傳感器及實(shí)用檢測技術(shù)（第三版）微波和超聲波傳感器

微波和超聲波傳感器8.1微波傳感器8.1.1概述8.1.2微波傳感器及其分類8.1.3微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在問題8.1.4微波傳感器的應(yīng)用8.2超聲波傳感器8.2.1超聲波傳感器的原理8.2.2超聲波傳感器的應(yīng)用8.2.3超聲波傳感器應(yīng)用實(shí)例8.1微波傳感器8.2超聲波傳感器微波和超聲波傳感器微波和超聲波傳感器8.1微波傳感器

8.1.1概述

1、微波的性質(zhì)與特點(diǎn)

在電磁波譜圖中人們把波長為1mm--1m的電磁波稱作微波，它既有電磁波的特性，又與普通的無線電波及光波不同，微波具有下述特點(diǎn):

（1）可定向輻射，在空間沿直線傳輸，容易制造。（2）遇到各種障礙物易于反射。

（3）繞射能力差。（4）傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧，火焰，灰塵，強(qiáng)光等影響小。（5）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(qiáng)。2、微波振蕩器與微波天線微波是由微波振蕩器產(chǎn)生的，由于微波波長非常短。頻率很高（300MHz--300GHz）.根據(jù),則要求振蕩器中具有非常微小的電感與電容。微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩器信號需要用波導(dǎo)管。

因此，不能采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中有速調(diào)管，磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波器也可以采用體效應(yīng)管。由（波長為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，天線必須具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖8-1所示有喇叭形天線，拋物面天線，介質(zhì)線與隙縫天線等。

喇叭形天線結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，它可看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(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。拋物面天線對象凹面鏡產(chǎn)生平行光，因此使微波發(fā)射的方向性得到改善。a扇形喇叭天線b圓錐喇叭天c旋轉(zhuǎn)拋物面天線d拋物柱面天線圖8-1常見微波天線

8.1.2微波傳感器及其分類微波傳感器就是得利用微波特性來檢測一些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時(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，接收到通過被測物或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過信號處理電路處理，并根據(jù)發(fā)射與接收時(shí)間差，即可顯示出被測量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測過程，根據(jù)上述原理制成的微波傳感器可以分為如下兩類。1、反射式微波傳感器

反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測量被測物的位置，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接收天線接收到的微波功率大小來判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無被測物或被測物的位置與含水量等參數(shù)。

與一般傳感器不同，微波傳感器的敏感元件可認(rèn)為是一個(gè)微波場。它的其它部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器如圖8-2所示圖中ＭＳ是微波源，Ｔ是轉(zhuǎn)換，Ｒ是接收器。

圖8-2微波傳感器的構(gòu)成

轉(zhuǎn)換器可以是一個(gè)微波場的有限空間，被測物即處于其中。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。8.1.3微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)與存在問題

1、微波傳感器的優(yōu)點(diǎn)

由于微波本身的特點(diǎn)決定了微波傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，因此可進(jìn)行活體檢測，大部分測量不需要取樣。（2）檢測速度快，靈敏度高，可以進(jìn)行動態(tài)檢測與實(shí)時(shí)處理，便于自動控制。（3）可以在惡劣環(huán)境條件下檢測，如高溫，高壓，有毒，有放射線環(huán)境條件。（4）輸出信號可以方便地調(diào)制在載頻信號上進(jìn)行發(fā)射與接收，便與實(shí)現(xiàn)遙測與遙控。2、波傳感器存在的問題

微波傳感器的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定問題，尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界因素影響較多，如溫度，高壓，取樣位置等。

8.1.4微波傳感器的應(yīng)用

RTMS--遠(yuǎn)程交通微波傳感器

遠(yuǎn)程交通微波傳感器（RTMS）是一種價(jià)格低、性能優(yōu)越的交通檢測器，可廣泛應(yīng)用于城市交通和高速公路的交通信息檢測。一臺RTMS可同時(shí)檢測多達(dá)8個(gè)車道的車流量、道路占用率、平均車速和長車流量。RTMS的輸出與環(huán)型線圈的輸出兼容,可直接通過無極性接觸器接入現(xiàn)有的交通控制器，也可通過RS-232接口與其它系統(tǒng)相聯(lián)。RTMS安裝簡便,無需中斷交通。圖8-3RTMS--遠(yuǎn)程交通微波傳感器示意圖

1、工作原理

RTMS工作在微波波段，在扇形區(qū)域內(nèi)發(fā)射連續(xù)的低功率調(diào)制微波，并在路面上留下一條長長的投影。RTMS以2米為一"層"，將投影分割為32層。用戶可將檢測區(qū)域定義為一層或多層。RTMS根據(jù)被檢測目標(biāo)返回的回波，測算出目標(biāo)的交通信息，每隔10至600秒，通過RS-232向控制中心發(fā)送。

2、技術(shù)規(guī)格(1)探測區(qū)域垂直射角：45度水平射角：15度有效距離：3-60米(2)探測能力車道數(shù)量：8車道車道寬度：2米-10米范圍可調(diào)車道長度：2米探測時(shí)間：使用無極性接觸器輸出，時(shí)間間隔為10毫秒。延持時(shí)間可編程控制在30毫秒-3秒之間統(tǒng)計(jì)周期：以10秒為間隔，最大可達(dá)600秒

(3)測量精度

實(shí)時(shí)探測：精度98%以上正向平均車速：誤差低于5%

旁側(cè)平均車速：誤差低于10%

車流量、道路占用率、長車流量：誤差低于5%(4)電源要求

12-24伏交流/直流，功率為6瓦電源沖擊防護(hù)符合1980版IEEE587標(biāo)準(zhǔn)，C項(xiàng)（外部電源線）

電源故障恢復(fù)：出現(xiàn)電源故障5秒內(nèi)自動恢復(fù)

(5)微波發(fā)射

波段：10.525Ghz

瞬時(shí)頻寬：45Mhz

發(fā)射功率：10mW3、特點(diǎn)

1）多道性多數(shù)車輛檢測器為單車道設(shè)備。在多車道的公路上應(yīng)用時(shí)，在每一安裝處都需由多個(gè)檢測器單元組成。因此帶來高額的成本和復(fù)雜的安裝，并且隨著單元和布線的增加使得可靠性下降且更不便于維修。RTMS能夠根據(jù)車的長度探測在多達(dá)8條車道的每一條車道上的車的類型、道路占用率、流量和平均速度。由于RTMS的安裝高度在5米左右，所以可方便地放置在現(xiàn)有的電線桿上的。多道性使RTMS平均在每一條車道上安裝的方便性、可靠性、穩(wěn)定性方面的性能價(jià)格比很高。2）真實(shí)再現(xiàn)多數(shù)交通檢測器都不是再現(xiàn)式設(shè)備，如果物體移動得很慢或不動，則不能夠探測到交通情況。被動紅外傳感器就是很好的例子。這意味著，對于這些檢測器來說，一條交通擁擠的道路看起來是一條空路。RTMS和感應(yīng)線圈一樣，是一種能夠真實(shí)再現(xiàn)的傳感器。不論車輛是靜止的還是移動的，它都能夠真實(shí)探測。3）側(cè)向安裝所有可選擇的檢測器都是正向架空安裝設(shè)備，即僅可安裝在標(biāo)志橋或過街橋上面。這就限制了它們在有很多橋或需要在常規(guī)路口新建橋的部署。

進(jìn)一步說，在安裝和維修時(shí)，檢測器下方的道路必須被關(guān)閉。RTMS是唯一的能夠在不中斷交通的情況下安裝在現(xiàn)有路側(cè)電線桿上的離路檢測器，而且安裝不會造成交通中斷，在安裝時(shí)最多需要路邊圍欄。沒有其它的檢測器能夠做到這一點(diǎn)。4）全天候

除了微波檢測器以外，所有的檢測器在天氣變化時(shí)維持良好的運(yùn)行都有困難。被動視頻和短波紅外線設(shè)備不能在霧、大雨、和雪中運(yùn)行。當(dāng)早晨和傍晚太陽位置很低時(shí)，視頻圖像系統(tǒng)會出現(xiàn)運(yùn)行問題（由于它們主要是根據(jù)車燈來監(jiān)測，所以占有率的讀入很成問題）。所有基于鏡頭工作的設(shè)備都需要時(shí)常地擦拭和維護(hù)。超聲波檢測器非常容易受到由風(fēng)引起的震動的影響，從而產(chǎn)生誤報(bào)。RTMS作為一種真正的實(shí)時(shí)再現(xiàn)的雷達(dá)設(shè)備，由于它的波長長，能夠全天候工作。4、應(yīng)用領(lǐng)域

1)高速公路交通管理

采用RTMS構(gòu)成的高速公路機(jī)動車交通管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高速公路的自動事故檢測。RTMS安裝簡便的結(jié)構(gòu)和支持無線連接性能，比有線系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)?；贛SWindows的軟件，可用來分析從RTMS單元傳過來的數(shù)據(jù)。

2)遠(yuǎn)程車流量管理

這是一種能自動控制的機(jī)動車計(jì)數(shù)系統(tǒng)。它由RTMS提供存儲能力，可將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲或通過撥號MODEM或無線MODEM傳輸?shù)浇煌ㄐ畔⒅行?。RTMS自帶分析和報(bào)告軟件，探測器還可用電池和太陽能供電。與該系統(tǒng)配套的設(shè)備還有RTCP（遠(yuǎn)程交通計(jì)數(shù)套件），該計(jì)數(shù)器作為交通信息的存儲部件，可存儲長達(dá)7天的交通信息。

3)城市交通信號控制系統(tǒng)

這是一種能夠配合交通信號控制器使用的城市交通控制系統(tǒng)?？刂破鞲鶕?jù)RTMS探測到的車流量、道路占用率、平均車速等實(shí)時(shí)交通信息，自動編程控制信息燈的指示，智能化地指揮交通。

4)區(qū)域交通事故報(bào)警系統(tǒng)

這是一種能夠?yàn)閿?shù)據(jù)庫收集真實(shí)交通數(shù)據(jù)的完備系統(tǒng)。它由RTMS探測器，無線MODEM，控制器和電腦軟件組成。由于數(shù)據(jù)可通過電話線（4芯）進(jìn)行傳輸，所以應(yīng)用靈活且線路成本低。8.2超聲波傳感器

8.2.1超聲波傳感器的原理

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，人們聽到的聲音是物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在20Hz--20KHz的范圍內(nèi)。超過20KHz稱為超聲波，低于20Hz稱為次聲波，超聲波是由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。

超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

8.2.2超聲波傳感器的應(yīng)用

超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。

當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。8.2.3超聲波傳感器應(yīng)用實(shí)例

1、超聲波產(chǎn)生電路圖

8-5數(shù)字式超聲波振蕩電路

圖8-5是由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓通過耦合電容Cp供給超聲波振子MA40S2S。H1和H2產(chǎn)生與超聲波頻率相對應(yīng)的高頻電壓信號，此信號通過反相器H3--H6進(jìn)行功率放大，再經(jīng)過耦合電容Cp傳給超聲波振子MA40S2S。超聲波振子若長時(shí)間加直流電壓，會使傳感器特性明顯變差，因此，一般用交流電壓通過耦合電容供給傳感器。2、超聲波接收電路

超聲波傳感器接收到的信號極其微弱，因此，一般要接幾十dB以上的高增益放大器。圖8-6是超聲波接收電路，超聲波傳感器采用MA40S2R放大電路采用三極管，超聲波傳感器一般用于檢測反射波，它遠(yuǎn)離超聲波發(fā)生源，能量衰減較大，只能接收幾十mv左右的信號，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)要加多級放大器。圖8-6晶體管超聲波接收電路

3、超聲波移動物體探測器

圖8-7