微波檢測(cè)原理

1、微波檢測(cè)原理微波是指頻率為300MHz-3000GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，即波長(zhǎng)在1米（不含1米）到0.1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性微波量子的能量為199x10-251.99xl0-22j。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：穿透性微波比其它

2、用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時(shí)間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，物料內(nèi)外加熱均勻一致。選擇性加熱物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來(lái)決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而

3、蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來(lái)說(shuō)，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。熱慣性小微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調(diào)，介質(zhì)溫升可無(wú)惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。似光性和似聲性微波波長(zhǎng)很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對(duì)要小得多，或在同一量級(jí)上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減小；使系統(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來(lái)自地面或空間各種物體反射回來(lái)的微弱

4、信號(hào)，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。由于微波波長(zhǎng)與物體（實(shí)驗(yàn)室中無(wú)線設(shè)備）的尺寸有相同的量級(jí)，使得微波的特點(diǎn)又與聲波相似，即所謂的似聲性。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與聲學(xué)喇叭，蕭與笛；微波諧振腔類似于聲學(xué)共鳴腔非電離性微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵。再有物理學(xué)之道，分子原子核原子核在外加電磁場(chǎng)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，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件。信息性由于微波頻率很高，所以在不大的相對(duì)帶寬下，其可用的頻帶很寬，可

5、達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無(wú)線電波無(wú)法比擬的。這意味著微波的信息容量大，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(wú)例外都是工作在微波波段。另外，微波信號(hào)還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標(biāo)檢測(cè)，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要。1引言波長(zhǎng)在lmm一lm的電磁波，稱為微波。微波可以細(xì)分為三個(gè)波段:分米波、厘米波、毫米波。微波在電磁譜中介于無(wú)線電的短波與紅外之間，它們的本質(zhì)都是電磁波。微波檢測(cè)技術(shù)是繼超聲波、激光、紅外、X射線和y射線等方法之后的一種新型的非接觸（無(wú)損）檢測(cè)技術(shù)。與其它檢測(cè)技術(shù)比較，具有以下一些特點(diǎn):有極寬的頻譜（l.omml.om波長(zhǎng)）可供選用，可根據(jù)被

6、測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)來(lái)選擇不同的測(cè)量頻率;在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小;時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快;測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)需進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與處理器間的接口;微波無(wú)顯著輻射危害，沒(méi)有公眾健康問(wèn)題。正是基于以上特點(diǎn)，微波檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘探、能源、材料、國(guó)防、公安、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、科學(xué)研究等領(lǐng)域有了一定應(yīng)用并具有廣泛前景。2微波檢測(cè)技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用2.l無(wú)損檢測(cè)成像技術(shù)微波技術(shù)使分米分辨本領(lǐng)的非接觸成像技術(shù)成為可能。作為無(wú)損檢測(cè)工具，高分辨微波成像技術(shù)的應(yīng)用能力，已經(jīng)被驗(yàn)證。美國(guó)一家專門從事雷達(dá)斷層成像測(cè)量技術(shù)的公司（富萊姆盧塞

7、爾公司）用他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以檢測(cè)到一個(gè)半英寸厚、面積為10平方英寸纖維玻璃板上50mm直徑的小孔洞，而且即使浸了水，也能觀察到。英國(guó)ERA工程部已經(jīng)完成了對(duì)地下管道及電纜定位的表面穿透雷達(dá)系統(tǒng)的研究。亞表面雷達(dá)技術(shù)對(duì)于探測(cè)地下非導(dǎo)體材料的物體已被認(rèn)可。在干燥和浸水的情況下，對(duì)一個(gè)直徑Zoomm帶有直徑somm小孔的排水管的探測(cè)已經(jīng)完成。在空氣/土壤介面高于管道lm的情況下，可探測(cè)直徑150mm的塑料管。2.2用于尋找和救護(hù)微波的一個(gè)應(yīng)用技術(shù)是尋找被地震、滑坡、建筑物倒塌而掩埋的生命。微波對(duì)微小的運(yùn)動(dòng)以及標(biāo)示生命存在的呼吸運(yùn)動(dòng)等信息很敏感，既使是失去意識(shí)的生命，也能探測(cè)到。微波雙錐形天線，中間饋

8、入同軸線，插入橡膠中，由天線發(fā)出的場(chǎng)被周圍的物體和受害者反射，受害者的呼吸運(yùn)動(dòng)使反射波頻率變化。.1一0.3Hz，胃腸的蠕動(dòng)使反射波頻率變化0.7一3.oHz。反射波可以由接收夭線測(cè)得。法國(guó)自然和工程探險(xiǎn)國(guó)家安全部的研究表明0.5一l.oGHz(10,Hz)的裝置可以有效地探測(cè)到呼吸運(yùn)動(dòng)。2.3利用反射波檢測(cè)物位、液位冶金工業(yè)中常常需要對(duì)高爐料位，平爐、轉(zhuǎn)爐鋼水液位、連續(xù)澆鑄的鋼水液面的厚度或高度進(jìn)行測(cè)量。在這種高溫多粉塵強(qiáng)噪聲的環(huán)境下特別適合采用微波技術(shù)進(jìn)行測(cè)量：溫度變化2000C,微波傳播速度的變化不超過(guò)0.03%。其反射時(shí)間變化和溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。(1.閒fl.020.01f)s

9、comoolunewo圖1瞬波隨溫度變化曲線所選用微波波長(zhǎng)比煙霧、粉塵、水汽粒尺寸大得多，傳播時(shí)繞射能力大,吸收透本領(lǐng)強(qiáng)；機(jī)械噪聲對(duì)微波傳播、接收無(wú)影響；只要被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)大于2都測(cè)量；測(cè)量時(shí)，發(fā)射/接收天線可以安裝在槽的上方，對(duì)塑料一類密封罐可不開(kāi)在上方即可測(cè)液位，安裝維護(hù)都很方便。英國(guó)鋼鐵公司采用射頻技術(shù)測(cè)量鋼水的，可以對(duì)裝得過(guò)多的鋼水包進(jìn)行報(bào)警。該在生產(chǎn)上已取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在過(guò)程中可實(shí)時(shí)在線測(cè)量，從而縮短了鋼凝時(shí)間，提高了經(jīng)濟(jì)效益。2.4用微波實(shí)現(xiàn)大氣遙感遙感是獲得大氣形成過(guò)程中瞬間狀態(tài)的唯一途徑。在分米、毫米和亞毫米波段能使空間大氣的感知成為可能。例如:用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，微波接

10、收器可以精確描述大氣的發(fā)散路徑。它可以提供所有的天氣測(cè)量參數(shù)，并且是唯一可以直接觀測(cè)到云中水的含量。微波觀測(cè)器可用于高空情況觀測(cè)。對(duì)于地面無(wú)法觀測(cè)到的信號(hào),已經(jīng)能夠用國(guó)際航空空間管理局衛(wèi)星上的微波測(cè)角發(fā)生器觀測(cè)到。不同的微波裝置繞地球飛行提供大氣信息降雨量、水蒸氣及降雨云氣的情況。2.5新型微波車輛感知器交通管理系統(tǒng)中的微波車輛感知器，設(shè)置在道路上，利用汽車反射回的微波,確定汽車的位置;并根據(jù)多普勒頻移確定汽車的運(yùn)動(dòng)速度。并將數(shù)據(jù)傳給交通管理中心，經(jīng)過(guò)分析進(jìn)行合理疏導(dǎo)與統(tǒng)計(jì)。微波車輛感知器如圖2，由微波收發(fā)器和控制器組成，其中微波收發(fā)器設(shè)置在高于地面5一6m處，控制器安裝在支柱上。收發(fā)器的夭線

11、向地面發(fā)射的波束的擴(kuò)散角為700。主波束與行駛在中心線上的車輛相對(duì)應(yīng)，旁波束與中心線兩側(cè)的車輛相對(duì)應(yīng)。圈2微波車輔感知器微波車輛感知器工作程序如圖3所示。微波收發(fā)器中的高頻振蕩器產(chǎn)生13GHz(13義10,Hz)的高頻波，脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生同步脈沖對(duì)高頻波進(jìn)行調(diào)制，送至循環(huán)器，再由夭線向路面發(fā)射。天線接收通過(guò)車輛的反射波，又送給循環(huán)器。車輛感知器檢出反射波的感知信號(hào)，與此同時(shí)，多普勒檢測(cè)器檢測(cè)出多普勒信號(hào)頻率?？刂破鞑糠指鶕?jù)微波發(fā)送器送來(lái)的車輛感知信號(hào)進(jìn)行判定車輛的存在與否。同時(shí)由多普勒頻率測(cè)定車輛的速度。由控制器測(cè)定出的車輛感知信號(hào)和速度信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器，使用專線傳送給交通管理中心。2.6利用

12、穿透特性測(cè)量介質(zhì)厚度航空工業(yè)中，復(fù)合材料在高溫高壓情形下，對(duì)它的均勻性及特性的控制至關(guān)重要。通常只有材料的一面是可以接近的，另一面被導(dǎo)體板檔上了。因此，無(wú)損、快速、精確地檢測(cè)厚度的技術(shù)迫在眉睫。微波能夠穿透介質(zhì)材料并且對(duì)表面兩層邊緣的敏感度極高，使其特別適于這種測(cè)量。目前，一種快速而準(zhǔn)確的測(cè)試算法已經(jīng)被驗(yàn)證:介質(zhì)厚度是由介質(zhì)的導(dǎo)納、微波頻率、被測(cè)介質(zhì)介電特性決定的。如果介質(zhì)介電特性已知，微波頻率一定，那么對(duì)導(dǎo)納的測(cè)定就會(huì)反映厚度信息。如果測(cè)量是非接觸的，孔徑和樣品間的空氣也需要考慮。由Sasan.Bakhtiari等人提出的算法已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)下得到了證明。在最佳頻率下，對(duì)于介質(zhì)厚度小于5mm的

13、，測(cè)量精度達(dá)到0.5%。對(duì)于厚一些的介質(zhì)片測(cè)量精度達(dá)到3.0%，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中比預(yù)計(jì)效果還好，因此是一種快速而準(zhǔn)確的測(cè)厚方法。2.7微波濕度分析儀由CEM公司生產(chǎn)的Labwave9000TM是一種以微波為熱源干燥樣品以測(cè)定物體濕度的儀器。微波法較濕度法及近紅外反射或透射法(NIR)等有如下優(yōu)點(diǎn):可測(cè)濕度高于10%的樣品，測(cè)量周期短，較上述非微波法快4一10倍，無(wú)需校準(zhǔn)，可直接測(cè)定濕度且精度好，它具有如下特點(diǎn):測(cè)定范圍寬，適合于濕度為0.01%99.99%的液體、固體、漿料；夭平稱量方便;菜單型操作程序并提供標(biāo)準(zhǔn)軟件；精確測(cè)濕度可獲重現(xiàn)性結(jié)果，且不破壞樣品。另外一種新型的濕度在線測(cè)量方法已經(jīng)在澳大利亞試驗(yàn)成功。它利用微波的透射原理，即被測(cè)樣品的濕度是由穿透被測(cè)樣品的微波信號(hào)的衰減和相移決定的。樣品的厚度和密度對(duì)信號(hào)的影響可以在測(cè)量過(guò)