核輻射檢測1.2第11章傳感檢測技術超聲檢測11.111.2激光檢測11.3微波檢測11.411.5紅外檢測第11章傳感檢測技術一.超聲檢測的物理基礎第一節超聲(Ultrasonic)檢測

振動在彈性介質內的傳播稱為波動，簡稱波。頻率在16-2×104Hz之間，能為人耳所聞的機械波稱為聲波,低于16Hz的機械波，稱為次聲波,高于2×104Hz的機械波，稱為超聲波，如圖所示。第11章傳感檢測技術圖11.2波的反射和折射當超聲波由一種介質入射到另一種介質時，由于在兩種介質中的傳播速度不同，在異質界面上會產生反射、折射和波型轉換等現象。第一節超聲(Ultrasonic)檢測第11章傳感檢測技術1.波的反射和折射當波在界面上產生反射時，入射角α的正弦與反射角α’的正弦之比等于波速之比。當入射波和反射波的波型相同時，波速相等，入射角α即等于反射角α’。當波在界面外產生折射時，入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波在第一介質中的波速C1與折射波在第二介質中的波速C2之比，即第一節超聲(Ultrasonic)檢測圖11.2波的反射和折射第11章傳感檢測技術

2.超聲波的波型及其轉換第一節超聲(Ultrasonic)檢測當聲源在介質中的施力方向與波在介質中的傳播方向不同時，聲波的波型也有所不同。質點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波，它能在固體、液體和氣體中傳播。質點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。質點振動介于縱波和橫波之間，沿著表面傳播，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，它只在固體的表面傳播。圖11.3波型轉換圖當聲波以某一角度入射到第二介質（固體）的界面上時，除有縱波的反射、折射以外，還會發生橫波的反射和折射，如圖所示。在一定條件下還能產生表面波。各種波型均符合幾何光學中的反射定律。第11章傳感檢測技術3.聲波的衰減第一節超聲(Ultrasonic)檢測

聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴散、散射、吸收等因素有關。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓P和聲強I的衰減規律如下第11章傳感檢測技術

超聲波探頭是實現聲、電轉換的裝置，又稱超聲換能器或傳感器。這種裝置能發射超聲波和接收超聲回波，并轉換成相應的電信號。圖11.4電式探頭結構圖探頭結構圖

1-壓電片；2-保護膜；3-吸收塊；4-接線；5-導線螺桿；6-絕緣柱；7-接觸座；8-接線片；9-壓電片座

二.超聲波探頭第11章傳感檢測技術

超聲波探頭按其作用原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，其中以壓電式為最常用。圖11.4為壓電式探頭結構圖，其核心部分為壓電晶片，利用壓電效應實現聲、電轉換。圖11.4電式探頭結構圖第11章傳感檢測技術1.超聲波測厚度

超聲波檢測厚度的方法有共振法、干涉法、脈沖回波法等。圖11.5所示為脈沖回波法檢測厚度的工作原理圖11.5聲波測厚工作原理圖三.超聲波檢測技術的應用第11章傳感檢測技術超聲波探頭與被測物體表面接觸，主控制器控制發射電路使探頭發出的超聲波，到達被測物體底面反射回來，該脈沖信號又被探頭接收，經放大器放大加到示波器垂直偏轉板上。標記發生器輸出時間與標記脈沖信號同時加到該垂直偏轉板上。而掃描電壓則加在水平偏轉板上。因此，在示波器上可直接讀出發射與接收超聲波之間的時間間隔t。則被測物體的厚度h為：圖11.5聲波測厚工作原理圖三.超聲波檢測技術的應用第11章傳感檢測技術2.超聲波測液位

在化工、石油和水電等部門，超聲波被廣泛用于油位、水位等的液位測量。圖11.6所示為脈沖回波式測量液位的工作原理圖。探頭發出的超聲脈沖通過介質到達液面，經液面反射后又被探頭接收。測量發射與接收超聲脈沖的時間間隔和介質中的傳播速度，即可求出探頭與液面之間的距離。圖11.6脈沖回波式超聲液位測量根據傳聲方式和使用探頭數量的不同，可以分為單探頭液介式〔圖(a)〕；單探頭氣介式〔圖(b)〕；單探頭固介式〔圖(c)〕；雙探頭液介式〔圖(d)〕等數種。第11章傳感檢測技術圖11.7超聲波定點液位計在一些應用中，有時只需要知道液面是否到達某個或幾個固定高度，則可采用下圖所示的超聲波定點式液位計，實現定點報警或液面控制。圖(a)(b)為連續波阻抗式液位計的示意圖。由于氣體和液體的聲阻抗差別很大，當探頭發射面分別與氣體或液體接觸時，發射電路中通過的電流也就明顯不同。因此利用一個處于諧振狀態的超聲波探頭，就能通過指示儀表判斷出探頭前是氣體還是液體。圖(c)為連續波透射式液位計示意圖。圖中相對安裝的兩個探頭，一個發射，另一個接收。當發射探頭發生頻率較高的超聲波時，只有在兩個探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波。由此可判斷出液面是否達到探頭的高度。第11章傳感檢測技術3.超聲波測流量圖11.8波測流量的原理圖利用超聲波測流量對被測流體并不產生附加阻力，測量結果不受流體物理和化學性質的影響，超聲波在靜止和流動液體中的傳播速度是不同的，進而形成傳播時間和相位上的變化，由此可求得流體的流速和流量。圖為超聲波測流體流量的工作原理圖。圖中v為流體的平均流速，c為超聲波在流體中的速度，θ為超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角，A、B為兩個超聲波探頭，L為其間距離。第11章傳感檢測技術（1）時差法測流量圖11.8波測流量的原理圖

當A為發射探頭，B為接收探頭時，超聲波傳播速度為C+vcosθ,于是順流傳播時間t1為。

當B為發射探頭，A為接收探頭時，超聲波傳播速度為C-vcosθ,于是逆流傳播時間t2為。時差：流速：第11章傳感檢測技術（2）相位差法測流量圖11.8波測流量的原理圖

當A為發射探頭，B為接收探頭時，接收信號相對發射超聲波的相位角Ψ1為

當B為發射探頭，A為接收探頭時，接收信號相對發射超聲波的相位角Ψ2為相位差：流速：第11章傳感檢測技術（3）頻率差法測流量圖11.8波測流量的原理圖

當A為發射探頭，B為接收探頭時，超聲波的重復頻率f1為

當B為發射探頭，A為接收探頭時，超聲波的城府頻率f2為頻率差：流速：第11章傳感檢測技術一.核輻射檢測的物理基礎1.同位素原子序數相同,但原子質量數不同的元素,稱作同位數。當沒有外因作用時同位數的原子核會自動在衰變中放出射線。其衰減規律為第三節核輻射檢測式中α、α0——分別為初始時與經過時間t秒后的原子核數；

λ——衰變常數（不同放射性同位數有不同的λ值。上式表明放射性同位數的原子核數按指數規律隨時間減少，其衰變速度用半衰期表示。第11章傳感檢測技術二.核輻射傳感器1.電離室

圖11.11為電離室示意圖。電離室兩側設有二塊平行極板，對其加上極化電壓E使二極板間形成電場。當有粒子或射線射向二極板間空氣時，空氣分子被電離成正、負離子。帶電離子在電場作用下形成電離電流，并在外接電阻R上形成壓降。測量此壓降值即可得核輻射的強度。電離室主要用于探測α、β粒子，它具有堅固、穩定、成本低、壽命長等優點，但輸出電流很小。

圖11.11為電離室示意圖第11章傳感檢測技術2.氣體放電計數管(蓋格計數管)圖11.12體放電計數管示意圖

正離子鞘到達陰極時得到一定的動能，能從陰極打出次級電子。由于此時陽極附近的電場已恢復，次級電子又能再一次產生正離子鞘和電壓脈沖，從而形成連續放電。若在計數管內加入少量有機分子蒸汽或鹵族氣體，可以避免正離子鞘在陰極產生次級電子，而使放電自動停止。

第11章傳感檢測技術氣體放電計數管的特性曲線如圖11-13所示。圖中I1、I2代表入射的核輻射強度，I1＞I2。由圖可見，在相同外電壓U時不同輻射強度將得到不同的脈沖數N。氣體放電計數管常用于探測β粒子和γ射線。

圖11-13氣體放電計數管特性曲線第11章傳感檢測技術3.閃爍計數器

當核輻射進入閃爍晶體時，晶體原子受激發光，透過晶體射到光電倍增管的光陰極上，根據光電效應在光陰極上產生的光電子在光電倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖，即可用儀器指示或記錄。圖11-14閃爍計數器示意圖第11章傳感檢測技術三.輻射檢測技術的應用1.核輻射在線測厚儀2.核輻射物位計3.核輻射流量計4.核輻射探傷第11章傳感檢測技術一.激光檢測的物理基礎

1、激光的形成第四節激光(Laser)檢測

在正常分布狀態下，原子多處于穩定的低能級E1，如無外界的作用，原子可長期保持此狀態。但在外界光子作用下，賦予原子一定的能量ε，原子就從低能級E1躍遷到高能級E2，這個過程稱為光的受激吸收。光子能量ε與原子能級躍遷的關系為

處在高能級E2的原子在外來光的誘發下，躍遷至低能級E1而發光，這個過程稱為光的受激輻射。受激輻射發出的光子與外來光子具有完全相同的頻率、傳播方向、偏振方向。一個外來光子誘發出一個光子，在激光器中得到兩個光子，這兩個光子又可誘發出兩個光子，得到四個光子，這些光子進一步誘發出其他光子，這個過程稱為光放大。第11章傳感檢測技術第四節激光(Laser)檢測

如果通過光的受激吸收，使介質中處于高能級的粒子比處于低能級的多，稱為“粒子數反轉”，則光放大作用大于光吸收作用。這時受激輻射占優勢，光在這種工作物質內被增強，這種工作物質就稱為增益介質。若增益介質通過提供能量的激勵源裝置形成粒子數反轉狀態，這時大量處于低能級的原子在外來能量作用下將躍遷到高能級。為了使受激輻射的光具有足夠的強度，還須設置一個光學諧振腔。光學諧振腔內設有兩個面對面的反射鏡，一個為全反射鏡，另一個為半反半透鏡。當沿軸線方向行進的光遇到反射鏡后，就被反射折回，如此在兩反射鏡間往復運行并不斷對有限容積內的工作物質進行受激輻射，產生雪崩式的放大，從而形成了強大的受激輻射光---激光，通過半反半透鏡輸出。第11章傳感檢測技術

可見，激光的形成條件：(1)具有能形成粒子數反轉狀態的工作物質——增益介質；(2)具有供給能量的激勵源；(3)具有提供反復進行受激輻射場所的光學諧振腔。第四節激光(Laser)檢測第11章傳感檢測技術2、激光的特性:(1)方向性強，亮度高

激光束的發散角很小，激光能量在空間高度集中，其亮度比普通光源高百萬倍。(2)單色性好

(3)相干性好

光的相干性是指兩光束相遇時“在相遇區域內發出的波相疊加”并能形成較清晰的干涉圖樣或能接收到穩定的拍頻信號。第四節激光(Laser)檢測第11章傳感檢測技術二.激光器的分類（1）固體激光器固體激光器的工作物質是固體。這類激光器結構大致相同，共同特點是小而堅固，功率高。（2）氣體激光器氣體激光器的工作物質是氣體。其特點是小巧，能連續工作，單色性好，但輸出功率不及固體激光器。（3）液體激光器液體激光器的工作物質是液體，其中較重要的是有機染料激光器。其最大特點是發出的激光波長可以在一定范圍內連續調節，而不降低效率。（4）半導體激光器半導體激光器的特點是效率高，體積小，重量輕，結構簡單。缺點是輸出功率較小。第四節激光(Laser)檢測第11章傳感檢測技術三.激光檢測技術的應用激光技術用于檢測工作主要是利用激光的優異特性，將它作為光源，配以相應的光電元件來實現的。它具有精度高、測量范圍大、檢測時間短、非接觸式等優點，常用于測量長度、位移、速度、振動等參數。下面介紹幾種應用實例。

1.激光測距

2.激光測流速

3.激光測車速第四節激光(Laser)檢測第11章傳感檢測技術第四節激光(Laser)檢測1.激光測距第11章傳感檢測技術圖11-31激光多普勒流速計原理圖2.激光測流速激光測量流速用得較多的是多普勒流速計，用它可以測量風洞氣流速度、大氣風速、火箭燃料的燃速等。圖為激光多普勒流速計原理圖。當激光照射到隨被測流體一起運動的微粒上時“激光被運動著的微粒所散射，根據多普勒原理，散射光的頻率相對于入射光將產生正比于流體速度的頻率偏移，測出散射光的頻率偏移，就可得到被測流體的流速。如圖所示，散射光與未散射光分別由兩個接收透鏡收集，并經平面鏡和分光鏡重合后在光電倍增管中進行混頻，輸出一個交流信號。對該交流信號進行處理，即可得到多普勒頻偏值，從而獲得流體的流速。第11章傳感檢測技術3.激光測車速利用激光具有高方向性的特點可以測量汽車、火車等運動物體的速度。圖為激光測速儀原理框圖。當被測物體進入相距為S的兩個激光器區間(測速區內)時，先后遮斷兩個激光器發出的激光光束。利用計數器記錄主振蕩器在先后遮斷兩激光束的時間間隔內的脈沖數N，即可求得被測物體的速度，見右式。式中，f為主振蕩器的振蕩頻率。這種激光測速儀的測量精度較高，當被測對象時速為200Km時，精度可達1.5%，時速為100Km時，精度為0.8%。圖11-32激光測速儀方塊原理圖第11章