微波传感器的应用.ppt

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1、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：波长为0.1m～1mm的电磁波（频率范围：300MHZ～3000GHZ），可以细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波。微波的性质：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。特点：①似光性和似声性---像光线一样直线传播、反射和折射、易集中；波长与无线电波相当，特征与声波相似；②分析方法独特---属高频，应用电磁场理论的场与波传输的分析方法；③共度性---其微波振荡周期与电子在真空管内的渡越时间（秒

2、左右）相当，这个特性称为共度性；④穿透性---传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小，水对微波的吸收作用最强。；⑤信息性---信息容量巨大，应用领域广泛；⑥非电离性---微波与物体之间的作用是非电离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测量原理：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→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。

3、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：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：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组成：微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分。1.微波振荡器及微波天线微波振荡器：是产生微波的装置。对振荡回路的要求：由于微波波长很短，即频率很高（300MHz～300GHz）

4、→要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容→不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。微波振荡器的构成器件：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。微波天线：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11-1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

5、线使微波发射方向性得到改善。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敏感探头：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。要求：足够快的响应速度。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。不同频率、不同要求下采用的探头元件：几兆赫以下—半导体PN结，频率比较高的—使用肖特基结。灵敏度特性要求特别高的情况下—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，接近光的频率区域—使用由金属-

6、氧化物-金属构成的隧道结元件。两种微波的检测方法：—一种是将微波变化为电流的视频变化方式，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：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。11.2.3微波传感器的特点微波传感器是一种新型的非接触传感器。特点：①有极宽的频谱（波长=1.0mm~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适用于恶劣环境下工作：在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高

7、、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水对微波的吸收作用最强，介质对微波的吸收介质的介电常数成比例；④便于自动控制：时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理；⑤便于实现遥测和遥控：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；⑥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（图11-2）波长

8、λ的微波信号从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收的微波功率的大小随着被测液面的高低不同而异。11.3.2微波湿度传感器水分子在微