第12章 微波传感器.ppt

微波作为一种电磁波，具有电磁波的所有性质 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 微波传感器是一种新型非接触式测量传感器 §12.1 微波传感器的原理和组成 微波特点： 需要定向辐射装置； 遇到障碍物容易反射； 绕射能力差； 传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小； 介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比，如水对微波的吸收作用最强。 12.2.4 微波无损检测仪 12.2.5　微波物位计 12.2.6 微波定位传感器 * * 第12章 微 波 传 感 器 12.1微波传感器的原理和组成 12.2 微波传感器的应用 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。 12.1.1 微波传感器的测量原理及分类 　　原理：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。 　　分类：分为反射式和遮断式两类。 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。 　　　　　12.1.2 微波传感器的组成 微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、 微波天线及微波检测器三部分组成。  1. 微波发射器 　　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方向性得到改善。 图12.2 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 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。 　　与其它传感器相比， 敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。 　　作为非线性的电子元件可用各类较多（半导体PN结元件、隧道结元件等），根据使用情形选用。 　　　12.1.3 微波传感器的特点 　　一种新型的非接触传感器。 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。 　　 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。  缺点：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， 测量环境对测量结果影响大， 如温度、 气压、 取样位置等。  12.2微波传感器的应用 图12.3 微波液位计 12.2.1 微波液位计 　　　12.2.2 微波湿度传感器 水分子是极性分子。 　　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ε来表征， 即 ε=ε′+αε″ ε′与ε″不仅与材料有关，还与测试信号频率有关, 所有极性分子均有此特性。一般干燥的物体，其ε′在1～5范围内， 而水的ε′则高达64， 因此如果材料中含有少量水分子