微波傳感器的原理及應(yīng)用

1、微波傳感器的原理及應(yīng)用【摘要】微波傳感器是利用微波的傳輸性能好、易反射、被吸收功率易測(cè)量等特點(diǎn)，用專門的微波振蕩器來產(chǎn)生微波，特定的天線收發(fā)微波，在實(shí)際生產(chǎn)生活中用來測(cè)量被測(cè)物的距離、厚度、傳輸媒介性質(zhì)等許多應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】微波傳感器 反射式 遮斷式一、微波的基礎(chǔ)知識(shí)1、微波的性質(zhì)與特點(diǎn) 微波是波長為11000mm的電磁波，它既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波。微波相對(duì)于波長較長的電磁波具有下列特點(diǎn)：1定向輻射裝置容易制造；2遇到工作障礙物易于反射；3繞射能力較差；4傳輸性能良好，傳輸過程中受煙、火餡、灰塵、強(qiáng)光等的影響很小；5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

2、能力最強(qiáng)。正是這些特點(diǎn)構(gòu)成了微波檢測(cè)的基礎(chǔ)。2、微波振蕩器與微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波很短，頻率很高(300MHz300GHz)，振蕩回路具有非常微小酌電感與電容，故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、磁控管或某些固體元件。小型微波振蕩器也可采用體效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管(波長在1000cm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，天線具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖1所示，有喇叭形天線、拋物面天線、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，可看作波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(dǎo)

3、管與敞開的空間之間起匹配作用以獲得最大的能量輸出。拋物面天線猶如凹面鏡產(chǎn)生平行光，這樣位微波發(fā)射的方向性得到改善。 圖1 常用微波天線(a) 扇形喇叭天線 (b) 圓錐形喇叭天線 (c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線 (d) 拋物柱面天線二、微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測(cè)物時(shí)將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收通過被測(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)量電路測(cè)量和指示，就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)過程。根據(jù)上述原理，微波檢測(cè)傳感器可分為反射式與遮斷式兩種。 1、反射式傳感器這種反射式傳感器通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔，來表達(dá)被測(cè)物的位置、厚度等參數(shù)。2、

4、遮斷式傳感器這種遮斷式傳感器通過檢測(cè)接收天線接收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線間有無被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。三、微波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用1，微波液位計(jì)圖2為微波液位計(jì)的示意圖。相距為S的發(fā)射天線與接收天線，相互構(gòu)成一定角度。波長為的微波從被測(cè)液面反射后進(jìn)入接收天線。接收天線收到的功率將隨被測(cè)液面的高低不同而異。接收天線收到的功率為.式1式中 d兩天線與被測(cè)液面間的垂直距離；、發(fā)射天線的發(fā)射功率和增益；接收天線的增益。當(dāng)發(fā)射功率、波長、增益均恒定時(shí)，式1可改寫為.式2式中 取決于波長、發(fā)射功率和天線增益的常數(shù)；取決于天線安裝方法和安裝距離的常數(shù)。由式2可知，只要測(cè)得接收到的功率，就可獲得

5、被測(cè)液面的高度。 圖2 微波液位計(jì)2、微波物位計(jì)圖3所示為微波開關(guān)式物位計(jì)示意圖。當(dāng)波長物位較低時(shí)，發(fā)射天線發(fā)出的微波束全部由天線接收，經(jīng)檢波、放大、與定電壓比較器比較后，發(fā)出正常的工作信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天線接收到的功率相應(yīng)減弱，經(jīng)檢波、放大后，低于定電壓信號(hào)，微波液位計(jì)發(fā)出被測(cè)物位高出設(shè)定物位的信號(hào)。波長物位低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收的功率為.式3被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收大線接收的功率為 式4式中由被測(cè)物的形狀、材料的性質(zhì)、電磁性能等因數(shù)決定的系數(shù)。圖3 微波開關(guān)式物位計(jì) 3、微波測(cè)厚儀 圖4為微波測(cè)厚儀原理圖。該測(cè)厚儀利用微

6、波在傳播過程中遇到金屬表面會(huì)被反射，且反射被的波長和速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)量。 如圖4所示，在被測(cè)金屬上、下兩面各安裝有一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)環(huán)行器A、上傳輸波導(dǎo)管傳輸?shù)缴辖K端器。由上終端器發(fā)射到被測(cè)金屬上表面的微波，經(jīng)全反射后又回到上終端器，再經(jīng)傳輸波導(dǎo)管、環(huán)行器A、下傳輸波導(dǎo)管達(dá)到下終端器。由下終端器發(fā)射到被測(cè)金屬的下表面的微波經(jīng)全反射后又回到下終端器，再經(jīng)傳輸波導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)金屬的厚度與微波傳輸過程中的電行程長度密切相關(guān)，即被測(cè)金屬厚度增大時(shí)微波行程長度便減小。 圖4 微波測(cè)厚儀原理圖 顯然，微波傳輸過程中的電行程變化是非常微小的。為了測(cè)量這一微小的變化，通常采

7、用微波自動(dòng)平衡電橋構(gòu)成一個(gè)參考臂，完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸過程(圖4中的右邊部分)。若測(cè)量臂和參考臂電行程完全相同，則反相迭加的微波經(jīng)檢被器檢波后，輸出為零：若兩者電行程長度不同，則反射回來的微波其相位角不同，經(jīng)反向迭加后不能抵消，經(jīng)檢被器檢波后便有不平衡信號(hào)輸出。此差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)，使補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長度，直到測(cè)量臂電行程完全相同為止。補(bǔ)償短路器的位移S與被測(cè)金屬厚度增加量h間的關(guān)系式為 .式5式中 ，分別為測(cè)量臂和參考臂在電橋平衡時(shí)的電行程長度；測(cè)量臂由于被測(cè)金屬厚度變化后引起的電行程長度變化值；被測(cè)金屬厚度變化值。 由式5可如，被測(cè)短路器的值即為被測(cè)金屬的厚度變化值。利用光電轉(zhuǎn)換器測(cè)出值，即可由顯示器顯示值后直接顯示被測(cè)金屬厚度。圖中所示振動(dòng)短路器用以對(duì)微波進(jìn)行調(diào)制，使檢波器輸出交流信號(hào)，其相位隨測(cè)量臂和補(bǔ)償臂電行程長度的差值變化作反向變化，可控制可逆電機(jī)產(chǎn)生正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使電橋自動(dòng)平衡。 微波應(yīng)用十分廣泛。除上述測(cè)量方面的應(yīng)用和傳統(tǒng)的通訊、雷達(dá)(雷達(dá)本質(zhì)上是測(cè)距與測(cè)方位)方面的應(yīng)用外，目前又與許多相關(guān)學(xué)科融合，開辟了新的分支，例