微波检测原理

微波检测原理

微波是指频率为300MHz-3000GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性．微波量子的能量为1 99×l0 -25～1．99×10-22j。

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

从电子学和物理学观点来看，微波这段电磁频谱具有不同于其他波段的如下重要特点：

穿透性

微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

选择性加热

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含水量的多少对微波加热效果影响很大。

热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

似光性和似声性

微波波长很短，比地球上的一般物体（如飞机，舰船，汽车建筑物等）尺寸相对要小得多，或在同一量级上。使得微波的特点与几何光学相似，即所谓的似光性。因此使用微波工作，能使电路元件尺寸减小；使系统更加紧凑；可以制成体积小，波束窄方向性很强，增益很高的天线系统，接受来自地面或空间各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体方位和距离，分析目标特征。

由于微波波长与物体（实验室中无线设备）的尺寸有相同的量级，使得微波的特点又与声波相似，即所谓的似声性。例如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与声学喇叭，萧与笛；微波谐振腔类似于声学共鸣腔非电离性

微波的量子能量还不够大，不足与改变物质分子的内部结构或破坏分子之间的键。再有物理学之道，分子原子核原子核在外加电磁场的周期力作用下所呈现的许多共振现象都发生在微波范围，因而微波为探索物质的内部结构和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用这一特性，还可以制作许多微波器件。信息性

由于微波频率很高，所以在不大的相对带宽下，其可用的频带很宽，可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大，所以现代多路通信系统，包括卫星通信系统，几乎无例外都是工作在微波波段。另外，微波信号还可以提供相位信息，极化信息，多普勒频率信息。这在目标检测，遥感目标特征分析等应用中十分重要。

1引言

波长在lmm一lm的电磁波，称为微波。微波可以细分为三个波段:分米波、厘米波、毫米波。微波在电磁谱中介于无线电的短波与红外之间，它们的本质都是电磁波。

微波检测技术是继超声波、激光、红外、X射线和y射线等方法之后的一种新型的非接触(无损)检测技术。与其它检测技术比较，具有以下一些特点:

①有极宽的频谱(1.omm一1.om波长)可供选用，可根据被测对象的特点来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;

③时间常数小，反应速度快;

④测量信号本身就是电信号，无需进行非电量的转换，从而简化了传感器与处理器间的接口;

⑤微波无显著辐射危害，没有公众健康问题。

正是基于以上特点，微波检测技术在工业、农业、地质勘探、能源、材料、国防、公安、生物医学、环境保护、科学研究等领域有了一定应用并具有广泛前景。

2 微波检测技术在不同领域的应用

2.1无损检测成像技术

微波技术使分米分辨本领的非接触成像技术成为可能。作为无损检测工具，高分辨微波成像技术的应用能力，已经被验证。

美国一家专门从事雷达断层成像测量技术的公司(富莱姆·卢塞尔公司)用他们的实验设备可以检测到一个半英寸厚、面积为10平方英寸纤维玻璃板上50mm 直径的小孔洞，而且即使浸了水，也能观察到。

英国ERA工程部已经完成了对地下管道及电缆定位的表面穿透雷达系统的研究。亚表面雷达技术对于探测地下非导体材料的物体已被认可。在干燥和浸水的情况下，对一个直径Zoomm带有直径somm小孔的排水管的探测已经完成。在空气/土壤介面高于管道lm的情况下，可探测直径150mm的塑料管。

2.2用于寻找和救护

微波的一个应用技术是寻找被地震、滑坡、建筑物倒塌而掩埋的生命。微波对微小的运动以及标示生命存在的呼吸运动等信息很敏感，既使是失去意识的生命，也能探测到。

微波双锥形天线，中间馈入同轴线，插入橡胶中，由天线发出的场被周围的物体和受害者反射，受害者的呼吸运动使反射波频率变化。.1一0.3Hz，胃肠的

蠕动使反射波频率变化0.7一3.oHz。反射波可以由接收夭线测

得。

法国自然和工程探险国家安全部的研究表明0.5一1.oGHz(10，Hz)的装置可以有效地探测到呼吸运动。

2.3利用反射波检测物位、液位

冶金工业中常常需要对高炉料位，平炉、转炉钢水液位、连续浇铸的钢水液面的厚度或高度进行测量。在这种高温多粉尘强噪声的环境下特别适合采用微波技术进行测量:

①温度变化2000℃，微波传播速度的变化不超过0.03%。其反射时间变化和温度的关系曲线如图1所示。

②所选用微波波长比烟雾、粉尘、水汽粒尺寸大得多，传播时绕射能力大，吸收透本领强;

③机械噪声对微波传播、接收无影响;

④只要被测介质的介电常数大于2都测量;

⑤测量时，发射/接收天线可以安装在槽的上方，对塑料一类密封罐可不开在上方即可测液位，安装维护都很方便。

英国钢铁公司采用射频技术测量钢水的，可以对装得过多的钢水包进行报警。该在生产上已取得了可观的经济效益，在过程中可实时在线测量，从而缩短了钢凝时间，提高了经济效益。

2.4用微波实现大气遥感

遥感是获得大气形成过程中瞬间状态的唯一途径。在分米、毫米和亚毫米波段能使空间大气的感知成为可能。例如:用相关检测技术，微波接收器可以精确描述大气的发散路径。它可以提供所有的天气测量参数，并且是唯一可以直接观测到云中水的含量。微波观测器可用于高空情况观测。对于地面无法观测到的信号，已经能够用国际航空空间管理局卫星上的微波测角发生器观测到。不同的微波装置绕地球飞行提供大气信息:降雨量、水蒸气及降雨云气的情况。

2.5新型微波车辆感知器

交通管理系统中的微波车辆感知器，设置在道路上，利用汽车反射回的微波，确定汽车的位置;并根据多普勒频移确定汽车的运动速度。并将数据传给交通管理中心，经过分析进行合理疏导与统计。微波车辆感知器如图2，由微波收发器和控制器组成，其中微波收发器设置在高于地面5一6m处，控制器安装在支柱上。收发器的夭线向地面发射的波束的扩散角为700。主波束与行驶在中心线上的车辆相对应，旁波束与中心线两侧的车辆相对应。

微波车辆感知器工作程序如图3所示。

微波收发器中的高频振荡器产生13GHz(13义10，Hz)的高频波，脉冲信号发生器产生同步脉冲对高频波进行调制，送至循环器，再由夭线向路面发射。天线接收通过车辆的反射波，又送给循环器。车辆感知器检出反射波的感知信号，与此同时，多普勒检测器检测出多普勒信号频率。控制器部分根据微波发送器送来的车辆感知信号进行判定车辆的存在与否。同时由多普勒频率测定车辆的速度。由控制器测定出的车辆感知信号和速度信号，经转换器，使用专线传送给交通管理中心。

2.6利用穿透特性测量介质厚度

航空工业中，复合材料在高温高压情形下，对它的均匀性及特性的控制至关重要。通常只有材料的一面是可以接近的，另一面被导体板档上了。因此，无损、快速、精确地检测厚度的技术迫在眉睫。微波能够穿透介质材料并且对表面两层边缘的敏感度极高，使其特别适于这种测量。

目前，一种快速而准确的测试算法已经被验证:介质厚度是由介质的导纳、

微波频率、被测介质介电特性决定的。如果介质介电特性已知，微波频率一定，那么对导纳的测定就会反映厚度信息。

如果测量是非接触的，孔径和样品间的空气也需要考虑。

由Sasan.Bakhtiari等人提出的算法已经在标准实验下得到了证明。在最佳频率下，对于介质厚度小于5mm的，测量精度达到0.5%。对于厚一些的介质片测量精度达到3.0%，实际工业应用中比预计效果还好，因此是一种快速而准确的测厚方法。

2.7微波湿度分析仪

由CEM公司生产的Labwave9000TM是一种以微波为热源干燥样品以测定物体湿度的仪器。微波法较湿度法及近红外反射或透射法(NIR)等有如下优点:可测湿度高于10%的样品，测量周期短，较上述非微波法快4一10倍，无需校准，可直接测定湿度且精度好，它具有如下特点:

①测定范围宽，适合于湿度为0.01%一99.99%的液体、固体、浆料;

②夭平称量方便;

③菜单型操作程序并提供标准软件;

④精确测湿度可获重现性结果，且不破坏样品。

另外一种新型的湿度在线测量方法已经在澳大利亚试验成功。它利用微波的透射原理，即被测样品的湿度是由穿透被测样品的微波信号的衰减和相移决定的。样品的厚度和密度对信号的影响可以在测量过程中得到补偿。实验表明，对于含湿量在3.3%一16%的样品测量精度达到0.63%。对于含湿量在0%一7%的样品测量精度达到0.99%一0.34%。

3结束语

微波技术最早应用于军事、国防工业，如雷达、微波通讯等。目前已部分转向民用工业，并且取得了一定的成果。由于微波应用具有广泛前景，国外许多的研究机构都投入了大量人力物力进行开发。随着微波器件、电子器件、材料工业的发展以及市场需求的促进，微波检测技术必将得到大力发展。