微波传感器的应用

《传感器应用技术》课程设计

题目 微波传感器的应用

姓 名 号

院（系） 电子电气工程学院 班 级 指导教师 称 教授

二O一二年 七 月 六日

摘要

微波传感器具有检测速度快、灵敏度高、适应环境能力强及非接触测量等优点。其原理是由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线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，再由测量电路处理后，即显示出被测量，就实现了微波检测。 本文论述了微波传感器原理及实现的技术途径，介绍了微波传感器的结构、种类和应用。

关键词：

微波 ； 传感器 ； 微波传感器原理 ；

微波传感器应用

Abstract

Microwave sensor with high detection speed, high sensitivity, strong ability to adapt to the environment and has the advantages of non contact measurement. Its principle is composed of a transmitting antenna emits microwave, encountered object will be absorbed or reflected, so that the power change. If the receiving antenna through the analyte or analyte is reflected back by microwave, and convert it into electrical signals, and then processed by the measuring circuit, is demonstrated by measuring,on the realization of microwave detection.This paper discussed the principle and Realization of microwave sensor technique, introduced themicrowave sensor structure, type and application.

Key words：Microwave；Sensor；Microwave sensor principle；

Application of microwave sensor

目 录

引言 ………………………………………………………………………………… 1 1 微波的概述 ……………………………………………………………………… 1 2 微波传感器的原理和组成 …………………………………………………… 2 2.1 微波传感器的测量原理及分类 …………………………………………… 2 2.1.1 反射式微波传感器 ………………………………………………………… 2 2.1.2 遮断式微波传感器 ………………………………………………………… 2 2.2 微波传感器的组成 …………………………………………………………… 2 2.2.1 微波振荡器及微波天线 …………………………………………………… 2 2.2.2 微波检测器 ………………………………………………………………… 3 2.3 传感器的特点 ………………………………………………………………… 3 3.微波传感器的应用 ……………………………………………………………… 3 3.1 微波湿度传感器 ……………………………………………………………… 4 3.2 微波测厚仪 …………………………………………………………………… 5 3.3 微波辐射计（温度传感器）…………………………………………………… 6

3.4 微波测定移动物体的速度和离 ……………………………………………… 7 3.5 微波无损检测 ………………………………………………………………… 8 结论 ……………………………………………………………………………… 9参考文献 ……………………………………………………………………………10

微波式传感器的应用

引言

微波半导体器件及微波集成电路，从雷达导航、电子对抗等军事应用领域 ，迅速扩展到微波中继通信、卫星通信、移动通信、无线电话、卫星直播电视、无线电缆电视、安全防范等众多的商用领域。这些应用领域的发展 ，方兴未艾，前景广阔。应用的扩大，市场需求的增长，有力地促进了微波半导体器件及微波集成电路品种的发展和性能的提高。微波半导体器件及微波集成电路的生产，也从多品种、小批量的小规模方式，迅速向集约化、大规模方式发展 。 近年来 ，国外利用微波频段电磁波的特性研制生产了大量用於非电参量的检测和无损伤探测方面的微波传感器，工作十分引人注目。微波传感器具有不接触、无损伤、连续、宴时、远距离、无毒害、不污染环境、易於维护、成本较低等一系列优点，在许多场台十分有用。长期以来，传感器的电检测技术基本上局限於低频和光频两个频段并从集总电路参数和电压 、电流的观点来研究各种传感器的性能，很少使用它们之间的微波频段并从电磁波的角度来研究传感器 本文的目的在於引起人们对微波传感器这一新兴领域的重视。我们相信，随着这一领域的开拓和发展，不仅为传感器增加了新的分支和新的品种，而且也为微波半导体器件和微波集成电路开辟了新的应用前景。

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： 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。

2.微波传感器的原理和组成

2.1微波传感器的测量原理及分类

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。

2.1.1 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。 

2.1.2 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。

2.2微波传感器的组成

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。 

2.2.1 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。

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。

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。

(a)

(b)

(c)(d)

图1 常用的微波天线

(a) 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

2.2.2微波检测器

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。 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。

2.3 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。 

3.微波传感器的应用

微波发

线

图2 微波液位计

3.1微波湿度传感器

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

ε=ε′+αε″ （公式1） 式中：ε′——储能的度量；  ε″——衰减的度量； α——常数。

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。 

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。

图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。

图3 酒精含水量测量仪框图

3.2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。

微波测厚仪原理如图4所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、 上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时， 微波传输的行程长度便减小。

被测体

微波信号源振动短路器

图 4 微波测厚仪原理图

一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法， 前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图11-4右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。 若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信

号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。

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 （公式2） 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；

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。

3.3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。普朗克公式在微波领域可近似为

（公式3）

L0(,T)

2CkT



4

就微波辐射计而言，它以一定的频带宽检测来自物体的微波辐射辉度L(λ,T)。由于此电信号输出正比于物体的发射率ε(λ,Τ)和绝对温度的乘积，因此微波辐射计指示的温度不是物体的真实温度， 而是辉度温度ε(λ,Τ)Τ。

图5 微波温度传感器原理框图

图5给出了微波温度传感器的原理方框图。图中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。 

微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将它装在航天器上，可以遥测大气对流层的状况，可以进行大地测量与探矿，可以遥测水质污染程度，确定水域范围，判断植物品种等。

3.4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：

f r=f 0+fD （公式4） 式中fD是多卜勒频率，并可表示为

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：

括号［］内的第二项是因电波在距离r上往返而产生的相位滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Ue sin2πf0t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的差拍频率的多卜勒输出信号为

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

fD

2f0

c

（公式5）

4f0r

ueUesin2(f0fD)t

c

（公式6）

4πf0r

udUdsin2πfDt c

（公式7）

定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电波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：

c

r

4π(f2f1)

（公式8）

3.5微波无损检测

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。

复合材料在工艺过程中，由于增强了纤维的表面状态、 树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等因素，因此，在复合材料制品中难免会出现气孔、疏松、 树脂开裂、分层、脱粘等缺陷。 这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用微波无损检测技术进行评定。

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，如图6所示。当以金属介质内的气孔作为散射源，产生明显的散射效应时，最小气隙的半径与波长的关系符合下列公式 :

Ka1 （公式9）

式中： Ｋ——K=2π/λ，其中λ为波长；ａ——气隙的半径。

当微波的工作频率为 36.5ＧＨz时，ａ=1.0ｍｍ, 也就是说, λ=6 mm时，可检出的孔隙的最小直径约为2.0mm。从原理上讲，当微波波长为1mm时，可检出最小的孔径大约为0.3 mm。 通常，根据所需检测的介质中最小气隙的半径来确定微波的工作频率。

移相器

图6 微波无损检测方框图

结 论

如上所述，微波传感器涉及微波的产生频率的变换以及幅度、相位、频率、品质因素等微波因素的测量。微波传感器必须采用微波半导体器件和微波集成电路。微波传感器与微波半导体器件及微波集成电路二者的发展是相互依赖和相互促进的。我们希望重视微波传感器的研究、开发与推广应用，进一步促进我国微波半导体器件和微波集成电路工业的发展。

参考文献

【1】张朝晖.检测技术及应用.中国计量出版社.2010年04月 【2】柳桂国.检测技术及应用.电子工业出版社.2003年08月 【3】于彤.传感器的应用.人民邮电出版社2010年03月

【4】常慧玲.传感器与自动检测.电子工业出版社.2009年04月 【5】唐文彦.传感器的应用.机械工业出版社.2011年06月