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微波傳感器的應用 11 1微波概述 微波 波長為0 1m 1mm的電磁波 頻率范圍 300MHZ 3000GHZ 可以細分為三個波段 分米波 厘米波 毫米波 微波的性質 既具有電磁波的性質 又不同于普通無線電波和光波的性質 是一種相對波長較長的電磁波 特點 似光性和似聲性 像光線一樣直線傳播 反射和折射 易集中 波長與無線電波相當 特征與聲波相似 分析方法獨特 屬高頻 應用電磁場理論的場與波傳輸的分析方法 共度性 其微波振蕩周期與電子在真空管內的渡越時間 秒左右 相當 這個特性稱為共度性 穿透性 傳輸特性好 傳輸過程中受煙霧 火焰 灰塵 強光的影響很小 水對微波的吸收作用最強 信息性 信息容量巨大 應用領域廣泛 非電離性 微波與物體之間的作用是非電離 11 2微波傳感器的原理和組成 11 2 1微波傳感器的測量原理及分類 測量原理 利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置 由發射天線發出微波 此波遇到被測物體時將被吸收或反射 使微波功率發生變化 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 并將它轉換為電信號 再經過信號調理電路 即可以顯示出被測量 實現了微波檢測 分類 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 通過檢測被測物反射回來的微波功率或經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 2 遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器 通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發射天線與接收天線之間有無被測物體或被測物體的厚度 含水量等參數的 11 2 2微波傳感器的組成 組成 微波發射器 即微波振蕩器 微波天線及微波檢測器三部分 1 微波振蕩器及微波天線微波振蕩器 是產生微波的裝置 對振蕩回路的要求 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 不能用普通的電子管與晶體管構成微波振蕩器 微波振蕩器的構成器件 有調速管 磁控管或某些固態器件 小型微波振蕩器也可以采用體效應管 微波天線 用波導管 管長為10cm以上 可用同軸電纜 傳輸 并通過天線發射出去 為了使發射的微波具有尖銳的方向性 天線要具有特殊的結構 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 介質天線與隙縫天線等 喇叭形天線結構簡單 制造方便 可以看作是波導管的延續 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射方向性得到改善 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 旋轉拋物面天線 d 拋物柱面天線 2 微波檢測器 敏感探頭 電磁波作為空間的微小電場變動而傳播 所以使用電流 電壓特性呈現非線性的電子元件作為探測它的敏感探頭 要求 足夠快的響應速度 與其它傳感器相比 敏感探頭在其工作頻率范圍內必須有足夠快的響應速度 不同頻率 不同要求下采用的探頭元件 幾兆赫以下 半導體PN結 頻率比較高的 使用肖特基結 靈敏度特性要求特別高的情況下 使用超導材料的約瑟夫遜結檢測器 SIS檢測器等超導隧道結元件 接近光的頻率區域 使用由金屬 氧化物 金屬構成的隧道結元件 兩種微波的檢測方法 一種是將微波變化為電流的視頻變化方式 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 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 噪聲特性 極化靈敏度 工作溫度 可靠性 溫度特性 耐環境性等 11 2 3微波傳感器的特點微波傳感器是一種新型的非接觸傳感器 特點 有極寬的頻譜 波長 1 0mm 1 0m 可供選用 可根據被測對象的特點選擇不同的測量頻率 適用于惡劣環境下工作 在煙霧 粉塵 水汽 化學氣氛以及高 低溫環境中對檢測信號的傳播影響極小 因此可以在惡劣環境下工作 水對微波的吸收作用最強 介質對微波的吸收介質的介電常數成比例 便于自動控制 時間常數小 反應速度快 可以進行動態檢測與實時處理 便于實現遙測和遙控 測量信號本身就是電信號 無須進行非電量的轉換 從而簡化了傳感器與微處理器間的接口 便于實現遙測和遙控 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 使用時外界環境因素影響較多 如溫度 氣壓 取樣位置等 11 3微波傳感器的應用 圖11 2微波液位計 11 3 1 微波液位計 圖11 2 波長 的微波信號從被測液面反射后進入接收天線 接收天線接收的微波功率的大小隨著被測液面的高低不同而異 11 3 2微波濕度傳感器 水分子在微波場中的儲能與釋能 水分子是極性分子 常態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 表現為微波信號的相移 又不斷釋放能量 放能 表現為微波衰減 這個特性可用水分子自身介電常數 來表征 即 11 1 式中 儲能的度量 衰減的度量 常數 與 與材料 測試信號頻率有關 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1 5范圍內 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 使用微波傳感器測量物體的含水量 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11 3測量酒精含水量的儀器框圖 工作原理 MS產生的微波功率經分功率器分成兩路 再經衰減器A1 A2分別注入到兩個完全相同的轉換器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11 3酒精含水量測量儀框圖 11 3 3微波測厚儀 微波測厚儀 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 工作過程 圖11 4 被測金屬體上下兩表面各安裝一個終端器 信號微波經A D傳輸到上終端器 發射到被測物體上表面上 全反射后又回到上終端器 D A E 下終端器 發射到被測物體下表面的微波 全反射后又回到下終端器 E 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 微波傳輸的行程長度便減小 上傳輸導管D 下傳輸導管E 圖11 4微波測厚儀原理圖 微波自動平衡電橋法 通常微波傳輸的行程長度的變化非常微小 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 前述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置一個參考臂 圖11 4右部 若兩臂行程完全相同 則反相疊加的微波經過檢波器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 經檢波器后便有不平衡信號輸出 該信號經放大后控制可逆電機旋轉 帶動補償短路器產生位移 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 可逆電機停止轉動為止 圖11 4微波測厚儀原理圖 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 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 被測物厚度變化 S 補償短路器位移值 補償短路器位移值 S即為被測物厚度變化值 h 11 3 4微波輻射計 溫度傳感器 任何物體 當它的溫度高于環境溫度時 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 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 T 由于此電信號輸出正比于物體的發射率 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 微波溫度傳感器原理方框圖 Ti為輸入 被測 溫度 Tc為基準溫度 C為環行器 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用 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 遙測水質污染程度 確定水域范圍 判斷植物品種等 圖11 5微波溫度傳感器原理框圖 11 3 5微波測定移動物體的速度和距離自學 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 若對在距離發射天線為r的位置上以相對速度v運動的物體發射微波 則由于多卜勒效應 反射波的頻率fr發生偏移 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 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 11 5 括號 內的第二項是因電波在距離r上往返而產生的相位滯后 用接收機將來自發射機的參照信號Uesin2 f0t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 11 6 因此 根據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 11 7 11 3 6微波無損檢測 微波無損檢測原理 綜合利用微波與物質的相互作用 一方面微波在不連續界面處會產生反射 散射 透射 另一方面微波還能與被檢材料產生相互作用 此時的微波場會受到材料中的電磁參數和幾何參數的影響 通過測量微波信號基本參數的改變即可達到檢測材料內部缺陷的目的 可用微波無損檢測技術對復合材料制品進行評定復合材料在工藝過程中 由于增強了纖維的表面狀態 樹脂粘度 低分子物含量 線性高聚物向體型高聚物轉化的化學反應速度 樹脂與纖維的浸漬性 組分材料熱膨脹系數的差異以及工藝參數控制的影響等因素 因此 在復合材料制品中難免會出現氣孔 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品性能的影響 可用微波無損檢測技術進行評定 微波無損檢測系統組成 圖11 6 主要由天線 微波電路 記錄儀等部分組成 當以金屬介質內的氣孔作為散射源