微波传感器的应用.pptx

第11章 微 波 传 感 器 第11章 微 波 传 感 器 11.1 微波概述微波概述 11.2 微波传感器的原理和组成微波传感器的原理和组成11.3 微波传感器的应用微波传感器的应用 第11章 微 波 传 感 器 11.1 微波概述微波概述 微微波波：波长为0.1 m 1 mm的电电磁磁波波（频频率率范范围围：300MHZ3000GHZ），可以细分为三个波段：三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微微波波的的性性质质：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。特点：特点：似光性和似声性-像光线一样直线传播、反射和折射、易集中；波长与无线电波相当，特征与声波相似；分析方法独特-属高频，应用电磁场理论的场与波传输的分析方法；共度性-其微波振荡周期与电子在真空管内的渡越时间（秒左右）相当，这个特性称为共度性；穿透性-传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小，水对微波的吸收作用最强。；信息性-信息容量巨大，应用领域广泛；非电离性-微波与物体之间的作用是非电离第11章 微 波 传 感 器 11.2 微波传感器的原理和组成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的测量原理及分类 测量原理：利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。测量原理：利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。分类：分类：分为反射式和遮断式两类。分为反射式和遮断式两类。第11章 微 波 传 感 器 1.反射式微波传感器反射式微波传感器 反反射射式式微微波波传传感感器器：通通过过检检测测被被测测物物反反射射回回来来的的微微波波功功率率或或经经过过的的时时间间间间隔隔来来测测量量被被测测量量的的。通通常常它它可可以以测测量量物物体体的的位位置、位移、厚度等参数置、位移、厚度等参数。2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器 遮遮断断式式微微波波传传感感器器：通通过过检检测测接接收收天天线线收收到到的的微微波波功功率率大大小小来来判判断断发发射射天天线线与与接接收收天天线线之之间间有有无无被被测测物物体体或或被被测测物物体体的的厚度、厚度、含水量等参数的。含水量等参数的。第11章 微 波 传 感 器 11.2.2 微波传感器的组成微波传感器的组成组组成成：微微波波发发射射器器（即即微微波波振振荡荡器器）、微微波波天天线线及及微微波波检检测测器器三部分。三部分。1.微波振荡器及微波天线微波振荡器及微波天线 微波振荡器：微波振荡器：是产生微波的装置。对对振振荡荡回回路路的的要要求求：由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz300 GHz）要要求求振振荡荡回回路路中中具具有有非非常常微微小小的的电电感感与与电电容容不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。微微波波振振荡荡器器的的构构成成器器件件：有调速管、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。第11章 微 波 传 感 器 微微波波天天线线：用用波波导导管管（管长为10 cm以上，可用同轴电缆）传传输输，并并通通过过天天线线发发射射出出去去。为为了了使使发发射射的的微微波波具具有有尖尖锐锐的的方方向向性性，天天线线要要具具有有特特殊殊的的结结构构。常常用用的的天天线线如如图图11-1所所示示，其其中中有有喇喇叭叭形形天天线线（图图（a）、（b）、抛抛物物面面天天线线（图图（c）、（d）、介介质天线与隙缝天线等。质天线与隙缝天线等。喇喇叭叭形形天天线线结结构构简简单单，制制造造方方便便，可可以以看看作作是是波波导导管管的的延延续续。喇喇叭叭形形天天线线在在波波导导管管与与空空间间之之间间起起匹匹配配作作用用，可可以以获获得得最最大大能能量量输输出出。抛抛物物面天线使微波发射方向性得到改善。面天线使微波发射方向性得到改善。图图11-1 常用的微波天线常用的微波天线(a)扇形喇叭天线扇形喇叭天线(b)圆锥形喇叭天线圆锥形喇叭天线 (c)旋转抛物面天线旋转抛物面天线(d)抛物柱面天线抛物柱面天线 第11章 微 波 传 感 器 2.微波检测器微波检测器敏敏感感探探头头：电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使使用用电流电流-电压特性呈现非线性电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。的电子元件作为探测它的敏感探头。要要求求：足足够够快快的的响响应应速速度度。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。不同频率、不同要求下采用的探头元件：不同频率、不同要求下采用的探头元件：几兆赫以下半导体PN结，频率比较高的使用肖特基结。灵敏度特性要求特别高的情况下使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，接近光的频率区域使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。第11章 微 波 传 感 器 两种微波的检测方法：微波的检测方法：一种是将微波变化为电流的视频变化方式，将微波变化为电流的视频变化方式，一种是与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。微微波波检检测测器器性性能能参参数数：频率范围、灵敏度-波长特性、检测面积、FOV（视角）、输入耦合率、电压灵敏度、输出阻抗、响应时间常数、噪声特性、极化灵敏度、工作温度、可靠性、温度特性、耐环境性等。第11章 微 波 传 感 器 11.2.3 微波传感器的特点微波传感器的特点 微波传感器是一种新型的微波传感器是一种新型的非接触传感器。非接触传感器。特点：特点：有有极极宽宽的的频频谱谱（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；适适用用于于恶恶劣劣环环境境下下工工作作：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；水对微波的吸收作用最强，水对微波的吸收作用最强，介质对微波的吸收介质的介电常数成比例；第11章 微 波 传 感 器 便便于于自自动动控控制制：时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理；便便于于实实现现遥遥测测和和遥遥控控：测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，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。第11章 微 波 传 感 器 11.3 微波传感器的应用微波传感器的应用 图11-2 微波液位计 11.3.1.微波液位计微波液位计（图图11-2）波长 的微波信号从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收的微波功率的大小随着被测液面的高低不同而异。第11章 微 波 传 感 器 11.3.2 微波湿度传感器微波湿度传感器 水水分分子子在在微微波波场场中中的的储储能能与与释释能能水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在在外外电电场场作作用用下下，偶偶极极子子会会形形成成定定向向排排列列。当当微微波波场场中中有有水水分分子子时时，偶偶极极子子受受场场的的作作用用而而反反复复取取向向，不不断断从从电电场场中中得得到到能能量量（储储能能）表表现现为为微微波波信信号号的相移，又不断释放能量（放能）的相移，又不断释放能量（放能）表现为微波衰减。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：式中：储能的度量；储能的度量；衰减的度量；衰减的度量；常数。常数。第11章 微 波 传 感 器 与与与与材材料料、测测试试信信号号频频率率有有关关,极极性性分分子子均均有有此此特特性性。一一般般干干燥燥的的物物体体，如如木木材材、皮皮革革、谷谷物物、纸纸张张、塑塑料料等等，其其在在15范范围围内内，而而水水的的则则高高达达64因因此此如如果果材材料料中中含含有有少少量量水水分分子子时时，其其复合复合将显著上升，将显著上升，也有类似性质。也有类似性质。使使用用微微波波传传感感器器测测量量物物体体的的含含水水量量：测测量量干干燥燥物物体体与与含含一一定定水水分分的的潮潮湿湿物物体体所所引引起起的的微微波波信信号号的的相相移移与与衰衰减量，减量，就可以换算出物体的含水量。就可以换算出物体的含水量。第11章 微 波 传 感 器 图11-3测量酒精含水量的仪器框图。工工作作原原理理：MS产产生生的的微微波波功功率率经经分分功功率率器器分分成成两两路路，再再经经衰衰减减器器A1、A2分分别别注注入入到到两两个个完完全全相相同同的的转转换换器器T1、T2中中。其其中中，T1放放置置无无水水酒酒精精，T2放放置置被被测测样样品品。相相位位与与衰衰减减测测定定仪仪（PT、AT）分分别别反反复复接接通通两两电电路路（T1和和T2）输输出出，自自动动记记录录与与显显示示它它们们之之间间的的相相位位差差与与衰衰减减差差，从从而而确确定定样品酒精的含水量。样品酒精的含水量。图11-3 酒精含水量测量仪框图 第11章 微 波 传 感 器 11.3.3 微波测厚仪微波测厚仪 微微波波测测厚厚仪仪：利利用用微微波波在在传传播播过过程程中中遇遇到到被被测测物物体体金金属属表表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚。面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚。工工作作过过程程（图11-4）：被被测测金金属属体体上上下下两两表表面面各各安安装装一一个个终终端端器器。信信号号微微波波经经A、D传传输输到到上上终终端端器器发发射射到到被被测测物物体体上上表表面面上上全全反反射射后后又又回回到到上上终终端端器器D、AE下下终终端端器器发发射射到到被被测测物物体体下下表表面面的的微微波波全全反反射后又回到下终端器射后又回到下终端器EA。因此被被测测物物体体的的厚厚度度与与微微波波传传输输过过程程中中的的行行程程长长度度有有密密切切关系，关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。上传输导管D下传输导管E图图 11-4 微波测微波测厚仪原理图厚仪原理图 第11章 微 波 传 感 器 第11章 微 波 传 感 器 微微波波自自动动平平衡衡电电桥桥法法通通常常微微波波传传输输的的行行程程长长度度的的变变化化非非常常微微小小。为为了了精精确确地地测测量量出出这这一一微微小小变变化化，通通常常采采用用微微波波自自动动平平衡衡电电桥桥法法：前前述述微微波波传传输输行行程程作作为为测测量量臂臂，而而完完全全模模拟拟测测量量臂臂微微波波的的传传输输行行程程设设置置一一个个参参考考臂臂（图图11-4右右部部）。若若两两臂臂行行程程完完全全相相同同则则反反相相叠叠加加的的微微波波经经过过检检波波器器C检检波波后后，输输出出为为零零。若若两两臂臂行行程程长长度度不不同同两两路路微微波波叠叠加加后后不不能能相相互互抵抵消消经经检检波波器器后后便便有有不不平平衡衡信信号号输输出出该该信信号号经经放放大大后后控控制制可可逆逆电电机机旋旋转转，带带动动补补偿偿短短路路器器产产生生位位移移改改变变补补偿偿短短路路器器的的长长度度，直直到到两两臂臂行行程程长长度度完完全全相相同同，放放大大器器输输出出为为零零，可可逆逆电电机机停停止止转转动动为为止。止。上传输导管D下传输导管E图 11-4 微波测厚仪原理图 第11章 微 波 传 感 器 补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为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 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被测物厚度变化；S补偿短路器位移值。补偿短路器位移值补偿短路器位移值S即为被测物厚度变化值即为被测物厚度变化值h。第11章 微 波 传 感 器 11.3.4 微波辐射计（温度传感器）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微波辐射计能测量对象的温度。普朗克公式在微波领域可近似为(11-2)就微波辐射计而言，它以一定的频带宽检测来自物体的微微波波辐辐射射辉辉度度L(,T)。由于此电信号输出正比于物体的发发射射率率(,)和绝绝对对温温度度的乘积，因此微波辐射计指示的温度不是物体的真实温度，而是辉度温度=(,)。第11章 微 波 传 感 器 微波温度传感器原理方框图。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。微微波波温温度度传传感感器器最最有有价价值值的的应应用用微波遥测，将它装在航天器上，可以遥遥测测大大气气对对流流层层的的状状况况，可以进进行行大大地地测测量量与与探探矿矿，遥遥测测水水质质污污染染程度，确确定定水水域域范范围围，判判断断植植物物品品种种等。等。图11-5 微波温度传感器原理框图 第11章 微 波 传 感 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 自学自学 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）第11章 微 波 传 感 器 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Ue sin2f0t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）第11章 微 波 传 感 器 因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是，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)第11章 微 波 传 感 器 11.3.6 微波无损检测微波无损检测 微微波波无无损损检检测测原原理理：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，此时的微微波波场场会会受受到到材材料料中中的的电电磁磁参参数数和和几几何何参参数数的的影影响响。通通过过测测量量微微波波信信号号基基本本参参数数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。第11章 微 波 传 感 器 可用微波无损检测技术对复合材料制品进行评定可用微波无损检测技术对复合材料制品进行评定 复合材料在工艺过程中，由于增强了纤维的表面状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等因素，因此，在复复合合材材料料制制品品中中难难免免会会出出现现气气孔孔、疏疏松松、树树脂脂开开裂裂、分分层层、脱脱粘粘等等缺缺陷陷。这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用微波无损检测技术进行评定可用微波无损检测技术进行评定。第11章 微 波 传 感 器 微微波波无无损损检检测测系系统统组组成成（图11-6）：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:K=2/，为波长；气隙的半径。图11-6 微波无损检测方框图 微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通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缺陷的目的。第11章 微 波 传 感 器 当微波的工作频率为 36.5z时，=1.0,也就是说,=6 mm时，可检出的孔隙的最小直径约为2.0mm。从原理上讲，当微波波长为1mm时，可检出最小的孔径大约为0.3 mm。通常，根据所需检测的介质中最小气隙的半径来确定微波的工作频率。