常用傳感器微波傳感器

1、掌握道路交通常用傳感器的基本原理掌握道路交通常用傳感器的基本原理2 2、5 5 微波傳感器微波傳感器目錄目錄41.1傳感器概述12351.2壓電傳感器1.3光電傳感器1.4電渦流傳感器1.5微波傳感器671.6超聲波傳感器1.7圖像傳感器 微波式傳感器的微波式傳感器的優(yōu)點：優(yōu)點： （1 1）測量具有非接觸性，可以進行活體檢驗，大部分測量不需要）測量具有非接觸性，可以進行活體檢驗，大部分測量不需要取樣。取樣。 （2 2）快速、靈敏度高，捕捉信息快，可以進行動態(tài)檢測和適時）快速、靈敏度高，捕捉信息快，可以進行動態(tài)檢測和適時處理，進而實現(xiàn)自動控制。處理，進而實現(xiàn)自動控制。 （3 3）能夠適應惡劣壞境

2、下的檢惻。如高溫、高壓；有毒、放射）能夠適應惡劣壞境下的檢惻。如高溫、高壓；有毒、放射性環(huán)境以及惡劣天氣等。性環(huán)境以及惡劣天氣等。 （4 4）測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉(zhuǎn)換，輸出）測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉(zhuǎn)換，輸出信號便于與計算機接口。信號便于與計算機接口。5.2 微波式傳感器 （5 5）輸出信號可以方便地調(diào)制在載波信號上進行無線發(fā)射與接收，）輸出信號可以方便地調(diào)制在載波信號上進行無線發(fā)射與接收，從而實現(xiàn)遙測與遙控。從而實現(xiàn)遙測與遙控。 微波式傳感器的微波式傳感器的缺點：缺點： （1 1）零點漂移和定標問題尚未獲得較滿意的解決。）零點漂移和定標問題尚未獲得較滿意的

3、解決。 （2 2）使用受外界影響因素較多，如溫度、）使用受外界影響因素較多，如溫度、壓力、取樣位置等。此壓力、取樣位置等。此外，一般價格昂貴。外，一般價格昂貴。 5.2 微波式傳感器微波式傳感器應用微波式傳感器用途：適用于賓館、銀行、辦公樓、工廠等出入人員較多的自動門。一、一、 微波的性質(zhì)與特點微波的性質(zhì)與特點二、二、 微波振蕩器與微波天線微波振蕩器與微波天線三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用5.2 微波式傳感器一、一、 微波的性質(zhì)與特點微波的性質(zhì)與特點 微波是波長為微波是波長為1mm1m1mm1m的的電磁波電磁波，可以細分為三，可以細分為三個波段：分米波、厘米波、毫米波（甚至還包

4、括亞毫個波段：分米波、厘米波、毫米波（甚至還包括亞毫米波）。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無米波）。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)。線電波和光波的性質(zhì)。 微波具有下列特點：微波具有下列特點： 定向輻射裝置容易制造；定向輻射裝置容易制造；一、一、 微波的性質(zhì)與特點微波的性質(zhì)與特點 遇到各種障礙物易于反射；遇到各種障礙物易于反射； 繞射能力差；繞射能力差； 傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強光的影響很?。粡姽獾挠绊懞苄。?介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸

5、收作用最強。對微波的吸收作用最強。電磁波波段的劃分二、二、 微波振蕩器與微波天線微波振蕩器與微波天線 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長很短，頻率很高（頻率很高（300MHz300GHz300MHz300GHz），要求振蕩回路具有），要求振蕩回路具有非常微小的電感與電容。非常微小的電感與電容。 故不能用普通電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成故不能用普通電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器。構(gòu)成微波振蕩器的器件有微波振蕩器的器件有調(diào)整管，磁控管調(diào)整管，磁控管或或某些固體元件某些固體元件。 二、 微波振蕩器與微波天線 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用由微

6、波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導管波導管（波長（波長在在10cm10cm以上可用同軸線）傳輸，并通過天線發(fā)射出去。以上可用同軸線）傳輸，并通過天線發(fā)射出去。 為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線應具有為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線應具有特殊的結(jié)構(gòu)。特殊的結(jié)構(gòu)。常用的有喇叭型天線、拋物面天線、介常用的有喇叭型天線、拋物面天線、介質(zhì)天線與隙縫天線等。質(zhì)天線與隙縫天線等。二、 微波振蕩器與微波天線 其中喇叭型天線結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可以看作其中喇叭型天線結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可以看作是波導管的延續(xù)。喇叭型天線在波導管與敞開的空是波導管的延續(xù)。喇叭型天線在波導管與敞開的空間之間起匹配作用，以獲

7、得最大能量輸出。間之間起匹配作用，以獲得最大能量輸出。 拋物面天線猶如凹面鏡產(chǎn)生平行光一樣，能使微拋物面天線猶如凹面鏡產(chǎn)生平行光一樣，能使微波發(fā)射的方向性得到改善。波發(fā)射的方向性得到改善。 微波天線的形式微波天線的形式(a)(b)(c)(d) (a)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； (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 三三 、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用1. 1.微波傳感器微波傳感器 微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。件或裝置。微波傳感器通常由

8、微波傳感器通常由微波發(fā)射器微波發(fā)射器（即微波振（即微波振蕩器）、蕩器）、微波天線微波天線及及微波檢測器微波檢測器三部分組成。三部分組成。 由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。收或反射，使微波功率發(fā)生變化。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被若利用接收天線，接收到通過被測物體或由被測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，測物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實現(xiàn)微波檢測?，F(xiàn)微波

9、檢測。 根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式反射式和和遮斷式遮斷式兩類。兩類。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 （1 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、厚度等被測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。參數(shù)。 （2 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

10、發(fā)射天線與接收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、含水量等參天線之間有無被測物體或被測物體的厚度、含水量等參數(shù)的。數(shù)的。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用2.2.微波傳感器的應用微波傳感器的應用 （1 1）微波液位計）微波液位計 如圖所示為微波液位計示意圖。它由相互構(gòu)成一如圖所示為微波液位計示意圖。它由相互構(gòu)成一定角度、相距為定角度、相距為s s的發(fā)射天線與接收天線構(gòu)成。的發(fā)射天線與接收天線構(gòu)成。 微波發(fā)射天線Sd微波接收天線 波長為波長為l l的微波從被測液面反射后進入接收天線。的微波從被測液面反射后進入接收天線。接收天線接收到的

11、接收天線接收到的功率將隨被測液面的高低不同而異功率將隨被測液面的高低不同而異。接收天線接收到的功率為。接收天線接收到的功率為22rtt2r4)4(dsGGPPl 式中式中 d d兩天線與被測液面間的垂直距離；兩天線與被測液面間的垂直距離； P Pt t發(fā)射天線發(fā)射的功率；發(fā)射天線發(fā)射的功率； G Gt t發(fā)射天線的增益；發(fā)射天線的增益； G Gr r接收天線的增益。接收天線的增益。 當發(fā)射功率、波長、增益均恒定時，只要測得接收到當發(fā)射功率、波長、增益均恒定時，只要測得接收到功率功率P Pr r ，就可獲得被測液面的高度，就可獲得被測液面的高度d d。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應

12、用 （2 2） 微波物位計微波物位計 當被測物當被測物位較低時，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部位較低時，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由接收天線接收，接收天線接收到的功由接收天線接收，接收天線接收到的功率為率為 rtt20)4(GGPsPl當被測物位升高到天線所在高度時，微波束部分被吸收，當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為部分被反射，接收天線接收到的功率為 0rPP式中，式中， 是由被測物形狀、材料性質(zhì)、電磁性能等因素決定是由被測物形狀、材料性質(zhì)、電磁性能等因素決定的系數(shù)。的系數(shù)。 導向微波式物位測量儀三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 （3

13、3）微波測厚儀）微波測厚儀 如圖所示，在被測金屬上、下兩面各安裝一個終端器。如圖所示，在被測金屬上、下兩面各安裝一個終端器。微波信號源發(fā)出的微波，經(jīng)環(huán)行器微波信號源發(fā)出的微波，經(jīng)環(huán)行器A A，上傳輸波導管輸?shù)缴辖K端器。，上傳輸波導管輸?shù)缴辖K端器。 由上終端器發(fā)射到被測金屬上表面的微波，經(jīng)反射后又回到上終端器，由上終端器發(fā)射到被測金屬上表面的微波，經(jīng)反射后又回到上終端器，再經(jīng)傳輸波導管，環(huán)行器再經(jīng)傳輸波導管，環(huán)行器A A，下傳輸波導管送到下終端器。，下傳輸波導管送到下終端器。放大器C環(huán)行器A環(huán)行器B上終端器被測體下終端器補償短路器微波信號源振動短路器可逆電機光電轉(zhuǎn)換器顯示器三、三、 微波傳感器及

14、其應用微波傳感器及其應用 由下終端器發(fā)射到被測金屬下表面的微波，經(jīng)反射由下終端器發(fā)射到被測金屬下表面的微波，經(jīng)反射后又回到下終端器，再經(jīng)傳輸波導管回到環(huán)行器后又回到下終端器，再經(jīng)傳輸波導管回到環(huán)行器A A。 因此被測金屬的厚度與微波傳輸過程中的電行程長因此被測金屬的厚度與微波傳輸過程中的電行程長度密切相關，即被測金屬厚度增大時微波電行程長度度密切相關，即被測金屬厚度增大時微波電行程長度將減小。將減小。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 顯然，這個顯然，這個電行程長度變化是十分微小的電行程長度變化是十分微小的。為測量這。為測量這一微小變化，通常采用一微小變化，通常采用微波自動平衡電橋

15、微波自動平衡電橋。 圖中左邊為測量臂，右邊為參考臂。若測量臂和參考圖中左邊為測量臂，右邊為參考臂。若測量臂和參考臂電行程完全相同，則反相迭加的微波經(jīng)檢波器檢波后，臂電行程完全相同，則反相迭加的微波經(jīng)檢波器檢波后，輸出為零，電橋平衡；輸出為零，電橋平衡； 若二者電行程長度不同，則反射回來的微波相位角不若二者電行程長度不同，則反射回來的微波相位角不同，經(jīng)反相迭加后不能互相抵消，經(jīng)檢波器檢波后便有同，經(jīng)反相迭加后不能互相抵消，經(jīng)檢波器檢波后便有不平衡信號輸出。不平衡信號輸出。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 此差值信號經(jīng)放大后控制可逆電機，使補償短路器此差值信號經(jīng)放大后控制可逆電機，使

16、補償短路器產(chǎn)生位移，改變參考臂的電行程，直到測量臂與參考產(chǎn)生位移，改變參考臂的電行程，直到測量臂與參考臂電行程完全相同為止。臂電行程完全相同為止。 補償短路器位移與被測金屬厚度增量之間的關系式補償短路器位移與被測金屬厚度增量之間的關系式為為hLsLLLLL2,2,ABAABB三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 式中，式中，LA、LB分別為測量臂和參考臂在電分別為測量臂和參考臂在電橋平衡時的電行程長度，且橋平衡時的電行程長度，且LA=LB； LA、 LB為測量臂和參考臂電行程長度的變化值；為測量臂和參考臂電行程長度的變化值； h為為被測金屬厚度變化值，被測金屬厚度變化值， s為為補償

17、短路器的位移補償短路器的位移。 由上式可知，補償短路器的位移由上式可知，補償短路器的位移 s即為被即為被測金屬的厚度變化測金屬的厚度變化 h。測出。測出 s，就可知道，就可知道 h或或被測金屬厚度。被測金屬厚度。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 （4）微波濕度傳感器）微波濕度傳感器 水分子是極性分子，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。場作用下，偶極子會形成定向排列。 當微波場中有水分子時，偶極子受場的作用當微波場中有水分子時，偶極子受場的作用而反復取向，不斷從電場中得到能量（儲能）

18、，而反復取向，不斷從電場中得到能量（儲能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號的相移，后者表現(xiàn)為微波信號的衰減。的相移，后者表現(xiàn)為微波信號的衰減。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 這個特性可用水分子自身介電常數(shù)這個特性可用水分子自身介電常數(shù)e e來表征，即來表征，即 式中式中，e e、e e分別為儲能和衰減的度量；分別為儲能和衰減的度量；a a為常數(shù)。為常數(shù)。 e e與與e e不僅與材料有關，還與測試信號頻率有關，所有不僅與材料有關，還與測試信號頻率有關，所有極性分子均有此特性。極性分子均有此特性。 一般干燥的物體，如木材、皮革、

19、谷物、紙張、塑料等，其一般干燥的物體，如木材、皮革、谷物、紙張、塑料等，其e e在在1515范圍內(nèi)，而水的范圍內(nèi)，而水的e e則高達則高達6464。eee a三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 因此，如果材料中含有少因此，如果材料中含有少量水分子時，其復合量水分子時，其復合e e將顯將顯著上升，著上升，e e也有類似性質(zhì)。也有類似性質(zhì)。 使用微波傳感器，測量干使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相物體所引起的微波信號的相移與衰減量，就可以換算出移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。物體的含水量。 一種德國生產(chǎn)的微波水分一種德國

20、生產(chǎn)的微波水分測定儀如圖所示。測定儀如圖所示。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 （5 5）微波傳感器控制的自動燈）微波傳感器控制的自動燈 電路圖如圖所示，其核心器件是電路圖如圖所示，其核心器件是RD627RD627型微功型微功率多普勒效應傳感器模塊。該模塊由振蕩器、發(fā)射率多普勒效應傳感器模塊。該模塊由振蕩器、發(fā)射器、檢測器、信號放大器、限幅、穩(wěn)壓、延時等電器、檢測器、信號放大器、限幅、穩(wěn)壓、延時等電路組成。路組成。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 振蕩器產(chǎn)生的微波信號，經(jīng)環(huán)形天線發(fā)射出去，構(gòu)振蕩器產(chǎn)生的微波信號，經(jīng)環(huán)形天線發(fā)射出去，構(gòu)成一個覆蓋范圍大于成一個覆蓋范圍

21、大于100m100m2 2的微波防護區(qū)，當有人在的微波防護區(qū)，當有人在該區(qū)域內(nèi)走動時，反射回來的微波信號產(chǎn)生頻移，該該區(qū)域內(nèi)走動時，反射回來的微波信號產(chǎn)生頻移，該信號經(jīng)檢測器處理后，再經(jīng)放大，由信號經(jīng)檢測器處理后，再經(jīng)放大，由6 6腳輸出一種和腳輸出一種和人體移動相應的超低頻信號。人體移動相應的超低頻信號。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 SA1SA1接通后，接通后，IC1IC1加電處于守候狀態(tài)。當有人來時，加電處于守候狀態(tài)。當有人來時，IC1IC1的的6 6腳輸出信號，該信號放大后使腳輸出信號，該信號放大后使IC2IC2內(nèi)部開關閉合，內(nèi)部開關閉合，繼電器繼電器J J中有電流流過

22、，驅(qū)動中有電流流過，驅(qū)動SA2SA2閉合導通，燈泡閉合導通，燈泡ZDZD發(fā)發(fā)光。光。 當人走后，當人走后，IC1IC1的的6 6腳無輸出，腳無輸出，IC2IC2內(nèi)部開關斷開，繼內(nèi)部開關斷開，繼電器電器1 1釋放，釋放，SA2SA2斷開，燈泡熄滅。如圖所示。斷開，燈泡熄滅。如圖所示。三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 （6 6）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 微波測定微波測定移動物體的速度和距離是利用雷達能動地將微波發(fā)移動物體的速度和距離是利用雷達能動地將微波發(fā)射到對象物，并接收返回的反射波的能動型傳感器。射到對象物，并接收返回的反射波的能動型傳感器。 若

23、對在距離發(fā)射天線為若對在距離發(fā)射天線為r r的位置上以相對速度的位置上以相對速度u u運動運動的物體發(fā)射微波，則由于多普勒效應，反射波的頻的物體發(fā)射微波，則由于多普勒效應，反射波的頻率率f fr r發(fā)生偏移，如下式所示發(fā)生偏移，如下式所示f f r r=f=f 0 0+f+fD D三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用式中式中f fD D是多普勒頻移，并可表示為是多普勒頻移，并可表示為cffu0D2 當物體靠近時，多普勒頻率當物體靠近時，多普勒頻率fD為正；遠離為正；遠離時時fD為負。接收機接收到的反射波的電壓為負。接收機接收到的反射波的電壓ue可可用下式表示：用下式表示：crftffUuD00ee4)(2sin三、三、 微波傳感器及其應用微波傳感器及其應用 括號內(nèi)的第二項是因電波在距離括號內(nèi)的第二項是因電波在距離r上往返上往返而產(chǎn)生的相位滯后。而產(chǎn)生的相位滯后。 與來自發(fā)射機