第十一章 波式與射線式傳感器

第十一章波式和射線式傳感器第一節(jié)超聲波式傳感器第二節(jié)微波式傳感器第三節(jié)射線式傳感器第一節(jié)超聲波式傳感器一、超聲波及其物理性質(zhì)

頻率在之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于的機(jī)械波稱為次聲波；高于

的機(jī)械波，稱為超聲波。如圖:

超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí),在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測(cè)量、流速測(cè)量、超聲顯微鏡及超聲成像等。

1.超聲波的波型及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。

①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。（固體、液體和氣體中傳播）②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。（固體中傳播）③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。（固體的表面?zhèn)鞑ィ┊?dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)(固體)的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射以外，還發(fā)生橫波的反射及折射。在某種情況下，還能產(chǎn)生表面波。各種波型都符合反射及折射定律。傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度。由于氣體和液體的剪切模量為零，所以超聲波在氣體和液體中沒有橫波，只能傳播縱波。氣體中的聲速344m/s、液體中聲速在900~1900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90%。2.超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射，見圖(1)反射定律入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比等于波速之比。當(dāng)入射波和反射波的波型相同、波速相等時(shí)，入射角α等于反射角α′。(2)折射定律入射角α的正弦與折射角β的正弦之比等于入射波中介質(zhì)的波速c1與折射波中介質(zhì)的波速c2之比，即

3.聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律如下：——平面波在x處的聲壓和聲強(qiáng)；——平面波在x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；——衰減系數(shù)。

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減，取定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散，就是隨著聲波傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)聲能將要減弱。散射衰減就是聲波在固體介質(zhì)中顆粒界面上散射，或在流體介質(zhì)中有懸浮粒子使超聲波散射。而聲波的吸收是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后等造成的。吸收隨聲波頻率的升高而增高。1.超聲波傳感器

為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或超聲波探頭。超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到分介面經(jīng)過反射后，再返回到接收探頭，這就是超聲波測(cè)距原理。二、超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。而利用正壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成壓電信號(hào)，可作為接收探頭。超聲波探頭的具體結(jié)構(gòu)如圖

超聲波探頭結(jié)構(gòu)a)發(fā)射探頭b)接收探頭

1—導(dǎo)線2—壓電晶片1—導(dǎo)線2—彈簧

3—音膜4—錐形罩3—壓電晶片4—錐形罩2.超聲波測(cè)厚

超聲波測(cè)量金屬零件的厚度，具有測(cè)量精度高，測(cè)試儀器輕便，操作安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)及實(shí)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波測(cè)厚常用脈沖回波法。脈沖回波法檢測(cè)厚度的工作原理如圖:

如果超聲波在工件中的聲速v是已知的，設(shè)工件厚度為δ，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔T可以測(cè)量，因此可求出工件厚度為

第二節(jié)微波式傳感器一、微波的基礎(chǔ)知識(shí)微波是波長為1m～1mm的電磁波，既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通的無線電波和光波。微波振蕩器和微波天線是微波式傳感器的重要組成部分。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管，磁控管和某些固體元件。小型微波振蕩器也可以采用場(chǎng)效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管傳輸，并通過天線發(fā)射出去。二、微波傳感器的種類

微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。

1.反射式傳感器這種傳感器通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過時(shí)間間隔來表達(dá)被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。

2.遮斷式傳感器這種傳感器通過檢測(cè)接收天線接收到的微波功率的大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線間有無被測(cè)物或被測(cè)物的位置等參數(shù)。三、微波傳感器的應(yīng)用1.微波液位計(jì)

接收天線接收的功率Pr可表示為

d——兩天線與被測(cè)液面間的垂直距離；s——兩天線間的水平距離；

Pt、Gt——發(fā)射天線發(fā)射的功率和增益；

Gr——接收天線的增益。微波開關(guān)式物位計(jì)示意圖

2.微波物位計(jì)當(dāng)被測(cè)物位低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收的功率為被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收天線接收的功率為——由被測(cè)物形狀、材料性質(zhì)、電磁性能及高度所決定的系數(shù)第三節(jié)射線式傳感器一、核輻射的物理基礎(chǔ)

1.放射性同位素凡原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量不同的元素，在元素周期表中占同一位置故稱之為同位素。原子如果不是由于外來的原因，而自發(fā)的產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)變化稱為核衰變，具有核衰變性質(zhì)的同位素，叫做放射性同位素。

放射性元素從N0個(gè)原子衰變到N0/2個(gè)原子所經(jīng)歷的時(shí)間，稱為半衰期。

2.核輻射

放射性同位素在衰變過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

(1)α粒子

(2)β粒子

(3)γ射線3.核輻射與物質(zhì)的相互作用

核輻射與物質(zhì)的相互作用主要是電離、吸收和反射。電離是帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式。一個(gè)粒子在每厘米路徑上生成離子對(duì)的數(shù)目，稱為比電離。帶電粒子在物質(zhì)中穿行，其能量逐漸耗盡而停止，其穿行的一段直線距離叫粒子的射程。

輻射在穿過物質(zhì)層后，其能量強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，可表示為

I0——入射到吸收體的輻射通量的強(qiáng)度；I——穿過厚度為h(單位為cm)的吸收層后的輻射通量強(qiáng)度；

——線性吸收系數(shù)。

比值μ/ρ(ρ是密度)叫做質(zhì)量吸收系數(shù)，常用表示。

二、射線式傳感器

射線式傳感器主要由放射源和探測(cè)器組成。

1.放射源

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射線放射源（也稱輻射源）。選擇射線源應(yīng)以盡量提高檢測(cè)靈敏度和減小統(tǒng)計(jì)誤差為原則。最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。

放射源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測(cè)量方向射出，而其他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放射源一般為圓盤狀，γ射線輻射源一般為絲狀、圓柱狀或圓片狀。β厚度計(jì)放射源容器如圖放射源容器圖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。

(1)電離室

電離室工作原理圖(2)閃爍計(jì)數(shù)器

閃爍計(jì)數(shù)器的示意圖如下

它由閃爍晶體（簡(jiǎn)稱閃爍體）和光電倍增管組成。當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍晶體時(shí)，使閃爍晶體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍晶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，在陽極上形成電流脈沖，最后被電子儀器記錄下來，這就是閃爍計(jì)數(shù)器記錄粒子的基本過程。(3)蓋革計(jì)數(shù)管蓋革計(jì)數(shù)管結(jié)構(gòu)如圖

它是一個(gè)密封玻璃管1，中間一條鎢絲2為工作陽極，在玻璃管內(nèi)壁涂上一層導(dǎo)電物質(zhì)或另放一金屬圓筒3作為陰極。管內(nèi)抽空后充氣，充入氣體由兩部分組成，主要是惰性氣體如氬、氖等，另一部分是加入有機(jī)物(如乙醚、乙醇等)。充進(jìn)有機(jī)物的叫有機(jī)物計(jì)數(shù)管；充入鹵素的叫鹵素計(jì)數(shù)管。由于鹵素計(jì)數(shù)管壽命長，工作電壓低，因而應(yīng)用較廣泛。蓋革計(jì)數(shù)管的特性曲線如圖

圖中U為加在計(jì)數(shù)管上的電壓，I為入射的核輻射強(qiáng)度，N為計(jì)數(shù)率(輸出脈沖數(shù))。從這曲線中可知，當(dāng)加在計(jì)數(shù)管上的電壓一定時(shí)，輻射強(qiáng)度愈大，則輸出脈沖數(shù)也愈大，如圖中I1比I2大時(shí)，相應(yīng)的輸出脈沖數(shù)N1也比N2大。蓋革計(jì)數(shù)管常用于探測(cè)β粒子和γ射線。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