检测与传感第十一章

1、检测与传感技术上节内容复习上节内容复习2. 压电式超声波传感器压电式超声波传感器 逆压电效应逆压电效应将电信号转换成机械振动，产生超声波(发射探头发射探头) 正压电效应正压电效应是将超声振动波转换成电信号(接收探头接收探头)3. 压电式超声波传感器的结构压电式超声波传感器的结构 (压电晶片、阻尼块、保护膜)4. 应用应用第10章 超声波传感器 (1) 物位传感器(2) 流量传感器(3) 超声波测厚 (4) 超声波探伤 (5) 倒车雷达(6) 便携式超声波探鱼器(7) 超声波在医学检查中的应用(8) 超声波清洗原理及清洗器1. 超声波传感器的分类超声波传感器的分类 按工作原理:压电式磁致伸缩式电

2、磁式 按结构:单晶直探头、双晶直探头、斜探头、聚焦探头、空气传导探头等11.1 微波概述微波概述11.2 微波传感器微波传感器11.3 微波传感器的应用微波传感器的应用第11章 微波传感器 11.1 微波概述微波概述 直线传播直线传播广播电视广播电视300M300M3000G3000G 介于普通无线电波（长波、中波、短波、超短波）与红外线之间的电磁波。 微波是特定频段的电磁波波：具有电磁波普遍有的所有特点微：具有一些独特的分析、研究方法1. 微波的概念微波的概念 国内外对微波定义的区别：u 中国（1米-0.1毫米）u 美国（30厘米-0.3毫米)（1G-1T）u频率范围：300MHz到3000

3、GHz(3THz)fcsmc/1038 基本公式： （ ）2. 微波的范围u 波长范围：1m到0.1mm 在应用中为了方便起见，把微波波段细分为：分米波段(频率从3003000 MHz)；厘米波段(频率从330 GHz)；毫米波段(频率从30300 GHz)；亚毫米波段(频率从3003000 GHz)3. 微波波段的工程划分波段频率（GHz）波段频率（GHz）UHF0.31.12Ka26.540.0L1.121.7Q33.050.0LS1.72.6U40.060.0S2.63.95M50.075.0C3.955.85E60.090.0XC5.858.2F90.0140.0X8.212.4G14

4、0.0220.0Ku12.418.0R220.0325.0K18.026.5直线传播直线传播：微波传播的特性也和几何光学相似，能像光线一样直线传播，容易集中，即具有似光性。 反射与折射反射与折射：微波波段的波长与无线电设备的线长度及地球上的一般物体（如飞机、舰船、火箭、导弹、建筑物等）的尺寸相当或小得多，这样，当微波照射到这些物体上时，将产生显著的反射、折射，就与光线的反射、折射一样。 （1）似光性）似光性4. 微波的特点 微波的波长与无线电设备尺寸相当的特点，使微波又体现出与声波相似的特征，即具有似声性： 微波波导类似于声学中的传声筒； 喇叭天线和缝隙天线类似于声学喇叭、萧和笛； 微波谐振腔

5、类似于声学共鸣箱 （2）似声性）似声性 微波的似光性和似声性可以这样理解，由于微波的波长大于光波而小于声波，因此具有一定的两面性。 对于波长较短，比物体尺寸小得多，更多的体现为“似光性”，沿直线传播，方向性好等特点 对于波长较长，与物体尺寸相近的微波，更多的体现为“似声性” 微波照射于介质物体时，能深入物质内部的特点称为穿透性。 微波可以穿透云、雾、雨、雪、植被、地表层等，具有全天候和全天时的工作能力，是全天候微波通信和遥感技术的基础； 微波有几个波段（20-30GHz、91GHz）受电离层的影响较小，能较容易的穿透电离层，成为人类探测外层空间的“宇宙窗口”，为空间通信、卫星通信等天文学研究提

6、供了难得的无线电通道； 毫米波还能穿透等离子体，使远程导弹和航天器重返大气层，是实现通信和末端制导的重要手段。 (3) 穿透性穿透性 任何通信系统为了传递一定的信息必须占有一定的频带宽度，为传输某信息的频带宽度叫做带宽。(3) 宽频带特性宽频带特性 电话信道的带宽为4KHz 广播的带宽为16KHz 电视频道的带宽为8MHz。 要传输的信息越多，所用的频带就越宽。中短波的频带范围是：330MHz 超短波的频带范围是：30300MHz 微波的频带范围是：300MHz 3000GHz光纤的频带范围是：30THz 100THz(4) 热效应特性热效应特性 当微波电磁能量传送到有耗物体内部时，就会使物体

7、的分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热，这就是微波的热效应。 利用微波的热效应特性可以进行微波加热，由于微波加热具有内外同热、效率高、加热速度快等特点，因而被日益广泛应用于粮食、茶叶、卷烟、木材等各种行业中。 微波炉（工作频率多选用915MHz或2450MHz） 热敏材料、压敏材料的微波烧结，制瓷工业(5) 散射特性散射特性 当电磁波入射到某物体上时，会在除入射波方向外的其它方向上产生散射。 由于散射波是入射波和物体相互作用的结果，因此散射波也携带了大量关于散射体的信息。 例如，早晨，当太阳还没有升起来的时候，我们虽然无法直接看到太阳，但当我们看到天空被染成红色时，就知道太阳在地平线下不远的地方

8、了。这个信息就是通过大气或云层对阳光的散射作用传递给我们的。 散射波的时域、频域、相位、极化等信息都可以用来进行目标识别。由于微波的频率很高，波长很短，使得在低频电路中被忽略了的一些现象和效应（例如趋肤效应、辐射效应、相位滞后现象等）在微波波段则不可忽略。这样，低频电路中常用的集中参数元件电阻、电感、电容已不适用，电压、电流在微波波段甚至失去了惟一性意义。(6) 分析方法的独特性分析方法的独特性集总参数：集总参数：系统各种不同元件可以用既不随时间、也不随空间变化的参量来表征，这就是集总参数；分布参数：分布参数：微波频率很高，电磁振荡周期与微波电路中从一点到另一点的电效应的传播时间相比是可比拟的

9、，因此就必须用随时间、空间变化的分布参数来表征。微波波段可载的信息容量是非常巨大的，其可用的频带可达数百甚至上千兆赫兹。所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外地工作在微波波段。此外，微波信号还可提供相位信息、极化信息、多普勒频率信息，这在目标探测、遥感、目标特征分析等应用中是十分重要的。 (7) 信息性信息性5传播方式 与大多数电磁波的传播方式相同：u 在无界空间（如空气中）u 半无界空间（如探地雷达的应用环境）u 沿导波装置（双线传输线、同轴线、波导等） 6传播模式TEM波 在电磁波传播方向上有电场、没有磁场，即磁场限于横平面内，称为横磁波，简称TM波。 在电磁波传播方向上有磁场

10、、没有电场，即电场限于横平面内，称为横电波，简称TE波。 x y z E H v O 电磁波可以分为三种模式的波： 在电磁波传播方向上没有电场和磁场分量,即电场和磁场完全在横平面内，这种模式的电磁波称横电磁波，简称TEM波。7微波传播 电磁波通信是由于大气层或电离层的连续折射而实现的。 由于大气层是非均匀媒质, 其压力、温度与湿度都随高度而变化,若将大气层分成许多薄片层, 每一薄层是均匀的, 各薄层的折射率n随高度的增加而减小。 这样当电磁波在大气层中依次通过每个薄层界面时, 射线都将产生偏折, 因而电波射线形成一条向下弯曲的弧线，如图所示。 210nnn（1）基本原理）基本原理大气对电波的衰

11、减主要来自两个方面。 一方面是云、雾、 雨等小水滴对电波的吸收 一方面是云、雾、雨等小水滴对电波的散射。 当工作波长短于3cm（ 频率10GHz ）时, 大气层对电波的衰减将趋于严重。（2）衰减）衰减 由降雨引起的电波衰减在大多数情况下是可观的。因此在地面和卫星通信线路的设计中都要考虑由降雨引起的衰减。a. 慢衰落慢衰落是由气象起伏变化引起的慢衰落现象快衰落是由多径传输多径传输现象引起的（到达接收点的各路径的时延不同, 致使合成信号幅度和相位都发生随机起伏）快衰落现象b. 快衰落原因衰落是指信号电平随时间的随机起伏。（3）衰落）衰落慢衰落是由气象起伏变化引起的（如大气中的水汽、云、雾、雨、雪等

12、）a. 慢衰落慢衰落是由气象起伏变化引起的 由于天线射向电离层的是一束电波射线, 各根射线的入射角稍有不同，它们将在不同的高度上被“反射”回来， 因而有多条路径到达接收点，这种现象称为多径传输多径传输。 电离层从离地面60km的高度一直延伸到1000km的高空。 按电子密度随高度的变化相应地分为D, E, F1, F2四层, 如图所示。电离层电子密度的高度分布 电离层的D层对电波的吸收是很严重的, 夜晚, D层消失, 致使天波信号增强, 这正是晚上能接收到更多短波电台的原因这正是晚上能接收到更多短波电台的原因。* 一种现象：晚上能接收到更多短波电台一种现象：晚上能接收到更多短波电台11.2 微

13、波传感器的原理和组成微波传感器的原理和组成 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。1. 原理原理 (1) 反射式微波传感器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、位移等参数。(2) 透射透射式微波传感器式微波传感器透射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

14、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。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式反射式和透射式透射式两类。2. 微波传感器的分类微波传感器的分类(1) 微波发射器微波发射器 微波发射器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高，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速调管、行波管、回旋管等。 3. 微波传感器的组成微波传感器的组成 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。 由微波发射器产生的振荡信号需要用波导管或电缆传输，并通过天线发射出去。 常用的天线如图所

15、示，其中有喇叭形天线、抛物面天线、 介质天线与隙缝天线等。图11-1 常用的微波天线(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 (2) 微波天线微波天线喇叭天线Vivadi天线杆状天线带反射腔的椭圆天线 天线与同轴电缆或波导管之间必须匹配匹配，这样可以获得最大的能量输出。匹配的概念匹配的概念： 当馈线终端所接负载阻抗等于馈线特性阻抗时，称为馈线终端是匹配连接的。 匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。eg. 天线阻抗为 50 欧，与50 欧的电缆是

16、匹配的，而当天线阻抗为 80 欧时，与50欧的电缆是不匹配的。 (3) 微波检测器微波检测器 非线性元件：肖特基结、约瑟夫逊结等。约瑟夫逊结约瑟夫逊结：两块超导体构成 一般材料，在温度接近绝对零度时候，材料电阻趋近于0，此时称为超导体肖特基结肖特基结：金属与半导体的交界面 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 工作温度缺点：缺点： 水对微波的吸收作用强； 零点漂移和标定； 使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等4. 微波传感器的特点微波传感器的特点优点：优点： 非接触传感

17、器； 有极宽的频谱，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；可以在恶劣环境下工作；时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理；11.3 微波传感器的应用微波传感器的应用 微波液位计 1. 微波液位计微波液位计 相距为S的发射天线与接收天线，相互成一定角度。微波信号从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的微波的传输时间将随着被测液面的高低不同而异。2. 微波湿度传感器微波湿度传感器 基本原理：由于水的介电常数远大于大多数物质，如果待测物中含有水分子，其介电常数将显著上升，而不同的介电常数所引起的微波信号的相移与衰减量不同，由此就可推算物质含水量。 酒精含水量测量仪框图 下图给出了测

18、量酒精含水量的仪器框图，微波源产生的微波经功率分配器分成两路，分别输入到放置无水酒精的转换器T1、放置被测样品的转换器T2中。相位与衰减测定仪记录它们之间的相位差与衰减差，从而确定样品酒精的含水量。 微波测厚仪是利用微波传播至被测金属表面的全反射特性进行测厚的。 3. 微波测厚仪微波测厚仪 微波测厚仪原理如图所示：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传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，全反射后回到上终端器，再经过环行器传输到下终端器，再到达物体下表面，全反射后又回到终端器。被测物体的厚度与微波传输行程长度密切相关。 物体厚度增加，微波传输路

19、程减少； 物体厚度减小，微波传输路程增加。 任何高于绝对零度的物体，都会有热辐射，热辐射的频率取决于物体的温度温度和比辐射率比辐射率。4. 微波辐射计微波辐射计物质属性，表示物质释放热量的难易程度物质属性，表示物质释放热量的难易程度它与物质辐射的能量成正比它与物质辐射的能量成正比因此， 微波辐射计有两种应用：1. 同种介质，进行不同温度的检测（温度传感器）2. 同温度下，进行不同介质的探测（微波遥感） 例如同种温度下，油脂的比辐射率比海水高很多，因此其辐射的能量就会比海水大很多。用微波辐射计对被油脂污染了的海域探测，利用探测到的数据成像，就会得到颜色深浅不同的图像。5. 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（多普勒效应） 由发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离距离 由多普勒频率的大小，可算出目标对雷达的相对运动速度速度 当声音、光或微波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频