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微波检测技术
主要内容: ● 微波检测的基础知识 ● 微波测湿技术 ● 微波物位计
一、微波检测的基础知识
1. 微波的定义及其特点
通常将波长在0.001～1m，频率从300到300000兆赫 范围内的电磁波称为微波。 特点 : ● 定向传播
● 准光学特性 ● 传输特性好 ● 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
由于水的吸收损耗远较其它电介质大，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。
2、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。
煤中含水量的测量
衰减法微波测湿原理方框图
微波测量煤的含水量示意图
校准曲线
三、微波物位计
微波和超声波的差别
微波
超声波
波类型 反射特性
压力影响 温度影响 传播速度 测量盲区 动态范围 传播环境
电磁波 在不同介电率的界面上反射
微不足道 微不足道 约3 ×108m/s（在真空中） 到天线顶端 高达150 dB 很少受气相环境影响
机械波 在不同声阻抗率的界面上反射
很小 需温度补偿 约344 m/s（空气中，20℃） 离辐射面大于250mm 高达100 Db 要求均一的气体环境
由于传播距离较短，微波脉冲的传播时间是纳秒级的。
调频连续波雷达 一个波幅恒定的线性锯齿波或三角波调频的微波信号从 天线发射，并从目标上反射回来，调频的上升时间必须足够 长，以便在调制结束前反射信号能返回到接收器。在用于物 位测量的雷达中，调频产生在8～24GHz之间。被反射的微 波信号在延时时间t后被接收，并和频率已变化的发射信号 混 合。两者的差频被分离出来，假设物料表面是静止的，则混 频器输出信号的频率正比于延时时间t，因而可据此计算天 线 到反射面的距离。用数字信号处理使之对同一变化方向上的 突然相位变化不敏感，这样就能用中频（IF）信号来计算过 零（零交叉）的数字。用快速傅立叶变换（FFT）来计算IF 信号，它需要测量IF频谱，然后确定到反射目标的物位距 离，并消除干扰反射。
2. 微波振荡器与微波天线
微波是用微波振荡器产生的。由f = 1/2π LC 可知，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。
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。
为ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
常见的微波天线
(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
3. 微波在检测技术中的应用
(1) 利用微波的定向辐射特性进行测量 据此原理可以制成开关式物位计
Gt、Gk —— 天线的发射和接收增益（效率）；
r —— 天线与目标间距离。
2. 微波系统的分类
测距的微波系统通常分为两类：脉冲雷达和调频连续 波雷达（FMCW）
脉冲雷达 脉冲雷达技术用于较短距离的测量及物位测量。微波脉 冲来回传播时间t由下式决定：
t 2a / c
式中 a —— 天线到被测目标的距离； c —— 微波传播速度。
由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射（因泡沫、 蒸汽粉尘、冷凝、贮罐内部构件反射等）, 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可用简化的雷达方程表示如下：
PK P C GiGt Gk / r 4
式中 Pτ—— 天线辐射功率； C ——经验系数，由系统决定； Gi—— 目标表面介电特性及面积决定的反射增益；
(2) 利用微波的反射特性进行测量 可以制成液位计、测厚仪和微波雷达等。
(3) 利用物质对微波的选择性吸收特性进行测量 可以测量纸张、粮食、木材、糖果等固体物料的含水量。
二、微波测湿技术
1. 微波测湿的原理
水分子是强极性分子，在外电场作用下将产生强的取向 极化，极化的结果是将外电场的能量转换成水分子的势能， 这一势能意味着将从外电场获得的能量储存起来。
3. 微波物位计的应用
1. 微波物位测量原理
有遮断式和反射式两种 (1)遮断式物位计
(2) 反射式物位计
反射式物位计是利用回声测距的原理工作的。其原理如图所示。发射天线
向被测目标发射微波，被测目标反射的微波被接收天线接收。由于天线与待测 界
面的距离不同（因物位变化），接收天线接受到的微波功率也不一样，可由接 收
到的功率的大小来反映物位的高度。在发射功率及两天线的距离S为定值、其它 有关参数不变的情况下，接收功率与天线距物位的距离d有关。测出接收功率即 可求知距离d，从而能测得物位。
主要内容: ● 微波检测的基础知识 ● 微波测湿技术 ● 微波物位计
一、微波检测的基础知识
1. 微波的定义及其特点
通常将波长在0.001～1m，频率从300到300000兆赫 范围内的电磁波称为微波。 特点 : ● 定向传播
● 准光学特性 ● 传输特性好 ● 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
由于水的吸收损耗远较其它电介质大，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。
2、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。
煤中含水量的测量
衰减法微波测湿原理方框图
微波测量煤的含水量示意图
校准曲线
三、微波物位计
微波和超声波的差别
微波
超声波
波类型 反射特性
压力影响 温度影响 传播速度 测量盲区 动态范围 传播环境
电磁波 在不同介电率的界面上反射
微不足道 微不足道 约3 ×108m/s（在真空中） 到天线顶端 高达150 dB 很少受气相环境影响
机械波 在不同声阻抗率的界面上反射
很小 需温度补偿 约344 m/s（空气中，20℃） 离辐射面大于250mm 高达100 Db 要求均一的气体环境
由于传播距离较短，微波脉冲的传播时间是纳秒级的。
调频连续波雷达 一个波幅恒定的线性锯齿波或三角波调频的微波信号从 天线发射，并从目标上反射回来，调频的上升时间必须足够 长，以便在调制结束前反射信号能返回到接收器。在用于物 位测量的雷达中，调频产生在8～24GHz之间。被反射的微 波信号在延时时间t后被接收，并和频率已变化的发射信号 混 合。两者的差频被分离出来，假设物料表面是静止的，则混 频器输出信号的频率正比于延时时间t，因而可据此计算天 线 到反射面的距离。用数字信号处理使之对同一变化方向上的 突然相位变化不敏感，这样就能用中频（IF）信号来计算过 零（零交叉）的数字。用快速傅立叶变换（FFT）来计算IF 信号，它需要测量IF频谱，然后确定到反射目标的物位距 离，并消除干扰反射。
2. 微波振荡器与微波天线
微波是用微波振荡器产生的。由f = 1/2π LC 可知，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。
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。
为ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
常见的微波天线
(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
3. 微波在检测技术中的应用
(1) 利用微波的定向辐射特性进行测量 据此原理可以制成开关式物位计
Gt、Gk —— 天线的发射和接收增益（效率）；
r —— 天线与目标间距离。
2. 微波系统的分类
测距的微波系统通常分为两类：脉冲雷达和调频连续 波雷达（FMCW）
脉冲雷达 脉冲雷达技术用于较短距离的测量及物位测量。微波脉 冲来回传播时间t由下式决定：
t 2a / c
式中 a —— 天线到被测目标的距离； c —— 微波传播速度。
由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射（因泡沫、 蒸汽粉尘、冷凝、贮罐内部构件反射等）, 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可用简化的雷达方程表示如下：
PK P C GiGt Gk / r 4
式中 Pτ—— 天线辐射功率； C ——经验系数，由系统决定； Gi—— 目标表面介电特性及面积决定的反射增益；
(2) 利用微波的反射特性进行测量 可以制成液位计、测厚仪和微波雷达等。
(3) 利用物质对微波的选择性吸收特性进行测量 可以测量纸张、粮食、木材、糖果等固体物料的含水量。
二、微波测湿技术
1. 微波测湿的原理
水分子是强极性分子，在外电场作用下将产生强的取向 极化，极化的结果是将外电场的能量转换成水分子的势能， 这一势能意味着将从外电场获得的能量储存起来。
3. 微波物位计的应用
1. 微波物位测量原理
有遮断式和反射式两种 (1)遮断式物位计
(2) 反射式物位计
反射式物位计是利用回声测距的原理工作的。其原理如图所示。发射天线
向被测目标发射微波，被测目标反射的微波被接收天线接收。由于天线与待测 界
面的距离不同（因物位变化），接收天线接受到的微波功率也不一样，可由接 收
到的功率的大小来反映物位的高度。在发射功率及两天线的距离S为定值、其它 有关参数不变的情况下，接收功率与天线距物位的距离d有关。测出接收功率即 可求知距离d，从而能测得物位。