傳感器與自動檢測技術(shù)課件：第3章 常用傳感器的工作原理3.12

1、3.12 微 波 傳 感 器 12.1 微波概述 12.2 微波傳感器的原理和組成12.3 微波傳感器的應(yīng)用 12.1 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。 12.2 微波傳感器的原理和組成 12.2.1 微波傳感器的測量原理及分類 微波傳感器是

2、利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。 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. 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測物體的厚

3、度、 含水量等參數(shù)的。 12.2.2 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。 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(yīng)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)。常用的天線如

4、圖12-1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12-1 常用的微波天線扇形喇叭天線; (b) 圓錐形喇叭天線; (c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線; (d) 拋物柱面天線 2. 微波檢測器 電磁波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(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫

5、以下的頻率通?？捎冒雽wPN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(yīng)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。 12.2.3 微波傳感器的特點 微波傳感器作為一種新型

6、的非接觸傳感器具有如下特點： 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(yīng)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。 12.3 微波傳感器的應(yīng)用 圖1

7、2-2 微波液位計 12.3.2 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(fù)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 =+ (12-1) 式中：儲能的度量； 衰減的度量；常數(shù)。 與不僅與材料有關(guān)，還與測試信號頻率有關(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64， 因此如果材料中含有少量水分子時，其復(fù)合將

8、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12-3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(fù)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12-3 酒精含水量測量儀框圖 12.3.3 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

9、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11-4所示，在被測金屬物體上下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(guān)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 12-4 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

10、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，而完全模擬測量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個參考臂（圖12-4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(guān)系式為 S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h 式中： LA電橋平衡時測量臂行程長度； LB

11、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被測物厚度變化； S補償短路器位移值。 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。 12.3.4 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(lǐng)域可近似為 (12-2) 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12-5 微波溫度傳感器原理框圖 圖12-5給出了微波

12、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，IFA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(yīng)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。 12.3.5 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(yīng)，反射波的頻率fr發(fā)生偏移，如下式所示：

13、f r=f 0+fD 式中fD是多卜勒頻率，并可表示為 （12-4） （12-3） 當物體靠近靶時, 多卜勒頻率fD為正；遠離靶時，fD為負。 輸入接收機的反射波的電壓ue可用下式表示： （12-5） 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 （12-6） 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

14、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： (12-7) 12.3.6 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(fù)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(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)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(fù)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