1、 一、微波检测的基础知识一、微波检测的基础知识 1. 微波的定义及其特点微波的定义及其特点 通常将波长在通常将波长在0.0011m，频率从，频率从300到到300000兆赫兆赫范围内的电磁波称为微波。范围内的电磁波称为微波。 特点特点 : 定向传播定向传播 准光学特性准光学特性 传输特性好传输特性好 介质对微波吸收与介质的介电常数成比例，水介质对微波吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强对微波的吸收作用最强2.微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 微波是用微波振荡器产生的。由微波是用微波振荡器产生的。由f = 1/2 可知，为可知，为了得到很高的频率了得到很高的频率f，振荡回路
2、的电感，振荡回路的电感L和电容和电容C就要很小，就要很小，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微微波振荡器的器件有速调管、磁控管和某些固体元件，小型的波振荡器的器件有速调管、磁控管和某些固体元件，小型的微波振荡器也可采用体效应管。微波振荡器也可采用体效应管。 微波振荡器产生的振荡信号要用微波振荡器产生的振荡信号要用波导管波导管引到发射天线波引到发射天线波长为长为10cm以上可用同轴电缆）发射出去。以上可用同轴电缆）发射出去。 为了保证发射的微波有很强的方向性，必须使用特殊结为了保证发射的微波有很强的方向性，必须使用特殊结构的发射天
3、线。常有的发射天线有构的发射天线。常有的发射天线有喇叭形天线、抛物面天喇叭形天线、抛物面天线、介质天线等。线、介质天线等。 LC常见的微波天线常见的微波天线(a)扇形喇叭天线扇形喇叭天线 (b) 圆锥形喇叭天线圆锥形喇叭天线 (c) 旋转抛物面天线旋转抛物面天线 (d) 抛物柱面天线抛物柱面天线3.微波在检测技术中的应用微波在检测技术中的应用 (1)利用微波的定向辐射特性进行测量利用微波的定向辐射特性进行测量 据此原理可以制成开关式物位计据此原理可以制成开关式物位计 (2)利用微波的反射特性进行测量利用微波的反射特性进行测量 可以制成液位计、测厚仪和微波雷达等。可以制成液位计、测厚仪和微波雷达
4、等。(3)利用物质对微波的选择性吸收特性进行测量利用物质对微波的选择性吸收特性进行测量 可以测量纸张、粮食、木材、糖果等固体物料的含水量。可以测量纸张、粮食、木材、糖果等固体物料的含水量。 二、微波测湿技术二、微波测湿技术1.微波测湿的原理微波测湿的原理 水分子是强极性分子，在外电场作用下将产生强的取向水分子是强极性分子，在外电场作用下将产生强的取向极化，极化的结果是将外电场的能量转换成水分子的势能，极化，极化的结果是将外电场的能量转换成水分子的势能，这一势能意味着将从外电场获得的能量储存起来。这一势能意味着将从外电场获得的能量储存起来。 由于水的吸收损耗远较其它电介质大，所以，当微波功由于水
5、的吸收损耗远较其它电介质大，所以，当微波功率通过物料时，其衰减量的大小将主要取决于物料中水分含率通过物料时，其衰减量的大小将主要取决于物料中水分含量的多少，这就是衰减法微波测湿的原理。量的多少，这就是衰减法微波测湿的原理。 2、微波测湿技术的应用、微波测湿技术的应用 利用微波测量湿度或水分的方式基本上有三种类型，即利用微波测量湿度或水分的方式基本上有三种类型，即空间波式、波导式和反射式空间波式、波导式和反射式。 煤中含水量的测量煤中含水量的测量 衰减法微波测湿原理方框图衰减法微波测湿原理方框图 微波测量煤的含水量示意图微波测量煤的含水量示意图 校准曲线校准曲线 三、微波物位计三、微波物位计 微
6、波超声波波类型电磁波机械波反射特性在不同介电率的界面上反射在不同声阻抗率的界面上反射压力影响微不足道很小温度影响微不足道需温度补偿传播速度约3 108m/s（在真空中）约344 m/s（空气中，20）测量盲区到天线顶端离辐射面大于250mm动态范围高达150 dB高达100 Db传播环境很少受气相环境影响要求均一的气体环境 微波和超声波的差别微波和超声波的差别 1.微波物位测量原理微波物位测量原理 有遮断式和反射式两种有遮断式和反射式两种(1)遮断式物位计遮断式物位计 (2) 反射式物位计反射式物位计 反射式物位计是利用回声测距的原理工作的。其原理如图所示。发射天线反射式物位计是利用回声测距的
7、原理工作的。其原理如图所示。发射天线向被测目标发射微波，被测目标反射的微波被接收天线接收。由于天线与待测界向被测目标发射微波，被测目标反射的微波被接收天线接收。由于天线与待测界面的距离不同（因物位变化），接收天线接受到的微波功率也不一样，可由接收面的距离不同（因物位变化），接收天线接受到的微波功率也不一样，可由接收到的功率的大小来反映物位的高度。在发射功率及两天线的距离到的功率的大小来反映物位的高度。在发射功率及两天线的距离S为定值、其它为定值、其它有关参数不变的情况下，接收功率与天线距物位的距离有关参数不变的情况下，接收功率与天线距物位的距离d有关。测出接收功率即有关。测出接收功率即可求知距
8、离可求知距离d，从而能测得物位。，从而能测得物位。 由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射（因泡沫、由于微波在传播途径上有衰减和干扰反射（因泡沫、蒸汽粉尘、冷凝、贮罐内部构件反射等）蒸汽粉尘、冷凝、贮罐内部构件反射等）, 故测量的关键故测量的关键是要能接收到反射回波，并识别出有效回波。接收的回波是要能接收到反射回波，并识别出有效回波。接收的回波能量能量Pk可用简化的雷达方程表示如下：可用简化的雷达方程表示如下： 式中式中 P 天线辐射功率；天线辐射功率； C 经验系数，由系统决定；经验系数，由系统决定； Gi 目标表面介电特性及面积决定的反射增益；目标表面介电特性及面积决定的反射增益； Gt、G
9、k 天线的发射和接收增益（效率）；天线的发射和接收增益（效率）； r 天线与目标间距离。天线与目标间距离。 4/rGGGCPPktiK2. 微波系统的分类微波系统的分类 测距的微波系统通常分为两类：脉冲雷达和调频连续测距的微波系统通常分为两类：脉冲雷达和调频连续波雷达（波雷达（FMCW） 脉冲雷达脉冲雷达 脉冲雷达技术用于较短距离的测量及物位测量。微波脉脉冲雷达技术用于较短距离的测量及物位测量。微波脉冲来回传播时间冲来回传播时间t由下式决定：由下式决定： 式中式中 a 天线到被测目标的距离；天线到被测目标的距离； c 微波传播速度。微波传播速度。 由于传播距离较短，微波脉冲的传播时间是纳秒级的
10、。由于传播距离较短，微波脉冲的传播时间是纳秒级的。 cat/2 调频连续波雷达调频连续波雷达 一个波幅恒定的线性锯齿波或三角波调频的微波信号从一个波幅恒定的线性锯齿波或三角波调频的微波信号从天线发射，并从目标上反射回来，调频的上升时间必须足够天线发射，并从目标上反射回来，调频的上升时间必须足够长，以便在调制结束前反射信号能返回到接收器。在用于物长，以便在调制结束前反射信号能返回到接收器。在用于物位测量的雷达中，调频产生在位测量的雷达中，调频产生在824GHz之间。被反射的微之间。被反射的微波信号在延时时间波信号在延时时间t后被接收，并和频率已变化的发射信号后被接收，并和频率已变化的发射信号混混
11、合。两者的差频被分离出来，假设物料表面是静止的，则混合。两者的差频被分离出来，假设物料表面是静止的，则混频器输出信号的频率正比于延时时间频器输出信号的频率正比于延时时间t，因而可据此计算天，因而可据此计算天线线到反射面的距离。用数字信号处理使之对同一变化方向上的到反射面的距离。用数字信号处理使之对同一变化方向上的突然相位变化不敏感，这样就能用中频（突然相位变化不敏感，这样就能用中频（IF）信号来计算过）信号来计算过零（零交叉）的数字。用快速傅立叶变换（零（零交叉）的数字。用快速傅立叶变换（FFT）来计算）来计算IF信号，它需要测量信号，它需要测量IF频谱，然后确定到反射目标的物位距频谱，然后确定到反射目标的物位距离，并消除干扰反射。离，并消除干扰反射。 3. 微波物位计的应用
