传感器与检测技术教学课件作者赵勇第5章节新型传感器原理54-56课件

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1、5.4核辐射传感器5.5光纤传感器5.6微机电传感器5.4核辐射传感器5.4.1核辐射传感的物理基础1.放射性同位素原子序数相同,但原子质量数不同的元素,称作同位数。当没有外因作用时同位数的原子核会自动在衰变中放出射线。其衰减规律为式中J、J0——分别为初始时与经过时间t秒后的原子核数；λ——衰变常数（不同放射性同位数有不同的λ值。上式表明放射性同位数的原子核数按指数规律随时间减少，其衰变速度用半衰期表示。2.核辐射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的放射性现象称为核辐射。核辐射的方式主要有四种:

2、α辐射、辐射、γ辐射和X辐射等。放出来的射线主要有α射线、β射线、γ射线和X射线。α、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；γ射线不带电，是从原子核内部放射出来的以光速运动的光子流；X射线是原子核外的内层电子被激发而放射出来的电磁波能量。3.核辐射与物质的相互作用1）电离作用具有一定能量的带电粒子在穿透物质时，在它们经过的路程上会产生电离作用，形成许多电子对。电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。一个粒子在每厘米路程上生成离子对的数目称为比电离。带电粒子在物质中穿行时，能量耗尽前所经过的直线距离称为射程。在辐射的电离作

3、用下，每秒中产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可由下式表示：式中:为带电粒子的能量;为离子对的能量；为辐射源的强度；为辐射源强度为1居里时，每秒钟放射出的粒子数。利用上式可以测量气体的密度等。2）核辐射的吸收、散射和反射α、β、γ射线在穿透物质时，粒子或射线的能量将按下述关系式衰减：式中:、分别为射线穿透物质前、后的辐射强度；为穿透物质的厚度；为物质的密度；为物质的质量吸收系数。可用于测量物质的厚度。5.4.2核辐射传感器的分类1.电离室图5.1为电离室示意图。电离室两侧设有二块平行极板，对其加上极化电压E使二极板间形成

4、电场。当有粒子或射线射向二极板间空气时，空气分子被电离成正、负离子。带电离子在电场作用下形成电离电流，并在外接电阻R上形成压降。测量此压降值即可得核辐射的强度。电离室主要用于探测α、β粒子，它具有坚固、稳定、成本低、寿命长等优点，但输出电流很小。图5.1电离室示意图2.气体放电计数管图5.2所示，正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打出次级电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，次级电子又能再一次产生正离子鞘和电压脉冲，从而形成连续放电。若在计数管内加入少量有机分子蒸汽或卤族气体，可以避免正离子鞘在阴极产生次级电子，而使放

5、电自动停止。图5.2气体放电计数管气体放电计数管的特性曲线如图5.3所示。图中I1、I2代表入射的核辐射强度，I1＞I2。由图可见，在相同外电压U时不同辐射强度将得到不同的脉冲数N。气体放电计数管常用于探测β粒子和γ射线。图5.3特性曲线3.闪烁计数器当核辐射进入闪烁晶体时，晶体原子受激发光，透过晶体射到光电倍增管的光阴极上，根据光电效应在光阴极上产生的光电子在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，即可用仪器指示或记录。图5.4闪烁计数器示意图5.4.2核辐射传感器的应用1.核辐射流量计图5.5核辐射气体流量计图5.6核

6、辐射测厚仪2.核辐射在线测厚仪3核辐射物位计4.核辐射探伤仪图5.7核辐射物位计示意图图5.8核辐射探伤仪a)工作框图b)特性曲线1—被测管道2—放射源3—移动机构4—焊缝5.5光纤传感器5.5.1光学纤维的结构和基本原理1光纤基本结构光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。图5.10实际单根光纤的基本结构1—光纤纤芯2—光纤包层3—塑料涂覆层4—松套

7、管5—Kevlar绳6—聚乙烯护套图5.9光纤的基本结构和导光原理2光纤传感器结构原理及分类1）结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图5.11。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图5.12。图5.11传统传感器图5.12光纤传感器2）光纤传感器的分类按照材料性质分类:按照功能分类:5.5.2强度调制型光纤传感器技术利用

8、被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等