傳感器原理及工程應(yīng)用(第三版)郁有文1-5第11章課件

第11章微波傳感器11.1微波概述11.2微波傳感器的原理和組成11.3微波傳感器的應(yīng)用第11章微波傳感器11.1微波概述111.1微波概述微波是波長為0.1m～1mm的電磁波，對應(yīng)的波段頻率范圍為300MHz～3000GHz。在實際應(yīng)用中為了方便起見，把微波波段細(xì)分為：分米波段(頻率從300～3000MHz)、厘米波段(頻率從3～30GHz)、毫米波段(頻率從30～300GHz)及亞毫米波段(頻率從300～3000GHz)。微波有電磁波的性質(zhì)，但它又不同于普通無線電波和光波，是一種相對波長較長的電磁波。微波波段之所以要從射頻頻譜中分離出來單獨研究，是由于微波波段有著不同于其他波段的重要特點：

11.1微波概述微波是波長為0.1m～1mm的電2(1)似光性和似聲性微波波段的波長與無線電設(shè)備的線長度及地球上的一般物體（如飛機、艦船、火箭、導(dǎo)彈、建筑物等）的尺寸相當(dāng)或小得多，這樣，當(dāng)微波照射到這些物體上時，將產(chǎn)生顯著的反、折射，就與光線的反、折射一樣。同時，微波傳播的特性也和幾何光學(xué)相似，能像光線一樣直線傳播，容易集中，即具有似光性。這樣，利用微波就可以制作方向性極好、體積小的天線設(shè)備，用于接收地面上或宇宙空間中各種物體反射回來的微弱信號，從而確定該物體的方位與距離，這是雷達(dá)和導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)。微波的波長與無線電設(shè)備尺寸相當(dāng)?shù)奶攸c，使微波又體現(xiàn)出與聲波相似的特征，即具有似聲性。例如，微波波導(dǎo)類似于聲學(xué)中的傳聲筒；喇叭天線和縫隙天線類似于聲學(xué)喇叭、蕭和笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴箱等。

(1)似光性和似聲性3(2)分析方法的獨特性由于微波的頻率很高，波長很短，使得在低頻電路中被忽略了的一些現(xiàn)象和效應(yīng)（例如趨膚效應(yīng)、輻射效應(yīng)、相位滯后現(xiàn)象等）在微波波段則不可忽略。這樣，低頻電路中常用的集中參數(shù)元件電阻、電感、電容已不適用，電壓、電流在微波波段甚至失去了惟一性意義。因此用它們已無法對微波傳輸系統(tǒng)進(jìn)行完全描述，而要建立一套新的能夠描述這些現(xiàn)象和效應(yīng)的理論方法——電磁場理論的場與波傳輸?shù)姆治龇椒ā?/p>

(2)分析方法的獨特性4(3)共度性電子在真空管內(nèi)的渡越時間（10-9秒左右）與微波的振蕩周期（10-9～10-15秒）相當(dāng)?shù)倪@一特性稱共度性，利用該特性可以做成各種微波電真空器件，得到微波振蕩源。

(3)共度性5(4)穿透性微波照射于介質(zhì)物體時，能深入物質(zhì)內(nèi)部的特點稱為穿透性，例如微波是射頻波譜中惟一能穿透電離層的電磁波（除光波外），因而成為人類探測外層空間的“宇宙窗口”；微波可以穿透云霧、雨、植被、積雪和地表層，具有全天候和全天時的工作能力，成為遙感技術(shù)的重要波段；微波能夠穿透生物體，成為醫(yī)學(xué)透熱療法的重要手段；毫米波還能穿透等離子體，使遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和航天器重返大氣層，是實現(xiàn)通信和末端制導(dǎo)的重要手段。

(4)穿透性6(5)信息性微波波段可載的信息容量是非常巨大的，即便是在很小的相對帶寬，其可用的頻帶也是很寬的，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外地工作在微波波段。此外，微波信號還可提供相位信息、極化信息、多普勒頻率信息，這在目標(biāo)探測、遙感、目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中是十分重要的。

(5)信息性7（6）非電離性微波量子能量不夠大，因而不會改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子的化學(xué)鍵，所以微波和物體之間的作用是非電離的。而由物理學(xué)可知，分子、原子和原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因此微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其基本特性提供了有效的研究手段。

（6）非電離性811.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波傳感器的分類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。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。

11.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波傳感器的9

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度、含水量等參數(shù)的。

1.反射式微波傳感器1011.2.2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（300MHz～300GHz），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。11.2.2微波傳感器的組成11由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管（管長為10cm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11-1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(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。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導(dǎo)管（管長12圖11-1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)拋物柱面天線圖11-1常用的微波天線13

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，在幾兆赫以下的頻率通常可用半導(dǎo)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(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測器、SIS檢測器等超導(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。2.微波檢測器14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。微波的檢測方法有兩種，一種是將微波變化為電流1511.2.3微波傳感器的特點微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點：①有極寬的頻譜（波長=1.0mm～1.0m）可供選用，可根據(jù)被測對象的特點選擇不同的測量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)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；③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；④時間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實時處理，便于自動控制；

11.2.3微波傳感器的特點16⑤測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)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；⑥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(biāo)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。⑤測量信號本身就是電信號，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡化1711.3微波傳感器的應(yīng)用圖11-2微波液位計11.3微波傳感器的應(yīng)用圖11-2微波液位計1811.3.2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(dāng)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)ε來表征，即ε=ε′+αε″(11-1)式中：ε′——儲能的度量；ε″——衰減的度量；α——常數(shù)。11.3.2微波濕度傳感器ε=ε′+αε″(11-119ε′與ε″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ε′在1～5范圍內(nèi)，而水的ε′則高達(dá)64，因此如果材料中含有少量水分子時，其復(fù)合ε′將顯著上升，ε″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。ε′與ε″不僅與材料有關(guān)，還與測試信號頻率有20圖11-3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11-3給出了測量酒精含水量的儀器框圖，圖21圖11-3酒精含水量測量儀框圖圖11-3酒精含水量測量儀框圖2211.3.3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，且反射波的波長與速度都不變的特性進(jìn)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(dǎo)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(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(dāng)被測物體厚度增加時，微波傳輸?shù)男谐涕L度便減小。11.3.3微波測厚儀23圖11-4微波測厚儀原理圖圖11-4微波測厚儀原理圖24一般情況下，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，而完全模擬測量臂微波的傳輸行程設(shè)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。一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L度的變化非常微小25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ΔS=LB-(LA-ΔLA)=LB-(LA-Δh)=Δh

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；ΔLA——被測物厚度變化Δh后引起的測量臂行程長度變化值；Δh——被測物厚度變化；ΔS——補償短路器位移值。由上式可知，補償短路器位移值ΔS即為被測物厚度變化值Δh。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ΔS=LB2611.3.4微波輻射計（溫度傳感器）任何物體，當(dāng)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(11-2)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(λ,T)。由于此電信號輸出正比于物體的發(fā)射率ε(λ,Τ)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ε(λ,Τ)Τ。11.3.4微波輻射計（溫度傳感器）(11-2)就微27圖11-5微波溫度傳感器原理框圖圖11-5微波溫度傳感器原理框圖28圖11-5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(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(jìn)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。圖11-5給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。2911.3.5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(dá)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：fr=f0+fD

式中fD是多卜勒頻率，并可表示為（11-4）（11-3）11.3.5微波測定移動物體的速度和距離fr=f030當(dāng)物體靠近靶時,多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時，fD為負(fù)。輸入接收機的反射波的電壓ue可用下式表示：（11-5）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Uesin2πf0t與上述反射信號混合后，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為（11-6）當(dāng)物體靠近靶時,多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時31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ΔΦ，則可利用下式求出距離r：(11-7)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3211.3.6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、