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1、第11章 微 波 传 感 器,11.1 微波概述 11.2 微波传感器的原理和组成 11.3 微波传感器的应用,11.1 微波概述,微波是波长为1 mm1 m的电磁波，可以细分为三个波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波具有下列特点： 定向辐射的装置容易制造； 遇到各种障碍物易于反射； 绕射能力差； 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小； 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例， 水对微波的吸收作用最强。,11.2 微波传感器的原理和组成,11.2.1 微波传感器的测量原理及分类 微波传感器
2、: 利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为: 1. 反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。 2. 遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、 含水量等参数的。,11.2.2 微波传感器的组成 微波发射器（即微波振荡器） 微波天线 微波检测器 1. 微波振荡器及微波天线 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz300 GHz），要
3、求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件: (1) 调速管 (2) 磁控管或某些固态器件 小型微波振荡器也可以采用体效应管。,图11-1 常用的微波天线 扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线; (c) 旋转抛物面天线; (d) 抛物柱面天线,2. 微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。 在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度: 半导体PN结: 在几兆赫以下的频率 肖特基结: 频率比较高 在灵敏度特性要求特别高的情况下: 超导材料的约瑟夫逊结检测器、SI
4、S检测器等超导隧道结元件 在接近光的频率区域: 由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件 检测方法 (1) 将微波变化为电流的视频变化方式 (2) 与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。 ,11.2.3 微波传感器的特点 微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点： 有极宽的频谱（波长=1.0 mm1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率； 在烟雾、 粉尘、 水汽、 化学气氛以及高、 低温环境中对检测信号的传播影响极小， 因此可以在恶劣环境下工作； 时间常数小， 反应速度快， 可以进行动态检测与实时处理， 便于自动控制； 测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换
5、， 从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控； 微波无显著辐射公害。 微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。 其次， 使用时外界环境因素影响较多， 如温度、 气压、 取样位置等。 ,11.3 微波传感器的应用,图11-2 微波液位计,11.3.1 微波液位计,Pr为接收天线接收到的功率，即,式中，d为两天线与被测液面间的垂直距离； Pt为发射天线发射的功率；Gt为发射天线的增益； Gr为接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为,式中, K1为取决于波长、发射功率和天线增益的常数；K2为取决于天线安装方法和安装距离的常数。,当被测物位较低时
6、， 发射天线发出的微波束全部由接收天线接收， 经检波、 放大、 与电压比较器比较后， 发出正常工作信号。 当被测物位升高到天线所在高度时， 微波束部分被吸收， 部分被反射， 接收天线接收到的功率相应减弱， 经检波、 放大后， 低于设定电压信号， 微波物位计就发出被测物位高出设定物位的信号。,微波物位计,开关式微波物位计示意图,被测物位低于设定物位时， 接收天线接收到的功率为,被测物位升高到天线所在高度时， 接收天线接收的功率为,式中，为由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。,11.3.2 微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。 在外电场作用下，偶极子
7、会形成定向排列。 当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向， 不断从电场中得到能量（储能），表现为微波信号的相移 又不断释放能量（放能），表现为微波衰减。 这个特性可用水分子自身介电常数来表征， 即,=+,(11-1),式中：储能的度量； 衰减的度量；常数。,与与材料和测试信号频率有关, 所以极性分子均有此特性。一般干燥的物体，其在15范围内， 而水的则高达64， 因此如果材料中含有少量水分子时，其复合将显著上升， 也有类似性质。 ,图11-3 酒精含水量测量仪框图,使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量， 就可以换算出物体的含水量。,MS产生
8、微波功率经分功率器分成两路，衰减器A1、A2 完全相同的转换器T1 （无水酒精） 、T2（被测样品） 相位与衰减测定仪（PT、AT），自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差， 从而确定样品酒精的含水量。,11.3.3 微波测厚仪 微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。,图 11-4 微波测厚仪原理图,补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为,S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h,式中： LA电桥平衡时测量臂行程长度； LB电桥平衡时参考臂行程长度； LA被测物厚度变化h后引起的测量臂行程长度变化值； h被测物
9、厚度变化； S补偿短路器位移值。,由上式可知，补偿短路器位移值S即为被测物厚度变化值h。,11.3.4 微波辐射计（温度传感器） 任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热能。微波辐射计能测量对象的温度。,指示的温度：辉度温度 L(,T) =(,)。,图11-5 微波温度传感器原理框图,Ti为输入（被测）温度， Tc为基准温度，C为环行器，BPF为带通滤波器， LNA为低噪声放大器， IFA为中频放大器， M为混频器， LO为本机振荡器。 ,11.3.5 微波测定移动物体的速度和距离 微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若
10、对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多卜勒效应，反射波的频率fr发生偏移，如下式所示：,f r=f 0+fD,式中fD是多卜勒频率，并可表示为,（11-4）,（11-3）,当物体靠近靶时, 多卜勒频率fD为正；远离靶时，fD为负。 输入接收机的反射波的电压ue可用下式表示：,（11-5）,括号内的第二项是因电波在距离r上往返而产生的相位滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Uesin2f0t与上述反射信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两频率之差，即fD的差拍频率的多卜勒输出信号为,（11-6）,因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是，
11、 用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电波f1和f2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。 若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为，则可利用下式求出距离r：,(11-7),11.3.6 微波无损检测 微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用， 一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。 微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组成,当以金属介质内的气孔作为散射源，产生明显的散射效应时，最小气隙的半径与波长的关系符合下列公式 :,图11-6 微波无损检测方框图,式中： K=2/，其中为波长；气隙的半径。,=1.0, =6 mm, 工作频率为 36.5z,
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