微波傳感器3.14課件

1、11微波傳感器微波傳感器11.1微波的基礎(chǔ)知識11.2微波傳感器及其分類11.3微波傳感器的優(yōu)點與存在的問題11.4微波傳感器的應(yīng)用11.1微波的基本知識 微波既有電磁波性質(zhì)，又不同于無線電波和光波。 是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性微波量子的能量為1 99l0 -25 19910-22j 【 0 】微波的性質(zhì)和特點【 1 】微波的性質(zhì) 微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三

2、個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。一、穿透性穿透性微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。二、選擇性加熱選擇性加熱 物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于

3、各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。 三、熱慣性小熱慣性小微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。 【 2 】微波的產(chǎn)生 微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得?？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大

4、類：半導體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運動來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在目前微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。 【 3 】微波的熱效應(yīng) 微波對生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對生物體產(chǎn)生的生理影響熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動也會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運動能量增加如果生物體組織吸收的微波能量較少，它可借助自身的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過血循環(huán)將吸收的微波能

5、量(熱量)散發(fā)至全身或體外如果微波功率很強，生物組織吸收的微波能量多于生物體所能散發(fā)的能量，則引起該部位體溫升高局部組織溫度升高將產(chǎn)生一系列生理反應(yīng)，如使局部血管擴張，并通過熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)使血循環(huán)加速，組織代謝增強，白細胞吞噬作用增強，促進病理產(chǎn)物的吸收和消散等 【 4 】微波的非熱效應(yīng) 微波的非熱效應(yīng)是指除熱效應(yīng)以外的其他效應(yīng)，如電效應(yīng)、磁效應(yīng)及化學效應(yīng)等在微波電磁場的作用下，生物體內(nèi)的一些分子將會產(chǎn)生變形和振動，使細胞膜功能受到影響，使細胞膜內(nèi)外液體的電狀況發(fā)生變化，引起生物作用的改變，進而可影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)等微波干擾生物電(如心電、腦電、肌電、神經(jīng)傳導電位、細胞活動膜電位等)的節(jié)律，會導致心

6、臟活動、腦神經(jīng)活動及內(nèi)分泌活動等一系列障礙對微波的非熱效應(yīng)，人們還了解的不很多當生物體受強功率微波照射時，熱效應(yīng)是主要的(一般認為，功率密度在在10mWcm2者多產(chǎn)生微熱效應(yīng)且頻率越高產(chǎn)生熱效應(yīng)的閾強度越低)；長期的低功率密度(1 m Wcm2 以下)微波輻射主要引起非熱效應(yīng) 【 5 】微波加熱的原理 微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電波，被加熱介質(zhì)物料中的水分子是極性分子。它在快速變化的高頻點磁場作用下，其極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化。造成分子的運動相互摩擦效應(yīng)，此時微波場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化和膨化等一系列物化過程而達到微波加熱干燥的目的 【 6 】微

7、波殺菌的機理 微波殺菌是利用了電磁場的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)的共同作用的結(jié)果。微波對細菌的熱效應(yīng)是使蛋白質(zhì)變化，使細菌失去營養(yǎng)，繁殖和生存的條件而死亡。微波對細菌的生物效應(yīng)是微波電場改變細胞膜斷面的電位分布，影響細胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，細菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，細胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。此外，微波能使細菌正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核酸RNA和脫氧核糖核酸DNA，是由若干氫鍵松弛，斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂。 【 7 】微波爐的工作原理 1946年，斯潘瑟還是美國雷聲公司的研究員。一個偶然的機會，他發(fā)現(xiàn)微波溶化了糖果。事實

8、證明，微波輻射能引起食物內(nèi)部的分子振動，從而產(chǎn)生熱量。1947年，第一臺微波爐問世。 顧名思義，微波爐就是用微波來煮飯燒菜的。微波是一種電磁波。這種電磁波的能量不僅比通常的無線電波大得多，而且還很有個性：微波一碰到金屬就發(fā)生反射，金屬根本沒有辦法吸收或傳導它；微波可以穿過玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透過，其能量反而會被吸收。 微波爐正是利用微波的這些特性制作的。微波爐的外殼用不銹鋼等金屬材料制成，可以阻擋微波從爐內(nèi)逃出，以免影響人們的身體健康。裝食物的容器則用絕緣材料制成。微波爐的心臟是磁控管。這個叫磁控管的電子管是個微波發(fā)生器，它能產(chǎn)生每秒鐘振動

9、頻率為24.5億次的微波。這種肉眼看不見的微波，能穿透食物達5cm深，并使食物中的水分子也隨之運動，劇烈的運動產(chǎn)生了大量的熱能，于是食物煮熟了。這就是微波爐加熱的原理。用普通爐灶煮食物時，熱量總是從食物外部逐漸進入食物內(nèi)部的。而用微波爐烹飪，熱量則是直接深入食物內(nèi)部，所以烹飪速度比其它爐灶快4至10倍，熱效率高達110%以上。目前，其他各種爐灶的熱效率無法與它相比。 而微波爐由于烹飪的時間很短，能很好地保持食物中的維生素和天然風味。比如，用微波爐煮青豌豆，幾乎可以使維生素C一點都不損失。另外，微波還可以消毒殺菌。 使用微波爐時，應(yīng)注意不要空燒，因為空燒時，微波的能量無法被吸收，這樣很容易損壞磁

10、控管。另外，人體組織是含有大量水分的，一定要在磁控管停止工作后，再打開爐門，提取食物。 【 11 】光波爐是最新推出的家用烹調(diào)用爐，號稱微波爐的升級版的光波爐與微波爐的原理不同。微波爐是利用磁控管加熱的，但光波微波組合爐是在微波爐爐腔內(nèi)增設(shè)了一個光波發(fā)射源，能巧妙地利用光波和微波綜合對食物進行加熱。格蘭仕推出的光波微波爐組合爐在工作時，光源、磁控管可以同時啟動。兩者既可以單獨使用，又可以組合使用，全部功能均采用最新高科技數(shù)碼控制。在使用中既可以微波操作，又可用光波單獨操作，還可以光波、微波組合操作。因此，光波爐兼容了微波爐的功能。從結(jié)構(gòu)上看，光波爐在爐腔上部設(shè)置了光波發(fā)射器和光波反射器。光波反

11、射器可以確保光波在最短時間內(nèi)聚焦熱能最大化，這也是光波爐在結(jié)構(gòu)上與普通微波爐的重要區(qū)別。相比微波爐，光波爐具有加熱速度快、加熱均勻、能最大限度地保持食物的營養(yǎng)成分不損失等諸多優(yōu)點。光波微波組合爐主要用途在于能大大提高微波爐的加熱效率，并在烹飪過程中最大程度地保持食物的營養(yǎng)成分，避免在烹飪食物時盡量減少水分的喪失。其實光波是微波爐的輔助功能，只對燒烤起作用。沒有微波，光波爐只相當于普通烤箱。市場上的光波爐都是光波、微波組合爐，在使用中既可以微波操作，又可用光波單獨操作，還可以光波微波組合操作。也就是說，光波爐兼容了微波爐的功能。 現(xiàn)在光波爐的輸出功率多為七八百瓦，不少消費者可能覺得這么高的功率也

12、很費電，實際上這是對光波爐的一種誤解。光波爐和一般烹飪器具不同，除了方便快捷，健康環(huán)保外，它還有特別的“節(jié)能”手段。首先，光波爐是采用光波和微波雙重高效加熱，瞬間即能產(chǎn)生巨大熱量。又因為加熱是直接針對食物本身，不需要通過器皿傳熱，且內(nèi)外同時進行，加熱時間極短，效率很高，大多食物僅需兩三分鐘。而一般的加熱方式在容器、空間等上浪費的熱能很多。據(jù)測試證明，光波爐加熱的能源利用率可高達95以上，靠電爐絲加熱的電器只有60，煤氣和液化氣是55。 【 9 】熱波爐 是利用光波技術(shù)加熱旋風對流加熱的原理，使空氣熱分子均勻包圍食物，利用熱空氣分子的高度穿透力將食物均勻煮熟，同時保持食物中的原體水分。溫度從60

13、250自行調(diào)整，可達到100%殺菌的目的，又能恰如其分地溶解食物中的營養(yǎng)成份，能將食物中的大分子成份分解生成人體可吸收的小分子成份，又不至于產(chǎn)生油煙或其他有害物質(zhì)。光熱熱效率比微波爐稍高又節(jié)能省電，容器清洗方便并可任意更換。 【 10 】微波傳感器的原理和組成定向輻射裝置易造遇到各種障礙物易于反射繞射能力差傳輸特性好，在傳輸過程中受煙霧，火焰，灰塵，強光影響小介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)介電常數(shù)成正比，水對微波的吸收作用最強微波的特點2微波天線微波震蕩器波導管天線10cm喇叭形狀天線拋物面形狀天線3微波檢測器11.2微波傳感器及其分類 微波傳感器“ 利用微波的特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射

14、天線發(fā)出微波，遇到被測物體時微波被吸收或反射，使其功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)整電路后，可以顯示出被測量，從而實現(xiàn)微波檢測過程。 可以分成反射式和遮斷式1）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物的位置，位移厚度等參數(shù)2）遮斷式微波傳感器 通過檢測接收天線受到的微波功率的大小，來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置與含水量等參數(shù)微波傳感器的裝置MS微波源T轉(zhuǎn)換器R接收器有源微波傳感器自振式微波傳感器11.3微波傳感器的優(yōu)點和存在問題（1）微波傳感器的優(yōu)點可以實現(xiàn)非

15、接觸測量，可以進行活體檢測，大部分測量不需要取樣。檢測速度快，靈敏度高，可以進行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制?？梢栽趷毫迎h(huán)境條件下進行檢測，如高溫，高壓，有毒，有放射線環(huán)境條件下工作。輸出信號可以方便地調(diào)制在載波信號上進行反射與接收，便于實現(xiàn)遙測與遙控。2）微波傳感器存在問題 微波傳感器的主要問題是零點漂移和標定問題，這些問題有待于進一步解決。 外界環(huán)境對微波傳感器影響較多，如溫度，氣壓，取樣位置11.4微波傳感器的應(yīng)用（1）微波濕度（水分）傳感器 在微波場中含有水分子，偶極子受到電場作用，從電場中得到能量表現(xiàn)為微波的相移，又釋放能量表現(xiàn)為微波衰減，即 常數(shù)衰減度量儲能度量 介電常數(shù)與材料

16、本身有關(guān)，還和測試信號的頻率有關(guān)測量物體含水量的原理 測量干燥物體和含有一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相移和衰減量，將其換算成物體的含水量 現(xiàn)在已經(jīng)研究出的含水量測量儀器 土壤，煤，石油，礦砂，酒精，玉米，稻谷，塑料，皮革測量酒精含水量MSA1A2T2T1PTATDD分工器衰減器被測樣品轉(zhuǎn)換器無水酒精相位測定儀衰減測定儀 注意： 對于顆粒狀物料，由于形狀各異，裝料不均等因素，測量其含水量時，對微波傳感器的要求比較高（2）微波液位計l微波發(fā)射天線微波接收天線d相距為L的發(fā)射天線與接收天線，相互成一定角度，波長為的微波從被測液面的高度不同而不同。接收天線接收到的功率為220204)4(dlG

17、PGPtPt發(fā)射天線的發(fā)射功率Gt發(fā)射天線的增益G0接收天線的增益D兩天線與被測表面間的垂直距離2212222020414)4(dKKdldlGGPPtt當發(fā)射功率，波長，增益均恒定時，上式可以寫為K1為取決于發(fā)射功率，天線增益與波長的常數(shù)；K2為取決于天線安裝方法和安裝距離的常數(shù)（3）微波物位計 當被測物體位置較低時，發(fā)射天線發(fā)出的 微波束全部由接收天線接收，經(jīng)過檢波，放大與設(shè)定物位升高到天線所在高度時，微波束部分被物體吸收，部分反射，接收天心接收到的微波功率相應(yīng)減弱，經(jīng)檢波，放大與設(shè)定電壓比較，低于設(shè)定電壓值時，微波物位就發(fā)出被測物體位置高出設(shè)定物位的信號振蕩器電源被測對象前置放大器放大器

18、電壓放大器l微波開關(guān)式物位計（4）微波測厚儀 原理：利用微波在傳播過程中遇到被測物金屬表面時被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進行厚度測量的?？赡骐姍C光電轉(zhuǎn)換器顯示器放大器補償短路器振動短路器環(huán)形器A環(huán)形器BC微波信號源上終端器被測物下終端器工作過程 在被測金屬物體上下表面各安裝一個終端器，微波信號源發(fā)出的微波，經(jīng)過環(huán)行器A，由傳輸波導管傳輸?shù)缴辖K端器，再由上終端器發(fā)射到被測物上表面上，微波在被測物上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸波導管，環(huán)行器A，下傳輸波導管傳送到下終端器。由下終端器發(fā)射到被測物下表面微波，經(jīng)全反射后回到下終端器，再經(jīng)過傳輸波導管回到環(huán)行器A。因此被測物的厚度與

19、微波傳輸過程中的行程長度密切關(guān)系，當被測物厚度增加時，微波傳輸?shù)男谐虦p小。采用微波自動平衡電橋法 目的：測量微小行程變。 將微波傳輸行程作為測量臂，完全模擬測量臂設(shè)置一個參考臂。若測量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)檢波器G檢波后，輸出為零。若兩臂行程長度不同，則反射回來的微波的相位角不同，經(jīng)反射疊加后不相互抵消，再經(jīng)檢波器檢波后就有不平衡信號輸出。此差值信號經(jīng)過放大后控制可逆電機旋轉(zhuǎn)，帶動補償短路器產(chǎn)生位移，從而改變補償短路的長度，直到兩臂行程長度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機停止轉(zhuǎn)動為止。補償短路器的位移與被測物厚度增加之間關(guān)系為hhLLLLLSABAAB)()(LA電橋平衡時測量臂的行程長度LB電橋平衡時測量臂的行程長度 LA被測物厚度變化 h后引起測量臂行程