第11章微波传感器详解.ppt

* 第11章 微 波 传 感 器 第11章 微 波 传 感 器 11.1 微波概述 11.2 微波传感器的原理和组成 11.3 微波传感器的应用 11.1 微波概述 微波是波长为1 mm～1 m的电磁波，可以细分为三个波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，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。 11.2 微波传感器的原理和组成 11.2.1 微波传感器的测量原理及分类 微波传感器: 利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为: 1. 反射式微波传感器 反射式微波传感器是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的。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。 11.2.2 微波传感器的组成 微波发射器（即微波振荡器） 微波天线 微波检测器  1. 微波振荡器及微波天线 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz～300 GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件: (1) 调速管 (2) 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。 图11-1 常用的微波天线 扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线; (c) 旋转抛物面天线; (d) 抛物柱面天线 2. 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。 在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度: 半导体PN结: 在几兆赫以下的频率 肖特基结: 频率比较高 在灵敏度特性要求特别高的情况下: 超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件 在接近光的频率区域: 由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件 检测方法 (1) 将微波变化为电流的视频变化方式 (2) 与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。  11.2.3 微波传感器的特点 微波传感器作为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=1.0 mm~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，便于实现遥测和遥控； ⑤ 微波无显著辐射公害。  微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。 其次， 使用时外界环境因素影响较多， 如温度、 气压、 取样位置等。  11.3 微波传感器的应用 图11-2 微波液位计 11.3.1 微波液位计 Pr为接收天线接收到的功率，即 式中，d为两天线与被测液面间的垂直距离； Pt为发射天线发射的功率；Gt为发射天线的增益； Gr为接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为 式中, K1为取决于波长、发射功率和天线增益的常数；K2为取决于天线安装方法和安装距离的常数。 当被测物位较低时， 发射天线发出的微波束全部由接收天线接收， 经检波、 放大、 与电压比较器比较后， 发出正常工作信号。 当被测物位升高到天线所在高度时， 微波束部分被吸收， 部分被反射， 接收天线接收到的功率相应减弱， 经检波、 放大后， 低于设定电压信号， 微波物位计就发出被测