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第11章 其他类型传感器 11.1 微波传感器 11.1.1 概述 微波是波长为1mm~1m的电磁波,可以细分为3个波段:分米波、厘米波、毫米波。微波是一种相对波长较长的电磁波。 微波具有下列特点: (1)定向辐射的装置容易制造; (2)遇到各种障碍物易于反射; (3)绕射能力差; (4)传输特性好,传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小; (5)介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例,水对微波的吸收作用最强。 11.1.2 微波传感器的原理与分类 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波,此波遇到被测物体时将被吸收或反射,使微波功率发生变化。 若利用接收天线,接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波,并将它转换为电信号,再经过信号调理电路,即可以显示出被测量,实现了微波检测。 1.反射式微波传感器 反射式微波传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。 2.遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。 11.1.3 微波传感器的组成 1.微波发射器 微波发射器是产生微波的装置。构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件,小型微波振荡器也可以采用体效应管。 2.微波天线 由微波振荡器产生的振荡信号通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性,天线要具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形、抛物面形、介质天线与隙缝天线等。 喇叭形天线结构简单,制造方便,可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用,可以获得最大能量输出。抛物面天线使微波发射的方向性能得到改善。 3.微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播,所以使用电流—电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。 微波传感器一种新型的非接触传感器具有如下特点: (1)有极宽的频谱(波长=1.0mm~1.0m)可供选用,可根据被测对象的特点选择不同的测量频率; (2)在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小, 因此可以在恶劣环境下工作; (3)时间常数小,反应速度快,可以进行动态检测与实时处理,便于自动控制; (4)测量信号本身就是电信号,无须进行非电量的转换,从而简化了传感器与微处理器间的接口; (5)传输距离远,便于实现遥测和遥控; (6)微波无显著辐射公害。 11.1.4 微波传感器的应用 1.微波液位计 相距为S的发射天线与接受天线,相互成一定的角度。波长为?的微波信号从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的微波功率的大小也将随着被测液面的高低不同而异。 2.微波湿度传感器 当微波场中有水分子时,偶极子受场的作用而反复取向,不断从电场中得到能量(储能),又不断释放能量(放能),前者表现为微波信号的相移,后者表现为微波衰减。这个特性可用水分子自身介电常数?来表征,即 式中: ——储能的度量; ? ? ——衰减的度量; ?? ???——常数。 与 不仅与材料有关,还与测试信号频率有关,所以极性分子均有此特性。一般干燥的物体,如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等,其 在1~5范围内,而水的 则高达64,因此如果材料中含有少量水分子时,其复合 将显著上升, 也有类似性质。 下图中,MS产生的微波功率经分功率器分成两路,再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中,T1放置无水酒精,T2放置被测样品。相位与衰减测定仪(PT、AT)分别反复接通两电路(T1和T2)输出,自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差,从而确定样品酒精的含水量。 3.微波测厚仪 微波测厚仪利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射,且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚。 在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波,经过环行器A、上传输波导管传输到上终端器,由上终端器发射到被测物体上表面上,微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器
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