微波傳感器張課件

11.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波傳感器的測(cè)量原理及分類微波傳感器是利用微波特性來(lái)檢測(cè)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(cè)物體時(shí)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(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。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。第2頁(yè)/共30頁(yè)第1頁(yè)/共30頁(yè)11.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波傳感器1

1.反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)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(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。第3頁(yè)/共30頁(yè)第2頁(yè)/共30頁(yè)1.反射式微波傳感器第3頁(yè)/共30頁(yè)第2211.2.2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(cè)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(zhǎng)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。第4頁(yè)/共30頁(yè)第3頁(yè)/共30頁(yè)11.2.2微波傳感器的組成第4頁(yè)/共30頁(yè)第3頁(yè)/共3

由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)為10cm以上，可用同軸電纜）傳輸，并通過(guò)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(jiǎn)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。第5頁(yè)/共30頁(yè)第4頁(yè)/共30頁(yè)由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)4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)拋物柱面天線第6頁(yè)/共30頁(yè)第5頁(yè)/共30頁(yè)圖11-1常用的微波天線第6頁(yè)/共30頁(yè)第5頁(yè)/共30頁(yè)5

2.微波檢測(cè)器電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)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(cè)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(duì)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(cè)器、SIS檢測(cè)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。第7頁(yè)/共30頁(yè)第6頁(yè)/共30頁(yè)2.微波檢測(cè)器第7頁(yè)/共30頁(yè)第6頁(yè)/共36

微波的檢測(cè)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(jī)振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。微波檢測(cè)器性能參數(shù)有：頻率范圍、靈敏度-波長(zhǎng)特性、檢測(cè)面積、FOV（視角）、輸入耦合率、電壓靈敏度、輸出阻抗、響應(yīng)時(shí)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。第8頁(yè)/共30頁(yè)第7頁(yè)/共30頁(yè)微波的檢測(cè)方法有兩種，一種是將微波變化為電流711.2.3微波傳感器的特點(diǎn)

微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：①有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm~1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)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(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；第9頁(yè)/共30頁(yè)第8頁(yè)/共30頁(yè)11.2.3微波傳感器的特點(diǎn)8④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；⑤微波無(wú)顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。第10頁(yè)/共30頁(yè)第9頁(yè)/共30頁(yè)④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的911.3微波傳感器的應(yīng)用

圖11-2微波液位計(jì)第11頁(yè)/共30頁(yè)第10頁(yè)/共30頁(yè)11.3微波傳感器的應(yīng)用圖11-2微波液位計(jì)第11011.3.2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(wú)章地分布著。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。這個(gè)特性可用水分子自身介電常數(shù)ε來(lái)表征，即ε=ε′+αε″(11-1)式中：ε′——儲(chǔ)能的度量；ε″——衰減的度量；α——常數(shù)。第12頁(yè)/共30頁(yè)第11頁(yè)/共30頁(yè)11.3.2微波濕度傳感器ε=ε′+αε″(11-111ε′與ε″不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)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(shí)，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(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。第13頁(yè)/共30頁(yè)第12頁(yè)/共30頁(yè)ε′與ε″不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有12

圖11-3給出了測(cè)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(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無(wú)水酒精，T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)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。第14頁(yè)/共30頁(yè)第13頁(yè)/共30頁(yè)圖11-3給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖13圖11-3酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖第15頁(yè)/共30頁(yè)第14頁(yè)/共30頁(yè)圖11-3酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖第15頁(yè)/共30頁(yè)第14頁(yè)1411.3.3微波測(cè)厚儀微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。微波測(cè)厚儀原理如圖11-4所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過(guò)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(cè)物體上表面上，微波在被測(cè)物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò)傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。第16頁(yè)/共30頁(yè)第15頁(yè)/共30頁(yè)11.3.3微波測(cè)厚儀第16頁(yè)/共30頁(yè)第15頁(yè)/共315圖11-4微波測(cè)厚儀原理圖第17頁(yè)/共30頁(yè)第16頁(yè)/共30頁(yè)圖11-4微波測(cè)厚儀原理圖第17頁(yè)/共30頁(yè)第16頁(yè)/16

一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法，前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂（圖11-4右部）。若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)過(guò)檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長(zhǎng)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(hào)輸出。此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。第18頁(yè)/共30頁(yè)第17頁(yè)/共30頁(yè)一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小17補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)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(shí)測(cè)量臂行程長(zhǎng)度；LB——電橋平衡時(shí)參考臂行程長(zhǎng)度；ΔLA——被測(cè)物厚度變化Δh后引起的測(cè)量臂行程長(zhǎng)度變化值；Δh——被測(cè)物厚度變化；ΔS——補(bǔ)償短路器位移值。由上式可知，補(bǔ)償短路器位移值ΔS即為被測(cè)物厚度變化值Δh。第19頁(yè)/共30頁(yè)第18頁(yè)/共30頁(yè)補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)物厚度增加量之間的關(guān)系式為ΔS=LB1811.3.4微波輻射計(jì)（溫度傳感器）任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都能夠向外輻射熱能。微波輻射計(jì)能測(cè)量對(duì)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(jì)而言，它以一定的頻帶寬檢測(cè)來(lái)自物體的微波輻射輝度L(λ,T)。由于此電信號(hào)輸出正比于物體的發(fā)射率ε(λ,Τ)和絕對(duì)溫度的乘積，因此微波輻射計(jì)指示的溫度不是物體的真實(shí)溫度，而是輝度溫度ε(λ,Τ)Τ。第20頁(yè)/共30頁(yè)第19頁(yè)/共30頁(yè)11.3.4微波輻射計(jì)（溫度傳感器）(11-2)就微19圖11-5微波溫度傳感器原理框圖第21頁(yè)/共30頁(yè)第20頁(yè)/共30頁(yè)圖11-5微波溫度傳感器原理框圖第21頁(yè)/共30頁(yè)第2020

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(cè)）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(jī)振蕩器。微波溫度傳感器最有價(jià)值的應(yīng)用是微波遙測(cè)，將它裝在航天器上，可以遙測(cè)大氣對(duì)流層的狀況，可以進(jìn)行大地測(cè)量與探礦，可以遙測(cè)水質(zhì)污染程度，確定水域范圍，判斷植物品種等。第22頁(yè)/共30頁(yè)第21頁(yè)/共30頁(yè)圖11-5給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。2111.3.5微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離是利用雷達(dá)能動(dòng)地將電波發(fā)射到對(duì)象物，并接受返回的反射波的能動(dòng)型傳感器。若對(duì)在距離發(fā)射天線為r的位置上以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)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）第23頁(yè)/共30頁(yè)第22頁(yè)/共30頁(yè)11.3.5微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離fr=f022

當(dāng)物體靠近靶時(shí),多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時(shí)，fD為負(fù)。輸入接收機(jī)的反射波的電壓ue可用下式表示：（11-5）

括號(hào)［］內(nèi)的第二項(xiàng)是因電波在距離r上往返而產(chǎn)生的相位滯后。用接收機(jī)將來(lái)自發(fā)射機(jī)的參照信號(hào)Uesin2πf0t與上述反射信號(hào)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(hào)為（11-6）第24頁(yè)/共30頁(yè)第23頁(yè)/共30頁(yè)當(dāng)物體靠近靶時(shí),多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時(shí)23因此，根據(jù)測(cè)量到的差拍信號(hào)頻率，可測(cè)定相對(duì)速度。但是，用此方法不能測(cè)定距離。為此考慮發(fā)射頻率稍有不同的兩個(gè)電波f1和f2，這兩個(gè)波的反射波的多卜勒頻率也稍有不同。若測(cè)定這兩個(gè)多卜勒輸出信號(hào)成分的相位差為ΔΦ，則可利用下式求出距離r：(11-7)第25頁(yè)/共30頁(yè)第24頁(yè)/共30頁(yè)因此，根據(jù)測(cè)量到的差拍信號(hào)頻率，可測(cè)定相對(duì)速度。但是，用此2411.3.6微波無(wú)損檢測(cè)微波無(wú)損檢測(cè)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(huì)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(shí)的微波場(chǎng)會(huì)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響。通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的目的。第26頁(yè)/共30頁(yè)第25頁(yè)/共30頁(yè)11.3.6微波無(wú)損檢測(cè)第26頁(yè)/共30頁(yè)第25頁(yè)/共25

復(fù)合材料在工藝過(guò)程中，由于增強(qiáng)了纖維的表面狀態(tài)、樹(shù)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(xué)反應(yīng)速度、樹(shù)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(fù)合材料制品中難免會(huì)出現(xiàn)氣孔、疏松、樹(shù)脂開(kāi)裂、分層、脫粘等缺陷。這些缺陷在復(fù)合材料制品中的位置、尺寸以及在溫度和外載荷作用下對(duì)產(chǎn)品性能的影響，可用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行評(píng)定。第27頁(yè)/共30頁(yè)第26頁(yè)/共30頁(yè)復(fù)合材料在工藝過(guò)程中，由于增強(qiáng)了纖維的表面狀26

微波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要由天線、微波電路、記錄儀等部分組成，如圖11-6所示。當(dāng)以金屬介質(zhì)內(nèi)的氣孔作為散射源，產(chǎn)生明顯的散射效應(yīng)時(shí)，最小氣隙的半徑與波長(zhǎng)的關(guān)系符合下列公式:式中：Ｋ——K=2π/λ，其中λ為波長(zhǎng)；

ａ——?dú)庀兜陌霃?。?8頁(yè)/共30頁(yè)第27頁(yè)/共30頁(yè)微波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)主要由天線、微波電路、記錄27

當(dāng)微波的工作頻率為36.5ＧＨz時(shí)，ａ=1.0ｍｍ,也就是說(shuō),λ=6mm時(shí)，可檢出的孔隙的最小直徑約為2.0mm。從原理上講，當(dāng)微波波長(zhǎng)為1mm時(shí)，可檢出最小的孔徑大約為0.3mm。通常，根據(jù)所需檢測(cè)的介質(zhì)中最小氣隙的半徑來(lái)確定微波的工作頻率。第29頁(yè)/共30頁(yè)第28頁(yè)/共30頁(yè)當(dāng)微波的工作頻率為36.5ＧＨz時(shí)，ａ=128圖11-6微波無(wú)損檢測(cè)方框圖第30頁(yè)/共30頁(yè)第29頁(yè)/共30頁(yè)圖11-6微波無(wú)損檢測(cè)方框圖第30頁(yè)/共30頁(yè)第29頁(yè)/29謝謝大家！第30頁(yè)/共30頁(yè)謝謝大家！第30頁(yè)/共30頁(yè)3011.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波傳感器的測(cè)量原理及分類微波傳感器是利用微波特性來(lái)檢測(cè)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(cè)物體時(shí)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(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。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。第2頁(yè)/共30頁(yè)第1頁(yè)/共30頁(yè)11.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波傳感器31

1.反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)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(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)被測(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。第3頁(yè)/共30頁(yè)第2頁(yè)/共30頁(yè)1.反射式微波傳感器第3頁(yè)/共30頁(yè)第23211.2.2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(cè)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(zhǎng)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。第4頁(yè)/共30頁(yè)第3頁(yè)/共30頁(yè)11.2.2微波傳感器的組成第4頁(yè)/共30頁(yè)第3頁(yè)/共33

由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)為10cm以上，可用同軸電纜）傳輸，并通過(guò)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(jiǎn)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。第5頁(yè)/共30頁(yè)第4頁(yè)/共30頁(yè)由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(zhǎng)34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)拋物柱面天線第6頁(yè)/共30頁(yè)第5頁(yè)/共30頁(yè)圖11-1常用的微波天線第6頁(yè)/共30頁(yè)第5頁(yè)/共30頁(yè)35

2.微波檢測(cè)器電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)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(cè)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?？捎冒雽?dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)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(cè)器、SIS檢測(cè)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。第7頁(yè)/共30頁(yè)第6頁(yè)/共30頁(yè)2.微波檢測(cè)器第7頁(yè)/共30頁(yè)第6頁(yè)/共336

微波的檢測(cè)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(jī)振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。微波檢測(cè)器性能參數(shù)有：頻率范圍、靈敏度-波長(zhǎng)特性、檢測(cè)面積、FOV（視角）、輸入耦合率、電壓靈敏度、輸出阻抗、響應(yīng)時(shí)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。第8頁(yè)/共30頁(yè)第7頁(yè)/共30頁(yè)微波的檢測(cè)方法有兩種，一種是將微波變化為電流3711.2.3微波傳感器的特點(diǎn)

微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：①有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm~1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)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(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控制；第9頁(yè)/共30頁(yè)第8頁(yè)/共30頁(yè)11.2.3微波傳感器的特點(diǎn)38④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；⑤微波無(wú)顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問(wèn)題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。第10頁(yè)/共30頁(yè)第9頁(yè)/共30頁(yè)④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無(wú)須進(jìn)行非電量的3911.3微波傳感器的應(yīng)用

圖11-2微波液位計(jì)第11頁(yè)/共30頁(yè)第10頁(yè)/共30頁(yè)11.3微波傳感器的應(yīng)用圖11-2微波液位計(jì)第14011.3.2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(wú)章地分布著。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。這個(gè)特性可用水分子自身介電常數(shù)ε來(lái)表征，即ε=ε′+αε″(11-1)式中：ε′——儲(chǔ)能的度量；ε″——衰減的度量；α——常數(shù)。第12頁(yè)/共30頁(yè)第11頁(yè)/共30頁(yè)11.3.2微波濕度傳感器ε=ε′+αε″(11-141ε′與ε″不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)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(shí)，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(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，就可以換算出物體的含水量。第13頁(yè)/共30頁(yè)第12頁(yè)/共30頁(yè)ε′與ε″不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有42

圖11-3給出了測(cè)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(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中，T1放置無(wú)水酒精，T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩電路（T1和T2）輸出，自動(dòng)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。第14頁(yè)/共30頁(yè)第13頁(yè)/共30頁(yè)圖11-3給出了測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，圖43圖11-3酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖第15頁(yè)/共30頁(yè)第14頁(yè)/共30頁(yè)圖11-3酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖第15頁(yè)/共30頁(yè)第14頁(yè)4411.3.3微波測(cè)厚儀微波測(cè)厚儀是利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚的。微波測(cè)厚儀原理如圖11-4所示，在被測(cè)金屬物體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器。微波信號(hào)源發(fā)出的微波，經(jīng)過(guò)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(cè)物體上表面上，微波在被測(cè)物體上表面全反射后又回到上終端器，再經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò)傳輸導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系，當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。第16頁(yè)/共30頁(yè)第15頁(yè)/共30頁(yè)11.3.3微波測(cè)厚儀第16頁(yè)/共30頁(yè)第15頁(yè)/共345圖11-4微波測(cè)厚儀原理圖第17頁(yè)/共30頁(yè)第16頁(yè)/共30頁(yè)圖11-4微波測(cè)厚儀原理圖第17頁(yè)/共30頁(yè)第16頁(yè)/46

一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小。為了精確地測(cè)量出這一微小變化，通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法，前面討論的微波傳輸行程作為測(cè)量臂，而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂（圖11-4右部）。若測(cè)量臂與參考臂行程完全相同，則反相疊加的微波經(jīng)過(guò)檢波器C檢波后，輸出為零。若兩臂行程長(zhǎng)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(hào)輸出。此不平衡差值信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移，改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度，直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同，放大器輸出為零，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。第18頁(yè)/共30頁(yè)第17頁(yè)/共30頁(yè)一般情況下，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小47補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)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(shí)測(cè)量臂行程長(zhǎng)度；LB——電橋平衡時(shí)參考臂行程長(zhǎng)度；ΔLA——被測(cè)物厚度變化Δh后引起的測(cè)量臂行程長(zhǎng)度變化值；Δh——被測(cè)物厚度變化；ΔS——補(bǔ)償短路器位移值。由上式可知，補(bǔ)償短路器位移值ΔS即為被測(cè)物厚度變化值Δh。第19頁(yè)/共30頁(yè)第18頁(yè)/共30頁(yè)補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)物厚度增加量之間的關(guān)系式為ΔS=LB4811.3.4微波輻射計(jì)（溫度傳感器）任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都能夠向外輻射熱能。微波輻射計(jì)能測(cè)量對(duì)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(jì)而言，它以一定的頻帶寬檢測(cè)來(lái)自物體的微波輻射輝度L(λ,T)。由于此電信號(hào)輸出正比于物體的發(fā)射率ε(λ,Τ)和絕對(duì)溫度的乘積，因此微波輻射計(jì)指示的溫度不是物體的真實(shí)溫度，而是輝度溫度ε(λ,Τ)Τ。第20頁(yè)/共30頁(yè)第19頁(yè)/共30頁(yè)11.3.4微波輻射計(jì)（溫度傳感器）(11-2)就微49圖11-5微波溫度傳感器原理框圖第21頁(yè)/共30頁(yè)第20頁(yè)/共30頁(yè)圖11-5微波溫度傳感器原理框圖第21頁(yè)/共30頁(yè)第2050

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(cè)）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(jī)振蕩器。微波溫度傳感器最有價(jià)值的應(yīng)用是微波遙測(cè)，將它裝在航天器上，可以遙測(cè)大氣對(duì)流層的狀況，可以進(jìn)行大地測(cè)量與探礦，可以遙測(cè)水質(zhì)污染程度，確定水域范圍，判斷植物品種等。第22頁(yè)/共30頁(yè)第21頁(yè)/共30頁(yè)圖11-5給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。5111.3.5微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離是利用雷達(dá)能動(dòng)地將電波發(fā)射到對(duì)象物，并接受返回的反射波的能動(dòng)型傳感器。若對(duì)在距離發(fā)射天線為r的位置上以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)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）第23頁(yè)/共30頁(yè)第22頁(yè)/共30頁(yè)11.3.5微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離fr=f052

當(dāng)物體靠近靶時(shí),多卜勒頻率fD為正；遠(yuǎn)離靶時(shí)，fD為負(fù)。輸入接收機(jī)的反射波的電壓ue可用下式表示：（11-5）

括號(hào)［］內(nèi)的第二項(xiàng)是因電波在距離r上往返而產(chǎn)生的相位滯