1、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。 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 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。 11.2.2 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

3、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11-1 常用的微波天線扇形喇叭天線;

4、 (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。 11.2.3 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

5、： 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， 反應速度快， 可以進行動態(tài)檢測與實時處理， 便于自動控制； 11.3 微波傳感器的應用 圖11-2 微波液位計 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，其復合將顯著上升， 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

6、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行測厚的。 微波測厚儀原理如圖11-4所示

7、，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 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(guān)系式為 S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h 式中： LA電橋平衡時測量

8、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。 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。 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(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(,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11-5給出了微波溫度傳感器的原理方

9、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。 11.3.5 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，反射波的頻率fr發(fā)生偏移，如下式所示： f r=f 0+f

10、D 式中fD是多卜勒頻率，并可表示為 （11-4） （11-3） 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，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。 這些缺陷在復合材料制品中的位置、尺寸以及在溫度和外載荷