微波檢測(cè)技術(shù)

1、 微波檢測(cè)技術(shù)微波檢測(cè)技術(shù) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容: 微波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)微波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí) 微波測(cè)濕技術(shù)微波測(cè)濕技術(shù) 微波物位計(jì)微波物位計(jì) 一、微波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí)一、微波檢測(cè)的基礎(chǔ)知識(shí) 1. 微波的定義及其特點(diǎn)微波的定義及其特點(diǎn) 通常將波長(zhǎng)在通常將波長(zhǎng)在0.0011m，頻率從，頻率從300到到300000兆赫兆赫范圍內(nèi)的電磁波稱(chēng)為微波。范圍內(nèi)的電磁波稱(chēng)為微波。 特點(diǎn)特點(diǎn) : 定向傳播定向傳播 準(zhǔn)光學(xué)特性準(zhǔn)光學(xué)特性 傳輸特性好傳輸特性好 介質(zhì)對(duì)微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水介質(zhì)對(duì)微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)n微波振蕩器與微波天線微波振蕩器與微波天線n

2、微波是用微波振蕩器產(chǎn)生的。由微波是用微波振蕩器產(chǎn)生的。由f = 1/2 可知，可知，為為n了得到很高的頻率了得到很高的頻率f，振蕩回路的電感，振蕩回路的電感L和電容和電容C就要很就要很小，小，n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)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)成成微微n波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管和某些固體元件，小波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管和某些固體元件，小型的型的n微波振蕩器也可采用體效應(yīng)管。微波振蕩器也可采用體效應(yīng)管。 n 微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)要用微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)要用波導(dǎo)管波導(dǎo)管引到發(fā)射天引到發(fā)射天線波線波n長(zhǎng)為長(zhǎng)為10cm以上可用同軸電纜）

3、發(fā)射出去。以上可用同軸電纜）發(fā)射出去。 n 為了保證發(fā)射的微波有很強(qiáng)的方向性，必須使用特為了保證發(fā)射的微波有很強(qiáng)的方向性，必須使用特殊結(jié)殊結(jié)n構(gòu)的發(fā)射天線。常有的發(fā)射天線有構(gòu)的發(fā)射天線。常有的發(fā)射天線有喇叭形天線、拋物面喇叭形天線、拋物面天天n線、介質(zhì)天線等。線、介質(zhì)天線等。 LC常見(jiàn)的微波天線常見(jiàn)的微波天線扇形喇叭天線扇形喇叭天線 (b) 圓錐形喇叭天線圓錐形喇叭天線 (a)(c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線旋轉(zhuǎn)拋物面天線 (d) 拋物柱面天線拋物柱面天線n微波在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用微波在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用 n利用微波的定向輻射特性進(jìn)行測(cè)量利用微波的定向輻射特性進(jìn)行測(cè)量n 據(jù)此原理可以制成開(kāi)關(guān)式物位計(jì)據(jù)此原理

4、可以制成開(kāi)關(guān)式物位計(jì) n利用微波的反射特性進(jìn)行測(cè)量利用微波的反射特性進(jìn)行測(cè)量n 可以制成液位計(jì)、測(cè)厚儀和微波雷達(dá)等?？梢灾瞥梢何挥?jì)、測(cè)厚儀和微波雷達(dá)等。n利用物質(zhì)對(duì)微波的選擇性吸收特性進(jìn)行測(cè)量利用物質(zhì)對(duì)微波的選擇性吸收特性進(jìn)行測(cè)量n 可以測(cè)量紙張、糧食、木材、糖果等固體物料的含可以測(cè)量紙張、糧食、木材、糖果等固體物料的含水量。水量。 二、微波測(cè)濕技術(shù)二、微波測(cè)濕技術(shù)n微波測(cè)濕的原理微波測(cè)濕的原理 n 水分子是強(qiáng)極性分子，在外電場(chǎng)作用下將產(chǎn)生強(qiáng)的水分子是強(qiáng)極性分子，在外電場(chǎng)作用下將產(chǎn)生強(qiáng)的取向取向n極化，極化的結(jié)果是將外電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換成水分子的勢(shì)極化，極化的結(jié)果是將外電場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換成水分子的勢(shì)能

5、，能，n這一勢(shì)能意味著將從外電場(chǎng)獲得的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。這一勢(shì)能意味著將從外電場(chǎng)獲得的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。n 由于水的吸收損耗遠(yuǎn)較其它電介質(zhì)大，所以，當(dāng)微由于水的吸收損耗遠(yuǎn)較其它電介質(zhì)大，所以，當(dāng)微波功波功n率通過(guò)物料時(shí)，其衰減量的大小將主要取決于物料中水率通過(guò)物料時(shí)，其衰減量的大小將主要取決于物料中水分含分含n量的多少，這就是衰減法微波測(cè)濕的原理。量的多少，這就是衰減法微波測(cè)濕的原理。 2、微波測(cè)濕技術(shù)的應(yīng)用、微波測(cè)濕技術(shù)的應(yīng)用 利用微波測(cè)量濕度或水分的方式基本上有三種類(lèi)型，即利用微波測(cè)量濕度或水分的方式基本上有三種類(lèi)型，即空間波式、波導(dǎo)式和反射式空間波式、波導(dǎo)式和反射式。 煤中含水量的測(cè)量煤中含水量

6、的測(cè)量 衰減法微波測(cè)濕原理方框圖衰減法微波測(cè)濕原理方框圖 微波測(cè)量煤的含水量示意圖微波測(cè)量煤的含水量示意圖 校準(zhǔn)曲線校準(zhǔn)曲線 三、微波物位計(jì)三、微波物位計(jì) 微波超聲波波類(lèi)型電磁波機(jī)械波反射特性在不同介電率的界面上反射在不同聲阻抗率的界面上反射壓力影響微不足道很小溫度影響微不足道需溫度補(bǔ)償傳播速度約3 108m/s（在真空中）約344 m/s（空氣中，20）測(cè)量盲區(qū)到天線頂端離輻射面大于250mm動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)150 dB高達(dá)100 Db傳播環(huán)境很少受氣相環(huán)境影響要求均一的氣體環(huán)境 微波和超聲波的差別微波和超聲波的差別 n微波物位測(cè)量原理微波物位測(cè)量原理 n有遮斷式和反射式兩種有遮斷式和反射式兩種

7、n(1)遮斷式物位計(jì)遮斷式物位計(jì) (2) 反射式物位計(jì)反射式物位計(jì) 反射式物位計(jì)是利用回聲測(cè)距的原理工作的。其原理如圖所示。發(fā)射天線反射式物位計(jì)是利用回聲測(cè)距的原理工作的。其原理如圖所示。發(fā)射天線向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射微波，被測(cè)目標(biāo)反射的微波被接收天線接收。由于天線與待測(cè)界向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射微波，被測(cè)目標(biāo)反射的微波被接收天線接收。由于天線與待測(cè)界面的距離不同（因物位變化），接收天線接受到的微波功率也不一樣，可由接收面的距離不同（因物位變化），接收天線接受到的微波功率也不一樣，可由接收到的功率的大小來(lái)反映物位的高度。在發(fā)射功率及兩天線的距離到的功率的大小來(lái)反映物位的高度。在發(fā)射功率及兩天線的距離S為定值、其

8、它為定值、其它有關(guān)參數(shù)不變的情況下，接收功率與天線距物位的距離有關(guān)參數(shù)不變的情況下，接收功率與天線距物位的距離d有關(guān)。測(cè)出接收功率即有關(guān)。測(cè)出接收功率即可求知距離可求知距離d，從而能測(cè)得物位。，從而能測(cè)得物位。 由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射（因泡沫、由于微波在傳播途徑上有衰減和干擾反射（因泡沫、蒸汽粉塵、冷凝、貯罐內(nèi)部構(gòu)件反射等）蒸汽粉塵、冷凝、貯罐內(nèi)部構(gòu)件反射等）, 故測(cè)量的關(guān)鍵故測(cè)量的關(guān)鍵是要能接收到反射回波，并識(shí)別出有效回波。接收的回波是要能接收到反射回波，并識(shí)別出有效回波。接收的回波能量能量Pk可用簡(jiǎn)化的雷達(dá)方程表示如下：可用簡(jiǎn)化的雷達(dá)方程表示如下： 式中式中 P 天線輻射功率

9、；天線輻射功率； C 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由系統(tǒng)決定；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由系統(tǒng)決定； Gi 目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益；目標(biāo)表面介電特性及面積決定的反射增益； Gt、Gk 天線的發(fā)射和接收增益（效率）；天線的發(fā)射和接收增益（效率）； r 天線與目標(biāo)間距離。天線與目標(biāo)間距離。 4/rGGGCPPktiK2. 微波系統(tǒng)的分類(lèi)微波系統(tǒng)的分類(lèi) 測(cè)距的微波系統(tǒng)通常分為兩類(lèi)：脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)測(cè)距的微波系統(tǒng)通常分為兩類(lèi)：脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)（波雷達(dá)（FMCW） 脈沖雷達(dá)脈沖雷達(dá) 脈沖雷達(dá)技術(shù)用于較短距離的測(cè)量及物位測(cè)量。微波脈脈沖雷達(dá)技術(shù)用于較短距離的測(cè)量及物位測(cè)量。微波脈沖來(lái)回傳播時(shí)間沖來(lái)回傳播時(shí)間t由下式

10、決定：由下式?jīng)Q定： 式中式中 a 天線到被測(cè)目標(biāo)的距離；天線到被測(cè)目標(biāo)的距離； c 微波傳播速度。微波傳播速度。 由于傳播距離較短，微波脈沖的傳播時(shí)間是納秒級(jí)的。由于傳播距離較短，微波脈沖的傳播時(shí)間是納秒級(jí)的。 cat/2 調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá) 一個(gè)波幅恒定的線性鋸齒波或三角波調(diào)頻的微波信號(hào)從一個(gè)波幅恒定的線性鋸齒波或三角波調(diào)頻的微波信號(hào)從天線發(fā)射，并從目標(biāo)上反射回來(lái)，調(diào)頻的上升時(shí)間必須足夠天線發(fā)射，并從目標(biāo)上反射回來(lái)，調(diào)頻的上升時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以便在調(diào)制結(jié)束前反射信號(hào)能返回到接收器。在用于物長(zhǎng)，以便在調(diào)制結(jié)束前反射信號(hào)能返回到接收器。在用于物位測(cè)量的雷達(dá)中，調(diào)頻產(chǎn)生在位測(cè)量的雷達(dá)中，調(diào)頻產(chǎn)生在824GHz之間。被反射的微之間。被反射的微波信號(hào)在延時(shí)時(shí)間波信號(hào)在延時(shí)時(shí)間t后被接收，并和頻率已變化的發(fā)射信號(hào)后被接收，并和頻率已變化的發(fā)射信號(hào)混混合。兩者的差頻被分離出來(lái)，假設(shè)物料表面是靜止的，則混合。兩者的差頻被分離出來(lái)，假設(shè)物料表面是靜止的，則混頻器輸出信號(hào)的頻率正比于延時(shí)時(shí)間頻器輸出信號(hào)的頻率正比于延時(shí)時(shí)間t，因而可據(jù)此計(jì)算天，因而可據(jù)此計(jì)算天線線到反射面的距離。用數(shù)字信號(hào)處理使之對(duì)同一變化方向上的到反射面的距離。用數(shù)字信號(hào)處理使之對(duì)同一變化方向上的突然相位變化不敏感，這樣就能