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第12章辐射式传感器12.1红外传感器12.1.1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0.76～1000μm，红外线在电磁波谱中的位置如图12-1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。图12–1电磁波谱图10－910－710－510－310－11010－110102103104/m/cm/m宇宙射线射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波极远红外211815129630远红外中红外近红外/m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、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。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2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。12.1.2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。按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器1.热探测器工作机理：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。与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽，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，应用相当广泛。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型热释电效应:即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等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的现象热释电型传感器:用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷2.光子探测器工作机理：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，引起各种电学现象——这种现象称为光子效应。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。12.1.31.红外感应系统2.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，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。图12–5红外测温仪方框图透镜滤光片红外探测器步进电机调制盘温度传感器前放选放同步检波加法器“”调节线性化A/D数显多谐振荡器放大图12–6几种气体对红外线的透射光谱100806040200透射率/(%)100806040200透射率/(%)100806040200透射率/(%)23456789101112131415/m23456789101112131415/mCOCO2CH4C2H4C2H6C2H23.红外线气体分析仪CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm图12–7红外线气体分析仪结构原理图光源：由镍铬丝通电加热发出3～10μm的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中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，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。12.2核辐射传感器12.2.1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α射线、β射线、γ射线、X射线等，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。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teJJ0(12-1)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；λ——放射性衰变常数。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。1.α射线放射性同位素原子核中可以发射出α粒子。α粒子的质量为4.002775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原子核，这种α粒子流通常称作α射线。放射出α粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一个元素。它从核内射出的速度为20km/s，α粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。电离：α射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对散射：α离子在物质中运动时会改变运动方向2.β射线β粒子的质量为0.000549u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为100keV～几兆电子伏特。β粒子的运动速度均较α粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。β粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电离，电离作用较小，质量小易被散射。β粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用，使β粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：J=J0e-μh(12-2)式中：J0和J——β粒子穿经厚度为h、密度为ρ的吸收体前后的强度；μ——线性吸收系数。3.γ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γ衰变（或称γ跃迁）。发生γ跃迁时所放射出的射线称γ射线或γ光子。对于放射性同位素核衰变时放射的γ射线，或者内层轨道电子跃迁时发射的X射线，它们和物质作用的主要形式为光电效应。当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。光电效应也伴随有次级辐射产生。当γ射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果，它的强度将减弱，它也遵循如式(12-2)所示的指数衰减规律。与β射线相比，γ射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据γ辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。12.2.2核辐射探测器核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革—弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。1.电离室利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器＋－放射线输出RI…U图12–8电离室的结构示意图图12–9电离室的特性曲线123UU2U1OI电离室内所充气体的压力、极板的大小和两极间的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。图12–10差分电离室－U＋U外壳集电极高电阻在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离室。为了使两个电离室的特性一样，以减少测量误差，通常设计成差分电离室，在高电阻上流过的电流为两个电离室收集的电流之差，这样可以避免高电阻、放大器、环境温度等变化而引起的测量误差。气体电离-芯线近旁电场密度高电子碰撞-新的离子对-气体放大-阳离子离开气体放大区域而产生输出脉冲输出脉冲大小-电子正离子对数目-气体吸收的放射线能量2.正比计数管输出r2圆筒形阴极芯线电极(半径为r1)U图12–11正比计数管的结构模型正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下，使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数。正比计数管可以在很宽的能量范围内测定入射粒子的能量，能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数。3.盖革-弥勒计数管根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域，具有放大作用。图12–12盖革-弥勒计数管RL－＋U阴极阳极图12–13盖革-弥勒计数管特性曲线NOabUJ1J2J1＞J24.闪烁计数器物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。图12–14闪烁计数器闪烁体放射线铝壳橡胶板光阴级联级光电倍增管阳极按化学组成成分可分为有机和无机按物质形态分则可分为固态、液态和塑料通常使用固态闪烁体，其中有银激活的硫化锌ZnS(Ag)、铊激活的碘化钠NaI(T1)、铊激活的碘化铯CsI(T1)、金激活的碘化锂LiI(Au)等。有机闪烁体中应用最广的有蒽、芪、三联苯和萘等。表12–1主要的闪烁晶体及检测对象5.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γ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。就半导体而言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料也进行了研究。目前,开发的半导体传感器有PN结型传感器、表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。12.2.31.核辐射厚度计射到探测器的透射射线强度J和物体厚度tJ=J0e-μρt(12-3)JJnt011(12-4)式中：ρ——被测材料的密度；μ——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。图12–15透射式厚度计电子线路t核辐射探测器被测材料放射源显示仪表透射式图12–16零位法透射式厚度计显示仪表振荡器功放平衡电动机放射源被测材料电离室1补偿楔电离室2放射源角位移传感器零位法透射式射线强度与散射体厚度之间的关系式为J散=J饱和（1-e-kρt）(12-5)式中：t和ρ——散射体的厚度和密度；J散和J饱和——厚度为t和厚度为“无限大”时的后向散射β射线强度；k——与射线能量有关的系数。后向散射式图12–17β散射式厚度测量t放射源探测器后向散射2.辐射式物位计图12–15辐射式物位计的测量原理框图(a)(b)(c)(d)I0I0I0I0(a)是定点测量，不能进行物位的连续测量(b)连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300~500mm)，测量准确度较低。(c)线状的射线源及