微波式传感器的应用

第1页共16页包头师范学院本科毕业论文论文题目：微波式传感器的应用院系：物理科学与技术学院专业：物理学姓名：郝文兴学号：0809320114指导教师：邢茹老师二〇一二年3月第2页共16页摘要微波传感器具有检测速度快、灵敏度高、适应环境能力强及非接触测量等优点。其原理是由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理后，即显示出被测量，就实现了微波检测。本文论述了微波传感器原理及实现的技术途径，介绍了微波传感器的结构、种类和应用。关键词：微波；传感器；微波传感器原理；微波传感器应用第3页共16页AbstractMicrowavesensorwithhighdetectionspeed,highsensitivity,strongabilitytoadapttotheenvironmentandhastheadvantagesofnoncontactmeasurement.Itsprincipleiscomposedofatransmittingantennaemitsmicrowave,encounteredobjectwillbeabsorbedorreflected,sothatthepowerchange.Ifthereceivingantennathroughtheanalyteoranalyteisreflectedbackbymicrowave,andconvertitintoelectricalsignals,andthenprocessedbythemeasuringcircuit,isdemonstratedbymeasuring,ontherealizationofmicrowavedetection.ThispaperdiscussedtheprincipleandRealizationofmicrowavesensortechnique,introducedthemicrowavesensorstructure,typeandapplication.Keywords：Microwave；Sensor；Microwavesensorprinciple；Applicationofmicrowavesensor第4页共16页目录引言…………………………………………………………………………………11微波的概述………………………………………………………………………12微波传感器的原理和组成……………………………………………………22.1微波传感器的测量原理及分类……………………………………………22.1.1反射式微波传感器…………………………………………………………22.1.2遮断式微波传感器…………………………………………………………22.2微波传感器的组成……………………………………………………………22.2.1微波振荡器及微波天线……………………………………………………22.2.2微波检测器…………………………………………………………………32.3传感器的特点…………………………………………………………………33.微波传感器的应用………………………………………………………………33.1微波湿度传感器………………………………………………………………43.2微波测厚仪……………………………………………………………………53.3微波辐射计（温度传感器）……………………………………………………63.4微波测定移动物体的速度和离………………………………………………73.5微波无损检测…………………………………………………………………8结论………………………………………………………………………………9参考文献……………………………………………………………………………10致谢…………………………………………………………………………………11第5页共16页微波式传感器的应用引言微波半导体器件及微波集成电路，从雷达导航、电子对抗等军事应用领域，迅速扩展到微波中继通信、卫星通信、移动通信、无线电话、卫星直播电视、无线电缆电视、安全防范等众多的商用领域。这些应用领域的发展，方兴未艾，前景广阔。应用的扩大，市场需求的增长，有力地促进了微波半导体器件及微波集成电路品种的发展和性能的提高。微波半导体器件及微波集成电路的生产，也从多品种、小批量的小规模方式，迅速向集约化、大规模方式发展。近年来，国外利用微波频段电磁波的特性研制生产了大量用於非电参量的检测和无损伤探测方面的微波传感器，工作十分引人注目。微波传感器具有不接触、无损伤、连续、宴时、远距离、无毒害、不污染环境、易於维护、成本较低等一系列优点，在许多场台十分有用。长期以来，传感器的电检测技术基本上局限於低频和光频两个频段并从集总电路参数和电压、电流的观点来研究各种传感器的性能，很少使用它们之间的微波频段并从电磁波的角度来研究传感器本文的目的在於引起人们对微波传感器这一新兴领域的重视。我们相信，随着这一领域的开拓和发展，不仅为传感器增加了新的分支和新的品种，而且也为微波半导体器件和微波集成电路开辟了新的应用前景。1.微波概述微波是波长为1mm～1m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。2.微波传感器的原理和组成2.1微波传感器的测量原理及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。由发射天线发第6页共16页出微波，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。根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。2.1.1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。2.1.2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。2.2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。2.2.1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（300MHz～300GHz），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。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。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。常用的天线如图1所示，其中有喇叭形天线（图（a）、（b））、抛物面天线（图（c）、（d））、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。(a)(b)(c)(d)第7页共16页图1常用的微波天线(a)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2.2.2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，在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高的可使用肖特基结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用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，而在接近光的频率区域可使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。微波的检测方法有两种，一种是将微波变化为电流的视频变化方式，另一种是与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。微波检测器性能参数有：频率范围、灵敏度-波长特性、检测面积、FOV（视角）、输入耦合率、电压灵敏度、输出阻抗、响应时间常数、噪声特性、极化灵敏度、工作温度、可靠性、温度特性、耐环境性等。2.3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=1.0mm——1.0m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。3.微波传感器的应用第8页共16页图2微波液位计3.1微波湿度传感器水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。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″（公式1）式中：ε′——储能的度量；ε″——α——常数。ε′与ε″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时，其复合ε′将显著上升，ε″也有类似性质。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。图3给出了测量酒精含水量的仪器框图，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。微波发射天线Sd微波接收天线第9页共16页图3酒精含水量测量仪框图3.2微波测厚仪微波测厚仪是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的。微波测厚仪原理如图4所示，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，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。图4微波测厚仪原理图一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图11-4右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信T1A1T2A2MSPTATDD放大器C环行器A环行器B上终端器被测体下终端器补偿短路器微波信号源振动短路器可逆电机光电转换器显示器第10页共16页号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两