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文檔簡介

第7章波與核輻射式傳感器技術(shù)

7.1微波式傳感器7.2超聲波式傳感器7.3核輻射式傳感器 7.1微波式傳感器

7.1.1微波式傳感器的組成及工作原理

微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波的波長很短,頻率很高(300MHz~300GHz),要求振蕩回路有非常小的電感與電容,因此不能用普通晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體器件。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管(波長在10cm以上可用同軸電纜)傳輸,并通過天線發(fā)射出去。為了使發(fā)射的微波具有一致的方向性,天線應(yīng)具有特殊的結(jié)構(gòu)和形狀。常用的天線有喇叭形天線、拋物面天線和介質(zhì)線等,如圖7.1.1所示。喇叭形天線具有圓形或矩形截面,根據(jù)它的形狀,可有扇形(圖7.1.1(a))、角錐形、圓錐形(圖7.1.1(b))等。喇叭形可以看做是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(dǎo)管與敞開的空間之間起匹配作用,以獲得最大能量輸出。拋物面天線猶如凹面鏡產(chǎn)生平行光一樣,能使微波發(fā)射的方向性得到改善,圖7.1.1(c)為拋物面式微波天線,圖7.1.1(d)為拋物柱面式微波天線。圖7.1.1常用微波天線

(a)扇形;(b)圓錐形;(c)拋物面式;(d)拋物柱面式

2.微波傳感器工作原理

微波傳感器具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)及非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。其原理是由發(fā)射天線發(fā)出的微波,遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射,使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波,并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再由測(cè)量電路處理后,即顯示出被測(cè)量,就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。

與一般傳感器不同,微波傳感器的敏感元件可認(rèn)為是一個(gè)微波場(chǎng),它的其他部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器,如圖7.1.2所示。圖中,MS是微波源;T是轉(zhuǎn)換器;R是接收器。轉(zhuǎn)換器可以是一個(gè)微波場(chǎng)的有限空間,被測(cè)物即處于其中。如果MS與T合二為一,稱之為有源微波傳感器;如果MS與R合二為一,則稱其為自振蕩式微波傳感器。圖7.1.2微波傳感器構(gòu)成微波傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。

1.反射式微波傳感器

反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。

2.遮斷式微波傳感器

遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)接收天線接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(cè)物或被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。7.1.2微波式傳感器測(cè)物位與液位

1.微波物位計(jì)

微波物位計(jì)原理如圖7.1.3所示。當(dāng)被測(cè)物位較低時(shí),發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收,經(jīng)檢波、放大與定電壓比較后,發(fā)出正常工作信號(hào);當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí),微波束部分被物體吸收,部分被反射,接收天線接收到的微波功率相應(yīng)減弱,經(jīng)檢波、放大與定電壓比較,低于定電壓值,微波計(jì)就發(fā)出被測(cè)物位位置高出設(shè)定物位的信號(hào)。圖7.1.3微波開關(guān)式物位計(jì)當(dāng)被測(cè)物位低于設(shè)定物位時(shí),接收天線接收的功率為式中,Pt

-發(fā)射天線的發(fā)射功率;

Gt

-發(fā)射天線的增益;

Gr

-接收天線的增益;

S

-兩天線間的水平距離;

λ-微波的波長。由式(7.1.3)可知,當(dāng)發(fā)射功率、波長、增益均為恒定時(shí),只要測(cè)得接收功率Pr就可獲得被測(cè)液面的高度d。圖7.1.4微波液位計(jì)7.1.3微波式傳感器測(cè)厚度

微波測(cè)厚儀的原理如圖7.1.5所示。這種測(cè)厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測(cè)物金屬表面被反射,且反射波的波長與速度都不變的特性進(jìn)行厚度測(cè)量。

如圖7.1.5所示,在被測(cè)金屬物體上下兩個(gè)表面各安裝一個(gè)終端器,微波信號(hào)源發(fā)出的微波,經(jīng)過環(huán)行器A、上傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器,由上終端器發(fā)射到被測(cè)物上表面,微波在被測(cè)物上表面全反射后又回到上終端器,再經(jīng)傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由于終端器發(fā)射到被測(cè)物下表面的微波,經(jīng)全反射后又回到下終端器,再經(jīng)過傳輸波導(dǎo)管回到環(huán)行器A,因此,被測(cè)物的厚度與微波傳輸過程中的行程長度有密切關(guān)系,當(dāng)被測(cè)物厚度增加時(shí),微波傳輸?shù)男谐涕L度便減小。圖7.1.5微波測(cè)厚儀原理圖一般情況,微波傳輸過程的行程長度的變化非常微小,為了精確地測(cè)量出這一微小行程的變化,通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法。前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂,而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸過程設(shè)置一個(gè)參考臂(圖7.1.5右部),若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同,則反相疊加的微波經(jīng)檢波器C檢波后,輸出為零;若兩臂行程長度不同,則反射回來的微波的相位角不同,經(jīng)反射疊加后不相互抵消,經(jīng)檢波器檢波后便有不平衡信號(hào)輸出,此差值信號(hào)經(jīng)過放大器后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)補(bǔ)償短路產(chǎn)生位移,改變補(bǔ)償短路器的長度,直到兩臂行程長度完全相同為止。補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)物厚度增加量之間的關(guān)系為(7.1.4)式中,LA-電橋平衡時(shí)測(cè)量臂行程長度;

LB

-電橋平衡時(shí)參考臂行程長度;

△LA-被測(cè)物厚度變化△h后引起測(cè)量臂行程長度變化的值;

△h-為被測(cè)物厚度變化值。

由式(7.1.4)可知,補(bǔ)償短路器位移值△S即為被測(cè)量變化值△h 7.2超聲波式傳感器

7.2.1超聲波檢測(cè)原理

1.超聲波及其波形

人耳所能聽到的聲波在20~20000Hz之間,頻率超過20000Hz,人耳不能聽到的聲波稱為超聲波。聲波的速度越高,越與光學(xué)的某些特性如反射定律、折射定律相似。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同,因此聲波的波形也不同,一般有以下幾種:

(1)縱波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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。

(2)橫波:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波,稱為橫波。它只能在固體中傳播。

(3)表面波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間,沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速地衰減,稱為表面波。它只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

2.超聲波的傳播速度

超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,并有各自的傳播速度,縱波、橫波及表面波的傳播速度,取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度。例如,在常溫下空氣中的聲速約為334m/s,在水中的聲速約為1440m/s,而在鋼鐵中的聲速約為5000m/s。聲速不僅與介質(zhì)有關(guān),還與介質(zhì)所處的狀態(tài)有關(guān),例如,理想氣體的聲速與絕對(duì)溫度T的平方根成正比。對(duì)于空氣來說,影響聲速的主要原因是溫度,聲速與溫度之間的近似關(guān)系為

3.擴(kuò)散角

聲波為一點(diǎn)源時(shí),聲波從聲源向四面八方輻射,如果聲源的尺寸比波長大,則聲源集中成一波束,以某一角度擴(kuò)散出去,在聲源的中心軸線上聲壓(或聲強(qiáng))最大,偏離中心軸線一角度時(shí),聲壓減小,形成聲波的主瓣(主波束),離聲源近處,聲壓交替出現(xiàn)最大與最小點(diǎn),形成聲波的副瓣。以極坐標(biāo)表示角度(與傳感器軸線的夾角)與聲波能量的關(guān)系,如圖7.2.1所示。圖中傳感器附近的副瓣是由聲波的干涉現(xiàn)象而形成的。θ角稱為半擴(kuò)散角,如果聲源為圓板形時(shí),半擴(kuò)散角的大小可用下式表示:圖7.2.1聲波的擴(kuò)散

式中,λ為聲波在介質(zhì)中的波長;D為聲源直徑;K為常數(shù),一般取K=1.22,即波束邊緣聲壓為零時(shí)的值。

4.反射與折射

當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí),在兩介質(zhì)的分界面上,一部分能量反射回原介質(zhì)的波稱為反射波;另一部分則透過分界面,在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播的波稱為折射波,如圖7.2.2所示。圖7.2.2波的反射與折射

1)反射定律

入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比,等于波束之比。當(dāng)入射波和反射波的波形一樣時(shí),波速一樣,入射角α即等于反射角α′。

2)折射定律

入射角α的正弦與折射角β的正弦之比,等于入射波中介質(zhì)的波速v1與折射波中介質(zhì)的波速v2之比,即

3)反射系數(shù)

當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí),兩種介質(zhì)的密度不同和聲波在其中傳播的速度不同,在分界面上,聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射,反射聲強(qiáng)IR與入射聲強(qiáng)I0之比,稱為反射系數(shù),反射系數(shù)R的大小為式中,IR為反射聲強(qiáng);I0為入射聲強(qiáng);Z1為第一介質(zhì)的聲阻抗;Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗。在聲波垂直入射時(shí),α=β=0,上式可簡化為若聲波從水中傳播到空氣,在常溫下,它們的聲阻抗約為Z1=1.44×106,Z2=4×102,代入上式,則得R=0.999。這說明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體,或相反的情況下,由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊,聲波幾乎全部被反射。

5.聲波的衰減

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減,氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大,液體其次,固體吸收最小而衰減最小,因此,對(duì)于一給定強(qiáng)度的聲波,在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外,聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān),頻率越高,聲波的衰減也越大,因此,超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為(7.2.6)(7.2.7)7.2.2超聲波傳感器工作原理

在超聲波檢測(cè)技術(shù)中,主要是利用它的反射、折射、衰減等物理性質(zhì)。不管哪一種超聲波儀器,都必須把超聲波發(fā)射出去,然后再把超聲波接收回來,變換成電信號(hào),完成這一部分工作的裝置,就是超聲波傳感器。但是在習(xí)慣上,把這個(gè)發(fā)射部分和接受部分均稱為超聲波換能器,有時(shí)也稱為超聲波探頭。

超聲波換能器根據(jù)其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等多種,在檢測(cè)技術(shù)中主要是采用壓電式。作為發(fā)射超聲波的換能器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),而接收用的換能器則利用其壓電效應(yīng)。在實(shí)際使用中,由于壓電效應(yīng)的可逆性,有時(shí)將換能器作為“發(fā)射”與“接收”兼用,亦即將脈沖交流電壓加到壓電元件上,使其向介質(zhì)發(fā)射超聲波,同時(shí)又利用它作為接收元件,接收從介質(zhì)中反射回來的超聲波,并將反射波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送到后面的放大器。因此,壓電式超聲波換能器,實(shí)質(zhì)上是壓電式傳感器。

在壓電式超聲換能器中,常用的壓電材料有石英(SiO2)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)和偏鈮鉛(PbNb2O6)等。圖7.2.3直探頭式換能器結(jié)構(gòu)壓電片1是換能器中的主要元件,大多做成圓板形。壓電片的厚度與超聲波頻率成反比,例如,當(dāng)鋯鈦酸的頻率厚度常數(shù)為1890kHz/mm,壓電片的厚度為1mm時(shí),固有振動(dòng)頻率為1.89MHz;壓電片的直徑與擴(kuò)散角成反比。壓電片的兩面敷有銀層,作為導(dǎo)電的極板,壓電片的底面接地線,上面接導(dǎo)線引至電路中。為了避免壓電片與被測(cè)體直接接觸而磨損壓電片,在壓電片下粘合一層保護(hù)膜2,保護(hù)膜有軟性保護(hù)膜和硬性保護(hù)膜兩種。軟性的可用薄塑料(厚約0.3mm),它與表面粗糙的工件接觸較好;硬性的可用不銹鋼或陶瓷片。保護(hù)膜的厚度為λ/2的整倍數(shù)時(shí)(在保護(hù)膜中波長),聲波穿透率最大;厚度為λ/4的奇數(shù)倍時(shí),穿透率最小。保護(hù)膜材料性質(zhì)要注意聲阻抗的匹配,設(shè)保護(hù)膜的聲阻抗為Z,晶體的聲阻抗為Z1,被測(cè)工件的聲阻抗為Z2,則最佳條件為Z=(Z1Z2)1/2。壓電片與保護(hù)膜粘合后,諧振頻率將降低。阻抗塊又稱吸收塊(圖7.2.3中的3),它作為降低壓電片的機(jī)械品質(zhì)因素Q,吸收聲能量。如果沒有阻尼塊,電振蕩脈沖停止時(shí),壓電片因慣性作用,仍繼續(xù)振動(dòng),加長了超聲波的脈沖寬度,使盲區(qū)擴(kuò)大,分辨力差。當(dāng)吸收塊的聲阻抗等于晶體的聲阻抗時(shí),效果最佳。7.2.3超聲波傳感器測(cè)物位

超聲波物位傳感器根據(jù)使用特點(diǎn)可分為定點(diǎn)式物位計(jì)和連續(xù)式物位計(jì)兩大類。

定點(diǎn)式物位計(jì)用來測(cè)量被測(cè)物位是否達(dá)到預(yù)定高度(通常是安裝測(cè)量探頭的位置),并發(fā)出相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)。根據(jù)不同的工作原理及換能器結(jié)構(gòu),可以分別用來測(cè)量液位、固體料位、固—液分界面、液—液分界面以及檢測(cè)液體的有無。其特點(diǎn)是簡單、可靠、使用方便、適用范圍廣,廣泛應(yīng)用于化工、石油、食品及醫(yī)藥等工業(yè)部門。

連續(xù)式物位計(jì)大都采用回波測(cè)距法(即聲納法)連續(xù)測(cè)量液位、固體料位或液—液分界面位置。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合所使用的傳聲媒介質(zhì)不同,又可分為液體、氣體和固體介質(zhì)導(dǎo)波式三種。

1.超聲式物位傳感器的特點(diǎn)

超聲式物位傳感器具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)能定點(diǎn)及連續(xù)測(cè)量物位,并提供遙控信號(hào);

(2)無機(jī)械可動(dòng)部分,安裝維修方便,換能器壓電體振動(dòng)振幅很小,壽命長;

(3)能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,適用于有毒、高粘度及密封容器內(nèi)的液位測(cè)量;

(4)能實(shí)現(xiàn)安全火花型防爆。

2.定點(diǎn)式超聲物位傳感器

常用的有聲阻式、液介穿透式和氣介穿透式三種。

1)聲阻式液位傳感器

如圖7.2.4所示,聲阻式液位傳感器是利用氣體和液體對(duì)超聲振動(dòng)的阻尼有顯著差別這一特性來判斷測(cè)量對(duì)象是液體還是氣體,從而測(cè)定是否到達(dá)檢測(cè)探頭的安裝高度。圖7.2.4聲阻式液位傳感器原理由于氣體對(duì)壓電陶瓷前面的不銹鋼輻射面振動(dòng)的阻尼小,壓電陶瓷振幅較大,足夠大的正反饋使放大器處于振蕩狀態(tài)。當(dāng)不銹鋼輻射面和液體接觸時(shí),由于液體的阻尼較大,壓電陶瓷Q值降低,反饋量減小,導(dǎo)致振蕩停止,消耗電流增大。根據(jù)換能器消耗電流的大小判斷被測(cè)液面是否上升到輻射面高度,使控制器內(nèi)繼電器動(dòng)作,發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào),工作頻率約為40kHz。聲阻式液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,換能器上有螺紋,使用時(shí),可從容器頂部將換能器安裝在預(yù)定高度即可。它適用于化工、石油、食品等工業(yè)中各種液面的測(cè)量,也用于檢測(cè)管道中有無液體存在,重復(fù)性可達(dá)1mm。該傳感器不適用于粘滯液體,因有部分液體粘附在換能器上,不隨液面下降而消失,故而容易誤動(dòng)作。同時(shí),也不適用于溶有氣體的液體,避免氣泡附在換能器上而形成輻射面上的一層空氣隙,減小了液體對(duì)換能器的阻尼,并導(dǎo)致誤動(dòng)作。

2)液介穿透式超聲液位傳感器

液介穿透式超聲液位傳感器的工作原理是利用超聲換能器在液體中和氣體中發(fā)射系數(shù)的顯著差別來判斷被測(cè)液面是否到達(dá)換能器安裝高度,其結(jié)構(gòu)如圖7.2.5所示。由相隔一定距離平行放置的發(fā)射壓電陶瓷與接收壓電陶瓷組成,它被封裝在不銹鋼外殼中或用環(huán)氧樹脂鑄成一體,在發(fā)射與接收陶瓷片之間留有一定間隙(12mm)??刂破鲀?nèi)有放大器及繼電器驅(qū)動(dòng)線路,發(fā)射壓電體和接收壓電體分別被接到放大器的輸出端和輸入端。當(dāng)間隙內(nèi)充滿液體時(shí),由于固體與液體的聲阻抗率接近,超聲波穿透時(shí)界面損耗較小,從發(fā)射到接收,使放大器由于聲反饋而連續(xù)振蕩;當(dāng)間隙內(nèi)是氣體時(shí),由于固體與氣體聲阻抗率差別極大,在固、氣分界面上聲波穿透時(shí)的衰減極大,因此聲反饋中斷,振蕩停止??筛鶕?jù)放大器振蕩與否來判斷換能器間隙是空氣還是液體,從而判斷液面是否到達(dá)預(yù)定高度,繼電器發(fā)出相應(yīng)信號(hào)。該液位傳感器結(jié)構(gòu)簡單,不受被測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)的影響,工作安全可靠。圖7.2.5液介穿透式超聲液位傳感器

3)氣介穿透式超聲物位傳感器

發(fā)射換能器中,壓電陶瓷和放大器接成正反饋振蕩回路,振蕩在發(fā)射換能器的諧振頻率上。接收換能器同發(fā)射換能器采用相同的結(jié)構(gòu),使用時(shí),將兩換能器相對(duì)安裝在預(yù)定高度的一直線上,使其聲路保持暢通。當(dāng)被測(cè)料位升高遮斷聲路時(shí),接收換能器收不到超聲波,控制器內(nèi)繼電器動(dòng)作,發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。

由于超聲波在空氣中傳播,故頻率選擇得較低(20~40kHz)。這種物位傳感器適用于粉狀、顆粒狀、塊狀或其他固體料位的極限位置發(fā)出的信號(hào)。其結(jié)構(gòu)簡單,安全可靠,不受被測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)的影響,適用范圍廣,可用于比重小,介電率小、電容式物位計(jì)難以測(cè)量的塑料粉末、羽獸毛等的物位測(cè)量。

3.連續(xù)式超聲物位傳感器

1)液介超聲液位傳感器

此液位傳感器是以被測(cè)液體為導(dǎo)聲介質(zhì),利用回波測(cè)距方法來測(cè)量液位高度。裝置由超聲換能器和電子裝置組成,用高頻電纜連接,如圖7.2.6所示。時(shí)鐘定時(shí)觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)出電脈沖,激勵(lì)換能器發(fā)射超聲脈沖,脈沖穿過外殼和容器壁進(jìn)入被測(cè)液體,在被測(cè)液體表面上反射回來,再由換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送回電子裝置。液位高度H與液體中聲速v及被測(cè)液體中來回傳播時(shí)間Δt成正比:(7.2.8)圖7.2.6液介超聲液位傳感器若計(jì)數(shù)振蕩器的頻率為f0,則上式可表示為(7.2.9)

式中,n為計(jì)數(shù)器的顯示數(shù),n值與液位高度成比例。這種液位傳感器適用于測(cè)量如油罐、液化石油氣罐之類容器的液位。它具有安裝使用方便、可多點(diǎn)檢測(cè)、精確度高、直接用數(shù)字顯示液位高度等優(yōu)點(diǎn),但是當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度、成分經(jīng)常變動(dòng)時(shí),由于聲速隨之變化,測(cè)量精度較低。

2)氣介超聲物位傳感器

它以被測(cè)介質(zhì)上方的氣體為導(dǎo)聲介質(zhì),利用回波測(cè)距測(cè)量物位,原理與液介的相似。利用被測(cè)介質(zhì)上方的氣體導(dǎo)聲,被測(cè)介質(zhì)不受限制,可測(cè)量有懸浮物的液體、高粘度液體與粉體、塊體等,使用維護(hù)方便。它除了能測(cè)各種密封、敞開容器中的液位外,還可以用于測(cè)塑料粉粒、砂子、煤、礦石、巖石等固體料位,以及測(cè)瀝青、焦油等粘糊液體及紙漿等介質(zhì)料位。7.2.4超聲波傳感器測(cè)厚度

用超聲波測(cè)量金屬零件、鋼管等的厚度,具有測(cè)量精度高、測(cè)試儀器輕便、操作安全簡單、易于讀數(shù)或?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)等一些優(yōu)點(diǎn)。但是,對(duì)于聲衰減很大的材料,以及表面凹凸不平或形狀很不規(guī)格的零件,超聲波法測(cè)厚較困難。

超聲波法測(cè)厚常用脈沖回波法,測(cè)厚的原理如圖7.2.7所示。主控制器產(chǎn)生一定重復(fù)頻率的脈沖信號(hào),送往發(fā)射電路,經(jīng)電流放大激勵(lì)壓電式探頭,以產(chǎn)生重復(fù)的超聲脈沖,并耦合到被測(cè)工件中,脈沖波傳到工件另一面被反射回來,被同一探頭接收。如果超聲波在工件中的聲速v是已知的,設(shè)工件厚度為d,脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t可以測(cè)量,因此,可求出工件的厚度為(7.2.10)

為測(cè)量時(shí)間間隔t,可用圖7.2.7所示的方法,將發(fā)射和回波反射脈沖加至示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上,標(biāo)記發(fā)生器輸出已知時(shí)間間隔的脈沖,也加在示波器垂直偏轉(zhuǎn)板上,線性掃描電壓加在水平偏轉(zhuǎn)板上。因此,可以從顯示器上直接觀察發(fā)射和回波反射脈沖,并求出時(shí)間間隔t。當(dāng)然,也可用穩(wěn)頻晶振產(chǎn)生的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來測(cè)量時(shí)間間隔t,從而做成厚度數(shù)字顯示儀表,圖7.2.8為CCH-J-1型超聲波測(cè)厚儀組成方框圖。CCH-J-1型超聲波測(cè)厚儀是以測(cè)厚度為主的半導(dǎo)體直讀式儀器,可方便地從單面檢測(cè)材料的厚度。表7.2.1列出了幾種超聲波測(cè)厚儀的主要性能。圖7.2.7脈沖回波法測(cè)厚方框圖圖7.2.8

CCH-J-1型超聲波測(cè)厚儀組成方框圖表7.2.1幾種超聲波測(cè)厚儀主要性能 7.3核輻射式傳感器

7.3.1核輻射的物理基礎(chǔ)

原子如果不是由于外界的原因,而是自發(fā)的發(fā)生核結(jié)構(gòu)的變化,則稱為核衰變,具有這種核衰變性質(zhì)的同位素叫做放射性同位素。

放射性同位素的核衰變,是原子核的“本征”特性,根據(jù)實(shí)驗(yàn)可得放射性同位素的基本規(guī)律為(7.3.1)式中,I0為開始時(shí)(t=0)的放射源強(qiáng)度;I為經(jīng)過時(shí)間t秒后的放射源強(qiáng)度;λ為放射性衰變常數(shù)。式(7.3.1)表明,放射性元素的放射源強(qiáng)度,是按照指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間減少的,元素衰減的速度取決于λ的量值,λ越大則衰變?cè)娇臁?/p>

2)核輻射的種類及性質(zhì)

放射性同位素在衰變過程中放出一種特殊的、帶有一定能量的粒子或射線,這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射。根據(jù)其性質(zhì)的不同,放出的粒子或射線有α粒子、β粒子、γ射線等。

(1)α射線。α粒子一般具有4~10MeV能量。用α射線來使氣體電離比用其他輻射強(qiáng)得多,因此,在檢測(cè)中,α輻射主要用于氣體分析,用來測(cè)量氣體壓力、流量等參數(shù)。(2)β射線。β射線實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的電子,它在氣體中的射程可達(dá)20m。在自動(dòng)檢測(cè)儀表中,主要是根據(jù)β輻射吸收來測(cè)量材料的厚度、密度或重量;根據(jù)輻射的反散射來測(cè)量覆蓋層的厚度;利用β射線很大的電離能力來測(cè)量氣體流。

(3)γ射線。γ射線是一種從原子核內(nèi)發(fā)射出來的電磁輻射,它在物質(zhì)中的穿透能力比較強(qiáng),在氣體中的射程為數(shù)百米,能穿過幾十厘米厚的固體物質(zhì)。它廣泛應(yīng)用在各種檢測(cè)儀表中,特別是在厚度檢測(cè)以及物體密度檢測(cè)等方面。

2.射線與物質(zhì)的相互作用

核輻射與物質(zhì)的相互作用是探測(cè)帶電粒子或射線存在與否及其強(qiáng)弱的基礎(chǔ),也是設(shè)計(jì)和研究放射性檢測(cè)與防護(hù)的基礎(chǔ)。

1)帶電粒子和物質(zhì)的相互作用

具有一定能量的帶電粒子(如α射線、β射線),在它們穿過物質(zhì)時(shí),由于電離作用,在它們路徑上生成許多離子對(duì),所以常稱α和β射線為電離性輻射。電離作用是帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要形式,一個(gè)粒子在每厘米路徑上生成的離子對(duì)數(shù)目稱為比電離。帶電粒子在物質(zhì)中穿行,其能量逐漸耗盡而停止,其穿行的一段直線距離稱為粒子的射程。

α射線質(zhì)量數(shù)較高,電荷量也較大,因而它在物質(zhì)中引起很強(qiáng)的比電離,射程較短。β射線的能量是連續(xù)的,質(zhì)量很輕,運(yùn)動(dòng)速度比α射線快得多,由于β射線的質(zhì)量小,其比電離遠(yuǎn)小于同樣能量的α射線的比電離,同時(shí)容易散射和改變運(yùn)動(dòng)方向。

β和γ射線比α射線的穿透能力強(qiáng),當(dāng)它們穿過物質(zhì)時(shí),由于物質(zhì)的吸收作用,而損失一部分能量,輻射在穿過物質(zhì)層后,其輻射通量強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減,可表示為(7.3.2)式中,I0為入射到吸收體的輻射通量的強(qiáng)度;I為穿過厚度為h(單位為cm)的吸收層后的輻射通量強(qiáng)度;μ為線性吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明,比值μ/ρ(ρ是密度)幾乎與吸收體的化學(xué)成分無關(guān),這個(gè)比值叫做質(zhì)量吸收系數(shù),常用μρ表示,此時(shí)式(7.3.2)可改寫成(7.3.3)

2)γ射線和物質(zhì)的相互作用

γ射線通過物質(zhì)后的強(qiáng)度將逐漸減弱。γ射線與物質(zhì)作用主要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三種。γ射線在通過物質(zhì)時(shí),γ光子不斷被吸收,強(qiáng)度也是按指數(shù)下降,仍然服從式(7.3.3)。這里的吸收系數(shù)μ是上述三種效應(yīng)的結(jié)果,故可用下式表示:(7.3.4)式中,τ為光電吸收系數(shù);σ為康普頓散射吸收系數(shù);k為電子對(duì)生成吸收系數(shù)。設(shè)物質(zhì)厚度λ=ρh,則式(7.3.3)可寫成(7.3.5)不同物質(zhì)對(duì)同一能量光子的質(zhì)量吸收系數(shù)μρ可視為大致相同的,特別在較輕的元素和光子能量在0.5~2MeV范圍內(nèi)更是這樣。因?yàn)樵谶@種情況下,起主要作用的是康普頓效應(yīng),其概率只與物質(zhì)的電子數(shù)有關(guān),而能量相同質(zhì)量不同的物質(zhì),它們的電子數(shù)目大致是相同的,所以質(zhì)量吸收系數(shù)μρ也大致相同。7.3.2核輻射式傳感器的組成

核輻射式傳感器主要由放射源、探測(cè)器和測(cè)量電路組成。

1.輻射源

利用核輻射式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí),都要有可放射出α、β粒子或γ射線的放射源。選擇放射源應(yīng)盡量提高檢測(cè)靈敏度和減小統(tǒng)計(jì)誤差。為避免經(jīng)常更換放射源,要求采用有較長的半衰期及合格的輻射強(qiáng)度的放射源。因此,盡管放射性同位素種類很多,但能用于測(cè)量的只有20種左右,最常用的有60Co、137Cs、241Am等。放射源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測(cè)量方向射出,而其他方向則必須使輻射線的劑量盡可能小,以減少對(duì)人體的危害。β射線放射源一般為圓盤狀,γ射線放射源一般為絲狀、圓柱狀或圓片狀。圖7.3.1所示為β厚度計(jì)放射源容器,輻射線入口處裝有耐輻射薄膜,以防灰塵侵入,并能防止放射源受到意外損傷而造成污染。圖7.3.1放射源容器

2.探測(cè)器

探測(cè)器就是核輻射的接收器,它是核輻射傳感器的重要組成部分,其用途就是將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),從而探測(cè)出射線的強(qiáng)弱和變化。在現(xiàn)有的核輻射檢測(cè)中,用于檢測(cè)儀表上的主要有電離室、閃爍計(jì)數(shù)器和蓋格計(jì)數(shù)等。下面以電離室、閃爍計(jì)數(shù)器為例加以介紹。

1)電離室

電離室是一種基本上以氣體為介質(zhì)的射線探測(cè)器,它可以用來探測(cè)α粒子、β粒子和γ射線,它能把這些帶電粒子或射線的能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電離室具有堅(jiān)固、穩(wěn)定、壽命長、成本低等特點(diǎn),但輸出電流小。圖7.3.2電離室工作原理圖圖7.3.2為電離室基本工作原理示意圖。它是在空氣中設(shè)置一個(gè)平行極板電容器,加上幾百伏的極化電壓,使在電容器的極板間產(chǎn)生電場(chǎng),這時(shí),如果有核輻射照射極板之間的空氣,則核輻射將電離空氣分子而使其產(chǎn)生正離子和電子。在極化電壓的作用下,正離子趨向負(fù)極,而電子趨向正極,于是便產(chǎn)生了電流,這種由于核輻射線引起的電流就是電離電流,電離電流在外電路的電阻R上形成電壓降,這樣利用核輻射的電離性質(zhì),就可以從外電路R上的電壓降來衡量核輻射中的粒子數(shù)目和能量。輻射強(qiáng)度越大,產(chǎn)生的正離子和電子越多,電離電流就越大,R上的壓降也越大。通過一定的設(shè)計(jì)和對(duì)電離室配置以恰當(dāng)?shù)碾妷?,就能使輻射?qiáng)度與R上的電壓降成正比。這就是電離室的基本工作原理。電離室的結(jié)構(gòu)有各種不同類型,現(xiàn)以圓筒形β電離室為例來說明其結(jié)構(gòu),如圖7.3.3所示。圖中1和2分別為收集極和高壓極。收集極必須良好的絕緣,如果絕緣不良,極微小的電離電流就要漏掉,就可能測(cè)不到信號(hào)。在收集極和高壓極之間配有保護(hù)環(huán),保護(hù)環(huán)與收集極和高壓極之間是絕緣的,保護(hù)環(huán)要接地,這是為了使高壓不致漏到收集極去干擾有用信號(hào)。圖7.3.3圓筒形β電離室結(jié)構(gòu)示意圖電離室除了空氣式外,還有密封充氣的,一般充Ar等惰性氣體。氣壓可稍大于大氣壓,這有助于增大電離電流,同時(shí),密封可以維護(hù)內(nèi)部氣壓的恒定,減少受外界氣壓波動(dòng)而帶來的影響。電離室的入射窗口通常用鋁箔或其他塑料薄膜,它的密度要盡可能小,以減小射線入射時(shí)在上面造成的能量損失;同時(shí),又要有足夠的強(qiáng)度,以承受內(nèi)部的氣壓。

電離室的結(jié)構(gòu)必須非常牢固,尤其是電極結(jié)構(gòu)更要牢固,否則會(huì)由于周圍的振動(dòng)引起信號(hào)的波動(dòng)而無法測(cè)量。

由于α粒子、β粒子、γ射線性質(zhì)各不相同,能量也不一樣,因此用來探測(cè)的電離室也互不相同,不能互相通用。

2)閃爍計(jì)數(shù)器

閃爍計(jì)數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽?,然后再將光能變?yōu)殡娔芏M(jìn)行探測(cè)。它不僅能探測(cè)γ射線,而且能探測(cè)各種帶電和不帶電的粒子;不僅能探測(cè)它們的存在,還能鑒別其能量的大小。閃爍計(jì)數(shù)器與電離室相比,具有效率高及分辨時(shí)間短等特點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于各種檢測(cè)儀表中。閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體、光電倍增管和輸出電路所組成,如圖7.3.4所示。閃爍體是一種受激發(fā)光物質(zhì),可分為無機(jī)和有機(jī)兩大類,其形狀有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種。無機(jī)閃爍體的特點(diǎn)是:對(duì)入射粒子的阻止本領(lǐng)大,發(fā)光效率也大,因此,有很高的探測(cè)效率。例如,碘化鈉(鉈激活)用來探測(cè)γ射線的效率就很高,約20%~30%。有機(jī)閃爍體的特點(diǎn)是:發(fā)光時(shí)間很短,只有用分辨性能高的光電倍增管相配合,才能獲得10-10s的分辨時(shí)間,而且容易制成比較大的體積,常用的有液體有機(jī)閃爍體、塑料閃爍體和氣體閃爍體等。在探測(cè)β粒子時(shí),常用這種有機(jī)閃爍體。圖7.3.4閃爍計(jì)數(shù)器示意圖當(dāng)核輻射進(jìn)入閃爍體時(shí),閃爍體的原子受激發(fā)光,光透過閃爍體射到光電倍增管的光陰極上打出光電子,經(jīng)過倍增,在陽極上形成電流脈沖,最后可用電子儀器記錄下來。這就是閃爍計(jì)數(shù)器記錄粒子的基本過程。

由于發(fā)射電子通過閃爍體時(shí),會(huì)有一部分被吸收和散射,因此,要求閃爍體的發(fā)射光譜和吸收光譜的重合部分盡量要小,裝置也要有利于光子的吸收。光陰極上打出電子的效率與入射光子的波長有關(guān),所以,必須選擇閃爍體發(fā)光的光譜范圍,使其能夠很好地配合光陰極的光譜響應(yīng)。要使閃爍體發(fā)出的熒光盡可能地被收集到光陰極上去,除了對(duì)閃爍體本身的要求(如光學(xué)性質(zhì)均勻等)外,還要求各方面的光子通過有效的漫反射,把光子集中到光陰極上。碘化鈉晶體除一面與光陰極接觸外,周圍全部用氧化鎂粉敷上一層。為減少晶體和光陰極之間產(chǎn)生全反射,常用折射率較大的透明媒質(zhì)作為晶體與光電倍增管的接觸媒質(zhì)。為了更有效地將光導(dǎo)入光陰極,常在閃爍體和光陰極之間接入一定形狀的光導(dǎo),而有機(jī)玻璃等為常用的光導(dǎo)材料。

3.測(cè)量電路

核輻射傳感器測(cè)量電路的種類很多,并隨著所用探測(cè)器的不同而不同。但不管哪一種結(jié)構(gòu)的探測(cè)器,前置放大電路都是必不可少的,其性能的好壞對(duì)儀表的影響很大。常用的測(cè)量電路有電離室前置放大電路和閃爍計(jì)數(shù)器前置放大電路?,F(xiàn)以電離室前置放大電路為例進(jìn)行講述。

一個(gè)電離粒子每損失1MeV的能量,約產(chǎn)生3萬個(gè)電

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