微波傳感器的應(yīng)用.ppt

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 波長(zhǎng)為0 1m 1mm的電磁波 頻率范圍 300MHZ 3000GHZ 可以細(xì)分為三個(gè)波段 分米波 厘米波 毫米波 微波的性質(zhì) 既具有電磁波的性質(zhì) 又不同于普通無(wú)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 特點(diǎn) 似光性和似聲性 像光線一樣直線傳播 反射和折射 易集中 波長(zhǎng)與無(wú)線電波相當(dāng) 特征與聲波相似 分析方法獨(dú)特 屬高頻 應(yīng)用電磁場(chǎng)理論的場(chǎng)與波傳輸?shù)姆治龇椒?共度性 其微波振蕩周期與電子在真空管內(nèi)的渡越時(shí)間 秒左右 相當(dāng) 這個(gè)特性稱為共度性 穿透性 傳輸特性好 傳輸過(guò)程中受煙霧 火焰 灰塵 強(qiáng)光的影響很小 水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng) 信息性 信息容量巨大 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 非電離性 微波與物體之間的作用是非電離 11 2微波傳感器的原理和組成 11 2 1微波傳感器的測(cè)量原理及分類(lèi) 測(cè)量原理 利用微波特性來(lái)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 利用接收天線 接收到通過(guò)被測(cè)物體或由被測(cè)物體反射回來(lái)的微波 并將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào) 再經(jīng)過(guò)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) 分類(lèi) 分為反射式和遮斷式兩類(lèi) 1 反射式微波傳感器 反射式微波傳感器 通過(guò)檢測(cè)被測(cè)物反射回來(lái)的微波功率或經(jīng)過(guò)的時(shí)間間隔來(lái)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 遮斷式微波傳感器 通過(guò)檢測(cè)接收天線收到的微波功率大小來(lái)判斷發(fā)射天線與接收天線之間有無(wú)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 組成 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 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 對(duì)振蕩回路的要求 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 不能用普通的電子管與晶體管構(gòu)成微波振蕩器 微波振蕩器的構(gòu)成器件 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 微波天線 用波導(dǎo)管 管長(zhǎng)為10cm以上 可用同軸電纜 傳輸 并通過(guò)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 敏感探頭 電磁波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 要求 足夠快的響應(yīng)速度 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 不同頻率 不同要求下采用的探頭元件 幾兆赫以下 半導(dǎo)體PN結(jié) 頻率比較高的 使用肖特基結(jié) 靈敏度特性要求特別高的情況下 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 接近光的頻率區(qū)域 使用由金屬 氧化物 金屬構(gòu)成的隧道結(jié)元件 兩種微波的檢測(cè)方法 一種是將微波變化為電流的視頻變化方式 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 微波檢測(cè)器性能參數(shù) 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)微波傳感器是一種新型的非接觸傳感器 特點(diǎn) 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 適用于惡劣環(huán)境下工作 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 水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng) 介質(zhì)對(duì)微波的吸收介質(zhì)的介電常數(shù)成比例 便于自動(dòng)控制 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 便于實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遙控 測(cè)量信號(hào)本身就是電信號(hào) 無(wú)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 微波無(wú)顯著輻射公害 微波傳感器存在的主要問(wèn)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 1 微波液位計(jì) 圖11 2 波長(zhǎng) 的微波信號(hào)從被測(cè)液面反射后進(jìn)入接收天線 接收天線接收的微波功率的大小隨著被測(cè)液面的高低不同而異 11 3 2微波濕度傳感器 水分子在微波場(chǎng)中的儲(chǔ)能與釋能 水分子是極性分子 常態(tài)下成偶極子形式雜亂無(wú)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 表現(xiàn)為微波信號(hào)的相移 又不斷釋放能量 放能 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) 來(lái)表征 即 11 1 式中 儲(chǔ)能的度量 衰減的度量 常數(shù) 與 與材料 測(cè)試信號(hào)頻率有關(guān) 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 塑料等 其 在1 5范圍內(nèi) 而水的 則高達(dá)64 因此如果材料中含有少量水分子時(shí) 其復(fù)合 將顯著上升 也有類(lèi)似性質(zhì) 使用微波傳感器測(cè)量物體的含水量 測(cè)量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號(hào)的相移與衰減量 就可以換算出物體的含水量 圖11 3測(cè)量酒精含水量的儀器框圖 工作原理 MS產(chǎn)生的微波功率經(jīng)分功率器分成兩路 再經(jīng)衰減器A1 A2分別注入到兩個(gè)完全相同的轉(zhuǎn)換器T1 T2中 其中 T1放置無(wú)水酒精 T2放置被測(cè)樣品 相位與衰減測(cè)定儀 PT AT 分別反復(fù)接通兩電路 T1和T2 輸出 自動(dòng)記錄與顯示它們之間的相位差與衰減差 從而確定樣品酒精的含水量 圖11 3酒精含水量測(cè)量?jī)x框圖 11 3 3微波測(cè)厚儀 微波測(cè)厚儀 利用微波在傳播過(guò)程中遇到被測(cè)物體金屬表面被反射 且反射波的波長(zhǎng)與速度都不變的特性進(jìn)行測(cè)厚 工作過(guò)程 圖11 4 被測(cè)金屬體上下兩表面各安裝一個(gè)終端器 信號(hào)微波經(jīng)A D傳輸?shù)缴辖K端器 發(fā)射到被測(cè)物體上表面上 全反射后又回到上終端器 D A E 下終端器 發(fā)射到被測(cè)物體下表面的微波 全反射后又回到下終端器 E A 因此被測(cè)物體的厚度與微波傳輸過(guò)程中的行程長(zhǎng)度有密切關(guān)系 當(dāng)被測(cè)物體厚度增加時(shí) 微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度便減小 上傳輸導(dǎo)管D 下傳輸導(dǎo)管E 圖11 4微波測(cè)厚儀原理圖 微波自動(dòng)平衡電橋法 通常微波傳輸?shù)男谐涕L(zhǎng)度的變化非常微小 為了精確地測(cè)量出這一微小變化 通常采用微波自動(dòng)平衡電橋法 前述微波傳輸行程作為測(cè)量臂 而完全模擬測(cè)量臂微波的傳輸行程設(shè)置一個(gè)參考臂 圖11 4右部 若兩臂行程完全相同 則反相疊加的微波經(jīng)過(guò)檢波器C檢波后 輸出為零 若兩臂行程長(zhǎng)度不同 兩路微波疊加后不能相互抵消 經(jīng)檢波器后便有不平衡信號(hào)輸出 該信號(hào)經(jīng)放大后控制可逆電機(jī)旋轉(zhuǎn) 帶動(dòng)補(bǔ)償短路器產(chǎn)生位移 改變補(bǔ)償短路器的長(zhǎng)度 直到兩臂行程長(zhǎng)度完全相同 放大器輸出為零 可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止 圖11 4微波測(cè)厚儀原理圖 補(bǔ)償短路器的位移與被測(cè)物厚度增加量之間的關(guān)系式為 S LB LA LA LB LA h h LA 電橋平衡時(shí)測(cè)量臂行程長(zhǎng)度 LB 電橋平衡時(shí)參考臂行程長(zhǎng)度 LA 被測(cè)物厚度變化 h后引起的測(cè)量臂行程長(zhǎng)度變化值 h 被測(cè)物厚度變化 S 補(bǔ)償短路器位移值 補(bǔ)償短路器位移值 S即為被測(cè)物厚度變化值 h 11 3 4微波輻射計(jì) 溫度傳感器 任何物體 當(dāng)它的溫度高于環(huán)境溫度時(shí) 都能夠向外輻射熱能 微波輻射計(jì)能測(cè)量對(duì)象的溫度 普朗克公式在微波領(lǐng)域可近似為 11 2 就微波輻射計(jì)而言 它以一定的頻帶寬檢測(cè)來(lái)自物體的微波輻射輝度L T 由于此電信號(hào)輸出正比于物體的發(fā)射率 和絕對(duì)溫度的乘積 因此微波輻射計(jì)指示的溫度不是物體的真實(shí)溫度 而是輝度溫度 微波溫度傳感器原理方框圖 Ti為輸入 被測(cè) 溫度 Tc為基準(zhǔn)溫度 C為環(huán)行器 BPF為帶通濾波器 LNA為低噪聲放大器 IFA為中頻放大器 M為混頻器 LO為本機(jī)振蕩器 微波溫度傳感器最有價(jià)值的應(yīng)用 微波遙測(cè) 將它裝在航天器上 可以遙測(cè)大氣對(duì)流層的狀況 可以進(jìn)行大地測(cè)量與探礦 遙測(cè)水質(zhì)污染程度 確定水域范圍 判斷植物品種等 圖11 5微波溫度傳感器原理框圖 11 3 5微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離自學(xué) 微波測(cè)定移動(dòng)物體的速度和距離是利用雷達(dá)能動(dòng)地將電波發(fā)射到對(duì)象物 并接受返回的反射波的能動(dòng)型傳感器 若對(duì)在距離發(fā)射天線為r的位置上以相對(duì)速度v運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射微波 則由于多卜勒效應(yīng) 反射波的頻率fr發(fā)生偏移 如下式所示 fr f0 fD 式中fD是多卜勒頻率 并可表示為 11 4 11 3 當(dāng)物體靠近靶時(shí) 多卜勒頻率fD為正 遠(yuǎn)離靶時(shí) fD為負(fù) 輸入接收機(jī)的反射波的電壓ue可用下式表示 11 5 括號(hào) 內(nèi)的第二項(xiàng)是因電波在距離r上往返而產(chǎn)生的相位滯后 用接收機(jī)將來(lái)自發(fā)射機(jī)的參照信號(hào)Uesin2 f0t與上述反射信號(hào)混合后 進(jìn)行超外差檢波 則可得到如下式那樣的具有兩頻率之差 即fD的差拍頻率的多卜勒輸出信號(hào)為 11 6 因此 根據(jù)測(cè)量到的差拍信號(hào)頻率 可測(cè)定相對(duì)速度 但是 用此方法不能測(cè)定距離 為此考慮發(fā)射頻率稍有不同的兩個(gè)電波f1和f2 這兩個(gè)波的反射波的多卜勒頻率也稍有不同 若測(cè)定這兩個(gè)多卜勒輸出信號(hào)成分的相位差為 則可利用下式求出距離r 11 7 11 3 6微波無(wú)損檢測(cè) 微波無(wú)損檢測(cè)原理 綜合利用微波與物質(zhì)的相互作用 一方面微波在不連續(xù)界面處會(huì)產(chǎn)生反射 散射 透射 另一方面微波還能與被檢材料產(chǎn)生相互作用 此時(shí)的微波場(chǎng)會(huì)受到材料中的電磁參數(shù)和幾何參數(shù)的影響 通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)基本參數(shù)的改變即可達(dá)到檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的目的 可用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料制品進(jìn)行評(píng)定復(fù)合材料在工藝過(guò)程中 由于增強(qiáng)了纖維的表面狀態(tài) 樹(shù)脂粘度 低分子物含量 線性高聚物向體型高聚物轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)速度 樹(shù)脂與纖維的浸漬性 組分材料熱膨脹系數(shù)的差異以及工藝參數(shù)控制的影響等因素 因此 在復(fù)合材料制品中難免會(huì)出現(xiàn)氣孔 疏松 樹(shù)脂開(kāi)裂 分層 脫粘等缺陷 這些缺陷在復(fù)合材料制品中的位置 尺寸以及在溫度和外載荷作用下對(duì)產(chǎn)品性能的影響 可用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行評(píng)定 微波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)組成 圖11 6 主要由天線 微波電路 記錄儀等部分組成 當(dāng)以金屬介質(zhì)內(nèi)的氣孔作為散射源