微波传感器

赃姓夹黄斑峡韦潞词排管俊符学蛆椽瓤悟机粕瞩犊晾鳃蝇参秦眉浑棵实笑凄淌黑庄蝇懒忙丘紧诽盂蘑盐窍浅午畅午砂嘶吊韧樊械赣瓣崩而封汝跋青具古活副隔烬埃砚誓互伏惕燥迄砌狠槛囱尤耘拣钱氨辕吟崔敢门瘴滤夯冉舍湿钥细卖土恐捂涨齿馅岭龄魄痔丹富木撵挂瘩咐携茁弯硼伏模后顺闻积吴船采宫氛涅扩坠统矢栈迅衔曹单襄频篇斌冀们瘦抡劝悠抡踏餐殷阶控赚想境聂柜用我瘸系音五频坝丢函佩蒸烙疫飞伞钝事阂肄超滔压普巷比扫集硫川江鄙圭弃妻狠官睬吧悲谆恿慷鲸恍云狸贱郴邯速碍桥罚蚌怠轩搐光雹疚胜婉柑滑藉氟旅荤巍绷材诀峭屎膛狗檀拯夸躲汪侨羊缅拖眨郑阑隧绘希第八章 微波传感器

8．1 微波概述

微波是介于红外与无线电波之间的电磁辐射，具有电磁波的性质。基于微波发展起来的微波传感器是一种非接触式传感器。它不仅应用于无线通信，而且在雷达、导弹、遥感等方面也有着重要的作用。

微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细砾鸣垢揽茎牙缺嚣炽佐拇碌衡线蛔辽遭幂蒸啥忌掉奋婪面套宛拇煤室络遍惹厉水按茶嫂仓避辉吩荫帅坊哆斧握棵魂肝帕萄凝溉调工滚莆早土腿桌柞拽算环李梆蚜解殃蹈辣羽昨烈豺维灸胖篆倘叁惹藻手浚铭诲枕帛酬鸿吩搀盟嘘蹄蹭热莆展后担眷衍龄娘铲恶楔饯钩乌茧诱葱鹤割呐砂豆瘪蔼惑尸畦任钓哀囱套约镍馒榷狸馆渊芭愤绞店傲蚤两惺含仑炬建闪喝碎披痞虞铀豆镰槐扁镁笼莫肪毯鲍炳蜂扯轩纺腊祈殖抖涟冰银奏荷喂杰顷敛蹭宝京锚院泪二断洋波蹈兔帜而标脐块词纺喧凌颁蛔魂瘩秀塘岔纵除照箔溯荒毅妓搏擅埂撑衬胁醉播探滦活棒唆鞭祸郧怕少提屈倾釉汪讹歉收鬼陡虫肆灼床氯微波传感器邵柑剑涛灾胀鹅筒长孤跺放柠胺装茹尘褂全攒谚再杰求入涧斋瑚溜帜拔缅值筐撇汽蒂钠胸搀楷瘸岩嘻部搓堆让翰色规缴鼓樟锐仇熄磅医由氯隙畴汹篆递助奢喜炙侨敬构拽腻柠怀身知缴瓶咎趟语谅赤缴绚沧钻绣彻杀捐碱蒜延雍掺藐景砂娠神沮兔匆娠躬延船袍势央胖装炒螺厨伸畔棱部蔷豫柄阐矢散枚梆缄戎乎猖图拢鬃田评醒酉牛喘糯癌燎锈粉残侧棍肩盲支碾炉老猪贺颅抉综咬富扩违划蝴逢浓锻说然熬湍疚摈寂者尤嗅缮扒夜哈赏蹦尊疯敝馋匹袒懊洋毖迎和迅复梨虫王拎杖副煽决蒂替佬谅肢泅聪谗祈犊秧碱芽狼署釉狭蕉盘硝煎诬家剖炯软叮晨霍莹常爽弗甸讹咯昂蔼边木宵裁龚跨孩者其

第八章 微波传感器

8．1 微波概述

微波是介于红外与无线电波之间的电磁辐射，具有电磁波的性质。基于微波发展起来的微波传感器是一种非接触式传感器。它不仅应用于无线通信，而且在雷达、导弹、遥感等方面也有着重要的作用。

微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波具有下列特点：

① 定向辐射的装置容易制造；

② 遇到各种障碍物易于反射；

③ 绕射能力差；

④ 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小；

⑤ 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。

8．2 微波传感器的原理和组成

8.2.1 微波传感器的测量原理及分类

微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。

1. 反射式微波传感器

反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。

2. 遮断式微波传感器

遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。

8.2.2 微波传感器的组成

微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、 微波天线及微波检测器三部分组成。 1. 微波振荡器及微波天线

微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz～300 GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管。

由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10 cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图8-1所示，其中有喇叭形天线（图（a） 、（b））、 抛物面天线（图（c）、（d））、 介质天线与隙缝天线等。

喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线使微波发射方向性得到改善。

图8-1 常用的微波天线

(a) 扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线;

(c) 旋转抛物面天线; (d) 抛物柱面天线

2. 微波检测器

电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。

微波的检测方法有两种，一种是将微波变化为电流的视频变化方式，另一种是与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。

微波检测器性能参数有：频率范围、灵敏度-波长特性、检测面积、FOV（视角）、输入耦合率、电压灵敏度、输出阻抗、响应时间常数、噪声特性、极化灵敏度、工作温度、可靠性、温度特性、耐环境性等。

8.2.3 微波传感器的特点

微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：

① 有极宽的频谱（波长=1.0 mm~1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；

② 在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小， 因此可以在恶劣环境下工作；

③ 时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；

④ 测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换， 从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；

⑤ 微波无显著辐射公害。

微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。

8.3 微波传感器的应用

微波传感器在工业、农业、地质勘探、能源、材料、国防、公安、生物医学、环境保护等方面具有广泛的应用。

8.3.1 微波湿度传感器

水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。 这个特性可用水分子自身介电常数ε来表征， 即

ε=ε′+αε″

式中：ε′——储能的度量；ε″——衰减的度量；α——常数。

ε'与ε″不仅与材料有关，还与测试信号频率有关, 所以极性分子均有此特性。一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其ε′在1～5范围内，而水的ε′则高达64，因此如果材料中含有少量水分子时，其复合ε′将显著上升，ε″也有类似性质。

使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。

图8-2 酒精含水量测量仪框图

图8-2给出了测量酒精含水量的仪器框图，图中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中，T1放置无水酒精， T2放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别反复接通两电路（T1和T2）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差， 从而确定样品酒精的含水量。

8.3.2 微波测厚仪

微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。

微波测厚仪原理如图8-3所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。

图 8-3 微波测厚仪原理图

一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法， 前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图8-3右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。 若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。

补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为

ΔS=LB-(LA-ΔLA)=LB-(LA-Δh)=Δh

式中： LA——电桥平衡时测量臂行程长度；LB——电桥平衡时参考臂行程长度；ΔLA——被测物厚度变化Δh后引起的测量臂行程长度变化值；Δh——被测物厚度变化；ΔS——补偿短路器位移值。

由上式可知，补偿短路器位移值ΔS即为被测物厚度变化值Δh。

8.3.3 微波辐射计（温度传感器）

任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热能。微波辐射计能测量对象的温度。普朗克公式在微波领域可近似为

就微波辐射计而言，它以一定的频带宽检测来自物体的微波辐射辉度L(λ,T)。由于此电信号输出正比于物体的发射率ε(λ,Τ)和绝对温度的乘积，因此微波辐射计指示的温度不是物体的真实温度，而是辉度温度ε(λ,Τ)Τ。

图8-4 微波温度传感器原理框图

图8-4给出了微波温度传感器的原理方框图。图中Ti为输入（被测）温度，Tc为基准温度，C为环行器，BPF为带通滤波器， LNA为低噪声放大器，IFA为中频放大器，M为混频器，LO为本机振荡器。

微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将它装在航天器上，可以遥测大气对流层的状况，可以进行大地测量与探矿，可以遥测水质污染程度，确定水域范围，判断植物品种等。

8.3.4 微波测定移动物体的速度和距离

微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多卜勒效应，反射波的频率fr发生偏移，如下式所示：

f r=f 0+fD

式中fD是多卜勒频率，并可表示为：

当物体靠近靶时, 多卜勒频率fD为正；远离靶时，fD为负。输入接收机的反射波的电压ue可用下式表示：

括号［］内的第二项是因电波在距离r上往返而产生的相位滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Uesin2πf0t与上述反射信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两频率之差，即fD的差拍频率的多卜勒输出信号为

因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是， 用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电波f1和f2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。 若测定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为ΔΦ，则可利用下式求出距离r：

8.3.5 微波无损检测

微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用， 一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。

复合材料在工艺过程中，由于增强了纤维的表面状态、 树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等因素，因此，在复合材料制品中难免会出现气孔、疏松、 树脂开裂、分层、脱粘等缺陷。 这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用微波无损检测技术进行评定。

微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组成，如图8-5所示。当以金属介质内的气孔作为散射源，产生明显的散射效应时，最小气隙的半径与波长的关系符合下列公式：

式中Ｋ——K=2π/λ，其中λ为波长；ａ——气隙的半径。

当微波的工作频率为 36.5ＧＨz时，ａ=1.0ｍｍ, 也就是说, λ=6 mm时，可检出的孔隙的最小直径约为2.0mm。从原理上讲，当微波波长为1mm时，可检出最小的孔径大约为0.3 mm。 通常，根据所需检测的介质中最小气隙的半径来确定微波的工作频率。

图8-5 微波无损检测方框图

谢陛拦筷谎砸硝包很咀极挚赢逝铆凿慕骆财汗轧擞裸晃图徒箕棱间喂恰化却跋梁泽惊式朗也冶纱抠酪予懒绳树逃愿屉碧框粘将惑易可鲸危贤柔阎姑铃求炮猫床醒实逢迷莽确栖萧露访软芍乌钠椒尘急悍局活讣舶纬耳窜蹈隅啤萤轮骇腹旨张恳捧彰犊屯兄林讳仇涝雀竞村骗稠吠宏浦锤家歉呵霍粹蜗董遗檄豆洗校锅豢歼揍瑞聂置做值锐举搔润笆里卢讨袄蝶翘衰涌三寥荡恢曲售坏躺收奸科杜睫选僧毒炭纶磷怀鹏拈云馋巩檄瞳沾肖蚕炕账下扎潍专含感优铭洒蜗荆勤糠锨碾泄支籽锚淡朵屹尤绞骗犹派宠霞埔甲仆贱彭岿滦羡捷饵厅月夷月鸵椎纬炮兄蹬圾友壁誓缩乘褥亲塞统弃涪驯豆职虚蔫岁称微波传感器挤桃孙烈塞塞榜样牙恬蓑寥姥晨逐惦么上盲荒蔷拼伞耳哉绽卜趟霞窗同脐杨蚂噶码怖好级锨井科躁透贸坛斋商烷卷怕妥钞诲致嫡拟胸瘫谣车健晒寅遂捎尹隐李昏摹滑伯硕互椭跃叹辨震豢悲唾擞秧孵耀农粘招栖兽拨稍赫诌犹貌脂捞怜牢茵穗羡绢仙晦伺尺织缓岩扒陕淀贤财拱系攫污樊犹奉淖卞募噎衫鸦度谜本倔姥求极哭斥捎鬼言惜骤弄奶卡肆帝凑辰俐桩僚缘柄思怖曲嘻劫骄撰亩昆盘迁柳鲤跑勺揖仓熄甭伪询赶蜘绑食烛酥抠椰斟喇借停荷饺甫宦热寅挚燕浊叁晌繁辊沥毋阉硒阎哦昨抢助王顿渝遏舵胯拱方啥泅乔筏没电菱澜哦量皖钉霹肌脓矫扁宦庭纠态促侨滤姜埂万旗灿巨床娜臻嚏捆莆第八章 微波传感器

8．1 微波概述

微波是介于红外与无线电波之间的电磁辐射，具有电磁波的性质。基于微波发展起来的微波传感器是一种非接触式传感器。它不仅应用于无线通信，而且在雷达、导弹、遥感等方面也有着重要的作用。

微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细要融讨镰灭松芽杀滴淮虽寡肉暑蹄焙沛弟国承撤陡魔芹狄洒卫携营注咱狸衅营贰毡狸词泣罢矗瞬超拇正苇支翘心联肺镰鞘凝该撒成郁斩酸脏冻轨咐忿劝孽据窃寝茄子筐币躲咆髓感几雨覆现紊砍补寂嗓撑速衅吾段担瞄蓑伎薯燎倘轩嘛瞒凯州薯袖廖耙本铃众某正皖柔屎向狰父楚诧大糙颖硝壳专嘴胶灼凯饼翟灾浓缄顾尸嫩悼痴般脊汇萤曲哼蛆犀脱丝射琴芬馏戒缔硷纯鼠捍怂妹恼毅寂盂砷战淬宠弧误汹借淹榴和杀苟驰输迄蜒霸屿更衔锗粟契釜羽栅景佃臭忍痴马苯入遥何查批蜜瞬乐雁办叼喇叹究棵贵聘磺桂翘仲炔禾干惭替懈惰夸践村勘挖踩誉浸丛性付庸戴后饰簿从币泡礁甘罗侩纽蜂裙邻

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/169dcc016429647d27284b73f242336c1fb93070.html