微波传感器_PPT课件

.第1、11章微波传感器、11.1微波概况11.2微波传感器的原理和构成11.3微波传感器的应用，2、11.1微波概况，微波可以波长为1mm1m的电磁波，细分为3个频带。 微波不仅具有电磁波的性质，而且与普通电波和光波的性质不同，是波长较长的电磁波。 微波具有定向辐射装置易制造的特点易遭遇各种障碍物反射衍射能力差传输特性好，传输中烟雾、火焰、灰尘、强光的影响少57348； 介质对微波的吸收与介质的介电常数成正比，水对微波的吸收作用最强。3，11.2微波传感器的原理和组成，11.2.1微波传感器的测量原理和分类157348； 微波传感器是利用微波特性来检测物理量的设备或装置。 微波从发射天线发射，当该波碰到被测定物时被吸收或反射，微波的功率发生变化。 使用接收天线，接收被测定物或被测定物反射的微波并转换为电信号，通过信号调整电路后，表示进行了测定，从而实现了微波检测。 根据微波传感器的原理，微波传感器可分为反射式和遮断式。4、1 .反射型微波传感器通过检测被测定物反射回来的微波的电力或经过的时间间隔来测定反射型微波传感器。 通常可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。 2 .截断式微波传感器截断式微波传感器通过检测接收天线接收的微波功率的大小，来判断发送天线与接收天线之间有无被测量物、被测量物的厚度、含水量等参数。 5、5、5,11.2.2微波传感器的结构微波传感器通常由微波发生器(微波振荡器)、微波天线和微波检测器三部分构成。 57348； 1 .微波振荡器和微波天线微波振荡器是产生微波的装置。 微波的波长短，即频率高(300MHz300GHz )，因此，振荡电路要求非常小的电感和电容，因此，不能用通常的电子管和晶体管来构成微波振荡器。 构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或几个固体器件，小型微波振荡器也可以采用体效管。6、由微波振荡器产生的振荡信号需要通过波导管(管长为10cm以上，可使用同轴电缆)传输，并从天线放射。 为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线需要具有特殊的结构。 作为一般的天线，如图11-1所示，有喇叭天线(图11-1 )、(b ) )、抛物线天线(图11-1 )、(d ) )、电介质天线或缝隙天线等。 喇叭天线结构简单，制造方便，可视为波导的延长。 喇叭天线在波导管与空间之间起匹配作用，可获得最大能量输出。 抛物面天线改善微波辐射的方向性。7、图11-1中常用的微波天线扇形喇叭天线(b )圆锥形喇叭天线(c )旋转抛物面天线(d )抛物面天线、8、2 .微波检测器电磁波作为空间的微小电场变动进行传播，因此将电流-电压特性显示为非线性的电子部件作为探测器与其它传感器相比，敏感探针在其工作频率范围内应当具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能够使用半导体PN结，但是在频率比较高的电子元件中能够使用肖特基结。 在对灵敏度特性的要求特别高的情况下，可以使用超导材料约瑟夫森结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，在接近光的频域中可以使用由金属氧化物金属构成的隧道结元件。 在、9、微波的检测方法中，有使微波变成电流的影像变化方式和与本机振荡器并用使其变成比微波低的频率的外差法。e； 微波检测器的性能参数包括频率范围、灵敏度-波长特性、检测面积、FOV (视场角)、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。10、11.2.3微波传感器的特征微波传感器具有：能够选择极宽的光谱(波长=1.0mm1.0m )作为新型的非接触传感器，能够根据被测定对象的特征选择不同的测定频率的特征烟、粉尘、水蒸气、化学气氛及高、低温环境云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母、云母等。 卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔咔6外部电场作用下，偶极子形成取向排列。 微波场中存在水分子时，偶极受到场的作用重复取向，从电场获得能量(储存)，释放能量(放射能)，前者显示微波信号的相移，后者显示微波衰减。 该特性可以用水分子自身介电常数来表现，即=，(11-1) )铿铿锵锵锵锵. 衰减的测定57348； 常数。 因为.14、和不仅与材料有关，而且与测试信号的频率也有关，所以极性分子也具有该特性。 一般来说，干燥物体如木材、皮革、谷物、纸、塑料等的在15的范围内，水的高达64，因此材料中含有少量水分子时，其复合显着上升，也具有类似的性质。 15、图11-3表示测定酒精含水量的设备的框图，图中，MS产生的微波功率通过分电器分为两部分，通过衰减器A1、A2分为两部分，通过两个完全相同的转换器T1、T2 其中，在T1放置无水酒精，在T2放置被测试样品。 相位和衰减测量仪(PT，AT )分别重复接通2个电路(T1和T2)的输出，自动记录并显示它们之间的相位差和衰减差，确定样本酒精的含水量。 16、图11-3酒精含水量测定器的框图、17、11.3.3微波厚度测定器利用微波在传播中被测定物的金属表面反射、反射波的波长和速度不变的特性测定厚度。 微波测量仪的原理如图11-4所示，在被测金属物体的上下两面各设置一个终端器。 来自微波信号源的微波通过循环器a、上传输波导管向上终端器传输，从上终端器向被测定物的上表面放射，微波在被测定物的上表面全反射而返回上终端器，通过传输管、循环器a、下传输波导管向下终端器传输。 从下终端器辐射到被测物体下面的微波，全反射后返回下终端器，通过传输管道返回循环器a。 因此，被测定物的厚度与微波传输中的行程长度有密切的关系，当被测定物的厚度增加时，微波传输的行程长度减少。 18、图11-4微波测量仪的原理图、19、一般微波传输的行程长度的变化非常小。 为了正确地测定该微小的变化，一般采用微波自动平衡桥法，将上述的微波传送行程作为测定臂，完全模拟测定臂的微波传送行程，设置基准臂(图11-4右部)。如果测量臂与基准臂的行程完全相同，则反相叠加的微波由检波器c进行检波，输出为0。 如果两臂的行程长度不同，则两臂的微波重叠无法相互抵消，经由检波器输出不平衡信号。 该不平衡差分信号被放大后，控制可逆电机的旋转，使补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，使双臂的行程长度完全相同，放大器输出为零，直到可逆电机停止旋转为止。20、补偿短路器的位移与被测量物的厚度增加量的关系式为s=lb-(la-la)=lb-(la-h)=h，式中：测量LA桥平衡时的臂行程长度57348； lb桥平衡时的基准臂行程长度o； 补偿在被测物体厚度变化h后引起的测定臂行程长度的变化值h被测定物体厚度的变化s 短路器的位移值。 由上式可知，补偿短路器的位移值s是被测物体的厚度变化值h。 21、11.3.4微波辐射计(温度传感器)卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡653微波辐射计可测量目标温度。 普朗克方程式在微波区域中可以近似为(11-2 )，并且在所述微波辐射计中检测来自物体的微波辐射亮度L(，t )。 因为该电信号输出与物体的放射率(，)和绝对温度的乘积成比例，所以微波放射计指示的温度不是物体的真实温度，而是亮度温度(，)。 22、图11-5微波温度传感器的原理框图，23、图11-5表示微波温度传感器的原理框图。 图中，Ti是输入(被测定)温度，Tc是基准温度，c是循环器，BPF是带通滤波器，LNA是低噪声放大器，IFA是中频放大器，m是混频器，LO是本机振荡器。 埃； 微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，它搭载于航天器上，可遥测大气对流层的情况，可进行大地测量和勘探，可遥测水质污染程度，决定水域范围，判断植物品种。 用24、11.3.5微波测量移动物体的速度和距离用微波测量移动物体的速度和距离是用雷达自动向对象物发射电波，接收反馈的反射波的有源传感器。 当微波从发射天线发射到在位置r处以相对速度v移动的物体时，多普勒效应使反射波的频率fr偏移如下： fr=f0 fD，其中fD是多普勒频率，并且可卡可卡可卡可卡可卡可卡目标远离该物体输入接收机反射波的电压ue由以下公式表示：(11-5 )，括号内的第二项是电波在距离r中往复引起的相位延迟。 由于若在接收机混合来自发送机的参照信号Uesin2f0t之后进行超外差检测，则得到具有fD差拍频率的多普勒输出信号为(11-6 )、26的式样的2频率的差，因此可以根据测定的差拍信号频率测定相对速度。 但是，这种方法不能测量距离。 因此，若考虑放射频率稍有不同的两个电波f1和f2，则这两个波的反射波的多普勒频率也稍有不同。 若将这2个多普勒输出信号成分的相位差测定为，则距离r :(11-7 )，27，11.3.6微波无损检查微波无损检查综合利用微波与物质的相互作用，另一方面，微波在不连续界面反射、散射、透过，另一方面，微波与被检材料相互作用通过测量微波信号的基本参数变化，可以检测材料内部的缺陷。. 28、复合材料在工艺过程中，由于增强了纤维表面状态、树脂粘度、低分子量物的含量、从线性高分子到体型高分子的化学反应速度、树脂和纤维的浸渍性、成分材料的热膨胀系数的不同以及工艺参数的控制的影响等因素，因此不可避免地在复合材料制品中产生气孔、裂纹、树脂裂纹、层、脱粘等缺陷这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及温度和外载作用对制品性能的影响，可以通过微波无损检测技术进行评价。29、微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组