第11章 微波傳感器

1、第11章 微 波 傳 感 器 第11章 微 波 傳 感 器 11.1 微波概述微波概述 11.2 微波傳感器的原理和組成微波傳感器的原理和組成11.3 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 第11章 微 波 傳 感 器 11.1 微波概述微波概述 微波是波長為1 mm1 m的電磁波，可以細(xì)分為三個波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對波長較長的電磁波。微波具有下列特點(diǎn)： 定向輻射的裝置容易制造； 遇到各種障礙物易于反射； 繞射能力差； 傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光的影響很小； 介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，

2、水對微波的吸收作用最強(qiáng)。 第11章 微 波 傳 感 器 11.2 微波傳感器的原理和組成微波傳感器的原理和組成 11.2.1 微波傳感器的測量原理及分類微波傳感器的測量原理及分類 微波傳感器: 利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。 根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為: 1. 反射式微波傳感器反射式微波傳感器 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)。 2. 遮斷式微波傳感器遮斷式微波傳感器 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、

3、 含水量等參數(shù)的。 第11章 微 波 傳 感 器 11.2.2 微波傳感器的組成微波傳感器的組成 微波發(fā)射器（即微波振蕩器） 微波天線 微波檢測器 1. 微波振蕩器及微波天線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（300 MHz300 GHz），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:(1) 調(diào)速管(2) 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。 第11章 微 波 傳 感 器 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

4、線; (d) 拋物柱面天線 (a)(b)(c)(d)第11章 微 波 傳 感 器 2. 微波檢測器微波檢測器 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:半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié): 在幾兆赫以下的頻率肖特基結(jié)肖特基結(jié): 頻率比較高 在靈敏度特性要求特別高的情況下: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 在接近光的頻率區(qū)域:由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件隧道結(jié)元件 檢測方法(1) 將微波變化為電流的視頻變化方式(2) 與本機(jī)振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。 第1

5、1章 微 波 傳 感 器 11.2.3 微波傳感器的特點(diǎn)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)： 有極寬的頻譜（波長=1.0 mm1.0m）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； 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； 時間常數(shù)小， 反應(yīng)速度快， 可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實(shí)時處理， 便于自動控制； 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(shí)現(xiàn)遙測和遙控； 微波無顯著輻射公害。 微波傳感器存在的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。 其次，

6、 使用時外界環(huán)境因素影響較多， 如溫度、 氣壓、 取樣位置等。 第11章 微 波 傳 感 器 11.3 微波傳感器的應(yīng)用微波傳感器的應(yīng)用 圖11-2 微波液位計 微波發(fā)射天線Sd微波接收天線11.3.1 微波液位計微波液位計Pr為接收天線接收到的功率，即 22rtt2r44dSGGPP式中，d為兩天線與被測液面間的垂直距離；Pt為發(fā)射天線發(fā)射的功率；Gt為發(fā)射天線的增益；Gr為接收天線的增益。當(dāng)發(fā)射功率、波長、增益均恒定時，上式可改寫為 22122rtt2r4/444dKKdSGGPP式中, K1為取決于波長、發(fā)射功率和天線增益的常數(shù)；K2為取決于天線安裝方法和安裝距離的常數(shù)。第11章 微 波

7、 傳 感 器 當(dāng)被測物位較低時， 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、 與電壓比較器比較后， 發(fā)出正常工作信號。 當(dāng)被測物位升高到天線所在高度時， 微波束部分被吸收， 部分被反射， 接收天線接收到的功率相應(yīng)減弱， 經(jīng)檢波、 放大后， 低于設(shè)定電壓信號， 微波物位計就發(fā)出被測物位高出設(shè)定物位的信號。 微波物位計微波物位計開關(guān)式微波物位計示意圖 被測物位低于設(shè)定物位時， 接收天線接收到的功率為 rtt204GGPSP被測物位升高到天線所在高度時， 接收天線接收的功率為 0rPP式中，為由被測物形狀、材料性質(zhì)、電磁性能等因素決定的系數(shù)。 第11章 微 波 傳 感 器 11.3.

8、2 微波濕度傳感器微波濕度傳感器 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），表現(xiàn)為微波信號的相移又不斷釋放能量（放能），表現(xiàn)為微波衰減。 這個特性可用水分子自身介電常數(shù)來表征， 即 =+ (11-1) 式中：儲能的度量； 衰減的度量；常數(shù)。 與與材料和測試信號頻率有關(guān), 所以極性分子均有此特性。一般干燥的物體，其在15范圍內(nèi)， 而水的則高達(dá)64， 因此如果材料中含有少量水分子時，其復(fù)合將顯著上升， 也有類似性質(zhì)。 第11章 微 波 傳 感 器 圖11-3 酒精含

9、水量測量儀框圖 T1A1T2A2MSPTATDD 使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相移與衰減量， 就可以換算出物體的含水量。MS產(chǎn)生微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，衰減器A1、A2完全相同的轉(zhuǎn)換器T1 （無水酒精） 、T2（被測樣品）相位與衰減測定儀（PT、AT），自動記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差， 從而確定樣品酒精的含水量。 第11章 微 波 傳 感 器 11.3.3 微波測厚儀微波測厚儀 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。 圖 11-4 微波測厚儀原理圖 放大器C環(huán)行器A環(huán)行器B上終

10、端器被測體下終端器補(bǔ)償短路器微波信號源振動短路器可逆電機(jī)光電轉(zhuǎn)換器顯示器第11章 微 波 傳 感 器 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 S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h 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； LA被測物厚度變化h后引起的測量臂行程長度變化值； h被測物厚度變化； S補(bǔ)償短路器位移值。 由上式可知，補(bǔ)償短路器位移值S即為被測物厚度變化值h。 第11章 微 波 傳 感 器 11.3.4 微波輻射計（溫度傳感器）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

11、。指示的溫度：輝度溫度L(,T) =(,)。 TiCTcBPFLNAMLOIFA圖11-5 微波溫度傳感器原理框圖 Ti為輸入（被測）溫度，Tc為基準(zhǔn)溫度，C為環(huán)行器，BPF為帶通濾波器， LNA為低噪聲放大器，IFA為中頻放大器，M為混頻器，LO為本機(jī)振蕩器。 第11章 微 波 傳 感 器 11.3.5 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 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+

12、fD 式中fD是多卜勒頻率，并可表示為 cvffD02（11-4） （11-3） 第11章 微 波 傳 感 器 當(dāng)物體靠近靶時, 多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時，fD為負(fù)。 輸入接收機(jī)的反射波的電壓ue可用下式表示： crftffUuDee004)(2sin（11-5） 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Uesin2f0t與上述反射信號混合后，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 crftfUuDdd042sin（11-6） 第11章 微 波 傳 感 器 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，則可利用下式求出距離r： )(412ffcr(11-7) 1221114 r第11章 微 波 傳 感 器 11.3.6 微波無損檢測微波無損檢測 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