技术非常重要，红外探测器一般工作在这三个波段。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,红外传感器有两部分组成：1）红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，根据辐射原的几何尺寸、距离远近可视为点源和面源（基准黑体炉）；2）红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。红外探测器主要有两大类型：1）热探测器（热电型）包括有：热释电、热敏电阻、热电偶等；2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；其中有光敏电阻、光电管、光电池等。量子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍热电型红外探测器。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,热释电效应 热释电元件基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号；包括了光热电，两次信息变换过程；光热阶段，物质吸收光能，温度升高；热电阶段，利用某种效应将热转换为电信号；,热释电材料：有晶体、陶瓷、塑料等铁电体；热释电结构：把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极（类似电容），为使晶体吸收红外线，将透明电极涂上黑色膜。,热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,晶体本身具有一定极化强度，当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T升高，使极化强度P降低，表面电荷Q减少，释放部分电荷，所以称热释电。温度一定时极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和，不显电性，热释电材料要显示出电特性，热释电传感器需要用光调制器，使温度变化，调制器的入射光频率必须大于中合时间的频率。,中和的平均时间为,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,铁电体在温度变化时极化强度发生变化，表面产生电荷，升温或降温时电荷极性相反。无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中合时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来。,电极,所以热释电传感器必须用光调制器，使调制光的频率大于中合频率。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,热释电元件 热释电元件可视为电流源，产生的是电荷 下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：,式中：S元件面积；P极化强度；g热释电系数。,热释电元件结构,热释电元件因红外线照射产生热量，似乎与波长无关，但元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定是哪个范围内波长产生的热。有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度-40+85，工作视角5。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,热释电元件绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪声，热释电元件的电荷要加到电阻形成电压输出，使用时要求有较高的输入电阻，还需用FET进行阻抗变换。通常热释电传感器已经将前极的场效应管FET和输入电阻安装在管壳中。,热释电元件等效电路,输出电压：,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有：光电导型（PC），电阻受光照后引起电阻变化；光电型（PV），由于光照产生光生电子空穴对；光电磁型（PEM），利用光电磁PEM效应，器件加电场 和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷；肖特基型（ST），金属与半导体接触形成肖特基势垒 随光照而变化。区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器 几乎可以探测整个红外波长范围。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.3 红外传感器应用,红外传感器可用于 红外测温、遥控器、红外监控报警器；红外摄象机、夜视镜；控制装置中的自动门、干手机、自动水龙头等等；红外无损检测，通过测量热流或热量来检测鉴定金属 或非金属材料的质量和内部缺陷；红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成像、电荷耦合器件（CCD）成像。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.3 红外传感器应用,热释电红外报警控制电路人体辐射红外线波长612m，温度3637；人活动的频率范围一般在0.110Hz之间；热释电元件可检测到10M距离，85的水平视角范围；传感器将热电信号送运放A放大，反馈电阻1.5M可调节放大倍数；低通排除干扰；输出直流信号驱动蜂鸣器告警。热释电电流小工作电流很小。,图中自动门由热释电红外传感器检测是否有人出入，由单稳态控制电机正转或反转。,自动门控制电路,1.5M 增益100倍,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.2 红外线传感器11.2.3 红外传感器应用,红外光束报警电路,为防止防盗报警系统的误报，监控系统不仅严格场地要求，还需通过各种监测方式、多方位进行监测。下图中，通过两只串联的LED发射红外光束，另外两只并联的红外光敏器件接收红外光束，两只管子的间距是小于75mm，小于人体的肩厚度。每只光敏管可测到由两只LED中任意一只发射的光信号，只有当两条光束同时被遮挡阻断时接收器才触发报警，也就是说只有大于75mm的物体遮挡时输出报警信号，电路可防止蚊虫、飞蛾导致的误报。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,红外测温,P185 红外测温系统中各元件的作用？,红外测温是目前较先进的测温方法，特点有：1.远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压；2.反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在s量级；3.灵敏度高，辐射能 与温度T成正比；4.准确度高，可达 0.1内；5.应用范围广泛，0下上千度。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,红外测温,红外报警,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器,辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测物时会伴随着能量的损失，只要得到确切的损失量，那么就可以准确地了解到被测物的厚度、吸收系数（CT 值）和强度等参数。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,海关X射线扫描仪,11.3 核辐射传感器,定义：核辐射传感器是将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的信号（如电流、电压信号）的装置。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,（1）原子核,中子n(udd),质子P(uud),现代原子核的组成,原子,核素及符号表示，核素是原子核的一种统称,核素：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素。,核素表示符号,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,12C,质子数=原子序数,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,其它：稳定核素和不稳定核素，稳定同位素和不稳定同位素，放射性核素和非放射性核素。,最常用的两个术语：核素和同位素,常用名词术语,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,凡是原子序数相同，原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称同位素。当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变。不稳定核素通过放出射线而蜕变成另一种原子核的过程；同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称“放射性同位素”,（2）核衰变与核辐射,核衰变,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,放射性衰减规律,t=0 的原子核数；,t 时刻原子核数；,衰减常数（对每一种核为一常数,不同核素值不同）,上式可见，放射性核素数随时间按指数规律衰减；半衰期：放射性核素衰减到原始数目一半所用的时间，一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。,（2）核衰变与核辐射,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,一般用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性 的强弱，称放射性活（强）度。放射性活（强）度也是随时间按指数规律减小：,放射性强度单位：贝可（Bq）,I t时间的强度；I0 初始强度；,（2）核衰变与核辐射,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。包括、中子质子裂变碎片等。这种现象称“核辐射”放射性同位素在衰变过程中能放出、三种射线，其中：射线由带正电的粒子组成（如 氦核）；射线由带负电的粒子组成（如电子）；射线由中性的光子组成。,（2）核衰变与核辐射,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,衰变 新元素Sg衰变为Rf鑪,-衰变 产生电子e,反中微子 v,+衰变 F氟产生正电子e,中微子 v，O变氧,衰变 Dy镝放出射线，能态变化，原子量、原子序数不变,自然界常见的核衰变示例：,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,核辐射与物质间的相互作用主要是 电离、吸收、反射电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：粒子质量大，电荷量多，电离能力最强，但射程短；粒子质量小，电离较弱；粒子没有直接电离作用。,（3）核辐射与物质间的相互作用,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,吸收、反射、射线穿透物质时，由于磁场作用原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线；射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生散射，在空气中运行轨迹为折线；射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此射线广泛用于医疗诊断、金属探伤等。,（3）核辐射与物质间的相互作用,11.3 核辐射传感器11.3.1 核辐射物理基础,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,射线式传感器通常有两种主要形式：一种是测量放射性物质的放射线，例如测量天然放射性的U、Th、K和这三个量的总量；另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器（1）辐射源,辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，强度合适的辐射源。常用同位素源有：,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,（1）辐射源,辐射源的结构：应使射线从测量方向射出，其它方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。其它方向可以用铅进行屏 蔽，铅有极强的抗辐射穿 透能力。射线源结构一般为丝状、圆拄状、圆片状。辐射剂量，照射量率 微仑,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,（1）辐射源,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器（2）探测器,探测器是检测辐射的接收器件或装置，常用的有电离室、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器（2）探测器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,电离室，电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的空气时，在电场作用下正离子趋,（2）探测器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,射线,向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，输出只正比于射线到电离室的辐射强度。、电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。电离室主要用于探测、射线。,（2）探测器,射线,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,盖格计数管 盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。,盖格计数管上电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N越大，a、b段称“坪”；盖格计数管主要用于探测粒子和射线。,射线,k,A,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,闪烁计数器 闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成，当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。,闪烁探测器测量射线信号的基本特征,入射射线,Eh,输出端电信号,输出信号幅度：VE,脉冲信号产生率单位时间进入探测器射线数,通过分辩信号幅度，可以分辩射线能量；,通过测量脉冲信号数，可以测定射线强弱。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,正比计数器 正比计数器是一种充气型辐射探测器 工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区；计数器接收一个X、光子后就输出一个电脉冲幅度与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目。,让未被气体吸收的光子穿过,出射口,正比计数器工作原理,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.2 射线式传感器,半导体探测器 荷电粒子入射到半导体中时，会产生电子空穴对，X射线、射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子空穴对。在PN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速产生新的电子空穴使载流子倍增，在输出形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。,半导体探测器的特点：输出信号小，分辨率高；类型主要有，Si（硅）低能探测器，Ge（锗）高能探测器，分别测量不同能量段的放射线。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,应用：射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用,X-RAY探测器,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（1）测厚,透射式测厚 透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化。在辐射穿过物质时，可根据质量厚度X求出被测物体厚度h。,I0 入射强度；I 穿过后强度；x 质量厚度；与材料密度有关；质量吸收系数；,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（1）测厚,散射式测厚散射测厚时放射（或低能X射线）源与探测器在同一恻，利用核辐射被物体后向散射的效应。散射强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：,K与射线能量有关的常数,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（2）物位测量,利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。,Io、I分别为入射前后的强度，为吸收系数,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（3）流量计（气体）,在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源S的射线使气体电离，工作状态相 当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内 电流减小，气体流速增加 带出的离子增多电离室电 流进一步减小，由电流的 变化检测气流流速和流量。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（4）探伤,探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（5）X射线荧光分析仪,X射线荧光基于光电效应，能量色散的荧光分析方法由同位素源产生射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线；波长色散荧光分析方法由X光射线管产生X射线。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（5）X射线荧光分析仪,X荧光射线的能量谱和强度与物质的成份、厚度、密度有关。探测器将光信号转换为电脉冲，脉冲幅度与元素 的特征X射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同，能量E大脉冲幅度越高，通过幅度分析器检测出不 同元素，实现元素的定性分析。,而脉冲的多少与样品的含量成正比，含量越高脉冲计数越多，通过每秒的计数率检测样品的含量，实现元素的定量分析。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（5）X射线荧光分析仪,野外现场快速测量,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（5）X射线荧光分析仪,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,Si(Li)探测器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（6）中子活化分析,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（6）中子活化分析,元素能量谱线,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（7）医学应用-CT,常规X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（7）医学应用-CT,如果把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二维图像）进行观察，就能消除临近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结构。,从断面合成的头部三维图像,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.3 核辐射传感器11.3.3 核辐射传感器的应用（7）医学应用-CT,计算机断层扫描的二维重建方法的基本原理，如图所示，从线性并排着的X线源发射一定强度的X线，把通过身体的X线用与X线源平行排列的X线传感器接收。然后把X线源和传感器组以体轴为中心一点一点的旋转，反复进行同样的操作。利用这样求得的在各个角度上的投影数据，就得到了垂直于体轴的断面图像。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,（7）医学应用-CT,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,矩阵求解法如图，设物体（为简单起见，设物体为22大小象素）各部分的衰减系数都是未知的，根据投影X射线成像的原理，当入射强度为I时，X射线通过物体之后，检测器获得的射线强度为I，有：,从投影重建图像：,解方程即可解出物体各个部分的衰减系数。,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,本章要点:,超声波传感器及超声波传感器测距原理；红外辐射探测器，热释电效应和热释电元件；核辐射传感器，核辐射物理基础，核辐射与 物质间的相互作用，核辐射传感器的应用。,