微波式傳感器的應用

1、 包頭師范學院本 科 畢 業(yè) 論 文論文題目： 微波式傳感器的應用 院 系： 物理科學與技術(shù)學院 專 業(yè)： 物理學 姓 名： 郝文興 學 號： 0809320114 指導教師： 邢茹老師 二 一 二 年 3 月摘要 微波傳感器具有檢測速度快、靈敏度高、適應環(huán)境能力強及非接觸測量等優(yōu)點。其原理是由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再由測量電路處理后，即顯示出被測量，就實現(xiàn)了微波檢測。 本文論述了微波傳感器原理及實現(xiàn)的技術(shù)途徑，介紹了微波傳感器的結(jié)構(gòu)、種類和應用。 關鍵詞：微波 ； 傳感器 ； 微

2、波傳感器原理 ； 微波傳感器應用Abstract Microwave 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,

3、so that the power change. If the 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 princ

4、iple and Realization of microwave 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

5、.2.1 微波振蕩器及微波天線 22.2.2 微波檢測器 32.3 傳感器的特點 33. 微波傳感器的應用 33.1 微波濕度傳感器 43.2 微波測厚儀 53.3 微波輻射計（溫度傳感器） 63.4 微波測定移動物體的速度和離 73.5 微波無損檢測 8結(jié)論 9參考文獻 10致謝 11 微波式傳感器的應用引言 微波半導體器件及微波集成電路，從雷達導航、電子對抗等軍事應用領域 ，迅速擴展到微波中繼通信、衛(wèi)星通信、移動通信、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域。這些應用領域的發(fā)展 ，方興未艾，前景廣闊。應用的擴大，市場需求的增長，有力地促進了微波半導體器件及微波集成電路

6、品種的發(fā)展和性能的提高。微波半導體器件及微波集成電路的生產(chǎn)，也從多品種、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和無損傷探測方面的微波傳感器，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、遠距離、無毒害、不污染環(huán)境、易於維護、成本較低等一系列優(yōu)點，在許多場臺十分有用。長期以來，傳感器的電檢測技術(shù)基本上局限於低頻和光頻兩個頻段并從集總電路參數(shù)和電壓 、電流的觀點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微波傳感器這一新興領域的重視。我們相

7、信，隨著這一領域的開拓和發(fā)展，不僅為傳感器增加了新的分支和新的品種，而且也為微波半導體器件和微波集成電路開辟了新的應用前景。 1. 微波概述 微波是波長為1 mm1 m的電磁波，可以細分為三個波段： 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)，是一種相對波長較長的電磁波。微波具有下列特點： 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、強光的影響很??； 介質(zhì)對微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例， 水對微波的吸收作用最強。 2.微波傳感器的原理和組成 2.1微波傳感器的測量原理及分類 微波傳感器是利

8、用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測物體時將被吸收或反射，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，再經(jīng)過信號調(diào)理電路，即可以顯示出被測量，實現(xiàn)了微波檢測。 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

9、測物體的厚度、 含水量等參數(shù)的。 2.2微波傳感器的組成 微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、 微波天線及微波檢測器三部分組成。 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管。 由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導管（管長為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

10、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（c）、（d）、 介質(zhì)天線與隙縫天線等。 喇叭形天線結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，可以看作是波導管的延續(xù)。喇叭形天線在波導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微波檢測器 作為空間的微小電場變動而傳播，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速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以

11、下的頻率通常可用半導體PN結(jié)，而對于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導材料的約瑟夫遜結(jié)檢測器、SIS檢測器等超導隧道結(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，另一種是與本機振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。 微波檢測器性能參數(shù)有： 頻率范圍、 靈敏度-波長特性、 檢測面積、FOV（視角）、輸入耦合率、電壓靈敏度、 輸出阻抗、 響應時間常數(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 微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器

12、具有如下特點： 有極寬的頻譜（波長=1.0 mm1.0m）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率； 在煙霧、粉塵、水汽、化學氣氛以及高、 低溫環(huán)境中對檢測信號的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作； 時間常數(shù)小，反應速度快，可以進行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制； 測量信號本身就是電信號，無須進行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化了傳感器與微處理器間的接口，便于實現(xiàn)遙測和遙控； 微波無顯著輻射公害。 微波傳感器存在的主要問題是零點漂移和標定尚未得到很好的解決。其次， 使用時外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。 3.微波傳感器的應用 圖2 微波液位計 3.1微波濕度傳感器 水分子是

13、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)為微波信號的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。 這個特性可用水分子自身介電常數(shù)來表征， 即 =+ （公式1） 式中：儲能的度量； 衰減的度量；常數(shù)。 與不僅與材料有關，還與測試信號頻率有關, 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64， 因此如果材料中含有少量水分子時，其復合將顯著上升， 也有類似性質(zhì)。 使用微波傳感器，測量干燥物體與含

14、一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相移與衰減量， 就可以換算出物體的含水量。 圖3給出了測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放置被測樣品。相位與衰減測定儀（PT、AT）分別反復接通兩電路（T1和T2）輸出，自動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 酒精含水量測量儀框圖3.2微波測厚儀 微波測厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測物體金屬表面被反射，且反射波的波長與速度都不變的特性進行測厚的。 微波測厚儀原理如圖4所示，在被測金屬物體上下

15、兩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、 上傳輸波導管傳輸?shù)缴辖K端器，由上終端器發(fā)射到被測物體上表面上，微波在被測物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過傳輸導管、環(huán)行器A、下傳輸波導管傳輸?shù)较陆K端器。由下終端器發(fā)射到被測物體下表面的微波，經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸導管回到環(huán)行器A。因此被測物體的厚度與微波傳輸過程中的行程長度有密切關系，當被測物體厚度增加時， 微波傳輸?shù)男谐涕L度便減小。 圖 4 微波測厚儀原理圖 一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L度的變化非常微小。為了精確地測量出這一微小變化，通常采用微波自動平衡電橋法， 前面討論的微波傳輸行程作為測量臂，而完全模擬測

16、量臂微波的傳輸行程設置一個參考臂（圖11-4右部）。若測量臂與參考臂行程完全相同，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輸出。此不平衡差值信號經(jīng)放大后控制可逆電機旋轉(zhuǎn)，帶動補償短路器產(chǎn)生位移，改變補償短路器的長度，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量之間的關系式為 S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h （公式2） 式中： LA電橋平衡時測量臂行程長度； LB電橋平衡時參考臂行程長度； LA被測物厚度變化h后引起的測量臂行程長度變化值； h

17、被測物厚度變化； 由上式可知，補償短路器位移值S即為被測物厚度變化值h。3.3微波輻射計（溫度傳感器） 任何物體，當它的溫度高于環(huán)境溫度時，都能夠向外輻射熱能。微波輻射計能測量對象的溫度。普朗克公式在微波領域可近似為 （公式3） 就微波輻射計而言，它以一定的頻帶寬檢測來自物體的微波輻射輝度L(,T)。由于此電信號輸出正比于物體的發(fā)射率(,)和絕對溫度的乘積，因此微波輻射計指示的溫度不是物體的真實溫度， 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）溫度，Tc為基準溫度，C為環(huán)行器，BPF為帶通濾波器， LNA為低噪聲放大器，IF

18、A為中頻放大器，M為混頻器，LO為本機振蕩器。 微波溫度傳感器最有價值的應用是微波遙測，將它裝在航天器上，可以遙測大氣對流層的狀況，可以進行大地測量與探礦，可以遙測水質(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是利用雷達能動地將電波發(fā)射到對象物，并接受返回的反射波的能動型傳感器。若對在距離發(fā)射天線為r的位置上以相對速度v運動的物體發(fā)射微波，則由于多卜勒效應，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）當物體靠近靶時, 多卜勒頻率fD為正；遠離靶時，fD為負。 輸

19、入接收機的反射波的電壓ue可用下式表示： （公式6）括號內(nèi)的第二項是因電波在距離r上往返而產(chǎn)生的相位滯后。用接收機將來自發(fā)射機的參照信號Ue sin2f0t與上述反射信號混合后，進行超外差檢波，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為 （公式7）因此，根據(jù)測量到的差拍信號頻率，可測定相對速度。但是， 用此方法不能測定距離。為此考慮發(fā)射頻率稍有不同的兩個電波f1和f2，這兩個波的反射波的多卜勒頻率也稍有不同。 若測定這兩個多卜勒輸出信號成分的相位差為，則可利用下式求出距離r： （公式8）3.5微波無損檢測 微波無損檢測是綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用， 一方面微波在不

20、連續(xù)界面處會產(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，此時的微波場會受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過測量微波信號基本參數(shù)的改變即可達到檢測材料內(nèi)部缺陷的目的。 復合材料在工藝過程中，由于增強了纖維的表面狀態(tài)、 樹脂粘度、低分子物含量、線性高聚物向體型高聚物轉(zhuǎn)化的化學反應速度、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，在復合材料制品中難免會出現(xiàn)氣孔、疏松、 樹脂開裂、分層、脫粘等缺陷。 這些缺陷在復合材料制品中的位置、尺寸以及在溫度和外載荷作用下對產(chǎn)品性能的影響，可用微波無損檢測技術(shù)進行評定。 微波無損檢測系統(tǒng)主要由天線、微波電路、記錄儀等部分組成，如圖6所示。當以金屬