微波传感器的原理及应用.doc

微波传感器的原理及应用
【摘要】微波传感器是利用微波的传输性能好、易反射、被吸收功率易测量等特点，用专门的微波振荡器来产生微波，特定的天线收发微波，在实际生产生活中用来测量被测物的距离、厚度、传输媒介性质等许多应用。
【关键词】微波传感器 反射式 遮断式
一、微波的基础知识
1、微波的性质与特点
微波是波长为1～1000mm的电磁波，它既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：1．定向辐射装置容易制造；2．遇到工作障碍物易于反射；3．绕射能力较差；4．传输性能良好，传输过程中受烟、火馅、灰尘、强光等的影响很小；5．介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收能力最强。正是这些特点构成了微波检测的基础。
2、微波振荡器与微波天线
微波振荡器是产生微波的装置。由于微波很短，频率很高(300MHz～300GHz)，振荡回路具有非常微小酌电感与电容，故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、磁控管或某些固体元件。小型微波振荡器也可采用体效应管。
由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在1000cm以上可用同轴线)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，天线具有特殊的结构。常用的天线如图1所示，有喇叭形天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。
喇叭形天线结构简单，制造方便，可看作波导管的延续。喇叭形天线在波导管与敞开的空间之间起匹配作用以获得最大的能量输出。抛物面天线犹如凹面镜产生平行光，这样位微波发射的方向性得到改善。

图1 常用微波天线
(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

二、微波传感器
由发射天线发出的微波，遇到被测物时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线，接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路测量和指示，就实现了微波检测过程。根据上述原理，微波检测传感器可分为反射式与遮断式两种。
1、反射式传感器
这种反射式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，来表达被测物的位置、厚度等参数。
2、遮断式传感器
这种遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物的位置与含水量等参数。

三、微波检测技术的应用
1，微波液位计
图2为微波液位计的示意图。相距为S的发射天线与接收天线，相互构成一定角度。波长为的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线收到的功率将随被测液面的高低不同而异。接收天线收到的功率为
……………………………………………….式1
式中 d——两天线与被测液面间的垂直距离；
、——发射天线的发射功率和增益；
——接收天线的增益。
当发射功率、波长、增益均恒定时，式1可改写为
……………………………..式2
式中 ——取决于波长、发射功率和天线增益的常数；
——取决于天线安装方法和安装距离的常数。
由式2可知，只要测得接收到的功率，就可获得被测液面的高度。

图2 微波液位计
2、微波物位计
图3所示为微波开关式物位计示意图。当波长物位较低时，发射天线发出的微波束全部由天线接收，经检波、放大、与定电压比较器比较后，发出正常的工作信号。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，低于定电压信号，微波液位计发出被测物位高出设定物位的信号。
波长物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为
………………………………………………..式3
被测物位升高到天线所在高度时，接收大线接收的功率为
…………………………………………………………式4
式中——由被测物的形状、材料的性质、电磁性能等因数决定的系数。

图3 微波开关式物位计
3、微波测厚仪
图4为微波测厚仪原理图。该测厚仪利用微波在传播过程中遇到金属表面会被反射，且反射被的波长和速度都不变的特性进行测量。
如图4所示，在被测金属上、下两面各安装有一个终端器。微波信号源发出的微波，经环行器A、上传输波导管传输到上终端器。由上终端器发射到被测金属上表面的微波，经全反射后又回到上终端器，再经传输波导管、环行器A、下传输波导管达到下终端器。由下终端器发射到被测金属的下表面的微波．经全反射后又回到下终端器，再经传输波导管回到环行器A。因此被测金属的厚度与微波传输过程中的电行程长度密切相关，即被测金属厚度增大时微波行程长度便减小。

图4 微波测厚仪原理图
显然，微波传输过程中的电行程变化是非常微小的。为了测量这一微小的变化，通常采用微波自动平衡电桥构成一个参考臂，完全模拟测量臂微波的传输过程(图4中的右边部分)。若测量臂和参考臂电行程完全相同，则反相迭加的微波经检被器检波后，输出为零：若两者电行程长度不同，则反射回来的微波其相位角不同，经反向迭加后不能抵消，经检被器检波后便有不平衡信号输出。此差值信号经放大后控制可逆电机，使补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到测量臂电行程完全相同为止。
补偿短路器的位移△S与被测金属厚度增加量△h间的关系式为
…………………………..式5
式中 ，――分别为测量臂和参考臂在电桥平衡时的电行程长度；
——测量臂由于被测金属厚度变化后引起的电行程长度变化值；
——被测金属厚度变化值。
由式5可如，被测短路器的值即为被测金属的厚度变化值。利用光电转换器测出值，即可由显示器显示值后直接显示被测金属厚度。图中所示振动短路器用以对微波进行调制，使检波器输出交流信号，其相位随测量臂和补偿臂电行程长度的差值变化作反向变化，可控制可逆电机产生正反向转动，使电桥自动平衡。
微波应用十分广泛。除上述测量方面的应用和传统的通讯、雷达(雷达本质上是测距与测方位)方面的应用外，目前又与许多相关学科融合，开辟了新的分支，例如量于电子学、射电天文学、微波化学、微波生物学、微波医学、微波气象学等。

参考文献：
《传感器原理及技术》作者：孟立凡，郑斌 国防工业出版社 2005.01版