《微波傳感器》課件

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1、第11章微波傳感器11.1微波概述11.2微波傳感器的原理和組成11.3微波傳感器的應(yīng)用11.1微波概述微波是波長(zhǎng)為1mm～1m的電磁波，可以細(xì)分為三個(gè)波段：分米波、厘米波、毫米波。微波既具有電磁波的性質(zhì)，又不同于普通無線電波和光波的性質(zhì)，是一種相對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波。微波具有下列特點(diǎn)：①定向輻射的裝置容易制造；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)光的影響很??；⑤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)。11.2微波傳感器的原理和組成11.2.1微波

2、傳感器的測(cè)量原理及分類微波傳感器是利用微波特性來檢測(cè)某些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，此波遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。若利用接收天線，接收到通過被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，即可以顯示出被測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。根據(jù)微波傳感器的原理，微波傳感器可以分為反射式和遮斷式兩類。1.反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)量的。通常它可以測(cè)量物體的位置、位移、厚度等參數(shù)。2.遮斷式微波傳感器遮斷式微

3、波傳感器是通過檢測(cè)接收天線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(cè)物體或被測(cè)物體的厚度、含水量等參數(shù)的。11.2.2微波傳感器的組成微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測(cè)器三部分組成。1.微波振蕩器及微波天線微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。由于微波波長(zhǎng)很短，即頻率很高（300MHz～300GHz），要求振蕩回路中具有非常微小的電感與電容，因此不能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有調(diào)速管、磁控管或某些固態(tài)器件，小型微波振蕩器也可以采用體效應(yīng)管。由微波振蕩器產(chǎn)生的振

4、蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管（管長(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，天線要具有特殊的結(jié)構(gòu)。常用的天線如圖11-1所示，其中有喇叭形天線（圖（a）、（b））、拋物面天線（圖（c）、（d））、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，可以看作是波導(dǎo)管的延續(xù)。喇叭形天線在波導(dǎo)管與空間之間起匹配作用，可以獲得最大能量輸出。拋物面天線使微波發(fā)射方向性得到改善。圖11-1常用的微波天線扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉(zhuǎn)拋物面天線;(d)拋物柱面天線2.微波檢測(cè)器電磁波

5、作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭。與其它傳感器相比，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線性的電子元件，在幾兆赫以下的頻率通?？捎冒雽?dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。在靈敏度特性要求特別高的情況下可使用超導(dǎo)材料的約瑟夫遜結(jié)檢測(cè)器、SIS檢測(cè)器等超導(dǎo)隧道結(jié)元件，而在接近光的頻率區(qū)域可使用由金屬-氧化物-金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件。微波的檢測(cè)方法有兩種，一種是將微波變化為電流的視頻變化方式，另一種是與本機(jī)振蕩器并用而變化為頻率比微波低的外差法。

6、微波檢測(cè)器性能參數(shù)有：頻率范圍、靈敏度-波長(zhǎng)特性、檢測(cè)面積、FOV（視角）、輸入耦合率、電壓靈敏度、輸出阻抗、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、噪聲特性、極化靈敏度、工作溫度、可靠性、溫度特性、耐環(huán)境性等。11.2.3微波傳感器的特點(diǎn)微波傳感器作為一種新型的非接觸傳感器具有如下特點(diǎn)：①有極寬的頻譜（波長(zhǎng)=1.0mm~1.0m）可供選用，可根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)選擇不同的測(cè)量頻率；②在煙霧、粉塵、水汽、化學(xué)氣氛以及高、低溫環(huán)境中對(duì)檢測(cè)信號(hào)的傳播影響極小，因此可以在惡劣環(huán)境下工作；③時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)速度快，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與實(shí)時(shí)處理，便于自動(dòng)控

7、制；④測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào)，無須進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器間的接口，便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控；⑤微波無顯著輻射公害。微波傳感器存在的主要問題是零點(diǎn)漂移和標(biāo)定尚未得到很好的解決。其次，使用時(shí)外界環(huán)境因素影響較多，如溫度、氣壓、取樣位置等。11.3微波傳感器的應(yīng)用圖11-2微波液位計(jì)11.3.2微波濕度傳感器水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式雜亂無章地分布著。在外電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)形成定向排列。當(dāng)微波場(chǎng)中有水分子時(shí)，偶極子受場(chǎng)的作用而反復(fù)取向，不斷從電場(chǎng)中得到能量（儲(chǔ)能），又不斷釋放能量（放能），前者表現(xiàn)

8、為微波信號(hào)的相移，后者表現(xiàn)為微波衰減。這個(gè)特性可用水分子自身介電常數(shù)ε來表征，即ε=ε′+αε″(11-1)式中：ε′——儲(chǔ)能的度量；ε″——衰減的度量；α——常數(shù)。ε′與ε″不僅與材料有關(guān)，還與測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān),所以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