微波传感器的原理及应用
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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
,
PGGP,
2
PGtttr
G
tt
r
P=()
r 22
S，4d4
,
……………………………..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。
PGG
图2 微波液位计
K2、微波物位计 K,4
K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
ttr
P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
2
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，
1r1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， 2
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
r
定物位的信号。
P=()=
r
222
44(S/2)，dK，d
,
2
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
2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。
PP,,
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C0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
P,() PGG
0ttr
4S
,
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;
,,S=L(LL,,,)(LL,,,h)=h,
,hLL
L
BABA
AB
A
——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
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1. 染火枫林，琼壶歌月，长歌倚楼。岁岁年年，花前月下，一尊芳酒。水落红莲，唯闻玉磬，但此情依旧。
2. 玉竹曾记凤凰游，人不见，水空流。
3. 他微笑着，在岁月的流失中毁掉自己。
4. 还能不动声色饮茶，踏碎这一场，盛世烟花。 5. 红尘嚣 浮华一世转瞬空。
6. 我不是我 你转身一走苏州里的不是我 。 7. 几段唏嘘几世悲欢 可笑我命由我不由天。
8. 经流年 梦回曲水边 看烟花绽出月圆。
9. 人生在世，恍若白驹过膝，忽然而已。然，我长活一世，却能记住你说的每一话。
10. 雾散，梦醒，我终于看见真实，那是千帆过尽的沉寂。
11. 纸张有些破旧，有些模糊。可每一笔勾勒，每一抹痕迹，似乎都记载着跨越千年万载的思念。
12. 生生的两端，我们彼此站成了岸 。
13. 缘聚缘散缘如水，背负万丈尘寰，只为一句，等待下一次相逢。
14. 握住苍老，禁锢了时空，一下子到了地老天荒
15. 人永远看不破的镜花水月，不过我指间烟云 世间千年,如我一瞬。
16. 相逢一醉是前缘，风雨散，飘然何处。
17. 虚幻大千两茫茫，一邂逅，终难忘。相逢主人留一笑，不相识，又何妨。
18. 天下风云出我辈,一入江湖岁月催;皇图霸业谈笑间,不胜人生一场醉。
19. 得即高歌失即休，多愁多恨亦悠悠，今朝有酒今朝醉，明日愁来明日愁。
20. 直道相思了无益，未妨惆怅是清狂。
21. 看那天地日月，恒静无言;青山长河，世代绵延;就像在我心中，你从未离去，也从未改变。
22. 就这样吧，从此山水不相逢。
23. 人天自两空，何相忘，何笑何惊人。
24. 既不回头,何必不忘。 既然无缘,何须誓言。 今日种种,似水无痕。 明夕何夕,君已陌路。
25. 有缘相遇,无缘相聚,天涯海角,但愿相忆。有幸相知,无幸相守,苍海明月,天长地久。 26. 相见得恨晚，相爱的太慢，进退让我两难。缘过了远分，缘过了聚散，是否回头就能够上岸
27. 天凉了,凉尽了天荒 地老了,人间的沧桑，爱哭了,这么难舍 心都空了,想放不能放。天亮了,照亮了泪光 泪干了,枕边地彷徨
28. 心微动奈何情己远.物也非,人也非,事事非,往日不可追
29. 渺渺时空,茫茫人海,与君相遇,莫失莫忘。
30. 如果换我先开口，日子是否还一样细水长流
31. 也许是前世的姻 也许是来生的缘 错在今生相见 徒增一段无果的恩怨
32. 人道海水深，不抵相思半。海水尚有涯，相思渺无畔。
33. 醉眼看别人成双作对，
34. 无人处暗弹相思泪。
35. 终于为那一身江南烟雨覆了天下，容华谢后，不过一场，山河永寂。 36.
千秋功名，一世葬你，玲珑社稷，可笑却无君王命。
37. 凤凰台上凤凰游，负约而去，一夜苦等，从此江南江北，万里哀哭。 38.
嗟叹红颜泪、英雄殁，人世苦多。山河永寂、怎堪欢颜。 39. 风华是一指流砂，苍老是一段年华。
40. 夜雨染成天水碧。有些人不需要姿态，也能成就一场惊鸿。 41. 你要记得，紫檀未灭，我亦未去。
42. 谁在岁月里长长叹息。
43. 汉霄苍茫，牵住繁华哀伤，弯眉间，命中注定，成为过往。 44. 红尘初妆，山河无疆。 最初的面庞，碾碎梦魇无常，命格无双。 45. 江南风骨，天水成碧，天教心愿与身违。
46. 山河拱手，为君一笑 。
47. 如是颠簸生世亦无悔。
