检测与传感第十一章

检测与传感技术
上节内容复习
第10章 超声波传感器
磁致伸缩式 电磁式
1. 超声波传感器的分类
按工作原理: 压电式 按结构: 导探头等
单晶直探头、双晶直探头、斜探头、聚焦探头、空气传
2. 压电式超声波传感器
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)
正压电效应是将超声振动波转换成电信号(接收探头)

在无界空间（如空气中）


半无界空间（如探地雷达的应用环境）
沿导波装置（双线传输线、同轴线、波导等）
6．传播模式
x 为三种模式的波： ① 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。 ② 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。 ③ 在电磁波传播方向上有磁场、没有电场，即电场 限于横平面内，称为横电波，简称TE波。
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
喇叭天线
杆状天线
Vivadi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，这样可以 获得最大的能量输出。
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。
3. 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
(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
第11章 微波传感器
11.1 微波概述 11.2 微波传感器 11.3 微波传感器的应用
（3）衰落 衰落是指信号电平随时间的随机起伏。
a. 慢衰落 原 因 b. 快衰落 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） 快衰落是由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）
慢衰落现象
快衰落现象
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
7．微波传播
（1）基本原理
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。
n0 n1 n2
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。
（2）似声性 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； 微波谐振腔类似于声学共鸣箱
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
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。
11.2 微波传感器的原理和组成
1. 原理
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
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
11.3 微波传感器的应用
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。
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
4. 微波传感器的特点
优点：
非接触传感器； 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；
波段 UHF L LS S C XC X Ku K
频率（GHz） 0.3～1.12 1.12～1.7 1.7～2.6 2.6～3.95 3.95～5.85 5.85～8.2 8.2～12.4 12.4～18.0 18.0～26.5
波段 Ka Q U M E F G R
频率（GHz） 26.5～40.0 33.0～50.0 40.0～60.0 50.0～75.0 60.0～90.0 90.0～140.0 140.0～220.0 220.0～325.0
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。
2. 微波传感器的分类
根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式 和透射式两类。 (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、位移等参数。
2. 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。 下图给出了测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。
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。
(2) 微波天线
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。 常用的天线如图所示，其中有喇叭形天线、抛物面 天线、 介质天线与隙缝天线等。
11.1 微波概述
1. 微波的概念
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
广播电视
300M
3000G
直线传播
2. 微波的范围


频率范围：300MHz到3000GHz(3THz)
波长范围：1m到0.1mm 基本公式： f
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) 宽频带特性 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。 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：3～30MHz 超短波的频带范围是：30～300MHz 微波的频带范围是：300MHz ～ 3000GHz
（2）衰减
大气对电波的衰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。 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。 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。
光纤的频带范围是：30THz ～ 100THz
(4) 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
c
（c 3108 m / s ）

国内外对微波定义的区别： 中国（1米-0.1毫米） 美国（30厘米-0.3毫米)（1G-1T）
3. 微波波段的工程划分
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300～3000 MHz)； 厘米波段(频率从3～30 GHz)； 毫米波段(频率从30～300 GHz)； 亚毫米波段(频率从300～3000 GHz)
4. 微波的特点
（1）似光性
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：微波波段的波长与无线电设备的线长度及
的尺寸相当或小得多，这样，当微波照射到这些物体上时，
地球上的一般物体（如飞机、舰船、火箭、导弹、建筑物等）
将产生显著的反射、折射，就与光线的反射、折射一样。
(2) 透射式微波传感器
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。
3. 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。
(1) 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
(7) 信息性
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。