第四章 微波检测技术

第四章微波检测技术•微波检测的基础知识•微波测湿技术•微波多普勒测速技术•微波测量厚度•微波测量物位•微波无损检测技术•其他微波的检测应用第一节微波检测的基础知识一、微波的定义及其特点通常将波长在0.001-1m，频率从300M—300GM范围内的电磁波称为微波。其特点为：(1)定向传播。(2)准光学特性。(3)传输特性好。(4)介质对微波吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。二、微波的有关概念微波技术中主要的性能指标是频率、波长、功率、驻波比、反射系数等。微波波段常用的仪器是功率计、频率计、波长表等。1．波长与波速一个周期T内，电磁波所走的路程称为波长，用λ表示。电磁波是按一定速度传播的，电磁波每秒钟所行的距离称为波速，用字母υ代表；波速与波长、周期关系：λ=T*υ或λ=υ/f2．行波和驻波由信号源产生的电磁被，波峰随着时间的推移向前不断运动。这种不断向前行进的波称为行波。电磁波遇到障碍或不连续的地方会产生反射波，反射波与人射波的传输方向相反，这两种波彼此干涉，结果使得在传输方向上的某些地方起伏程度总是最大，而在另一些地方总是最小，合成波的最大与最小波幅驻在那里不动．故称为驻波。驻波的最小点称为波节点．振幅最大点称为波腹点。在微波传输中，要尽量避免驻波的产生。三、微波振荡器与微波天线微波电路中需要注意的问题就是微波电路是高颜电路，它与低频电路分析和处理时最大的区别就是元件连接线之间的分市参数是不能忽略的。在微波电路中这些分布参数有分布电容、分布电感、分布电导，分布电容存储部分电场能量，分布电感存储部分磁场能量，分布电导则消耗电磁能量。微波振荡器微波是用微波振荡器产生的。由于微波的波长很短，所以它的振荡频率f很高(300Mh—300GHZ)，为了得到很高的频率f，振荡回路的电感L和电容C就要很小，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速调管、磁控管和某些固体元件，小型的微波振荡器也可采用体效应管。发射天线微波振荡器产生的振荡信号要用波导管引到发射天线(波长为10cm以上可用同轴电缆)发射出去。波导管通常是截面为圆形或矩形的金属管，微波就在管内传播。波导壁起了屏蔽作用，它强迫电磁波沿着波导移动。为了保证发射的微波有很强的方向性，必须使用特殊结构的发射天线。常有的发射天线有喇叭形天线、抛物面天线、介质天线等。基本参量：方向性、效率、增益系数、天线的极化。四、微波检测基本原理五、微波在捡测技术中的应用微波检测技术利用微波的定向辐射、反射特性及吸收特性等来检测某些物理量。选用的微波信号可以是连续波、脉冲波，也可以是调制波。信号的传输通路可以是传输线也可以是自由空间。四、微波在捡测技术中的应用•1．利用微波的定向辐射特性进行测量•2．利用微波的反射特性进行测量•3．利用物质对微波的选择性吸收特性进行测量六、微波检测方法的优缺点微波检测方法具有以下优点：(1)非接触测量。由于检测时不与对象接触．因此可对活体进行检测；(2)检测速度快、灵敏度高，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制。(3)不受恶劣检测环境的限制，可在高温、高压、放射性环境下进行检测。(4)输出信号可以方便地调制在载频信号上进行发射与接收，便于实现遥测与遥控。微波检测方法具有以下缺点：(1)利用这种检测方法在进行参数检测时，易受温度、气压、取样位置的影响，需要考虑补偿措施。(2)微波检测仪表的零点漂移和标定问题尚未很好解决。第二节微波测湿技术一、电介质的微波特性微波测湿的对象就是电介质。电介质的特性：1、电介质的极化2、介电常数二、微波测湿原理水的介电常数比其他电介质的介电常数要大得多。因此，通过测量含水物质在微波场中的介电常数，便能间接测得该物质中含水量的多少。由于水的吸收损耗远较其他电介质大，所以，当微波功率通过物料时，其衰减量的大小将主要取决于物料中水分含量的多少，这就是衰减法微波测湿的原理。三、微波测湿技术的应用利用微波测量湿度或水分的方式基本上有三种类型。即空间波式、波导式和反射式。空间波式结构通常需用两个喇叭天线，分别置于被测物料的两侧，一个作为发射天线，另一个作为接收天线。被测物料从两个喇叭天线之间通过．物料对微波信号的衰减量与物料中的含水量有关。波导式结构是将被测物料放在波导管内进行测试。反射式结构通常是将被测物料置于一个喇叭天线与一个金属反射器之间。从喇叭天线发射出来的微波束透过被测物料后，被金属反射器的表面反射回来．根据所接收到的回波信号，即可判定被测物料的含水量，如木板含水量的测量。1．煤中合水量的测量隔离器的作用是：只允许微波信号单向通过，这样可以避免后级对前级的干扰，保证了信号源的稳定性。精密衰减器的作用是用来校准初值，由于煤种的不同，各种煤种的含湿量初值差别很大，往往会超出仪器的测量范围。通过精密哀减器的校准，就可以保证仪器在较大的测量范围内有较高的精度。2．糖果含水量的测量采用微波测定物料的水分时，要特别注意以下问题；1、物料温度对测量的影响。因为水的介电常数在不同温度时具有不同数值，所以含水物料在不同温度下引起的微波衰减也不同。温度愈高，衰减愈大，测出的水分值偏高。2、被测物料表面对微波的反射也将影响水分的测定。反射量的多少与物料的形状、尺寸有关，随着被测物料含水量的增加，反射影响越来越小。3、对于粒状、粉状物料而言，物料的密度以及物料的排列方式也将影响测量结果。二、微波多普勒测速仪的结构原理环行器是一种微波元件，它只允许微波沿一定方向(例如逆时针方向)流入流出。滤波器应采用带通滤波器，其通频带对应于预期的目标速率所能产生的频率，这样可以避免各种干扰，特别是发射频率f0所造成的干扰。三、微波多普勒流量计第四节微波测量厚度一、反射幅度法反射幅度法适用于测量金属板的厚度。当金属板很靠近天线的近场区时，从金属板反射回的微波强度与天线到金属板的距离有关，距离远时反射波的强度小；距离近时反射波的强度大，并且有良好的线性。用公式表示为反射幅度法的优点是输出信号只与金属板的厚度有关而与金属板的位置无关，就能有效地克服金属板偏移、振动等因素的影响，但这种测量因采用强度信号，易受到干扰，测量精度不够高。二、反射相位法第五节微波物位计1．遮断式物位计又称为开关式物位计。2．反射式物位计利用回声测距的原理工作。由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射，故测量的关键是要能接收到反射回波，并识别出有效回波。接收的回波能量Pk用简化的雷达方程表示第六节微波无损检测技术一、微波无损检测技术的特点具有“非金属、非电量、非接触、非破坏”的四非特点。二、微波无损检测的原理微波无损检测的基本原理是综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射。另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响，通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测稠料内部缺陷的目的。三、微波无损检测技术的应用微波无损检测方法主要有连续波穿透法、扫频波穿透法、脉冲调制波穿透法、连续波反射法、扫频波反射法、脉冲调制波反射法、驻波干涉法、散射法、全息法以及CT法等。它可以检测增强塑料和各种金属、非金属的复合胶接结构与蜂窝结构件中的分层、脱层，固体推进剂、橡胶轮胎内部的气孔、裂缝，陶瓷及复合物中的孔隙，金属加工表面光洁度、裂纹、划痕及其深度等。在航天航空工业巾，各种高性能的复合材料、陶瓷材料等应用广泛，微波无损检测技术得到了更进一步的发展．解决了用其他技术无法解决的问题。在探地方面，微波断层扫描成为地质及地下工程的得力助手。第七节微波在其他测量方面的应用一、微波温度传感器基于热辐射的原理。任何物体的温度高于环境温度时，都能向外辐射能量，如果该辐射能到达接收机输入端口时仍然高于基准温度(或室温)，在接收机的输出端就会有信号输出，输出信号的大小与辐射能的多少即被测体的温度有关，这就是辐射计或噪声温度接收机的基本原理。微波频段的辐射计就是一个微波温度传感器。二、微波谐振腔法测飞灰含碳量基本原理微波电路中的谐振腔是一个电磁振荡系统，当腔内有外来介质时，谐振腔的某些参数会发生相应的变化。检测外来介质进入前后这些腔体参数的变化就可以间接测量出引入的外来介质的性质和含量。微波谐振腔法测量飞灰含碳量正是基于这种原理的—种在线检测的方法。三、微波法测量表面粗造度四、微波定位传感器