波式傳感器課程

波式傳感器課程第1頁/共78頁2023/4/1627.1超聲波傳感器7.2微波傳感器7.3多普勒傳感器本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄第2頁/共78頁2023/4/1637.1超聲波傳感器次聲波頻率低于20Hz的聲波，人耳聽不到，但可與人的器官發(fā)生共振，7～8Hz的次聲波會(huì)引起熱的恐怖感，使人動(dòng)作不協(xié)調(diào)，甚至導(dǎo)致心臟停止跳動(dòng)。1、次聲波人們聽到的聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20～20kHz范圍內(nèi)。第3頁/共78頁2023/4/1642、可聞聲波頻率在20Hz～20kHz的聲波美妙的音樂能使人陶醉第4頁/共78頁2023/4/1653.超聲波超聲波：頻率超過20kHz的聲波。超聲波人耳感覺不到，但許多動(dòng)物都能感受到，如海豚、蝙蝠以及某些昆蟲，都能很好地感受并發(fā)出超聲波。檢測(cè)常用的超聲波頻率范圍為：

第5頁/共78頁2023/4/166超聲波特點(diǎn)超聲波不同于聲波，其波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，且方向性好，傳播能量集中，能定向傳播。超聲波在傳播過程中衰減很小。在傳播過程中，遇到不同的媒介，大部分能量會(huì)被反射回來；超聲波對(duì)液體、固體的穿透能力很強(qiáng)，尤其是對(duì)不透光的固體，它可以穿透幾十米的深度；超聲波與可聞聲波不同，可以被聚焦，具有能量集中的特點(diǎn)。第6頁/共78頁2023/4/167超聲波遇到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形變換等現(xiàn)象。正是因?yàn)槌暡ǖ倪@些特性，在工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、家電等檢測(cè)和控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.超聲波特點(diǎn)第7頁/共78頁2023/4/1687.1.1超聲波的物理基礎(chǔ)超聲波的傳播方式縱波橫波表面波第8頁/共78頁2023/4/169質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波。縱波能在固體、液體和氣體中傳播。第9頁/共78頁2023/4/1610橫波—質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波。橫波只能在固體中傳播。

第10頁/共78頁2023/4/1611質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度的增加而迅速衰減的波稱為表面波，只能在固體中傳播。第11頁/共78頁2023/4/1612當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時(shí)，在它們的界面上部分被反射回原介質(zhì)中，稱為反射波；另一部分能透過界面，在另一介質(zhì)中繼續(xù)傳播稱為折射波。如圖7-1所示。下面是與超聲波有關(guān)的幾個(gè)基本性質(zhì)：圖7-1超聲波反射與折射第12頁/共78頁2023/4/16131.傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，也與環(huán)境條件有關(guān)。對(duì)于液體，其傳播速度c為

（7-1）介質(zhì)的密度絕對(duì)壓縮系數(shù)第13頁/共78頁2023/4/1614在氣體中，傳播速度與氣體種類、壓力及溫度有關(guān)，在空氣中傳播速度c為（7-2）對(duì)固體，其傳播速度c為（7-3）環(huán)境溫度固體的彈性模量泊松系數(shù)比第14頁/共78頁2023/4/16152.反射定律入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波所處介質(zhì)的波速與反射波所處介質(zhì)的波速之比，即（7-4）當(dāng)入射波和反射波的波形一樣，波速一樣，入射角即等于反射角。第15頁/共78頁2023/4/16163．折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比等于超聲波在入射波及折射波所處介質(zhì)中的傳播速度之比，即

（7-5）在自動(dòng)檢測(cè)中，經(jīng)常采用超聲波在兩介質(zhì)中的界面所產(chǎn)生的折射和反射現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。第16頁/共78頁2023/4/16174.透射率與反射率超聲波從第一介質(zhì)垂直入射到第二介質(zhì)中時(shí)，透射聲壓與入射聲壓之比稱為透射率。而反射聲壓與入射聲壓之比稱為反射率。有理論和實(shí)驗(yàn)得知，超聲波從密度小的介質(zhì)入射到密度大的介質(zhì)時(shí)，透射率較大，反射率也較大。例如，超聲波從水中入射到鋼中時(shí)，透射率高達(dá)93.5%。反之，超聲波自密度大的介質(zhì)入射到密度小的介質(zhì)中時(shí)，透射率就較小。例如超聲波進(jìn)入鋼板并傳播一段距離，到達(dá)鋼板底面時(shí)，若底部是鋼與水的界面，則出射到水中的聲壓只有原聲壓的6.5%。而由底部鋼與水的界面反射回鋼板的反射率卻高達(dá)93.5%，若底部是鋼與空氣的界面，反射率就更大。超聲波的這一特性在金屬探傷、測(cè)厚中得到了很好的應(yīng)用。第17頁/共78頁2023/4/16185.超聲波在介質(zhì)中的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的散射或漫射及吸收等會(huì)導(dǎo)致能量的衰減，隨傳播距離的增加，聲波的強(qiáng)度逐漸減弱。以固體介質(zhì)為例，設(shè)超聲波入射介質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度為I0，通過厚度為δ的介質(zhì)后的強(qiáng)度為I，衰減系數(shù)為A，如圖7-2所示，則有下列關(guān)系式

（7-6)圖7-2超聲波能量的衰減第18頁/共78頁2023/4/16195.超聲波在介質(zhì)中的衰減介質(zhì)中的能量衰減程度與超聲波和介質(zhì)密度有很大關(guān)系。氣體的密度很小，因此衰減很快，尤其對(duì)于高頻率超聲波而言，衰減更快。因此，在空氣中測(cè)量時(shí)，要采用較低頻率的超聲波，一般低于數(shù)十kHz，而在固體中則應(yīng)該采用頻率高的超聲波，一般應(yīng)該在MHz數(shù)量級(jí)以上。圖7-2超聲波能量的衰減第19頁/共78頁2023/4/16207.1.2超聲波換能器及耦合技術(shù)超聲波換能器又稱超聲波探頭。超聲波換能器根據(jù)其工作原理不同，分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種。在檢測(cè)技術(shù)中主要采用壓電式。換能器由于其結(jié)構(gòu)的不同，又分為直探頭、斜探頭、雙探頭、表面探頭、聚焦探頭、水浸探頭、空氣傳導(dǎo)探頭以及其它專用探頭等。第20頁/共78頁2023/4/16211.以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的探頭用于固體介質(zhì)的單晶直探頭（俗稱直探頭）的結(jié)構(gòu)如圖7-3a所示。壓電晶片采用鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）材料制作，外殼用金屬制作。保護(hù)膜用于防止壓電晶片的磨損和改善耦合條件；阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波的產(chǎn)生。圖7-3a第21頁/共78頁2023/4/1622雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)如圖7-3b所示，它是由兩個(gè)單晶直探頭組成，裝配在同一殼體內(nèi)。兩個(gè)探頭之間用一塊吸聲性強(qiáng)，絕緣性能好的薄片加以隔離，并在壓電晶片下方增設(shè)延遲塊，使超聲波的發(fā)射和接受互不干擾。在雙探頭中，一只壓電晶片負(fù)責(zé)發(fā)射超聲脈沖，而另一只則擔(dān)任接收超聲脈沖的任務(wù)。雙探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但信號(hào)發(fā)射和接收的電路卻較為簡(jiǎn)單。圖7-3b第22頁/共78頁2023/4/1623第23頁/共78頁2023/4/1624有時(shí)為了使超聲波能傾斜入射到被測(cè)介質(zhì)中，可選用斜探頭，如圖7-3c所示。壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30°、45°等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上。壓電片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得。圖7-3c第24頁/共78頁2023/4/1625第25頁/共78頁2023/4/1626第26頁/共78頁2023/4/1627第27頁/共78頁2023/4/16282.耦合劑在圖7-3中，無論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接將其放在試件表面（特別是粗糙金屬表面）來回移動(dòng)，以防探頭磨損。更重要的是，由于超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，在工件表面不平整的情況下，探頭與被測(cè)物體表面間必然存在一層空氣薄層。由于空氣的密度很小，將引起三種介質(zhì)兩個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成嚴(yán)重的測(cè)量干擾，而且空氣還會(huì)造成超聲波的嚴(yán)重衰減。因此必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能夠順利的入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)測(cè)量中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。根據(jù)不同的被測(cè)介質(zhì)而選定。耦合劑的厚度應(yīng)該盡量薄一些，以減小耦合損耗。第28頁/共78頁2023/4/16293.以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器一般是分開設(shè)置的，兩者的結(jié)構(gòu)也略有不同。如圖7-4所示為以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲波發(fā)射器和接受器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。發(fā)射器上的壓電片上粘貼了一只錐形共振盤，如圖7-4a，以便提高發(fā)射效率和增強(qiáng)方向性。而接收器則在共振盤上還增加了一只阻抗匹配器，以提高接受效率，如圖7-4b所示。圖7-4第29頁/共78頁2023/4/1630第30頁/共78頁2023/4/16317.1.3超聲波傳感器的應(yīng)用根據(jù)超聲波的走向來看，超聲波傳感器的應(yīng)用有兩種基本類型，如圖7-5所示。當(dāng)超聲波發(fā)生器與接受器分別置于被測(cè)物兩側(cè)時(shí)，這種類型稱為透射型，如圖7-5a所示。透射型的典型應(yīng)用有：遙控器、防盜報(bào)警器、接近開關(guān)等。當(dāng)超聲波發(fā)生器與接受器置于同側(cè)時(shí)，這種類型稱為反射型，如圖7-5b所示。反射型的典型應(yīng)用有：接近開關(guān)、距離測(cè)量、液位或料位測(cè)量、金屬探傷以及厚度測(cè)量等。下面具體介紹超聲波傳感器在工業(yè)測(cè)量中的幾種應(yīng)用。圖7-5超聲波應(yīng)用兩種基本類型第31頁/共78頁2023/4/16321.超聲波探傷超聲波探傷是無損探傷技術(shù)中的一種主要檢測(cè)手段。它主要用于檢測(cè)金屬板材、管材、鍛件和焊縫等材料中的缺陷（如裂縫、氣孔、夾渣等）、材料厚度、材料的晶粒等，配合斷裂力學(xué)對(duì)材料使用壽命進(jìn)行評(píng)估。超聲波探傷因?yàn)闄z測(cè)靈敏度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而得到人們普遍的重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得以廣泛的應(yīng)用。超聲波探傷方法多種多樣，而脈沖反射法根據(jù)波形的不同分為縱波探傷、橫波探傷和表面波探傷等。下面分別給予介紹。第32頁/共78頁2023/4/1633（1）縱波探傷法測(cè)試前，先將探頭插入探傷儀的連接插座上。探傷儀面板上有一個(gè)熒光屏如圖7-6a所示。通過熒光屏可以知道工件中是否有缺陷、缺陷的大小及其缺陷的位置。工作時(shí)，探頭放置在被測(cè)工件上，并在工件上來回移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。探頭發(fā)出的超聲波，以一定速度向工件內(nèi)部傳播.工件中沒有缺陷，則超聲波傳播到工件底部便產(chǎn)生反射，在熒光屏上只產(chǎn)生開始脈沖T和底部脈沖B，有缺陷，一部分聲波脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一部分繼續(xù)傳播到工件底部產(chǎn)生反射，這樣在熒光屏上除了仍會(huì)出現(xiàn)開始脈沖T和底部脈沖B以外，還會(huì)出現(xiàn)缺陷脈沖F第33頁/共78頁2023/4/1634第34頁/共78頁2023/4/1635（2）橫波探傷法用斜探頭進(jìn)行探傷的方法稱橫波探傷法。超聲波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是：超聲波波束中心線與缺陷截面積垂直時(shí)，探測(cè)靈敏度最高。如遇到如圖7-7中所示的斜向缺陷時(shí)，用直探頭雖然能探測(cè)出缺陷的存在，但并不能真實(shí)反映缺陷的大小。如用斜探頭探測(cè)，探傷的效果良好。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)不同缺陷的性質(zhì)、取向采用不同的探頭進(jìn)行探傷。有些工件的缺陷性質(zhì)、取向事先不能確定，為了保證探傷質(zhì)量，則應(yīng)該采用不同種類的探頭進(jìn)行多次探測(cè)。圖7-7第35頁/共78頁2023/4/1636（3）表面波探傷法表面波探傷主要是檢測(cè)工件表面附近的缺陷存在與否，如圖7-8所示。當(dāng)超聲波的入射角α超過一定值后，折射角β可能達(dá)到90°，這時(shí)固體表面受到超聲波能量引起的交替變化的表面張力作用，質(zhì)點(diǎn)在介質(zhì)表面的平衡位置附近作橢圓軌跡振動(dòng)，這種振動(dòng)稱為表面波。當(dāng)工件表面存在缺陷時(shí)，表面波被反射回探頭，可在熒光屏上顯示出來。圖7-8表面波探傷第36頁/共78頁2023/4/16372.超聲波流量計(jì)圖7-9是超聲波流量計(jì)的原理圖。在被測(cè)管道上下游的一定距離上，分別安裝兩對(duì)超聲波發(fā)射和接受探頭（F1，T1）、（F2，T2），其中（F1，T1）的超聲波是順流傳播的，而（F2，T2）的超聲波是逆流傳播的。根據(jù)這兩束波在流體中傳播的速度不同，采用測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收探頭上超聲波傳播的時(shí)間差、相位差和頻率差等方法可測(cè)出流體的平均流速，進(jìn)而推算出流量。圖7-9超聲波流量計(jì)原理圖第37頁/共78頁2023/4/1638（1）時(shí)間差法設(shè)超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角為，流體在管道內(nèi)的平均流速為，超聲波在靜止流體中的聲速為c，管道的內(nèi)徑為d。超聲波由反射探頭F2至接收探頭T2的絕對(duì)傳播速度為:超聲波由反射探頭F1至接收探頭T1的絕對(duì)傳播速度為:第38頁/共78頁2023/4/1639超聲波順流與逆流傳播的時(shí)間差為

因?yàn)関《c，所以則體積流量約為流速及流量QV均與時(shí)間差成正比，而時(shí)間差可用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。上述方法被稱為時(shí)間差法。在這種方法中，流量與聲速C有關(guān)，而聲速一般隨介質(zhì)的溫度變化而變化，因此將造成溫漂。

第39頁/共78頁2023/4/1640（2）頻率差法

是完全相同的超聲探頭，安裝在管壁外面，通過電子開關(guān)的控制，交替地作為超聲波發(fā)射器與接收器使用。圖7-10頻率差法測(cè)流量的原理F2發(fā)射的超聲波到達(dá)F1的時(shí)間較長(zhǎng)F1發(fā)射的超聲波到達(dá)F2的時(shí)間較短第40頁/共78頁2023/4/1641

超聲波流量計(jì)最大的特點(diǎn)是：探頭可以裝在被側(cè)流體管道的外面，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，既不干擾流體流動(dòng)狀態(tài)，又不受流體流動(dòng)的其它參數(shù)影響，而且大大降低了流量計(jì)的安裝費(fèi)用。其輸出基本上與流量成線性關(guān)系，測(cè)量精度一般可達(dá)到1%。其價(jià)格與管道的尺寸無關(guān)，因此特別適合大口徑管道，以及含有磨損性雜質(zhì)或腐蝕性液體的測(cè)量。第41頁/共78頁2023/4/16423.超聲波測(cè)厚超聲波測(cè)厚的方法很多，最常用的方法是利用超聲波脈沖反射法進(jìn)行測(cè)厚?？梢詼y(cè)量鋼及其它金屬、有機(jī)玻璃、硬塑料等的厚度。圖7-11是超聲波測(cè)厚示意圖。雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)探頭內(nèi)部的延遲塊延時(shí)后，該脈沖進(jìn)入被測(cè)試件，在到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來，并被右邊的壓電晶片所接收。這樣只要測(cè)出從發(fā)射超聲波脈沖到接收超聲波脈沖所需要的時(shí)間間隔（扣除經(jīng)兩次延遲的時(shí)間），再乘以聲波在被測(cè)體內(nèi)的傳播速度常數(shù)，就是超聲波脈沖在被測(cè)件體內(nèi)所經(jīng)歷的來回距離，也就代表了厚度值，即在電路上只要在從發(fā)射到接收這段時(shí)間內(nèi)使計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)，便可達(dá)到數(shù)字顯示之目的。使用雙晶直探頭可以使信號(hào)處理電路趨于簡(jiǎn)化，有利與縮小儀表的體積。探頭內(nèi)部的延遲塊可減小雜亂反射波的干擾。圖7-11超聲波測(cè)厚示意圖第42頁/共78頁2023/4/16434.超聲波測(cè)密度圖7-12所示超聲波測(cè)量液體密度原理示意圖。圖中采用雙晶直探頭超聲波探頭測(cè)量，探頭安裝在測(cè)量室（貯油箱）的外側(cè)。測(cè)量室的長(zhǎng)度為，根據(jù)的關(guān)系（為探頭從發(fā)射到接收超聲波所需的時(shí)間），可以求得超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度c,傳播速度與液體的密度有關(guān)。因此可通過時(shí)間t的大小來反映液體的密度。本儀器采用數(shù)字顯示，測(cè)量精度較高，能連續(xù)在線測(cè)量并能參與給以過程的自動(dòng)控制。圖7-12超聲波測(cè)量液體密度原理圖第43頁/共78頁2023/4/16445．超聲波測(cè)量液位和物位如圖7-13所示，是一個(gè)超聲波液位測(cè)量示意圖。在被測(cè)液體液位的上方安裝一個(gè)空氣傳導(dǎo)型的超聲波發(fā)生器和接收器。按超聲波脈沖反射原理，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間就可測(cè)得液體的液面高度。如果液面晃動(dòng)，就會(huì)因?yàn)榉瓷洳ㄉ⑸涠邮绽щy，因此可用直管將超聲波傳播路徑限定在某一小的空間內(nèi)。另外，由于空氣中的聲速隨溫度變化而變化，這樣會(huì)造成由于溫度變化帶來的測(cè)量誤差，通常稱之為溫漂。所以在超聲波的傳播路徑中設(shè)置一個(gè)反射性良好的小板做標(biāo)準(zhǔn)參照物，隨時(shí)標(biāo)定測(cè)量環(huán)境中的超聲波的速度，以便計(jì)算修正溫度變化造成的測(cè)量誤差。圖7-13超聲波液位測(cè)量示意圖第44頁/共78頁2023/4/1645第45頁/共78頁2023/4/1646超聲波用于高效清洗當(dāng)弱的聲波作用于液體時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，即液體體積增加，液體中分子空隙加大，形成許多微小的氣泡；而當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，即液體的體積被壓縮減小，液體中形成的微小氣泡被壓碎。經(jīng)研究證明：超聲波作用于液體中時(shí)，液體中每一個(gè)氣泡的破裂會(huì)產(chǎn)生能量極大的沖擊波，相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生幾百度的高溫和高達(dá)上千大氣壓的壓力，這種現(xiàn)象被稱之為“空化作用”，超聲波清洗正是利用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用。超聲清洗多用于半導(dǎo)體、機(jī)械、玻璃、醫(yī)療儀器等行業(yè)。第46頁/共78頁2023/4/1647第47頁/共78頁2023/4/1648返回本章目錄第48頁/共78頁2023/4/16497.２微波傳感器7.2.1微波的性質(zhì)與特點(diǎn)微波是波長(zhǎng)為１～1000mm、頻率300MHz～300GHz的電磁波。它既有電磁波的特性，又與普通的無線電波及光波不同。微波具有以下特點(diǎn)：可定向輻射，空間直線傳輸。遇到各種障礙易于反射。繞射能力差。傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強(qiáng)光等影響很小。介質(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。由于微波有以上特性，被廣泛用于液位、物位、厚度及含水量的測(cè)量。第49頁/共78頁2023/4/16507.2.2微波傳感器的工作原理及

其分類1.微波傳感器的工作原理微波傳感器就是指利用微波特性來檢測(cè)一些非電量的器件和裝置。其原理是：由發(fā)射天線發(fā)射出微波，當(dāng)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。若利用接受天線接收到通過被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來的微波，將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，即能顯示出被測(cè)量，這就是微波檢測(cè)過程。根據(jù)上述原理，微波傳感器可分為如下兩類。第50頁/共78頁2023/4/16512.微波傳感器的分類根據(jù)上述原理，微波傳感器可分為如下兩類。（1）反射式微波傳感器反射式微波傳感器就是指通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率的大小或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)物的位置、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檢測(cè)接收天線接收到的微波功率的大小，來判斷發(fā)射天線與被測(cè)天線之間有無被測(cè)物或被測(cè)物的位置與含水量等參數(shù)。第51頁/共78頁2023/4/1652與一般傳感器不同，微波傳感器的敏感元件可以認(rèn)為是一個(gè)微波場(chǎng)。它的其他部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器，如圖7-14所示。圖7-14微波傳感器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器可以是一個(gè)微波場(chǎng)的有限空間，被測(cè)物即出于其中。如果MS與T合二為一，稱之為有源微波傳感器；如果MS與R合二為一，則稱其為自振式微波傳感器。微波源MicrowaveSource轉(zhuǎn)換器Transducer接收器Receiver第52頁/共78頁2023/4/1653微波天線由微波振蕩器產(chǎn)生振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（波長(zhǎng)為10cm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，天線具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如下圖所示，有喇叭形天線、拋物面天線、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，它可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭型天線在波導(dǎo)管與敞開的空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線，好像凹面鏡產(chǎn)生平行光，因此使微波發(fā)射的方向性得到改善。第53頁/共78頁2023/4/16547.2.3微波傳感器的應(yīng)用1.微波濕度（水分）傳感器水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章的分布著。在外電場(chǎng)的作用下，偶極子會(huì)形成定向的排列。當(dāng)水分子處于微波場(chǎng)中時(shí)，偶極子會(huì)在微波場(chǎng)的作用下反復(fù)取向，并不斷的從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷的釋放能量（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)特性可以用水分子自身介電常數(shù)來表征，即

與不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān)。所有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，其值在1～5范圍內(nèi)，而水的值則高達(dá)64，因此，材料中如果含有少量的水分，其復(fù)合的值將明顯上升，也有類似性質(zhì)。使用微波傳感器，同時(shí)測(cè)量干燥物體（純）與含水一定的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量，將獲得的信號(hào)進(jìn)行比較，就可以換算出潮濕物體的含水量。目前已經(jīng)研制成土壤、煤、石油、礦砂、酒精、玉米、稻谷、塑料、皮革等一批含水量測(cè)量?jī)x。(7-13)儲(chǔ)能的度量常數(shù)衰減的度量第54頁/共78頁2023/4/1655圖7-15給出了一臺(tái)測(cè)量酒精含水量的儀器框圖，其中，MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功器分成兩路，再經(jīng)過相同的衰減器A1，A2后分別注入到兩個(gè)完全相同的傳輸線轉(zhuǎn)換器T1、T2中。其中T1放置無水酒精，T2放置被測(cè)樣品。相位與衰減測(cè)定儀（PT、AT）分別反復(fù)接通兩路，自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差，從而確定出樣品酒精的含水量。應(yīng)該指出，對(duì)于顆粒狀物料，由于其形狀各異、裝料不均等影響，測(cè)量其含水量時(shí)，對(duì)微波傳感器要求不高。圖7-15酒精含水量測(cè)量?jī)x器第55頁/共78頁2023/4/16562.微波液位計(jì)微波液位計(jì)原理如圖7-16所示。相距為S的發(fā)射天線與接收天線，相互構(gòu)成一定角度，波長(zhǎng)為λ的微波從被測(cè)液面反射后進(jìn)入接收天線。接收天線接收到的微波功率將隨被測(cè)液面的高低不同而異，接收天線接收到的功率PV為：

當(dāng)發(fā)射功率、波長(zhǎng)、增益均恒定時(shí)，只要測(cè)出接收功率，就可得到被測(cè)液面的高度。(7-14)接受天線的接受功率,單位W發(fā)射天線的功率接受天線的增益兩天線的間距離，單位m圖7-16微波液位計(jì)兩天線與被測(cè)表面間的垂直距離，單位m發(fā)射天線的增益第56頁/共78頁2023/4/16573.微波物位計(jì)微波物位計(jì)的原理如圖7-17所示。當(dāng)被測(cè)物體位置較低時(shí)，發(fā)射天線發(fā)射的微波束全部由接收天線接收，經(jīng)檢波、放大與定電壓比較之后發(fā)出物體位置正常信號(hào)。當(dāng)被測(cè)物體位置升高到天線所在高度時(shí)，微波束部分被物體吸收，部分被反射，接收天線接收到的微波功率相應(yīng)減弱，經(jīng)檢波、放大、與定電壓比較，低于定電壓值，微波物位計(jì)就發(fā)出被測(cè)物體位置高出設(shè)定物位信號(hào)。圖7-17微波物位計(jì)第57頁/共78頁2023/4/16584.微波測(cè)厚儀微波測(cè)厚儀原理如圖7-18所示。這種測(cè)厚儀是利用微波在傳播過程中遇到被測(cè)物金屬表面被反射，且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行厚度測(cè)量的。如圖7-18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)過環(huán)行器A，經(jīng)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)金屬物體的上表面上，微波在這個(gè)表面被全反射后又回到上終端器，再經(jīng)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)金屬物體的下表面上，微波在這個(gè)表面被全反射后又回到下終端器，再經(jīng)過傳輸波導(dǎo)管回到環(huán)行器A。因此被測(cè)物的厚度與微波傳輸過程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系。當(dāng)被測(cè)物厚度增加時(shí)，微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小。圖7-18微波測(cè)厚儀第58頁/共78頁2023/4/16595.微波溫度傳感器任何物體，當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，都將向外輻射熱量。當(dāng)輻射熱到達(dá)接收機(jī)輸入端口時(shí)，若仍然高于基準(zhǔn)溫度（或室溫），在接收機(jī)的輸出端將有信號(hào)輸出，這就是輻射計(jì)或噪聲溫度接收機(jī)的基本原理。微波頻段的輻射計(jì)就是一個(gè)微波溫度傳感器。圖7-19給出了微波溫度傳感器的原理方框圖。其中Tin為輸入溫度（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；M為混頻器；LO為本機(jī)振蕩器。這個(gè)傳感器的關(guān)鍵部件是低噪聲放大器，它決定了傳感器的靈敏度。圖7-19微波溫度傳感器第59頁/共78頁2023/4/1660微波傳感器最有價(jià)值的應(yīng)用，是微波遙測(cè)，將微波溫度傳感器裝在航天器上，可遙測(cè)大氣對(duì)流層狀況，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；判斷土地肥沃程度；判斷植物品種等。近年來，微波傳感器又有新的重要應(yīng)用，這就是用其探測(cè)人體癌變組織。癌變組織與周圍正常組織之間存在著一個(gè)微小的溫度差。早期癌變組織比正常組織高0.1℃，腫瘤組織比正常組織偏高1℃。如果能精確測(cè)量出0.1℃的溫差，就可以發(fā)現(xiàn)早期癌變，從而可以早日治療。第60頁/共78頁2023/4/16616.微波定位傳感器圖7-20為微波定位傳感器的原理圖。微波源（MS）發(fā)射的微波經(jīng)環(huán)行器（C）從天線發(fā)射出微波信號(hào)。當(dāng)物料遠(yuǎn)離小孔（O）時(shí)，反射信號(hào)很??；當(dāng)物料移近小孔時(shí)，反射信號(hào)突然增大，該信號(hào)進(jìn)入轉(zhuǎn)換器（T）變換為電壓信號(hào)，然后送顯示器D顯示出來。也可以將此信號(hào)送至控制器控制執(zhí)行器工作，使物料停止運(yùn)動(dòng)或加速運(yùn)動(dòng)。圖7-20微波定位傳感器返回本章目錄第61頁/共78頁2023/4/16627.3多普勒傳感器7.3.1多普勒效應(yīng)（Dopplereffect）“多普勒效應(yīng)”是由奧地利物理學(xué)家克里斯蒂安·多普勒于1842首先發(fā)現(xiàn)并加以研究而得名的，其內(nèi)容為：由于波源和接收者之間存在著相互運(yùn)動(dòng)而造成接收者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，也稱多普勒頻移。關(guān)于多普勒效應(yīng)理論有兩種：聲波的多普勒效應(yīng) 光波（包括電磁波）的多普勒效應(yīng)

第62頁/共78頁2023/4/16631.聲波的多普勒效應(yīng)在日常生活中，我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車或鳴著喇叭的救護(hù)車朝我們開來的時(shí)候，我們會(huì)感到聲音比較尖，一旦從我們身邊離去時(shí)，聲音就會(huì)變粗。事實(shí)上，當(dāng)聲源接近觀察者時(shí)，聲波會(huì)被“壓縮”，聲波的頻率提高；而在遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，聲音聽起來就顯得低沉。當(dāng)然，當(dāng)觀察者接近或遠(yuǎn)離固定聲源時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。但我們接近或遠(yuǎn)離聲源的速度如果比較小，耳朵就無法區(qū)分這些細(xì)微的差別。圖7-21多普勒效應(yīng)示意圖第63頁/共78頁2023/4/1664多普勒效應(yīng)假如發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離發(fā)生變化，則發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率與接收機(jī)收到信號(hào)的頻率就不同。此現(xiàn)象是由奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的，所以稱為多普勒效應(yīng)。圖7-21多普勒效應(yīng)示意圖第64頁/共78頁2023/4/1665多普勒效應(yīng)如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點(diǎn)，兩者無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而被測(cè)物體以速度向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng)，我們可以把被測(cè)物體對(duì)信號(hào)的反射現(xiàn)象看成是一個(gè)發(fā)射機(jī)。這樣，接收機(jī)和被測(cè)物體之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)?，F(xiàn)在我們從被測(cè)物體與檢測(cè)點(diǎn)接近的情況來進(jìn)一步說明多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生過程。發(fā)射機(jī)發(fā)射出的無線電波向被測(cè)物體輻射，被測(cè)物體以速度運(yùn)動(dòng)，如圖7-21所示圖7-21多普勒效應(yīng)示意圖第65頁/共78頁2023/4/1666多普勒頻率

當(dāng)觀察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，取正號(hào)；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動(dòng)時(shí)，取負(fù)號(hào)；當(dāng)波源朝觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)前面取負(fù)號(hào)；前波源背離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)取正號(hào)。從式(7-15)易知，當(dāng)觀察者與聲源相互靠近時(shí)，；當(dāng)觀察者與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)，。(7-15)根據(jù)多普勒效應(yīng)，可定量分析得到多普勒頻率：波在靜止介質(zhì)中的傳播速度波源的固有頻率變化后的頻率觀察者相對(duì)于介質(zhì)的速度波源相對(duì)于介質(zhì)的速度第66頁/共78頁2023/4/16672.光波（包括電磁波）的

多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波,包括光波、電磁波。它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng)。因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對(duì)來自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)速度的辦法。光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化。如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移。多普勒-斐索效應(yīng)使人們對(duì)距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能，只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。第67頁/共78頁2023/4/16687.3.2多普勒效應(yīng)的應(yīng)用根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理可測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度，如車速、船速、衛(wèi)星速度和流體的流速等。也可根據(jù)光學(xué)多普勒頻移測(cè)定天體相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)。光源中發(fā)光原子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起譜線增寬，稱多普線增寬，根據(jù)頻移公式可計(jì)算多普勒增寬與光源溫度的關(guān)系。第68頁/共78頁2023/4/16691.多普勒雷達(dá)測(cè)速檢查機(jī)動(dòng)車速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。交警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測(cè)速儀的警車有時(shí)就停在公路旁，在測(cè)速的同時(shí)把車輛牌號(hào)拍攝下來，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在照片上。用多譜勒雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)的速度，目標(biāo)回波中的多譜勒頻移是非常重要的信息。因?yàn)槟繕?biāo)與雷達(dá)之間存在相對(duì)速度時(shí)，接收到回波信號(hào)的載頻相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的栽頻產(chǎn)生一個(gè)頻移，與目標(biāo)和雷達(dá)的相對(duì)速度的關(guān)系為：）

運(yùn)動(dòng)方向與微波傳輸方向的夾角微波信號(hào)的波長(zhǎng)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度多普勒雷達(dá)檢測(cè)線速度工作原理

1－被測(cè)物體2－發(fā)射波和反射波3－雷達(dá)第69頁/共78頁2023/4/16702.多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在臨床上，多普勒效應(yīng)的應(yīng)用也不斷增多，近年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler檢查儀，當(dāng)聲源或反射界面移動(dòng)時(shí)，比如當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時(shí)，從其表面散射的聲音頻率發(fā)生改變，由這種頻率偏移可以知道血流的方向和速度，如紅細(xì)胞朝向探頭時(shí)，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細(xì)胞離開探頭時(shí)，反射的聲頻則降低。第70頁/共78頁2023/4/16713.宇宙學(xué)研究中的多普勒現(xiàn)象20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度與距地球的距離r成正比，即,H為哈勃常數(shù)。根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測(cè)定，人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變小。由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物。因而1948年伽莫夫（G.Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型。20世紀(jì)60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱為宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。多普勒-斐索效應(yīng)使人們對(duì)距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年，英國(guó)天文學(xué)家W.哈金斯用這種辦法測(cè)量了天狼星的視向速度（即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度），得出了46km/s的速度值。第71頁/共78頁2023/4/16724.移動(dòng)通信中的多普勒效應(yīng)在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充分考慮