微波传感器_(专业材料)
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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
稻谷课件
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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：
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；
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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。
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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。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。
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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。
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11.3 微波传感器的应用
微 波 发射 天 线
S
微 波 接收 天 线
d
图11-2 微波液位计
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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，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
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。
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(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
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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；
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。
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11.2 微波传感器的原理和组成
11.2.1
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。
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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. 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。
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11.2.2
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。
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。
ε=ε′+αε″
式中：ε′——储能的度量； ε″—— α——常数。
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(11-1)
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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。
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由 微 波 振 荡 器 产 生 的 振 荡 信 号 需 要 用 波 导 管 （ 管 长 为 10 cm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。
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。
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图11-3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。
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
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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：
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；
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10
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。
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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。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。
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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。
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11.3 微波传感器的应用
微 波 发射 天 线
S
微 波 接收 天 线
d
图11-2 微波液位计
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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，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
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。
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(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
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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；
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。
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11.2 微波传感器的原理和组成
11.2.1
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。
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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. 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。
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11.2.2
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。
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。
ε=ε′+αε″
式中：ε′——储能的度量； ε″—— α——常数。
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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。
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由 微 波 振 荡 器 产 生 的 振 荡 信 号 需 要 用 波 导 管 （ 管 长 为 10 cm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。
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。
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图11-3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。