微波傳感器的應(yīng)用

1、 傳感器應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目 微波傳感器的應(yīng)用 姓 名 學(xué) 號(hào) 院（系） 電子電氣工程學(xué)院 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 職 稱 教授 二O一二年 七 月 六日摘要 微波傳感器具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)及非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。其原理是由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線通過被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由測(cè)量電路處理后，即顯示出被測(cè)量，就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。 本文論述了微波傳感器原理及實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑，介紹了微波傳感器的結(jié)構(gòu)、種類和應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：微波 ； 傳感器 ； 微波傳感器原理 ； 微波傳感器應(yīng)用Abstract Microw

2、ave sensor with high detection speed, high sensitivity, strong ability to adapt to the environment and has the advantages of non contact measurement. Its principle is composed of a transmitting antenna emits microwave, encountered object will be absorbed or reflected, so that the power change. If th

3、e receiving antenna through the analyte or analyte is reflected back by microwave, and convert it into electrical signals, and then processed by the measuring circuit, is demonstrated by measuring,on the realization of microwave detection.This paper discussed the principle and Realization of microwa

4、ve sensor technique, introduced themicrowave sensor structure, type and application. Key words：Microwave；Sensor；Microwave sensor principle； Application of microwave sensor目 錄引言 11 微波的概述 12 微波傳感器的原理和組成 22.1 微波傳感器的測(cè)量原理及分類 2 2.1.1 反射式微波傳感器 22.1.2 遮斷式微波傳感器 22.2 微波傳感器的組成 22.2.1 微波振蕩器及微波天線 22.2.2 微波檢測(cè)器 32

5、.3 傳感器的特點(diǎn) 33. 微波傳感器的應(yīng)用 33.1 微波濕度傳感器 43.2 微波測(cè)厚儀 53.3 微波輻射計(jì)（溫度傳感器） 63.4 微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和離 73.5 微波無損檢測(cè) 8結(jié)論 9參考文獻(xiàn) 10 微波式傳感器的應(yīng)用引言 微波半導(dǎo)體器件及微波集成電路，從雷達(dá)導(dǎo)航、電子對(duì)抗等軍事應(yīng)用領(lǐng)域 ，迅速擴(kuò)展到微波中繼通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、無線電話、衛(wèi)星直播電視、無線電纜電視、安全防范等眾多的商用領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展 ，方興未艾，前景廣闊。應(yīng)用的擴(kuò)大，市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，有力地促進(jìn)了微波半導(dǎo)體器件及微波集成電路品種的發(fā)展和性能的提高。微波半導(dǎo)體器件及微波集成電路的生產(chǎn)，也從多品種、

6、小批量的小規(guī)模方式，迅速向集約化、大規(guī)模方式發(fā)展 。 近年來 ，國(guó)外利用微波頻段電磁波的特性研制生產(chǎn)了大量用於非電參量的檢測(cè)和無損傷探測(cè)方面的微波傳感器，工作十分引人注目。微波傳感器具有不接觸、無損傷、連續(xù)、宴時(shí)、遠(yuǎn)距離、無毒害、不污染環(huán)境、易於維護(hù)、成本較低等一系列優(yōu)點(diǎn)，在許多場(chǎng)臺(tái)十分有用。長(zhǎng)期以來，傳感器的電檢測(cè)技術(shù)基本上局限於低頻和光頻兩個(gè)頻段并從集總電路參數(shù)和電壓 、電流的觀點(diǎn)來研究各種傳感器的性能，很少使用它們之間的微波頻段并從電磁波的角度來研究傳感器 本文的目的在於引起人們對(duì)微波傳感器這一新興領(lǐng)域的重視。我們相信，隨著這一領(lǐng)域的開拓和發(fā)展，不僅為傳感器增加了新的分支和新的品種，而且

7、也為微波半導(dǎo)體器件和微波集成電路開辟了新的應(yīng)用前景。 1. 微波概述 微波是波長(zhǎng)為1 mm1 m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段： 分米波、厘米波、毫米波。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)，是一種相對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波。微波具有下列特點(diǎn)： 定向輻射的裝置容易制造； 遇到各種障礙物易于反射； 繞射能力差； 傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光的影響很??； 介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例， 水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。 2.微波傳感器的原理和組成 2.1微波傳感器的測(cè)量原理及分類 微波傳感器是利用微波特性來檢測(cè)某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)

8、物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。 根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。 2.1.1 反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。 2.1.2 遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)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(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、 含水量等參數(shù)的。 2.2微波傳感器的組成 微波傳感器通常

9、由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、 微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。 2.2.1 微波振蕩器及微波天線 微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，即頻率很高（300 MHz300 GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，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)成微波振蕩器的器件有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)為10 cm以上，可用同軸電纜）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，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖1所示，其中有喇叭形天線（圖（a） 、（b）、 拋物面天線（圖

10、（c）、（d）、 介質(zhì)天線與隙縫天線等。 喇叭形天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(dǎo)管與空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線使微波發(fā)射方向性得到改善。 圖1 常用的微波天線(a) 喇叭天線; (b) 圓錐形喇叭天線; (c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線; (d) 拋物柱面天線 2.2.2微波檢測(cè)器 作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。與其它傳感器相比， 敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通常可用半導(dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度

11、特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。 微波的檢測(cè)方法有兩種，一種是將微波變化為電流的視頻變化方式，另一種是與本機(jī)振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。 微波檢測(cè)器性能參數(shù)有： 頻率范圍、 靈敏度-波長(zhǎng)特性、 檢測(cè)面積、FOV（視角）、輸入耦合率、電壓靈敏度、 輸出阻抗、 響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、 噪聲特性、極化靈敏度、工作溫度、可靠性、 溫度特性、 耐環(huán)境性等。2.3 傳感器的特點(diǎn) 微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)： 有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0 mm1.0m）可供選用，可根

12、據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率； 在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、 低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制； 測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控； 微波無顯著輻射公害。 微波傳感器存在的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次， 使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。 3.微波傳感器的應(yīng)用 圖2 微波液位計(jì) 3.1微波濕度傳感器 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。 在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)

13、形成定向排列。 當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。 這個(gè)特性可用水分子自身介電常數(shù)來表征， 即 =+ （公式1） 式中：儲(chǔ)能的度量； 衰減的度量；常數(shù)。 與不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān), 所以極性分子均有此特性。一般干燥的物體，如木材、皮革、谷物、 紙張、 塑料等，其在15范圍內(nèi)， 而水的則高達(dá)64， 因此如果材料中含有少量水分子時(shí)，其復(fù)合將顯著上升， 也有類似性質(zhì)。 使用微波傳感器，測(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量， 就可以換算出物體的含

14、水量。 圖3給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖中，MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功率器分成兩路，再經(jīng)衰減器A1、A2分別注入到兩個(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無水酒精， T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差， 從而確定樣品酒精的含水量。 圖3 酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖3.2微波測(cè)厚儀 微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。 微波測(cè)厚儀原理如圖4所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過環(huán)行器A、 上傳輸波導(dǎo)

15、管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測(cè)物體上表面上，微波在被測(cè)物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)物體下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)， 微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。 圖 4 微波測(cè)厚儀原理圖 一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法， 前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂（圖11-4右部）。若測(cè)量臂與參考臂行程

16、完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)過檢波器C檢波后，輸出為零。 若兩臂行程長(zhǎng)度不同，兩路微波疊加后不能相互抵消，經(jīng)檢波器后便有不平衡信號(hào)輸出。此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。 補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)物厚度增加量之間的關(guān)系式為 S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h （公式2） 式中： LA電橋平衡時(shí)測(cè)量臂行程長(zhǎng)度； LB電橋平衡時(shí)參考臂行程長(zhǎng)度； LA被測(cè)物厚度變化h后引起的測(cè)量臂行程長(zhǎng)度變化值； h被測(cè)物厚度變化； 由上式可知，補(bǔ)償短路器位移值S即為被測(cè)物厚度變化值h。

17、3.3微波輻射計(jì)（溫度傳感器） 任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都能夠向外輻射熱能。微波輻射計(jì)能測(cè)量對(duì)象的溫度。普朗克公式在微波領(lǐng)域可近似為 （公式3） 就微波輻射計(jì)而言，它以一定的頻帶寬檢測(cè)來自物體的微波輻射輝度L(,T)。由于此電信號(hào)輸出正比于物體的發(fā)射率(,)和絕對(duì)溫度的乘積，因此微波輻射計(jì)指示的溫度不是物體的真實(shí)溫度， 而是輝度溫度(,)。 圖5 微波溫度傳感器原理框圖 圖5給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。圖中Ti為輸入（被測(cè)）溫度，Tc為基準(zhǔn)溫度，C為環(huán)行器，BPF為帶通濾波器， LNA為低噪聲放大器，IFA為中頻放大器，M為混頻器，LO為本機(jī)振蕩器。 微波溫度傳感器最有價(jià)值的

18、應(yīng)用是微波遙測(cè)，將它裝在航天器上，可以遙測(cè)大氣對(duì)流層的狀況，可以進(jìn)行大地測(cè)量與探礦，可以遙測(cè)水質(zhì)污染程度，確定水域范圍，判斷植物品種等。3.4微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離 微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離是利用雷達(dá)能動(dòng)地將電波發(fā)射到對(duì)象物，并接受返回的反射波的能動(dòng)型傳感器。若對(duì)在距離發(fā)射天線為r的位置上以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射微波，則由于多卜勒效應(yīng)，反射波的頻率fr發(fā)生偏移，如下式所示： f r=f 0+fD （公式4）式中fD是多卜勒頻率，并可表示為 （公式5）當(dāng)物體靠近靶時(shí), 多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時(shí)，fD為負(fù)。 輸入接收機(jī)的反射波的電壓ue可用下式表示： （公式6）括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)是因電

19、波在距離r上往返而產(chǎn)生的相位滯后。用接收機(jī)將來自發(fā)射機(jī)的參照信號(hào)Ue sin2f0t與上述反射信號(hào)混合后，進(jìn)行超外差檢波，則可得到如下式那樣的具有兩頻率之差，即fD的差拍頻率的多卜勒輸出信號(hào)為 （公式7）因此，根據(jù)測(cè)量到的差拍信號(hào)頻率，可測(cè)定相對(duì)速度。但是， 用此方法不能測(cè)定距離。為此考慮發(fā)射頻率稍有不同的兩個(gè)電波f1和f2，這兩個(gè)波的反射波的多卜勒頻率也稍有不同。 若測(cè)定這兩個(gè)多卜勒輸出信號(hào)成分的相位差為，則可利用下式求出距離r： （公式8）3.5微波無損檢測(cè) 微波無損檢測(cè)是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用， 一方面微波在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射、散射、透射，另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用，此時(shí)的微波場(chǎng)會(huì)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的目的。 復(fù)合材料在工藝過程中，由于增強(qiáng)了纖維的表面狀態(tài)、 樹脂粘度、低分子物含量、線性高聚物向體型高聚物轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)速度、樹脂與纖維的浸漬性、組分材料熱膨脹系數(shù)的差異以及工藝參數(shù)控制的影響等因素，因此，在復(fù)