第5章新型传感器原理
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第5章新型传感器原理
图 5.1 电离室示意图
2.气体放电计数管
图 5.2 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
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：
f
0
1 2
E Ed
CJ
辐射式源中的:强E为度带；C电为粒辐子射的源能强量度;E为d 为1居离里子时对，的每能秒量钟；放J 射为 出的粒子数。利用上式可以测量气体的密度等。
第5章新型传感器原理
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— 松套管 5— Kevlar 绳 6—聚乙烯护套
第5章新型传感器原理
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
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：
JJ0eHUm 度；式H中为:穿J、透J物0 质分的别厚为度射；线穿为透物物质质的前密、度后；U的m辐为射物强质
的质量吸收系数。可用于测量物质的厚度。
第5章新型传感器原理
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。
第5章新型传感器原理
实例1：
RIMFOS的工作原理图如图 5.13所示。光源S发出的光经过 发送光纤照射到反射面，反射 光再进入接收光纤，最后输出 由光电探测器D接收。当反射面
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
第5章新型传感器原理
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
状态转变为可测的光信号的装
置。由光发送器、敏感元件
图 5.11 传统传感器
(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 5.12 光纤传感器
第5章新型传感器原理
2）光纤传感器的分类 按照材料性质分类:
光纤分类
纤芯和包层性质
折射率分布
传输模式
玻璃
塑料
梯度折射型
阶跃折射型
多模光纤
电子，而使放电自动停止。
第5章新型传感器原理
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
第5章新型传感器原理
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。
单模光纤
第5章新型传感器原理
按照功能分类:
功能型
单模光纤 传光作用 敏感元件
类型
非功能型 光的传输回路
相位调制型
光强调制型
偏振态调制型
传输光调制型
反射光调制型
第5章新型传感器原理
5.5.2 强度调制型光纤传感器技术
利用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、气体等各 种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大
图 5.4 闪烁计数器示意图
第5章新型传感器原理
5.4.2 核辐射传感器的应用
1. 核辐射流量计
2.核辐射在线测厚仪
图 5.5 核辐射气体流量计
图 5.6 核辐射测厚仪
第5章新型传感器原理
3 核辐射物位计
4. 核辐射探伤仪
Baidu Nhomakorabea
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
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，其衰变速度用第5章半新衰型传期感器表原示理 。
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: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。
第5章新型传感器原理
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
J J0et
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。
第5章新型传感器原理
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
图 5.9 光纤的基本结构和导光原理
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 5.1 电离室示意图
2.气体放电计数管
图 5.2 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
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：
f
0
1 2
E Ed
CJ
辐射式源中的:强E为度带；C电为粒辐子射的源能强量度;E为d 为1居离里子时对，的每能秒量钟；放J 射为 出的粒子数。利用上式可以测量气体的密度等。
第5章新型传感器原理
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— 松套管 5— Kevlar 绳 6—聚乙烯护套
第5章新型传感器原理
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
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：
JJ0eHUm 度；式H中为:穿J、透J物0 质分的别厚为度射；线穿为透物物质质的前密、度后；U的m辐为射物强质
的质量吸收系数。可用于测量物质的厚度。
第5章新型传感器原理
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。
第5章新型传感器原理
实例1：
RIMFOS的工作原理图如图 5.13所示。光源S发出的光经过 发送光纤照射到反射面，反射 光再进入接收光纤，最后输出 由光电探测器D接收。当反射面
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
第5章新型传感器原理
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
状态转变为可测的光信号的装
置。由光发送器、敏感元件
图 5.11 传统传感器
(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 5.12 光纤传感器
第5章新型传感器原理
2）光纤传感器的分类 按照材料性质分类:
光纤分类
纤芯和包层性质
折射率分布
传输模式
玻璃
塑料
梯度折射型
阶跃折射型
多模光纤
电子，而使放电自动停止。
第5章新型传感器原理
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
第5章新型传感器原理
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。
单模光纤
第5章新型传感器原理
按照功能分类:
功能型
单模光纤 传光作用 敏感元件
类型
非功能型 光的传输回路
相位调制型
光强调制型
偏振态调制型
传输光调制型
反射光调制型
第5章新型传感器原理
5.5.2 强度调制型光纤传感器技术
利用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、气体等各 种强度调制型光纤传感器。 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大
图 5.4 闪烁计数器示意图
第5章新型传感器原理
5.4.2 核辐射传感器的应用
1. 核辐射流量计
2.核辐射在线测厚仪
图 5.5 核辐射气体流量计
图 5.6 核辐射测厚仪
第5章新型传感器原理
3 核辐射物位计
4. 核辐射探伤仪
Baidu Nhomakorabea
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
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，其衰变速度用第5章半新衰型传期感器表原示理 。
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: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。
第5章新型传感器原理
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
J J0et
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。
第5章新型传感器原理
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
图 5.9 光纤的基本结构和导光原理
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。