黄平捷 huangpingjie@zju.edu.cn 2011年10月26日 浙江大学控制科学与工程学系 自动化专业课程《现代传感技术和过程检测系统》 2.9 磁弹性式检测元件 黄平捷 huangpingjie@zju.edu.cn 2011年10月26日

2.9 磁弹性式检测元件 2011年秋冬学期

2.9 磁弹性式检测元件 原理概述、优点和局限性 2.9.1 磁弹性效应 2.9.2 结构和检测原理 磁弹性效应 压磁元件 某些铁磁材料受机械力→机械应力→△磁阻或磁导率 优点、不足 输出功率大、抗干扰强、抗过载强，便于制造，经济，恶劣环境下使用 测量精度较低（误差约1%），反应速度较慢 测力、称重、测温、应力无损检测 2.9.1 磁弹性效应 磁致伸缩效应 压磁效应 2.9.2 结构和检测原理 工作原理 误差分析 2011年秋冬学期

磁弹性式检测元件 序号 原理 应用场合 优点 局限性 备注 磁弹性式 基于铁磁材料的磁弹性效应，铁磁材料受机械力→内部产生机械应力→△磁阻或磁导率 测力称重温度测量 应力无损检测 输出功率大，抗干扰抗过载↑，便于制造，经济实用，可在恶劣环境下应用 精度不太高（1%）反应速度慢 2011年秋冬学期

2.9.1 磁弹性效应 磁弹性效应 特点 规律 磁致伸缩效应 铁磁材料在外磁场作用下其磁化矢量发生转动(或称磁化),而使其形状发生变化(沿磁场方向伸长或缩短),但体积保持不变的现象 λ=△l/l 伸缩比 正磁致伸缩 负磁致伸缩 10-5~10-6 压磁效应 当铁磁材料因磁化而引起伸缩或受到外部作用力时→ε →σ →△μ △μ/ μ=2 λ σ μ/B2 正磁致伸缩材料 F↑ μ ↑ 负磁致伸缩材料 测量磁导率的变化 来测量力等参数 2011年秋冬学期

磁畴 磁化 剩磁 居里温度（磁性消失 磁导率=0） 2.9.2 结构及工作原理 工作原理 材料要求：⑴能承受较大压力 ； ⑵磁导率要高；⑶剩磁要小；⑷稳定性要好 硅钢片 典型结构：压磁元件1、弹性元件3和传力元件（钢球）4以及基座2 磁畴 磁化 剩磁 居里温度（磁性消失 磁导率=0） μ↓ μ↑ 压磁检测元件结构原理图 1--压磁元件；2--基座；3弹性元件；4--传力元件 压磁元件结构原理图 2011年秋冬学期

误差分析 序号 影响因素 特点和解决措施 1 磁场强度 合理选择 2 激励频率 f↑线性度越好 但应考虑铁芯损耗 3 激励电流 非线性，某区域 4 预加载荷 0.1Fmax误差↑ 非线性，预应力 10%-20% 5 温度影响 t ↑最大B磁感应强度↓ 居里温度50℃ μ、磁化性能 等均受温度影响 6 磁滞特性、弹性滞后、弹性后效、电源性能参数、环境温度等 多次加载、老化处理、合理电源（最佳频率、稳频恒流、温度补偿等） 2011年秋冬学期

2.10 核辐射式检测元件 2011年秋冬学期

2.10 核辐射式检测元件 概述 2.10.1 放射源 2.10.2 探测器 2.10.3 应用 射线的种类和特点– α β γ 射线与物质的作用 带电粒子和物质的作用—电离、激发、散射 γ射线和物质的作用— 次级效应，光电效应、康普顿效应、电子对效应 2.10.2 探测器 气体探测器 收集电子-正离子对 电离曲线分为5个区域：收集前复合区、饱和区（电离室区）、正比区（限制正比区）、雪崩区（G-M计数管和雪崩室）、放电区 类型：电离室、正比室、G-M计数管 闪烁探测器 闪烁计数器，E辐射→ E 光→E电，闪烁晶体、光电倍增管、输出电路 半导体探测器 锗和硅，类似于气体电离室 2.10.3 应用 应用广泛；放射源管理 2011年秋冬学期

核辐射式检测元件 序号 原理 应用场合 优点 局限性 备注 核辐射式 被测物质对射线的吸收、散射、反射，或射线对被测物质的电离作用而工作 检测厚度、物位、密度、成分等参数，金属探伤 非接触，且不受许多化学和物理特性影响，特别适合于具有腐蚀、高温、剧毒、爆炸等物质及环境恶劣的场合 放射源管理 组成：放射源、探测器和转换电路 2011年秋冬学期

2.10.1 放射源 同位素 核衰变 核辐射 核辐射种类 同位素：原子序数相同（质子数相同），质量数不同（中子数量不同） 放射性同位素 稳定同位素 核衰变 原子核不稳定，无任何外因，自动衰变→粒子、射线→另外同位素 核辐射 核衰变中放出不同的带有一定能量的粒子或射线的放射性现象 核辐射种类 粒子种类不同 α β γ 中子 2011年秋冬学期

核跃迁或粒子湮没→电磁辐射，粒子性能↑，光子，不带电 静止0 几十keV-几MeV 光速 电离↓ ，贯穿力↑ 种类 原理 质量 能量 速度 特点 应用 α 原子核→2个带正电粒子(2中子2质子) 4.002775u（原子质量单位） 4-9MeV 2万m/s 粒子质量较重，电离作用最强，贯穿力↓ 气体成分分析，气压、流量 β 中子→质子→1负电荷电子 0.0000549u <2MeV 2*105m/s 比α快，电离较弱，贯穿力较强 γ 核跃迁或粒子湮没→电磁辐射，粒子性能↑，光子，不带电 静止0 几十keV-几MeV 光速 电离↓ ，贯穿力↑ 光子能量=普朗克常量*频率=普朗克常数*c/波长 2011年秋冬学期

放射性核衰变 放射性活度 对于一个原子核，在何时衰变，完全是偶然的，t→t+dt 衰变的原子核数目，与dt和t时刻放射性原子核数N 正比 -dN/N=λdt -:原子核数N在减少，λ—衰变常数，某种放射性核素的一个核在单位时间内进行衰变的概率 λ 大小决定了衰变的快慢，特定值，放射性原子核的特征量 设原始为N0 则：积分→ t时刻，N=N0e- λ t。 ∴称之为 衰变 放射性活度 重要的是单位时间内有多少个核衰变 在给定时刻，单位时间内的核衰变数称为放射性活度，A A=-dN/dt= λN=λ N0e- λ t=A0e- λt 初始活度A0 放射性活度呈指数规律衰减 单位：贝克勒尔，Bq 也称：放射性强度 何时的放射性强度？ 2011年秋冬学期

衰变常数、半衰期、寿命 衰变常数 λ—一个核单位时间内衰变的概率 衰变常数 λ—一个核单位时间内衰变的概率 半衰期 T1/2=ln2/ λ=0.693/λ A=1/2A0 核衰变数只有一半了 平均寿命-核衰变数只有1/eA0的平均时间τ=1/λ 2011年秋冬学期

射线与物质的作用 2011年秋冬学期 直接电离：入射粒子与物质原子静电作用，使得原子的电子加速→自由电子 带电粒子和物质的作用 电离和 激发 带电粒子与核外电子库伦作用，E粒子↓，物质被电离或激发 直接电离：入射粒子与物质原子静电作用，使得原子的电子加速→自由电子 主要方式，许多探测器用此原理，用电离或激发效应来探测带电粒子 粒子m ↑电离↑射程↓ 射线透过物质，将发生电离、激发和散射作用，结果是E↓，强度I=I0e-umρx =原来exp(-吸收系数.密度.厚度） 间接电离：距离较远，电子逃不出来，只是E↑，激发 散射 带电粒子穿过物质受到原子核电场作用而改变运动方向 Β粒子E ↓主要方式 Γ射线和物质的作用（本质是电磁辐射，各种E的光子，次级效应） 次级效应：单次性随机事件，γ光子∩原子或电子作用，消失或E ↓→e 光电效应 碰撞：γ光子和原子碰撞，E→e电子飞出，自己被吸收（光子撞击产生电子） 与频率ν线性，与入射强度无关，Emax=普朗克常量h*入射光频率ν-逸出功A0 Γ射线穿透物质，I=I0exp(-吸收系数*厚度)，吸收系数=光电吸收系数+康吸+电子对生成吸 康普顿效应 散射： γ E ↑，与电子弹性碰撞，自己偏离，e电子冲出来，e康 散射光子，反冲电子（外层电子） 电子对效应 变电子对： γ E ↑ ↑ ，路过，库伦场， →e+ e- 电子对，光子消失 能量守恒 前=后 hν=Ee++Ee-+2m0c2 动量守恒，且能量>= 2m0c2 =1.022M eV 2011年秋冬学期

2.10.2 探测器 概述 核辐射接收器也叫核辐射检测器，以射线和物质的相互作用为基础，核辐射信号→电→射线强度→被测参数 按介质类型和作用机制 气体探测器 通过气体时 在平行板电容器上U 收集 电子-正离子对 闪烁探测器 闪烁计数器， E辐射→E光→E电 （发光 荧光光子—收集到光阴管—光电子） 半导体探测器 半导体材料，两个电极间，有U 粒子→电子-空穴对 2011年秋冬学期

类型 原理 特点 收集到的离子数和U关系 应用 气体探测器 射线→气体→电子-正离子对→││电容U→收集→输出=f（射线种类和强度） 灵敏，体积大学形状不受限制，无损伤或极易恢复，经济可靠 收集前复合区 上升 饱和区（电离室区） 平，完全收集，电源电压稳定度要求↓ 电离室 正比区（限制正比区） 次级电离或新的离子对，放大，可检测E小射线，但需电源电压稳定 正比计数管 雪崩区 收集到的离子对数目与射线粒子在气体中的电离无关 数目很大，与气体探测器特性及测量电路有关 盖革弥勒计数管(G-M）雪崩室 放电区 激发分子退激所发射的大量光子→新雪崩，在工作区形成正离子通道而连续放电 2011年秋冬学期

气体探测器 电离室 平行极板电容器，收集电极1，高压电极2，绝缘层4和保护电极3。U极化电压→电离电流 射线→气体→电子-正离子对→││电容U→收集→输出=f（射线种类和强度） 检测α 平行极板电容器，收集电极1，高压电极2，绝缘层4和保护电极3。U极化电压→电离电流 工作体积↑耗粒子能多些，为↓βγ影响加铅屏蔽层 工作气体：Ar Ne等惰性气体N2等，俘获电子概率低形成负离子不多 减少离子复合概率 脉冲工作式：记录单个入射粒子引起的电脉冲 电流工作式：记录大量入射粒子在单位时间内产生的平均电流 两者结构和信号产生机制无本质差别，在输出回路的时间常数和电离室电极间绝缘结构的不同 检测Β 容积大，对准射线源有薄窗口，电极56接1端子，34接2端子 电极距离不大电压不必太高 容积和窗口够大 检测γ 2011年秋冬学期

多次电子雪崩→高压电源充电。不能区分不同种类不同能量的粒子，只要射入的粒子引起电离，就可被记录 气体探测器 电离室 正比室 盖革弥勒计数管 多次电子雪崩→高压电源充电。不能区分不同种类不同能量的粒子，只要射入的粒子引起电离，就可被记录 灵敏度、输出脉冲、结构、使用↑，造价↓对带电粒子如αβ检测效率↑对γ检测效率↓ 用来测γ和β，也可测αX，G-M计数器通常由G-M计数管（产生电脉冲）、高压电源和定标器（记录脉冲数）组成 2011年秋冬学期

类型 原理 特点 应用 气体探测器 闪烁探测器 （闪烁计数器） 辐射→光→电，闪烁晶体，光电倍增管，输出电路 射线，闪烁体原子电离或激发，在退激时发出荧光，被光阴极收集，光电效应，光电子，光电倍增管倍增，阳极电流脉冲 闪烁晶体：无机（对入射粒子阻止本领↑发光效率↑探测效率↑ ）、有机（发光时间↓需与倍增管配合），固态液态气态， 效率高，分辨时间短，可测γ还可测带电不带电粒子，广泛 α—硫化锌 β—有机 γ--碘化钠 无机 应用广泛 半导体探测器 锗、硅，与气体电离室相似，电子空穴对，收集电极上感应出电荷，脉冲信号 入射粒子更易产生电子-空穴对，分辨率高（10倍）可测低能量X射线；体积小重量轻结构简使用方便；难做大做厚难测高能辐射输出信号小电路复杂 对带电粒子能谱学和γ射线谱学带来飞跃，常用： PN结、面垒型、高纯锗 2011年秋冬学期

核辐射式检测元件的应用 应用广泛，如：核物理、原子分子物理研究；成分分析、探伤、测厚、医学诊断等 放射源管理，核辐射剂量，防止泄漏和丢失，如用G-M计数管测γ，通常用5min的脉冲数取平均 核辐射测厚仪 2011年秋冬学期

小结 回顾 课堂练习 参考资料 机械式（弹性式）、电阻式（应变、热电阻）、电容式、热电式、压电式、光电式、磁电式、磁弹性式、核辐射式 习题荟萃 参考资料 浙江大学精品课程网，http://jpkc.zju.edu.cn:8080/ka/index.htm 王化祥 主编. 自动检测技术. 北京：化学工业出版社，2005 Cc98 系板-面试宝典 2011年秋冬学期

回顾 机械式（弹性式） 电阻式 电容式 P26 弹性元件基本性能 P28 弹性元件的种类、特点、应用 应变片 P34 应变片灵敏度的2个影响因素 P36 主要特性 P38 温度效应补偿 热电阻和热电偶的区别？ 电容式 各参数之间什么关系 电容式最大的特点 2011年秋冬学期

热电式 压电式 光电式 磁电式 热电效应、几个定律、求热端温度 温度补偿的本质问题 P56 光轴电轴机械轴 电荷与几何尺寸的关系 外光电 内光电效应 P60 基本特性的含义 通俗理解 光电式在环保领域的应用 磁电式 P68 磁电式检测元件及误差补偿 P71 霍尔元件的应用 U IB ned 2011年秋冬学期

磁弹性式 磁致伸缩、压磁效应 居里温度 核辐射式 气体探测器 闪烁探测器 半导体探测器 2011年秋冬学期

谢谢！下几次课由黄老师上 谢谢！下几次课由黄老师上 2011年秋冬学期