17红外、核辐射第十二章.ppt

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1、1,红外传感器,一、红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。,2,注意：这里所说的远近是指红外辐射在,注意：这里所说的远近是指红外辐射在,注意：这里所说的远近是指红外辐射在 电磁波谱中与可见光的距离。,3,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是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、

2、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。,4,红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，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，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。,5,二、红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是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的。红外探测

3、器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。,6,1.热探测器 热探测器的工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。,热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽。,7,热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷（即热释电效应和“铁电体”)当红外辐射照射到极化的铁电体薄片表面上,薄片温度升高，其极化强度降低，

4、表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱.,8,几点注意,当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。,只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。,必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。,9,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,10,热释电传感器的内部电路

5、,两块反向串联的热释电晶片,场效应管,11,热释电传感器工作原理,热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。,12,13,菲涅尔透镜,菲涅尔透镜,热释电晶片,14,菲涅尔透镜外形,传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。,15,热释电套件,16,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,17,热

6、释电报警器,菲涅尔透镜,5mm接插件,18,热释电报警器（续）,吸顶式 热释电报警器,19,热释电传感器应用,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗,热释电传感器的感应范围,20,热释电感应灯,热释电传感器,21,自动感应灯,22,热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,23,2.光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电

7、学现象这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，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。,24,1.红外线辐射温度计：,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,三、应用,25,红外测温的特点,(1)红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及

8、高压物体的温度测量；,(2)红外测温反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程。只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级。,(3)红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量成倍的变化，红外传感器即可迅速地检测出来；,(4)红外测温准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到0.1以内，甚至更小；,(5)红外测温范围广泛。可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。,26,红外线辐射温度计外形,激光仅 用于瞄准,27,红外线辐射温度计外形,红外线辐射温度计用于食品

9、温度测量,28,红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用,耳温仪,29,红外线辐射温度计用于人体额温测量,30,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,31,红外线辐射温度计-非接触温度测量,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,32,红外线辐射温度计-非接触温度测量,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度采集系统,33,34,红外测温仪方框图,35,36,2.红外线成像技术,红外热成像技术是一种被动红外夜视技术，其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度（-273）的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外

10、技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，传至显示屏幕上，就得到与物体表面热分布相对应的热像图，即红外热图像。,37,红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别，隐蔽性好,红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导,红外热成像技术能真正做到24h全天候监控,红外热成像技术的探测能力强，作用距离远,红外热成像技术可采用多种显示方式，把人类的感官由五种增加到六种,红外热成像技术能直观地显示物体表面

11、的温度场，不受强光影响，应用广泛,38,39,热成像仪,40,41,红外探伤,不同媒介材料表面及表面下的物理特性和边界条件将影响热波的传输，而这些影响又以某种方式反映在媒介材料表面的温场变化上，因此通过控制加热和测量材料表面的温场变化，将可以获取材料的均匀性信息以及其表面以下的结构信息，从而达到检测和探伤目的。目前，测量表面温场最直接、最快速的方法是红外热成像技术，所以热波检测又常被称为红外热波检测。值得指出的是，由于应用热波原理并采用主动性控制加热，红外热波无损检测技术与传统的被动式热成像检测是有本质区别的。,42,红外线热成像仪在电厂的应用,43,红外成像技术在变电所的应用,44,核辐射传

12、感器,辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测物时会伴随着能量的损失，只要得到确切的损失量，那么就可以准确地了解到被测物的厚度、吸收系数（CT 值）和强度等参数。,45,定义：核辐射传感器是将入射核辐射（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。,46,一、核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。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称同位素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、X射线

13、等，这种现象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。,47,实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即,式中：J0开始时的放射源强度；J经过时间为t以后的放射源强度；放射性衰变常数。,48,放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是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)，且对放射出来的射线能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。,49,1.射线 放射性同位素原子核中可以发射出粒子。它

14、带有正电荷，实际上即为氦原子核，这种粒子流通常称作射线。一般粒子具有40100MeV的能量，平均寿命为几微秒到1010年。它从核内射出的速度为20km/s，粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。,50,2.射线 粒子的质量为0.000 549 u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为100 keV几兆电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。,51,3.射线 原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为衰变（或称跃迁）。发生跃迁时所放射出的射线称射线或光子。对于放射性同位素核衰变时放射的射线，或者内层轨道电子跃迁时发射

15、的X射线，它们和物质作用的主要形式为光电效应。,52,4.核辐射与物质间的相互作用,核辐射与物质间的相互作用主要是 电离、吸收、反射 电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：粒子质量大，电荷量多，电离能力 最强，但射程短；粒子质量小，电离较弱；粒子没有直接电离作用。,53,吸收、反射、射线穿透物质时，由于磁场作用原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线；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；射线穿透能力最强，能穿透

16、几十厘米厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此射线广泛用于医疗诊断、金属探伤等。,54,二、射线式传感器,射线式传感器通常有两种主要形式：一种是测量放射性物质的放射线；另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。,55,1、辐射源,辐射源的结构：应使射线从测量方向射出，其它方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。其它方向可以用铅进行屏 蔽，铅有极强的抗辐射穿透能力。射线源结构一般为丝状、圆柱状、圆片状。,56,57,2、探测器,探测器是检测辐射的接收器件或装置，常用的有电离室

17、、闪烁计数器、盖格计数管、正比计数器、半导体探测器。,58,电离室，电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。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，在电场作用下正离子趋,向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。,射线,59,电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，输出只正比于射线到电离室的辐射强度。、电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。电离室主要用于探测、射线。,60,盖格计数管 盖格计数管也称气体放电计数器。一个密封玻璃管

18、，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。,盖格计数管上电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N越大，a、b段称“坪”；盖格计数管主要用于探测粒子和射线。,61,闪烁计数器 闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成，当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。,62,正比计数器 正比计数器是一种充气型辐射探测器 工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区；计数器接收一个X、光子后就输出一个电脉冲幅度与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比

19、于气体吸收的放射线的能量，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目。,63,64,它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电离时，由于在芯线近旁电场密度高，电子碰撞被加速，在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对；此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气体放大。放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输出脉冲的大小正比于因放射线入射而产生电子、正离子对的数目，而电子、正离子对数正比于气体吸

20、收的放射线的能量。因此，正比计数管可以探测入射放射线的能量。,65,半导体探测器 半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而X射线或射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。,半导体探测器的特点：输出信号小，分辨率高；类型主要有，Si（硅）低能探测器，Ge（锗）高能探测器，分别测量不同能量段的放射线。,66,三、核辐射传感器的应用,应用

21、：射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可进行带材厚度、密度检测；射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。,67,1、测厚,透射式厚度计如图所示，它是利用射线穿透物质的能力来制成的检测仪表。它的特点是放射源和核辐射探测器分别置于被测物体的两侧，射线穿过被测物体后射入核辐射探测器。由于物质的吸收，使得射入核辐射探测器的射线强度降低，降低的程度和物体的厚度等参数有关。如前所述，射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t的关系为,J=J0e-t,68,或,式中：被测材料的密度；被测材料对所用射线的质量吸收系数；J0没有被测物体时射到探测器处的射线强度。,69,透射式厚度计,70,零位法透射式厚

22、度计,71,对于一定的放射源和一定的材料就有一定的和，则测出J和J0即可计算确定该材料的厚度t。放射源一般用、或射线。上图所示为零位法的透射式厚度计。放射源的射线穿过被测物体射入测量电离室1，射线也穿过补偿楔射入补偿电离室2。这两个电离室接成差式电路，流过电阻上的电流为两个电离室的输出电流之差。该电流差在电阻上产生的电压降，使振荡器振荡，变为交流输出，在经放大后加在平衡电动机上，使电动机正转或反转，带动补偿楔移动，直到两个电离室接受的射线强度相等，使电阻上电压降等于零为止；根据补偿楔的移动量可测知厚度。,72,还可以用散射法测量厚度。散射法是指利用核辐射被物体后向散射的效应制成的检测仪器。这种

23、仪器的特点是放射源和核辐射探测器可置于被测物质的同一侧，射入的被测物质中的射线，由于和被测物质的相互作用，而使得其中的一部分射线反向折回，并进入位于与放射源同侧的核辐射探测器而被测量。射到核辐射探测器处的后向散射射线强度与放射源至被测物质的距离，以及与被测物质的成分、密度、厚度和表面状态等因素有关，因此改变其中一个参数而保持其它参数不变，则测得的射线强度将仅随该参数而变化。利用这种方法可测量薄板的厚度、覆盖层厚度、材料的成分、密度等参数。这种方法的优点为非接触测量，且不损坏被测物质。,73,散射式厚度测量,74,2、辐射式物位计 可以应用射线检测物位。测量物位的方法有很多，如图给出了其中一些典

24、型的应用实例。图(a)是定点测量的方法。将射线源I0与探测器安装在同一平面上，由于气体对射线的吸收能力远比液体或固体弱，因而当物位超过和低于此平面时，探测器接收到的射线强度发生急剧变化。可见，这种方法不能进行物位的连续测量。,75,图(b)是将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测器。显然，探测器接收到的射线强弱与物位的高度有关。这种方法可对物位进行连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300500 mm)，测量准确度较低。为了克服图(b)存在的上述缺点，可采用线状的射线源，如图(c)；或采用线状的探测器，如图(d)。虽然对射线源或探测器的要

25、求提高了，但这两种方法既可以适应宽量程的需要，又可以改善线性特性。,76,辐射式物位计的测量原理框图,77,3、流量计（气体）,在气流管中装两个电极（电极电位不同）放射源S的射线使气体电离，工作状态相 当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内 电流减小，气体流速增加 带出的离子增多电离室电 流进一步减小，由电流的 变化检测气流流速和流量。,78,4、探伤,探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。,79,5、医学应用-CT,常规X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。,80,如果把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二维图像）进行观察，就能消除临近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结构。,从断面合成的头部三维图像,81,82,计算机断层扫描的二维重建方法的基本原理如图所示，从线性并排着的X线源发射一定强度的X线，把通过身体的X线用与X线源平行排列的X线传感器接收。然后把X线源和传感器组以体轴为中心一点一点的旋转，反复进行同样的操作。利用这样求得的在各个角度上的投影数据，就得到了垂直于体轴的断面图像。,