第9章聲波及輻射傳感器課件

第9章 聲、波及輻射傳感器超聲波傳感器微波傳感器輻射式傳感器9.1超聲波傳感器9.1.1超聲波及其物理性質(zhì)振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動，簡稱波。其頻率在16~2×104Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于16

Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于2×104

Hz的機(jī)械波，稱為超聲波；頻率在3×108~3×1011

Hz之間的波，稱為微波。聲波的頻率界限圖9.1.1.1

超聲波的波型及其傳播速度聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：①縱波：質(zhì)點(diǎn)振動方向與波的傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；②橫波：質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體介質(zhì)中傳播；③表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動介于橫波與縱波之間，沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深度增加而迅速衰減的波，表面波只在固體的表面?zhèn)鞑?。超聲波的傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為式中：ρ——介質(zhì)的密度；Ba——絕對壓縮系數(shù)。0～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化0～100℃范圍內(nèi)蒸餾水聲速隨溫度的變化在固體中，縱波、橫波及其表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通常可認(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波聲速為橫波聲速的90%

。氣體中縱波聲速為

344

m/s

，液體中縱1900m/s。9.1.1.2

超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，

在兩個介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射

,

另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)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(dāng)波在界面處產(chǎn)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(zhì)中的波速c1與折射波在第二介質(zhì)中的波速c2之比，即式中：I0,Ir,It——分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)；α、β——分別為聲波的入射角和折射角；ρ1c1、ρ2c2——分別為兩介質(zhì)的聲阻抗，其中c1和c2分別為反射波和折射波的速度。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可分別由如下兩式求得:當(dāng)超聲波垂直入射界面，即α=β=0時，則9.1.1.3

超聲波的衰減聲波在介質(zhì)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(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為式中：Px、Ix——距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；x——聲波與聲源間的距離；α——衰減系數(shù)，單位為Np/cm（奈培/厘米）。9.1.2

超聲波傳感器利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、探測器或傳感器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是利用壓電材料的壓電

效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振

動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示。9.1.3超聲波傳感器應(yīng)用9.1.3.1

超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。對于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時間為則式中：h——換能器距液面的距離；c——超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對于雙換能器，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2s，而因此液位高度為式中：s——超聲波從反射點(diǎn)到換能器的距離；a——兩換能器間距之半。9.1.3.2

超聲波流量傳感器超聲波流量傳感器的測定方法是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多卜勒效應(yīng)法、流動聽聲法等。但目前應(yīng)用較廣的主要是超聲波傳播時間差法。超聲波在流體中傳播時，在靜止流體和流動流體中的傳播速度是不同的，利用這一特點(diǎn)可以求出流體的速度，再根據(jù)管道流體的截面積，便可知道流體的流量。如果在流體中設(shè)置兩個超聲波傳感器，它們既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個裝在上游，一個裝在下游，其距離為L,如圖所示。一般來說，流體的流速遠(yuǎn)小于超聲波在流體中的傳播速度，因此超聲波傳播時間差為由于c>>v,從上式便可得到流體的流速，即實際中，超聲波探頭安裝在管道的外部，從管道的外面通過管壁發(fā)射和接收超聲波，不會給管道內(nèi)流動的流體帶來影響。超聲波流量計：壓電超聲換能器每隔一段時間（如1/100s）發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。流量顯示輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射此時超聲波的傳輸時間將由下式確定：超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點(diǎn)，可測的流體種類很多，不論是非導(dǎo)電的流體、高粘度的流體，還是漿狀流體，只要能傳輸超聲波的流體都可以進(jìn)行測量。超聲波流量計可用來對自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測量。汽車倒車防撞超聲裝置示意圖下圖是汽車倒車防撞超聲裝置示意圖，使用單探頭超聲換能器，超聲頻率為40kHz的脈沖超聲波。9.2

微波傳感器9.2.1微波概述微波是波長為0.1m

～

1mm的電磁波，對應(yīng)的波段頻率范圍為30

MHz

～

300GHz在實際應(yīng)用中為了方便起見，把微波波段細(xì)分為：分米波段(頻率從300～3000MHz)、厘米波段(頻率從3～30GHz)、毫米波段(頻率從30～300GHz)及亞毫米波段(頻率從300～3000GHz)。微波有電磁波的性質(zhì)，但它又不同于普通無線電波和光波，是一種相對波長較長的電磁波。(1)似光性和似聲性微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣直線傳播，容易集中，即具有似光性。微波的波長與無線電設(shè)備尺寸相當(dāng)?shù)奶攸c(diǎn)，使微波又體現(xiàn)出與聲波相似的特征，即具有似聲性。(2)分析方法的獨(dú)特性由于微波的頻率很高，波長很短，使得在低頻電路中被忽略了的一些現(xiàn)象和效應(yīng)（例如趨膚效應(yīng)、輻射效應(yīng)、相位滯后現(xiàn)象等）在微波波段則不可忽略。這樣，低頻電路中常用的集中參數(shù)元件電阻、電感、電

容已不適用，電壓、電流在微波波段甚至失去了惟一性意義。因此用它們已無法對微波傳輸系統(tǒng)進(jìn)行完全描述，而要建立

一套新的能夠描述這些現(xiàn)象和效應(yīng)的理論方法——電磁場理

論的場與波傳輸?shù)姆治龇椒ā?3)共度性電子在真空管內(nèi)的渡越時間（10-9秒左右）與微波的振蕩周期（

10-9

～10-15秒）相當(dāng)?shù)倪@一特性稱共度性，利用該特性可以做成各種微波電真空器件，得到微波振蕩源。(4)穿透性微波照射于介質(zhì)物體時，能深入物質(zhì)內(nèi)部的特點(diǎn)稱為穿透性。例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（除光波外），因而成為人類探測外層空間的“宇宙窗口”；微波可以穿透云霧、雨、植被、積雪和地表層，具有全天候和全天時的工作能力，成為遙感技術(shù)的重要波段；微波能夠穿透生物體，成為醫(yī)學(xué)透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，使遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層，是實現(xiàn)通信和末端制導(dǎo)的重要手段。(5)信息性微波波段可載的信息容量是非常巨大的，即便是在很

小的相對帶寬，其可用的頻帶也是很寬的，可達(dá)數(shù)百甚至

上千兆赫茲。所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外地工作在微波波段。此外，微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息，這在目標(biāo)探測、遙感、目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中是十分重要的。（6）非電離性微波量子能量不夠大，因而不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。而由物理學(xué)可知，分子、原子和原子核在外加電磁場

的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因此微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其基本特性提供了有效

的研究手段。9.2.2微波傳感器的原理和組成9.2.2.1

微波傳感器的分類微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實現(xiàn)了微波檢測。根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的厚度、含水量等參數(shù)的。9.2.2.2

微波傳感器的組成微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。1.微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。圖11-1

常用的微波天線(a)

扇形喇叭天線; (b)圓錐形喇叭天線;(c)

旋轉(zhuǎn)拋物面天線; (d)拋物柱面天線2.微波檢測器電磁波作為空間的微小電場變動而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻

率通?？捎冒雽?dǎo)體PN結(jié)，而對于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜

結(jié)檢測器、SIS檢測器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。微波的檢測方法有兩種，一種是將微波變化為電流的視頻變化方式，另一種是與本機(jī)振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。9.2.2.3

微波傳感器的特點(diǎn)微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：①有極寬的頻譜（波長=1.0mm

～

1.0m

）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點(diǎn)選擇不同的測量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強(qiáng)；④時間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制；⑤測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控；⑥微波無顯著輻射公害。9.2.3微波傳感器的應(yīng)用微波液位計9.2.3.2

微波濕度傳感器水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場作用下，偶極子會形成定向排列。當(dāng)微波場中有水分子時，偶極子受場的作用而反復(fù)取向，不斷從電場中得到能量（儲能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。這個特性可用水分子自身介電常數(shù)ε來表征，即ε=ε′+αε″式中：ε′——儲能的度量；

ε″——衰減的度量；

α——常數(shù)。如圖為測量酒精含水量的儀器框圖。相位測定衰減測定9.2.3.3

微波測厚儀微波測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物體金屬表面被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進(jìn)行測厚的。微波測厚儀原理如圖所示。補(bǔ)償短路器的位移與被測物厚度增加量之間的關(guān)系式為ΔS=LB-(LA-ΔLA)=LB-(LA-Δh)=Δh式中：LA——電橋平衡時測量臂行程長度；LB——電橋平衡時參考臂行程長度；ΔLA——被測物厚度變化Δh后引起的測量臂行程長度變化值；

Δh——被測物厚度變化；ΔS——補(bǔ)償短路器位移值。由上式可知，補(bǔ)償短路器位移值ΔS即為被測物厚度變化值Δh。9.2.3.4

微波輻射計（溫度傳感器）任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時，都能夠向外輻射熱能。微波輻射計能測量對象的溫度。普朗克公式在微波領(lǐng)域可近似為如圖為微波溫度傳感器的原理方框圖。9.2.3.5

微波測定移動物體的速度和距離微波測定移動物體的速度和距離是利用雷達(dá)能動地將電波發(fā)射到對象物，并接受返回的反射波的能動型傳感器。若對在距離發(fā)射天線為r的位置上以相對速度v運(yùn)動的物體發(fā)射微波，則由于多卜勒效應(yīng)，反射波的頻率fr發(fā)生偏移，如下式所示：f

r=f

0+fD式中fD是多卜勒頻率，并可表示為當(dāng)物體靠近靶時,多卜勒頻率f

D

為正；遠(yuǎn)離靶時，f

D

為負(fù)。輸入接收機(jī)的反射波的電壓ue可用下式表示：括號［］內(nèi)的第二項是因電波在距離r上往返而產(chǎn)生的相位滯后。用接收機(jī)將來自發(fā)射機(jī)的參照信號

U

e

sin2π

f

0

t

與上述反信號混合后，進(jìn)行超外差檢波，則可得到如下式那樣的具有兩頻率之差，即fD的差拍頻率的多卜勒輸出信號為因此，根據(jù)測量到的差拍信號頻率，可測定相對速度。但是，用此方法不能測定距離。為此考慮發(fā)射頻率稍有不同的兩個電波f1和f2，這兩個波的反射波的多卜勒頻率也稍有不同。若測定這兩個多卜勒輸出信號成分的相位差為ΔΦ，則可利用下式求出距離r：9.2.3.6

微波無損檢測微波無損檢測是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用，一方面微波在不連續(xù)界面處會產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時的微波場會受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測量微波信號基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。微波無損檢測系統(tǒng)主要由天線、微波電路、記錄儀等部分組成，如圖所示。當(dāng)以金屬介質(zhì)內(nèi)的氣孔作為散射源，產(chǎn)生明顯的散射效應(yīng)時，最小氣隙的半徑與波長的關(guān)系符合下列公式:式中：Ｋ——K=2π/λ，其中λ為波長；ａ——?dú)庀兜陌霃健?.3

輻射式傳感器9.3.1

紅外傳感器9.3.1.1

紅外輻射及紅外輻射源1.紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。電磁波譜圖紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、

折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。2.紅外輻射源發(fā)射紅外電磁波的物體和器件，皆稱紅外輻射源。它通常分為以下幾類：①標(biāo)準(zhǔn)輻射源，包括絕對黑體模型、能斯脫燈和硅碳棒等，常用于實驗室中紅外儀器和系統(tǒng)標(biāo)定；②工業(yè)用輻射源，包括碳弧燈、鎢燈、電發(fā)光輻射器、電加熱的桿狀和面狀輻射器、氣體加熱輻射器等；③自然紅外源，包括太陽、月球、行星、大氣和云層等；④發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器、固體和氣體激光器等；⑤紅外裝置或系統(tǒng)需要探測的輻射源，包括飛機(jī)發(fā)動機(jī)、機(jī)殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機(jī)、人造地球衛(wèi)星、

機(jī)動車輛和人體等。9.3.1.2

紅外探測器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的物理效應(yīng)可分為兩大類：一類是器件的某些性能參數(shù)隨入射的輻射通量作用引起的溫度變化的熱探測器；另一類是利用各種光子效應(yīng)的光子探測器，即入射到探測器上的紅外輻射能以光子的形式與光電探測器材料的束縛電子相互作用，從而釋放出自由電子和自由空穴參與導(dǎo)電的器件。1.熱探測器熱探測器是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的器件。熱探測器探測光輻射包括兩個過程，一是吸收光輻射能量后，探測器的溫度升高；二是把溫度升高所引起的物理特性的變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號。熱探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。按熱電轉(zhuǎn)換原理的不同，熱探測器器件主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型探測器。而熱釋電探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。2.光子探測器光子探測器是利用光輻射與物質(zhì)相互作用的光子效應(yīng)制成的器件。光子探測器利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子的互相作用，改變電子的能量狀態(tài)，從而引起各種電學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。9.3.1.3

紅外傳感器的應(yīng)用1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)前面已闡述，紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，溫度低的物體輻射的紅外線波長長，溫度高的物體輻射的紅外線波長短。在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，如火焰、汽車、動植物、人體等都是紅外輻射源，但發(fā)射的紅外波長不同。紅外感應(yīng)實際就是根據(jù)物體因表面溫度不同會發(fā)出不同波段的紅外光這一特性進(jìn)行檢測的。在紅外感應(yīng)系統(tǒng)中采用熱釋電紅外傳感器。圖為熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)圖熱釋電紅外傳感器多用于檢測物體發(fā)射的紅外線，其檢測區(qū)呈球形，視角為70°左右。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低，一般檢測距離僅2m左右，但熱釋電紅外傳感器表面罩一塊菲涅爾透鏡后，可以提高傳感器的靈敏度，擴(kuò)大監(jiān)視范圍，檢測距離可以由原來的2m增加到10m。圖為菲涅爾透鏡檢測示意圖。2.紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。3.紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性來對氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同。幾種氣體對紅外線的透射光譜工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖。該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電路等部分組成。9.3.2

核輻射傳感器9.3.2.1

核輻射及其性質(zhì)各種物質(zhì)都是由一些最基本的物質(zhì)所組成。人們稱這些最基本的物質(zhì)為元素。組成每種元素的最基本單元就是原子，每種元素的原子都不是只存在一種。具有相同的核電荷數(shù)Z而有不同的質(zhì)子數(shù)

A

的原子所構(gòu)成的元素稱同位素。 假設(shè)某種同位素的原子核在沒有外力作用下，自動發(fā)生衰變，衰變中釋放出α射

線、β射線、γ射線、X射線等，這種現(xiàn)象稱為核輻射。而放出射線的同位素稱為放射性同位素，又稱放射源。實驗表明，放射源的強(qiáng)度是隨著時間按指數(shù)定理而減低的，即式中：J0——開始時的放射源強(qiáng)度；J——經(jīng)過時間為t以后的放射源強(qiáng)度；

λ——放射性衰變常數(shù)。放射性同位素種類很多，由于核輻射檢測儀表對采用的放射性同位素要求它的半衰期比較長(半衰期是指放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半所需要的時間，這個時間又稱為放射性同位素的壽命)，且對放射出來的射線能量也有一定要求，因此常

用的放射性同位素只有20種左右，例如Sr90（鍶）、Co60（鈷）、Cs137（銫）、Am241（镅）等。1.α射線放射性同位素原子核中可以發(fā)射出α

粒子。α

粒子的質(zhì)量為4.002

775u(

原子質(zhì)量單位

)

，它帶有正電荷，實際上即為氦原子核，這種α粒子流通常稱作α射線。放射出α粒子后同位素的原子序數(shù)將減少兩個單位而變?yōu)榱硪粋€元素。一般α粒子具有40～100MeV的能量，平均壽命為幾微秒到1010年。它從核內(nèi)射出的

速度為20km/s，α粒子的射程長度在空氣中為幾厘米到十幾厘米。2.β射線β粒子的質(zhì)量為0.000549u，帶有一個單位的電荷。它所帶的能量為100keV～幾兆電子伏特。β粒子的運(yùn)動速度均較α粒子的運(yùn)動速度高很多，在氣體中的射程可達(dá)20m。和α

粒子一樣，β

粒子在穿經(jīng)物質(zhì)時，會使組成物質(zhì)的分子或原子發(fā)生電離，但與α

射線相比β

射線的電離作用較小。由于β粒子的質(zhì)量比α粒子小很多，因此更易被散射。β粒子在穿經(jīng)物質(zhì)時，由于電離、激發(fā)、散射和激發(fā)次級輻射等作用，使β

粒子的強(qiáng)度逐漸衰減，衰減情況大致服從如下的指數(shù)規(guī)律：J=J0e-μh式中：J0和J——β粒子穿經(jīng)厚度為h、密度為ρ的吸收體前后的強(qiáng)度；

μ——線性吸收系數(shù)。β

射線與α

射線相比，透射能力大，電離作用小。在檢測中主要是根據(jù)β

輻射吸收來測量材料的厚度、密度或重量，根據(jù)輻射的反射來測量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測量氣體流的。3.γ射線原子核從不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較