第11章微波传感器
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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（300 MHz～300 GHz），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: (1) 调速管 (2) 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。
由上式可知，补偿短路器位移值ΔS即为被测物厚度变化值Δh。
第11章 微 波 传 感 器 11.3.4 微波辐射计（温度传感器）
任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热 能。微波辐射计能测量对象的温度。
Ti为输入（被测）温度， Tc 为 基 准 温 度 ， C 为 环 行 器 ， BPF为带通滤波器， LNA为低噪声放大器， IFA为中频放大器， M为混频器， LO为本机振荡器。
波f1和f2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。 若测 定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为Δφ，则可利用下式
求出距离r：
1
2
4
r
1
2
1
1
c
r
4 ( f2 f1)
(11-7)
第11章 微 波 传 感 器
11.3.6 微波无损检测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 变即可达到检测材料内部缺陷的目的。 微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组成
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。
第11章 微 波 传 感 器
11.2.2 微波发射器（即微波振荡器） 微波天线 微波检测器
Pr
2
4π
PtGtGr 4
4 S2 /4d2
K1 K2 d2
式中, K1为取决于波长、发射功率和天线增益的常数；K2为取决于天线安装
方法和安装距离的常数。
第11章 微 波 传 感 器 微波物位计
当被测物位较低时， 发射天线发出 的微波束全部由接收天线接收， 经 检波、 放大、 与电压比较器比较后， 发出正常工作信号。 当被测物位升 高到天线所在高度时， 微波束部分 被吸收， 部分被反射， 接收天线接 收到的功率相应减弱， 经检波、 放 大后， 低于设定电压信号， 微波物 位计就发出被测物位高出设定物位 的信号。
第11章 微 波 传 感 器 11.3.3 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。
上 终 端器 被测体 下 终 端器
放大器
C
环行器 环行器
A
B
可 逆 电机
补 偿 短路 器
光 电 转换 器 显示器
微波信号源 振动短路器
图 11-4 微波测厚仪原理图
滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Uesin2πf0t与上述反射 信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两
频率之差，即fD
ud
Ud
s
in
2f
Dt
4f0r
c
（11-6）
第11章 微 波 传 感 器
因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是，
用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电
被测物位低于设定物位时， 接收天线接收到的功率为
P0
4πS
2
PtGtGr
开关式微波物位计示意图
被测物位升高到天线所在高度时， 接收天线接收的功率为 Pr P0
式中，η为由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。
第11章 微 波 传 感 器
11.3.2
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，
第11章 微 波 传 感 器
11.2.3 微波传感器的特点 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=1.0 mm~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 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
第11章 微 波 传 感 器
(a)
(b)
(c)
(d)
图11-1 常用的微波天线 (a) 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
第11章 微 波 传 感 器
2. 微波检测器 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。 在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度: 半导体PN结: 在几兆赫以下的频率 肖特基结: 频率比较高 在灵敏度特性要求特别高的情况下: 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 在接近光的频率区域: 由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件 检测方法 (1) 将微波变化为电流的视频变化方式 (2) 与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。
第11章 微 波 传 感 器
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。
A1
T1
PT
MS
DD
A2
T2
AT
图11-3 酒精含水量测量仪框图
MS产生微波功率经分功率器分成两路，衰减器A1、A2 完全相同的转换器T1 （无水酒精） 、T2（被测样品） 相位与衰减测定仪（PT、AT），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。
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。
第11章 微 波 传 感 器
11.2 微波传感器的原理和组成
11.2.1 微波传感器: 利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为: 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
第11章 微 波 传 感 器
补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为
ΔS=LB-(LA-ΔLA)=LB-(LA-Δh)=Δh
式中： LA——电桥平衡时测量臂行程长度； LB——电桥平衡时参考臂行程长度； ΔLA——被测物厚度变化Δh后引起的测量臂行程长度变化值； Δh——被测物厚度变化； ΔS——补偿短路器位移值。
第11章 微 波 传 感 器
当以金属介质内的气孔作为散系符合下列公式 :
Ka 1， 2a
式中： K=2π/λ，其中λ为波长；ａ—气隙的半径。 ａ=1.0ｍｍ, λ=6 mm, 工作频率为 36.5ＧＨz
微波 信号源
可变 衰减器
移相器
介质天线 接收天线
11.3 微波传感器的应用
11.3.1 微波液位计
微 波 发射 天 线
S
Pr为接收天线接收到的功率，即
Pr
2
4π
PtGtGr S 2 4d 2
微 波 接收 天 线 d
式中，d为两天线与被测液面间的垂直距离； Pt为发射天线发射的功率；Gt为发射天线的增益；
图11-2
微波液位计
Gr为接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为
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。
第11章 微 波 传 感 器
式中fD
f r=f 0+fD
fD
2
f0v c
（11-3） （11-4）
第11章 微 波 传 感 器
当物体靠近靶时, 多卜勒频率fD为正；远离靶时，fD为负。 输入接收机的反射波的电压ue可用下式表示：
ue
Ue sin2 (
f0
fD )t
4f0r
c
（11-5）
括号［］内的第二项是因电波在距离r上往返而产生的相位
第11章 微 波 传 感 器
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
第11章 微 波 传 感 器
11.1 微波概述
微波是波长为1 mm～1 m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：
不断从电场中得到能量（储能），表现为微波信号的相移
又不断释放能量（放能），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″
(11-1)
式中：ε′——储能的度量； ε″——衰减的度量；α—常数。 ε′与ε″与材料和测试信号频率有关, 所以极性分子均有此特性。
一般干燥的物体，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。
Ti
C
Tc
BP F
LNA
指示的温度：辉度温度 L(λ,T) =ε(λ,Τ)Τ。
LO
M
IFA
图11-5 微波温度传感器原理框图
第11章 微 波 传 感 器
11.3.5 微波测定移动物体的速度和距离
微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波 发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在 距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则 由于多卜勒效应，反射波的频率fr发生偏移，如下式所示：
移相器
微波 检波器
稳压 电源
记录仪
接收 放大器
图11-6 微波无损检测方框图
由上式可知，补偿短路器位移值ΔS即为被测物厚度变化值Δh。
第11章 微 波 传 感 器 11.3.4 微波辐射计（温度传感器）
任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热 能。微波辐射计能测量对象的温度。
Ti为输入（被测）温度， Tc 为 基 准 温 度 ， C 为 环 行 器 ， BPF为带通滤波器， LNA为低噪声放大器， IFA为中频放大器， M为混频器， LO为本机振荡器。
波f1和f2，这两个波的反射波的多卜勒频率也稍有不同。 若测 定这两个多卜勒输出信号成分的相位差为Δφ，则可利用下式
求出距离r：
1
2
4
r
1
2
1
1
c
r
4 ( f2 f1)
(11-7)
第11章 微 波 传 感 器
11.3.6 微波无损检测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 变即可达到检测材料内部缺陷的目的。 微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组成
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。
第11章 微 波 传 感 器
11.2.2 微波发射器（即微波振荡器） 微波天线 微波检测器
Pr
2
4π
PtGtGr 4
4 S2 /4d2
K1 K2 d2
式中, K1为取决于波长、发射功率和天线增益的常数；K2为取决于天线安装
方法和安装距离的常数。
第11章 微 波 传 感 器 微波物位计
当被测物位较低时， 发射天线发出 的微波束全部由接收天线接收， 经 检波、 放大、 与电压比较器比较后， 发出正常工作信号。 当被测物位升 高到天线所在高度时， 微波束部分 被吸收， 部分被反射， 接收天线接 收到的功率相应减弱， 经检波、 放 大后， 低于设定电压信号， 微波物 位计就发出被测物位高出设定物位 的信号。
第11章 微 波 传 感 器 11.3.3 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。
上 终 端器 被测体 下 终 端器
放大器
C
环行器 环行器
A
B
可 逆 电机
补 偿 短路 器
光 电 转换 器 显示器
微波信号源 振动短路器
图 11-4 微波测厚仪原理图
滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Uesin2πf0t与上述反射 信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两
频率之差，即fD
ud
Ud
s
in
2f
Dt
4f0r
c
（11-6）
第11章 微 波 传 感 器
因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是，
用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电
被测物位低于设定物位时， 接收天线接收到的功率为
P0
4πS
2
PtGtGr
开关式微波物位计示意图
被测物位升高到天线所在高度时， 接收天线接收的功率为 Pr P0
式中，η为由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。
第11章 微 波 传 感 器
11.3.2
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，
第11章 微 波 传 感 器
11.2.3 微波传感器的特点 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=1.0 mm~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 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
第11章 微 波 传 感 器
(a)
(b)
(c)
(d)
图11-1 常用的微波天线 (a) 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
第11章 微 波 传 感 器
2. 微波检测器 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。 在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度: 半导体PN结: 在几兆赫以下的频率 肖特基结: 频率比较高 在灵敏度特性要求特别高的情况下: 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 在接近光的频率区域: 由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件 检测方法 (1) 将微波变化为电流的视频变化方式 (2) 与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。
第11章 微 波 传 感 器
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。
A1
T1
PT
MS
DD
A2
T2
AT
图11-3 酒精含水量测量仪框图
MS产生微波功率经分功率器分成两路，衰减器A1、A2 完全相同的转换器T1 （无水酒精） 、T2（被测样品） 相位与衰减测定仪（PT、AT），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。
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。
第11章 微 波 传 感 器
11.2 微波传感器的原理和组成
11.2.1 微波传感器: 利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为: 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
第11章 微 波 传 感 器
补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为
ΔS=LB-(LA-ΔLA)=LB-(LA-Δh)=Δh
式中： LA——电桥平衡时测量臂行程长度； LB——电桥平衡时参考臂行程长度； ΔLA——被测物厚度变化Δh后引起的测量臂行程长度变化值； Δh——被测物厚度变化； ΔS——补偿短路器位移值。
第11章 微 波 传 感 器
当以金属介质内的气孔作为散系符合下列公式 :
Ka 1， 2a
式中： K=2π/λ，其中λ为波长；ａ—气隙的半径。 ａ=1.0ｍｍ, λ=6 mm, 工作频率为 36.5ＧＨz
微波 信号源
可变 衰减器
移相器
介质天线 接收天线
11.3 微波传感器的应用
11.3.1 微波液位计
微 波 发射 天 线
S
Pr为接收天线接收到的功率，即
Pr
2
4π
PtGtGr S 2 4d 2
微 波 接收 天 线 d
式中，d为两天线与被测液面间的垂直距离； Pt为发射天线发射的功率；Gt为发射天线的增益；
图11-2
微波液位计
Gr为接收天线的增益。当发射功率、波长、增益均恒定时，上式可改写为
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。
第11章 微 波 传 感 器
式中fD
f r=f 0+fD
fD
2
f0v c
（11-3） （11-4）
第11章 微 波 传 感 器
当物体靠近靶时, 多卜勒频率fD为正；远离靶时，fD为负。 输入接收机的反射波的电压ue可用下式表示：
ue
Ue sin2 (
f0
fD )t
4f0r
c
（11-5）
括号［］内的第二项是因电波在距离r上往返而产生的相位
第11章 微 波 传 感 器
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
第11章 微 波 传 感 器
11.1 微波概述
微波是波长为1 mm～1 m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：
不断从电场中得到能量（储能），表现为微波信号的相移
又不断释放能量（放能），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″
(11-1)
式中：ε′——储能的度量； ε″——衰减的度量；α—常数。 ε′与ε″与材料和测试信号频率有关, 所以极性分子均有此特性。
一般干燥的物体，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。
Ti
C
Tc
BP F
LNA
指示的温度：辉度温度 L(λ,T) =ε(λ,Τ)Τ。
LO
M
IFA
图11-5 微波温度传感器原理框图
第11章 微 波 传 感 器
11.3.5 微波测定移动物体的速度和距离
微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波 发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在 距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则 由于多卜勒效应，反射波的频率fr发生偏移，如下式所示：
移相器
微波 检波器
稳压 电源
记录仪
接收 放大器
图11-6 微波无损检测方框图