11射线及波式传感器.ppt

一、射线式传感器 二、超声波传感器 三、微波传感器,第11章 射线及波式传 感 器,一、 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、J0分别为t和t0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、核辐射的物理特性 1） 核辐射 核辐射是放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线。主要有四种：射线、射线、射线和X射线射线。 、射线分别是带正、负电荷的高速粒子流； 射线不带电，是以光速运动的光子流，从原子核内放射出来； X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。,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、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：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。,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。,3、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。J1、J2代表入射的核辐射强度，J1J2。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。 若在流动的液体中，掺入少量放射性物质，也可以运用放射性同位素跟踪法求取液体流量。,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。,二、 超声波传感器,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，称之谓功率超声；利用超声波获取若干信息，称之谓检测超声。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。,1、超声波的基本特性 超声波的频率在104Hz 1012Hz之间，其中常用的频率大约在104Hz 3×106Hz之间。 超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长远小于声场的尺度，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。,1）超声波的传播速度 超声波在介质中可产生三种形式的波： 横波 只能在固体中传播； 纵波 能在固体、液体和气体中传播； 表面波 质点振动介于纵波与横波之间，沿物体表面传播。能在固体、液体中传播，随深度的增加其衰减很快。 实际测量时多采用纵波。超声波的频率越高，与光波的某些性质越相似。 超声波与其他声波一样，传播速度与介质密度和弹性特性有关。 超声波 (纵波) 在气体和液体中的传播速度 在气体和液体中的传播速度CgL 式中： 介质的密度； Ba 绝对压缩系数（B为容变模量）。,超声波在固体中的传播速度 纵波在固体介质中传播的声速 固体中纵波的传播速度与介质形状有关。 （细棒） （薄板） （无限介质） 式中 E 杨氏模量； 泊松比； K 体积弹性模量； G 剪切弹性模。 横波声速（无限介质） 固体中，介于00.5之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。,2）超声波的物理性质 超声波的反射和折射 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时，一部分声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播，这种现象称之为声波的反射和折射。如下图所示。 声波的反射系数R和透射系数T可分别由如下两式求 式中 、 为声波的入射角和折射角； 1 c1、2 c2 分别为两介质特性阻抗， 其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。,反射角、折射角与两个介质中的速度满足折射定律：,如果sin ac1/ c2，入射波完全被反射，在相邻介质中没有折射波，成为全反射。 如果声波斜入射到两固体介质界面或两粘滞弹性介质界面时，一列斜入射的纵波不仅会产生反射纵波和折射纵波，而是还产生反射横波和折射横渡。,当超声波垂直人射界面时，即 0，则,超声波的衰减 超声波在一种介质中传播时，其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源x处的声压p和声强I衰减规律如下： 式中 p0、I0 距离声源 x 0处的声压和声强； x 观测点与声源间的距离； A 衰减系数，单位为Np/cm(奈培/厘米)。 实际使用时，常采用10-3dB/mm为单位。 例如，若衰减系数为1dB/mm，声波穿透1mm则衰减1dB；声波穿透20mm，1dB/mm×20mm20dB，即衰减90。 (3)超声波的干涉 如果在同一种介质中传播频率相同、振动方向相同两列及以上的声波，就会产生波的干涉现象。,超声波的波型转换 当超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、折射外，还会有横波的反射和折射。在一定条件下，还能产生表面波。它们符合几何光学中的反射定律，即 式中： a 入射角； a 1、a 2 纵波与横波的反射角； 、 纵波与横波的折射角； cL、cL1、cL2 入射介质、反射介质、 折射介质内的纵波速度； cS1、c S 2 反射介质、折射介质内 的横波速度。 若介质为液体或气体，则仅有纵波。利用上式可以实现波型转换。,2、超声波传感器 能将（交流）电信号转换成机械振动而向介质中辐射（发射）超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置称为超声波换能器（或称为探测器、传感器、探头）。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。 超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头、液浸探头和聚焦探头等。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用的是中压电式探头。,1） 普通型超声波传感器 直探头 压电式直探头主要由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜组等成，其结构如图10-8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2.5 MHz。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极扳，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)聚焦型超声波换能器 球面聚焦换能器 这种换能器利用声透镜聚焦。这种换能器的使用环境多为液体介质，透镜的透声材料的声速一般总是大于液体中的声速，所以聚焦透镜为凹透镜。如右上图所示。,3)超声波测量厚度脉冲反射式超声测厚仪 超声波测厚仪按其工作原理可以分为共振法、干涉法及脉冲回波法等几种。由于脉冲反射法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切，所以，超声波脉冲反射式是最常用的一种测厚方法。 测量原理 脉冲反射式超声测厚原理是测量超声波脉冲通过试样所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度。 式中： d 样品厚度； c 超声波速度； t 超声波从发射到接收回波的时间间隔。,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。,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，选加一个振动。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。,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KI18dB，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Km33dB。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。,？,？,2超声波诊断仪 超声波诊断仪是通过向人体内发射超声波(主要采用纵波)，然后接收经人体各组织反射回来的超声波信号并加以处理和显示，根据超声波在人体不同组织中传播特性的差异进行诊断的。超声波诊断仪最常用的有A型超声波诊断仪、M型超声波心动图仪和B型超声波断层显像仪等。 A型超声波诊断仪 A型超声波诊断仪又称为振幅(Amplitude)型诊断仪，其原理类似示波器，所不同的是在垂直通道中增加了检波器，以便把正负交变的脉冲调制信号变成单向的视频脉冲信号。 同步电路产生50Hz20kHz的同步脉冲，该脉冲触发扫描电路产生锯齿波电压信号，齿波电压信号的频率与超声波的频率相同，而且与视频信号同步。,发射电路在同步脉冲作用下，产生一高频调幅振荡，即产生幅度调制波(正弦填充脉冲)。,发射电路方面将调幅波送入高频放大器放大，使荧光屏上显示发射脉冲(如荧光屏上的第一个脉冲)，另一方面将调幅波送到超声波探头激励探头产生一次超声振荡，超声波进入人体后的反射波由探头接收并转换成电压信号，该电压信号经高频放大器放大、检波、功率放大，在荧光府上将显示出一系列的回波，它们代表着各组织的特性和状况。, M型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪主要用于运动(Motion)器官的诊断，常用于心脏疾病的诊断，故又称为超声波心动图仪。它是在A型超声波诊断仪的基础上发展起来的一种辉度调制式仪器。它与A型超声波诊断仪的不同点是M型的发射波和回波信号不是加到示波管的垂直偏转板上，而是加到示波管的栅极或阴极上来控制到达示波管的电子束的强度。脉冲信号幅度高，荧光屏的光点亮；反之，光点暗。光点的纵坐标代表与回波信号相对应的点到体表的距离，横坐标则表示不同时刻，这种显示方式最适用于观察运动器官的动作情况。,各层组织与探头的距离而不同，在荧光屏上会呈现随心脏搏动而上下摆动的一系列光点，当代表时间的扫描线沿水平方向从左至右等速移动时，上下摆动的光点便横向展开，得到心动周期、心脏各层组织结构随时间变化的话动曲线，这就是超声心动图。,实际操作时，将探头固定在某一部位，如心脏部位。由于心脏搏动，,由M型显示得到的位移曲线，对时间微分可以得到速度曲线和加速度曲线，如下图所示。利用这些套曲线，比较容易判断某些运动器有的疾病。,3B型超声波诊断仪 B型超声波诊断仪(简称为B超，其成像方式称为B型成像方式)是在M型诊断仪的基础上发展起来的辉度调制(Brightness Modulation)式诊断仪。B型成像方式所得到的是与声束传播方向垂直的物体断面的图像，声束沿z方向传播，沿x方向扫描，逐次照射物体的不同区域，并接收声束所,达区域内物体的散射声信号，将声信号幅度调制成荧光屏上相应位置的光点亮度，从而获得声束扫描断面内与声散射信号幅度 对应的图像。扫描方式主要有线扫描和扇形扫描两种。,B超所使用的换能器多为线阵聚焦/扫描型，典型阵元数为256，外形如作下图所示。,右下图是肾脏的B超图像,虽然B型和M型诊断同均属辉度调制式仪器，但是存在两个显著的不同点： (1) 当M型超声波诊断仪工作时，探头固定在某一点，超声波定向发射；而B型超声波诊断仪工作时，探头是连续移动，或者探头不动而发射的超声波束不断地变动传播方向。探头由人手移动的称之为手动扫描，用机械移动的称之为机械扫描，用电子线路变动超声波束方向的称之为电子扫描。实际工作时这两种扫描的联合动作。 (2) M型超声波诊断仪显示的是超声心动图像，而B型超声诊断仪显示的是人体组织的二维断层图像。B型超声诊断仪要接收两种信息，一种是超声回波的强度信息，另一种超声探头的位置信息。由探头发射和接收的超声波经电路处理后，将视频脉冲输送到存储示波管的栅极进行调解。此外，把探头在空间的某一位置定为参考位置，偏离参考位置的角度经位置传感器转换成电压加至示波管的X，Y偏转板上，使得探头移动线(声束截面上反射组织的X-Y位置)与荧光屏上亮点的X-Y位置相对应，于是在荧光屏上便可显示出人休内器官的影像图。 超声波还可以测量液（物）位（实际上是测距，原理与测厚相同）、硬度、流速（流量）等。,