第10章 輻射式傳感器

第10章輻射式傳感器

10.2激光傳感器

激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計(jì)量、軍事、宇航、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各領(lǐng)域。激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來(lái)的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長(zhǎng)的光，并以光的形式發(fā)射出來(lái)。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。

10.2.1激光的本質(zhì)

原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級(jí)El狀態(tài)。如果沒(méi)有外界的作用，原于可以長(zhǎng)期保持這個(gè)狀態(tài)。原子在得到外界能量后，由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷的過(guò)程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時(shí)間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級(jí)上去，同時(shí)輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射，如圖10.2.1a所示。

10.2.1激發(fā)與受激輻射過(guò)程

進(jìn)行自發(fā)輻射時(shí)，各個(gè)原子的發(fā)光過(guò)程互不相關(guān)。它們輻射光子的傳播方向，以及發(fā)光時(shí)原子由高能級(jí)向哪一個(gè)能級(jí)躍遷(即發(fā)光的頻率訕等都具有偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子混合。對(duì)于光源的大量原子來(lái)說(shuō)，這些光子的頻率只服從于一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。10.2.1激發(fā)與受激輻射過(guò)程如果處于高能級(jí)的原子在外界作用影響下，發(fā)射光子而躍遷到低能級(jí)上去，這種發(fā)光叫做原子的受激輻射。設(shè)原子有能量為E1和E2的兩個(gè)能級(jí)，而且E2>E1。當(dāng)原子處于E2能級(jí)上時(shí)，在能量為的入射光子影響下，(h為普朗克常數(shù)，h＝6.6256X10-34J·s，為光子的頻率)，這個(gè)原子可發(fā)生受激輻射而躍遷到E1能級(jí)上去，并發(fā)射出一個(gè)能量為的光子，如圖10.2.1b所示。10.2.2光放大與吸收在受激輻射過(guò)程中，發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子相同，它們?cè)谙辔?、振?dòng)方向和發(fā)射方向上也完全一樣。如果這些光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，這些原子所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動(dòng)方向和頻率上也都和最初引起受激輻射的入射光子相同，如圖10.2.2a所示。10.2.2光放大與吸收這樣，在一個(gè)入射光子影響下，會(huì)引起大量原子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動(dòng)方向和頻率上都完全一樣，這一過(guò)程也稱為光放大，所以在受激發(fā)射時(shí)原子的發(fā)光過(guò)程不再是互不相關(guān)的，而是相互聯(lián)系的。另一方面，能量為的光子在媒質(zhì)中傳播時(shí)，也可以被處于E1能級(jí)上的粒子所吸收；而使這粒子躍遷到E2能級(jí)上去。在此情況下，入射光子被吸收而減少，如圖10.2.2b所示。這個(gè)過(guò)程叫做光的吸收。

光的放大和吸收過(guò)程往往是同時(shí)進(jìn)行的，總的結(jié)果可以是加強(qiáng)或減弱，這取決于這一對(duì)矛盾中哪一方處于支配地位。激光是媒質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，激光在共振腔內(nèi)往返放大過(guò)程叫做振蕩放大，激光輸出。10.2.2激光的特點(diǎn)

1高方向性

高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達(dá)到幾分甚至可小到。所以通常稱激光是平行光。2高亮度

激光在單位面積上集中的能量很高。一臺(tái)較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達(dá)比太陽(yáng)的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度的激光束會(huì)聚后能產(chǎn)生幾百萬(wàn)攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會(huì)熔化。3單色性好

單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用表示波長(zhǎng)，表示譜線寬度，則越小，單色性越好。在普通光源中最好的單色光源是氪(Kr86)燈。4高相干性

相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。由于激光具有上述特點(diǎn)，因此利用激光可以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測(cè)量物體表面的平整度、測(cè)量長(zhǎng)度、速度、轉(zhuǎn)角；切割硬質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會(huì)更加普遍。

10.2.3激光器

激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光器。

1固體激光器

固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釹)。固體激光器的常用激勵(lì)方式是光激勵(lì)(簡(jiǎn)稱光泵)，也就是用強(qiáng)光去照射工作物質(zhì)(一般為棒狀，在光學(xué)共振腔中，它的軸線與兩個(gè)反光鏡相垂直)，使之激發(fā)起來(lái)，從而發(fā)出激光。為了有效地利用泵燈(用脈沖氙燈、氪弧燈、汞弧燈、碘鎢燈等各種燈作為光泵源的簡(jiǎn)稱)的光能，常采用各種聚光腔。如果工作物質(zhì)和泵燈一起放在共振腔內(nèi)，則腔內(nèi)壁應(yīng)鍍上高反射率的金屬薄層，使泵燈發(fā)出的光能集中照射在工作物質(zhì)上。圖10.2.3紅寶石固體激光器紅寶石激光器如圖10.2.3所示，圖中1是脈沖氙燈；2是紅寶石棒，3是橢圓柱形聚光器，4是全反射鏡，5是部分反射鏡。它是世界上第一臺(tái)成功運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器。這種激光器在常溫下，只能作脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，而且效率較低。

釹玻璃激光器的效率比紅寶石激光器要高，它發(fā)出1.06的紅外激光。釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，通常也只能作脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)。釔鋁石榴石激光器是目前性能最好的固體激光器之一，能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，其連續(xù)輸出功率可超過(guò)1000W。它發(fā)出的激光波長(zhǎng)是1.06的紅外光。圖10.2.3紅寶石固體激光器

車速測(cè)量?jī)x采用小型半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)激光器，其發(fā)散角在～20間，發(fā)光波長(zhǎng)為0.9。其光路系統(tǒng)如圖10.2.4所示，圖中1是激光源；2為發(fā)射透鏡；3為接收透鏡；4為光敏元件。為了適應(yīng)較遠(yuǎn)距離的激光發(fā)射和接收，發(fā)射透鏡采用437mm，焦距115mm，接收透鏡采用聲37mm，焦距65mm。砷化鎵激光器及光敏元件3DU33分別置于透鏡的焦點(diǎn)上，砷化鎵激光經(jīng)發(fā)射透鏡2成平行光射出，再經(jīng)接收透鏡3會(huì)聚于3DU33。為了保證測(cè)量精度，在發(fā)射鏡前放一個(gè)寬為2mm的狹縫光闌，其測(cè)速的基本原理如下，當(dāng)汽車行走的速度為v，行走的時(shí)間為t時(shí)，則其行走的距離

S=vt現(xiàn)選取s＝lm。使車行走時(shí)先后切割相距l(xiāng)m的兩束激光，測(cè)得時(shí)間間隔，即可算出速度。采用計(jì)數(shù)顯示，在主振蕩器振蕩頻率為100kHz情況下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N時(shí)，車速的表達(dá)式可寫成(v以km／h為單位)上式就是測(cè)速儀的換算式。2測(cè)量車速10.2.4車速測(cè)量光路系統(tǒng)10.3.1紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)

紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。這類振動(dòng)過(guò)程是物體受熱而引起的，只有在絕對(duì)零度(-273.16℃)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。所以在絕對(duì)零度時(shí)，沒(méi)有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機(jī)、動(dòng)植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3×108m／s，而在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律

式中，I為通過(guò)厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時(shí)的通量；e為自然對(duì)數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

10.3紅外輻射傳感器金屬對(duì)紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過(guò)紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過(guò)紅外線；液體對(duì)紅外線的吸收較大，例如厚l(mm)的水對(duì)紅外線的透明度很小，當(dāng)厚度達(dá)到lcm時(shí)，水對(duì)紅外線幾乎完全不透明了；氣體對(duì)紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它對(duì)波長(zhǎng)為1～5μm，8～14μm之間的紅外線是比較透明的，對(duì)其他波長(zhǎng)的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會(huì)引起對(duì)紅外輻射的散射。實(shí)踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接收某一范圍的波長(zhǎng)，就可以達(dá)到測(cè)量的目的。

電磁波譜10.3.2紅外線傳感器的類型

能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。

熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，一般在毫秒數(shù)量級(jí)以上。另外，在加熱過(guò)程中，不管什么波長(zhǎng)的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對(duì)各種波長(zhǎng)的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為“無(wú)選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。

光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因此它的響應(yīng)時(shí)間一般比熱敏型短得多，最短的可達(dá)到毫微秒數(shù)量級(jí)。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測(cè)器”。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。

10.3.3紅外線傳感器的應(yīng)用

在鍛造廠里，工件在鍛造之前需要在加熱爐內(nèi)加溫到900~C，其誤差不得超過(guò)±5~C，否則會(huì)影響鍛件的質(zhì)量，所以控制鍛件的溫度是一關(guān)鍵問(wèn)題。以往的辦法是由工人目測(cè)溫度，看到差不多了，把燒紅的鍛件取出放鍛錘之下進(jìn)行鍛壓。而現(xiàn)在采用紅外輻射測(cè)溫計(jì)，通過(guò)加熱爐口可以直接對(duì)準(zhǔn)工件的表面，可以測(cè)量出工件的溫度，如圖10.3.1所示。

10.3.1紅外輻射測(cè)溫計(jì)原理

當(dāng)鍛件加熱到900~C時(shí)，紅外探測(cè)器便輸出電信號(hào)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)將鍛件從加熱爐中由傳送帶送到鍛錘之下進(jìn)行鍛壓加工。這樣利用紅外探測(cè)器就可以對(duì)整個(gè)工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。市售的HBW-B型紅外測(cè)溫儀是非接觸式數(shù)字顯示儀表，它利用被測(cè)物的熱輻射來(lái)確定物體溫度，測(cè)溫范圍600℃以上。測(cè)量距離是根據(jù)被測(cè)物目標(biāo)大小來(lái)確定的，被測(cè)物目標(biāo)越大，測(cè)量距離越遠(yuǎn)。測(cè)量誤差小于量程上限的1%。

10.3.1紅外輻射測(cè)溫計(jì)原理紅外溫度傳感器測(cè)溫范圍：

-20~3000℃

光學(xué)濾波器：5~20μm

最好分辨率：0.03℃

最小靈敏度：10μV/

℃

視

角：110°，適于近距離測(cè)溫

內(nèi)置Ni-1000熱敏電阻

10.4核射線式傳感器

放射性同位素在衰變過(guò)程中放出一種特殊的帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射。其放出的粒子或射線有以下幾種：⑴α粒子。其質(zhì)量為4.002775原子質(zhì)量單位并帶有2個(gè)正電荷。α粒子主要用于氣體分析，測(cè)量氣體壓力、流量等。⑵β粒子。它實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的電子，其質(zhì)量為0.000549原子質(zhì)量單位，放射速度接近光速。β衰變是原子核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子而放出一個(gè)電子的結(jié)果。β粒子用于測(cè)量材料厚度、密度等。⑶γ射線。它是一種電磁輻射。核輻射與物質(zhì)的相互作用主要是電離、吸收和反射。10.4.1核射線式傳感器組成

主要由放射源和探測(cè)器組成。1、射線源

利用射線式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都要有可發(fā)射出α、β粒子或γ射線的輻射源。選擇射線源應(yīng)盡量提高檢測(cè)靈敏度和減小統(tǒng)計(jì)誤差。為避免經(jīng)常更換放射源，要求采用的同位素有較長(zhǎng)的半衰期及合適的放射強(qiáng)度。因此盡管放射性同位素種類很多，但能用于測(cè)量的只有二十種左右。最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。

放射線源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測(cè)量方向射出，而其它方向則必須使射線的劑量盡可能小，以減少對(duì)人體的危害。β輻射源一般為圓盤狀，γ射線輻射源一般為絲狀，圓柱狀或圓片狀。圖10.4.1所示為β厚度計(jì)輻射源容器，射線出口處裝有耐輻射薄膜，以防灰塵浸入，并能防止放射源受到意外損傷而造成污染。

2、探測(cè)器探測(cè)器就是核輻射的接收器，常用的有電離室、閃爍計(jì)數(shù)器和蓋革計(jì)數(shù)管。

⑴電離室

圖11-8為電離室工作原理，它是在空氣中設(shè)置一個(gè)平行極板電容器，對(duì)其加上幾百伏的極化電壓，在極板間產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)有粒子或射線射向二極板之間的空氣時(shí)，它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下，正離子趨向負(fù)極，而電子趨向正極，便產(chǎn)生電離電流，并在外接電阻R上形成電壓降。測(cè)量此電壓降就能得到核輻射的強(qiáng)度。這就是電離室的基本工作原理。⑵閃爍計(jì)數(shù)器

圖11-9所示為閃爍計(jì)數(shù)器示意圖。它由閃爍體和光電倍增管組成。當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍體時(shí)，使閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過(guò)閃爍體射到光電倍增管用的光陰極上打出光電子并在倍增管中倍增，在陽(yáng)極上形成電流脈沖，最后被電子儀器記錄下來(lái)，這就是閃爍計(jì)數(shù)器記錄粒子的基本過(guò)程。

電離室主要用于探測(cè)α、β粒子，它具有成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但輸出電流較小，而且探測(cè)α、β粒子和γ射線的電離室互不通用。三、核輻射檢測(cè)的應(yīng)用

核輻射可以檢測(cè)厚度、液位、物位、轉(zhuǎn)速、材料密度、重量、氣體壓力、流速、溫度及濕度等參數(shù)，也可用于金屬材料探傷?，F(xiàn)舉例說(shuō)明。圖11-12所示為核輻射厚度計(jì)方框圖。輻射源在容器內(nèi)以一定的立體角放出射線，其強(qiáng)度在設(shè)計(jì)已選定，當(dāng)射線穿過(guò)被測(cè)體后，輻射強(qiáng)度被探測(cè)器接收。在β輻射厚度計(jì)中，探測(cè)器常用電離室，根據(jù)電離式的工作原理，這時(shí)電離室就輸出一電流，其大小與進(jìn)入電離室的輻射強(qiáng)度成正比。前面已指出，核輻射的衰減規(guī)律為，從測(cè)得的I值可獲得質(zhì)量厚度x，也就可得到厚度h的大小。在實(shí)際的β輻射厚度計(jì)中，常用已知厚度h的標(biāo)準(zhǔn)片對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，在測(cè)量時(shí)，可根據(jù)校正曲線指示出被測(cè)體的厚度。

用于循環(huán)器官的X線診斷設(shè)備X線傳感器拍攝的X線圖像X線診斷裝置拍攝的心臟血管影像XY-1520/4型X射線機(jī)

裝置進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)金屬陶瓷X射線管，廣泛適用于各種輕合金及28、45、70、95、105mm以下厚度鐵板的檢測(cè)，并可以成套配備X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。

微波傳感器是繼超聲波、紅外和核輻射等傳感器之后的一種新型的非接觸式傳感器。微波是介于紅外線與無(wú)線電波之間的電磁輻射。它不僅用于微波通訊、衛(wèi)星發(fā)送等無(wú)線通訊，而且在雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、遙感、射電望遠(yuǎn)鏡等方面也有應(yīng)用。微波是波長(zhǎng)為1m～1mm的電磁波，它既具有電磁波的特性，又與普通的無(wú)線電波及光波不同。微波具有下列特點(diǎn)：1.空間發(fā)射裝置容易制造；2.遇到各種障礙物易于反射；3.繞射能力差；4.傳輸特性好，傳輸過(guò)程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很??；5.介質(zhì)對(duì)微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。

微波傳感器

微波傳感器就是利用微波特性來(lái)檢測(cè)一些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率