第12章辐射式传感器

J J0et
J0-开始时（t =0）的放射源强度 J-经过时间为t以后的放射源强度 λ-放射性衰变常数 t-时间
单位：贝可（Bq） 1Bq =1次核衰变/秒
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（3）半哀期 12.2.1 核辐射及其性质
半哀期：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.
特点：不受任何外界作用影响，而且和时间无关； 不同放射性元素的半衰期不同。
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（5）核辐射与物质间的相互作用
---电离、吸收和散射等现象
吸收、散射：α、β、γ射线穿透物质时, 由于与物质发生
作用损失能量而最终被吸收而造成衰减
α射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线； β射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而
改变方向产生散射，在空气中运行轨迹为折线；
γ射线穿透能力最强,能穿透几十厘米厚固体物质,在气体
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1、红外感应系统
热释电红外传感器为双元型红外传感器, 由两个极性相反的热释电元件 反向串联。当移动物体发射的红外线进入透镜的监视范围时, 就会产生 交替的盲区和高敏感区, 使传感器的两个反向串联的热释电元件轮流感 受到运动物体，而物体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件 的温度, 使它输出一串脉冲信号.若物体静止不动地站在热释电元件前， 极性相反的敏感元件产生的热释电信号将相互抵消,它会无输出, 这样也 可以有效地防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差，提高 热释电红外传感器的抗干扰性能。
利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器。
构成：由两个电极和充满在两个电极间的气体构成。 （空气或某些惰性气体）
形状：圆柱体和方盒状。
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1、电离室--结构 12.2.2 核辐射探测器
电离室两侧放置一个平行极板电容器，加几百伏高压 在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的 空气时，产生电离。
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2、红外测温仪
利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度。 当物体的温度低于1000℃时，向外辐射的不是 可见光而是红外光，可用红外探测器检测其温度。 如采用分离出所需波段的滤光片,可使红外测温仪 工作在任意红外波段。
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2、红外测温仪
红 外 探测 器 步 进 电机 前放
选放
同步 检波
加法器
1、红外感应系统
红外辐射的物理本质是热辐射，温度低的物体辐射 的红外线波长长，温度高的物体辐射的红外线波长短。
红外感应实际就是根据物体因表面温度不同会发出 不同波段的红外光的特性进行检测的。
红外感应系统中常采用热释电红外传感器， 在防盗报警、自动门、自动消防水龙头、电梯、 照明控制等领域应用最广泛。
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（1）热探测器（热电型） 12.1.2 红外探测器
主要四类：热释电型 热敏电阻型 热电阻型 气体型
主要优点：响应波段宽、 响应范围可扩展到整个红外区域、 可以在常温下工作，使用方便。
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（2）光子探测器（量子型）12.1.2 红外探测器
利用光辐射与物质相互作用的光子效应制成的器件。 光子探测器是利用入射光辐射的光子流与探测器
根据气体对红外线具有选择性的吸收特性 对气体成分进行分析。
不同气体其吸收波段（吸收带）不同：
• CO对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力; • CO2对波长小于 13μm、2.78μm、4.26μm附近的红外线
有较强的吸收能力。
组成：红外线辐射光源、气室、 红外探测器及电路等。
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3、红外线气体分析仪
第12章 辐射式传感器
1
第12章 辐射式传感器
12.1 红外传感器 12.2 核辐射传感器
2
12.1 红外传感器
组成 （1）红外辐射源：发射红外电磁波的物体和器件;
（2）红外探测器：将红外辐射能转换为电能的 热敏器件和光敏器件。
应用：军 事 上：热成像系统、红外辐射计、
搜索跟踪系统、警戒系统等； 航空航天：遥感遥测、天体的演化等； 医 学：红外诊断、辅助治疗等； 工 农 业： 温度探测、红外烘干等； 日常生活：红外取暖、通讯、测距等。
γ 射线：由中性的光子组成，穿透能力很强，
广泛应用于金属探伤、测大厚度等。
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（5）核辐射与物质间的相互作用
---电离、吸收和散射等现象
电离：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生 电离，在经过的路程上形成离子对的现象。
α粒子质量大，电荷量多，电离能力最强，但射程短； β粒子质量小，电离较弱； γ粒子没有直接电离作用。
红外光的本质：与可见光或电磁波性质一样， 具有反射、折射、散射、干涉、吸收等 特性，真空中以光速传播，具有明显的 波粒二相性 。
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1 、红外辐射
红外辐射的传播方式：以波的形式在空间直线传播。 红外线在大气中传播时，大气层对不同波长的
红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是 利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体不吸 收红外线，如N2、O2、H2等。
ln 2 0.693
λ-放射性衰变常数
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（4）常见的核辐射射线
核辐射：放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的 带有一定能量的粒子或射线。
α射线：由带正电的α粒子组成（如氦核），
主要用于气体分析，测量气体压力、流量等;
β射线：由带负电的β粒子组成（如电子），
主要用于测量材料厚度、密度或重量等；
紫可 X射 线 外 见
线光
/ cm 10 10－ 1 10
红外线 微波
/m
102
103
104
无 线 电波
近红外 中红外
远红外
极 远 红外
0
3
6
9
12
15
18
21
/ m
电磁波谱图
4
1 、红外辐射
红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体 向外辐射的能量大部分通过红外线辐射出来的。
物体温度↑ 辐射出来的红外线↑ 辐射能量↑。
透镜 滤光片
放大
调制盘 温度传感器
多谐 振荡器
“ ” 调 节 线性化
图12 – 5 红外测温仪方框图
A/D 数显
工作原理：光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片采用 8~14μm的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动, 将被测红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器为热释 电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射 通过透镜聚焦在红外探测器上,将红外辐射变换为电信号输出. 16
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12.1.2
组成：光学系统、探测器、信号调理电路、显示单元等; 红外探测器是红外传感器的核心，利用红外辐射
与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射。
分类（按探测机理的不同）： （1）热探测器（热电型） （2）光子探测器 （量子型）
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（1）热探测器（热电型） 12.1.2 红外探测器
器件的某些性能参数随入射的辐射通量 作用引起的温度变化的热探测器。 热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热电效应制成的: 探测器的敏感元件吸收光辐射能后，引起温度升高； 把温度升高所引起的物理特性变化转化成相应的电信号.
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12.1.1 红外辐射及红外辐射源
红外辐射：一种不可见光, 波长范围大致在0.76～1000μm 光谱位于可见光中红色光以外, 故称红外线。
工程上把红外线所占据的波段分四个波段： 近红外、中红外、远红外、极远红外。
/ m 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1
宇 宙 射 线 射 线
电场作用下，正离子向负极板迁移，电子向正极板迁移 产生电离电流,核辐射强度↑电离室产生离子对↑电流↑
I
放射
线
＋
R 输 出 外电路接电阻R形成响应电压
－ U
R的电压降代表辐射的强度
…
图12 – 8 电离室的结构示意图
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1、电离室--特性曲线 12.2.2 核辐射探测器
电流I与两个电极间所加的电压U的关系曲线。 曲线1、2和3分别代表不同辐射强度下的特性曲线。
I
强度
1
2 3
线性段
饱和区
O U1
U2
U
图12 – 6 电离室的特性曲线
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1、电离室--特性曲线 12.2.2 核辐射探测器
I
强度
1 一般电离室工作在饱和区，
2 3
输出电流 I ∝入射到电离室的
核辐射强度。
线性段
饱和区
O U1
U2
U
图12 – 6 电离室的特性曲线
线性段OU1：当U不大时，电离室中的离子的移动速度 亦不大，有部分离子在移动时就重新复合
而只有少数离子能到达电极上；
当U↑ 离子移动速度↑ I ↑；
饱和段U1U2：此段工作电压很大，实际上全部生成的 离子都能到达电极上。此时电流将与所
加电压无关。
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1、电离室--应用 12.2.2 核辐射探测器
电离室内所充气体的压力、极板的大小和极间 距离，对电离电流都有较大的影响。
例如：增大气体压力或增大电极面积都会使电离 电流增大，电离室的特性曲线也将向增大 电离电流的方向移动。
多种气体检测系统
测量气室中通入被分析气体，并封入不吸收红外线的气体(如N2等) 红外检测器是薄膜电容型,充入被测气体,当吸收红外辐射能量后 气体温度↑压力↑薄膜偏移，改变了薄膜电容两电极间的距离， 也就改变了电容，如被测气体浓度↑光强差值↑则电容变化量↑
∴ 电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。
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4、红外传感器的其它应用
红外探测制导
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4、红外传感器的其它应用
红外报警
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12.2 核辐射传感器
核辐射传感器：利用放射性同位素在蜕变成另一元素时 发出射线进行测量。 即将入射核辐射（粒子）的全部或部分 能量转化为可观测的信号（如电流、电 压信号）的装置。
组成：放射源、探测器、电信号转换电路等。
2、红外测温仪
红 外 探测 器 步 进 电机 前放
选放
同步 检波
加法器
透镜 滤光片
放大
调制盘 温度传感器
图12 –5 红外测温仪方框图
多谐 振荡器
“ ” 调 节 线性化
A/D 数显
带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件 的功能，大大简化了硬件电路， 提高了仪表的稳定性 可靠性和准确性。
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3、红外线气体分析仪
红外线在通过大气层时，三个波段透过率高， 2～2.6μm、3～5μm、8～14μm,称为“大气窗口” 红外探测器一般都工作在这三个波段之内。
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2、红外辐射源
红外辐射源：发射红外电磁波的物体和器件。 分类： ① 标准辐射源 ② 工业辐射源 ③ 自然红外源 ④ 发光二极管和半导体、固体和气体激光器 ⑤ 红外装置或系统需要探测的辐射源
同位素：具有相同的核电荷数Z，而有不同的质子数A 的原子所构成的元素。
核辐射：某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动
发生衰变，衰变中释放出α、β、γ、X射线等
的现象。
放射性同位素：放出射线的同位素，又称放射源 。
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（2）放射性衰变规律 12.2.1 核辐射及其性质
放射源的强度随着时间按指数定理而减低，即
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12.2.2 核辐射探测器
常用的核辐射探测器：电离室 正比计数管 盖革-弥勒计数管 闪烁计数器 半导体探测器
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常用的核辐射探测器 12.2.2 核辐射探测器
电离室 闪烁计Fra Baidu bibliotek器
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常用的核辐射探测器 12.2.2 核辐射探测器
盖革—弥勒计数管
正比计数管
半导体探测器
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1、电离室
12.2.2 核辐射探测器
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12.2.1 核辐射及其性质
（1）常用名词术语 （2）放射性衰变规律 （3）半哀期 （4）常见的核辐射射线 （5）核辐射与物质间的相互作用
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（1）常用名词术语 12.2.1 核辐射及其性质
元 素：组成各种物质的最基本的物质。
原 子：组成每种元素的最基本单元，且每种元素的 原子都不是只存在一种。
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1、电离室--应用 12.2.2 核辐射探测器
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12.2 核辐射传感器
利用辐射可以构成近乎完美的测量方法。 射线通过物体时由于被吸收而减少，只要准确测量 出射线的损失量，就可以由相关物理关系准确推算出 被测物的厚度、吸收系数等参数。
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12.2 核辐射传感器
12.2.1 核辐射及其性质 12.2.2 核辐射探测器 12.2.3 核辐射传感器的应用
材料中的电子互相作用，改变电子的能量状态，从而 引起各种电学现象。
主要分类：内光电探测器 外光电探测器
主要特点：灵敏度高； 响应速度快，具有较高的响应频率； 但探测波段较窄，一般需在低温下工作。
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12.1.3 红外传感器的应用
1、红外感应系统 2、红外测温仪 3、红外线气体分析仪 4、其它应用
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中可穿透数米,广泛用于医疗诊断、金属探伤等。
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12.2.2 核辐射探测器
核辐射探测器/接收器 作用：将核辐射信号转换成电信号，探测射线的强弱
和变化。 由于射线的强弱和变化与测量参数有关， 所以可以探测出被测参数的大小及变化。
工作原理：根据核辐射作用下某些物质的发光效应 或穿过时发生气体电离效应实现的。