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1、11微波传感器,11.1微波的基础知识11.2微波传感器及其分类11.3微波传感器的优点与存在的问题11.4微波传感器的应用,11.1微波的基本知识,微波既有电磁波性质，又不同于无线电波和光波。 是指频率为300MHz-300GHz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1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、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 99l0 -25 19910-22j,【 0 】微波的性质和特点,【 1 】微波的性质,微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特
2、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。一、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。二、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
3、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。 三、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。,【 2 】微波的产生,微波能通常由直流电或50Hz交流电通过一特殊的器件来获得。可以产生微波的器件有许多种，但主要分为两大类：半导体器件和电真空器件。
4、电真空器件是利用电子在真空中运动来完成能量变换的器件，或称之为电子管。在电真空器件中能产生大功率微波能量的有磁控管、多腔速调管、微波三、四极管、行波管等。在目前微波加热领域特别是工业应用中使用的主要是磁控管及速调管。,【 3 】微波的热效应,微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加如果生物体组织吸收的微波能量较少，它可借助自身的热调节系统通过血循环将吸收的微波能量(热量)散发至全身或体外如
5、果微波功率很强，生物组织吸收的微波能量多于生物体所能散发的能量，则引起该部位体温升高局部组织温度升高将产生一系列生理反应，如使局部血管扩张，并通过热调节系统使血循环加速，组织代谢增强，白细胞吞噬作用增强，促进病理产物的吸收和消散等,【 4 】微波的非热效应,微波的非热效应是指除热效应以外的其他效应，如电效应、磁效应及化学效应等在微波电磁场的作用下，生物体内的一些分子将会产生变形和振动，使细胞膜功能受到影响，使细胞膜内外液体的电状况发生变化，引起生物作用的改变，进而可影响中枢神经系统等微波干扰生物电(如心电、脑电、肌电、神经传导电位、细胞活动膜电位等)的节律，会导致心脏活动、脑神经活动及内分泌活
6、动等一系列障碍对微波的非热效应，人们还了解的不很多当生物体受强功率微波照射时，热效应是主要的(一般认为，功率密度在在10mWcm2者多产生微热效应且频率越高产生热效应的阈强度越低)；长期的低功率密度(1 m Wcm2 以下)微波辐射主要引起非热效应,【 5 】微波加热的原理,微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电波，被加热介质物料中的水分子是极性分子。它在快速变化的高频点磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化。造成分子的运动相互摩擦效应，此时微波场的场能转化为介质内的热能，使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程而达到微波加热干燥的目的,【 6 】微波杀菌的机理,微波杀菌是利用
7、了电磁场的热效应和生物效应的共同作用的结果。微波对细菌的热效应是使蛋白质变化，使细菌失去营养，繁殖和生存的条件而死亡。微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电位分布，影响细胞膜周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡。此外，微波能使细菌正常生长和稳定遗传繁殖的核酸RNA和脱氧核糖核酸DNA，是由若干氢键松弛，断裂和重组，从而诱发遗传基因突变，或染色体畸变甚至断裂。,【 7 】微波炉的工作原理,1946年，斯潘瑟还是美国雷声公司的研究员。一个偶然的机会，他发现微波溶化了糖果。事实证明，微波辐射能引起食物内部
8、的分子振动，从而产生热量。1947年，第一台微波炉问世。 顾名思义，微波炉就是用微波来煮饭烧菜的。微波是一种电磁波。这种电磁波的能量不仅比通常的无线电波大得多，而且还很有个性：微波一碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。 微波炉正是利用微波的这些特性制作的。微波炉的外壳用不锈钢等金属材料制成，可以阻挡微波从炉内逃出，以免影响人们的身体健康。装食物的容器则用绝缘材料制成。微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这
9、种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物煮熟了。这就是微波炉加热的原理。用普通炉灶煮食物时，热量总是从食物外部逐渐进入食物内部的。而用微波炉烹饪，热量则是直接深入食物内部，所以烹饪速度比其它炉灶快4至10倍，热效率高达110%以上。目前，其他各种炉灶的热效率无法与它相比。 而微波炉由于烹饪的时间很短，能很好地保持食物中的维生素和天然风味。比如，用微波炉煮青豌豆，几乎可以使维生素C一点都不损失。另外，微波还可以消毒杀菌。 使用微波炉时，应注意不要空烧，因为空烧时，微波的能量无法被吸收，这样很容易损坏磁控管。另外，人体组织是含有大
10、量水分的，一定要在磁控管停止工作后，再打开炉门，提取食物。,【 11 】光波炉,是最新推出的家用烹调用炉，号称微波炉的升级版的光波炉与微波炉的原理不同。微波炉是利用磁控管加热的，但光波微波组合炉是在微波炉炉腔内增设了一个光波发射源，能巧妙地利用光波和微波综合对食物进行加热。格兰仕推出的光波微波炉组合炉在工作时，光源、磁控管可以同时启动。两者既可以单独使用，又可以组合使用，全部功能均采用最新高科技数码控制。在使用中既可以微波操作，又可用光波单独操作，还可以光波、微波组合操作。因此，光波炉兼容了微波炉的功能。从结构上看，光波炉在炉腔上部设置了光波发射器和光波反射器。光波反射器可以确保光波在最短时间
11、内聚焦热能最大化，这也是光波炉在结构上与普通微波炉的重要区别。相比微波炉，光波炉具有加热速度快、加热均匀、能最大限度地保持食物的营养成分不损失等诸多优点。光波微波组合炉主要用途在于能大大提高微波炉的加热效率，并在烹饪过程中最大程度地保持食物的营养成分，避免在烹饪食物时尽量减少水分的丧失。其实光波是微波炉的辅助功能，只对烧烤起作用。没有微波，光波炉只相当于普通烤箱。市场上的光波炉都是光波、微波组合炉，在使用中既可以微波操作，又可用光波单独操作，还可以光波微波组合操作。也就是说，光波炉兼容了微波炉的功能。 现在光波炉的输出功率多为七八百瓦，不少消费者可能觉得这么高的功率也很费电，实际上这是对光波炉
12、的一种误解。光波炉和一般烹饪器具不同，除了方便快捷，健康环保外，它还有特别的“节能”手段。首先，光波炉是采用光波和微波双重高效加热，瞬间即能产生巨大热量。又因为加热是直接针对食物本身，不需要通过器皿传热，且内外同时进行，加热时间极短，效率很高，大多食物仅需两三分钟。而一般的加热方式在容器、空间等上浪费的热能很多。据测试证明，光波炉加热的能源利用率可高达95以上，靠电炉丝加热的电器只有60，煤气和液化气是55。,【 9 】热波炉,是利用光波技术加热旋风对流加热的原理，使空气热分子均匀包围食物，利用热空气分子的高度穿透力将食物均匀煮熟，同时保持食物中的原体水分。温度从60250自行调整，可达到10
13、0%杀菌的目的，又能恰如其分地溶解食物中的营养成份，能将食物中的大分子成份分解生成人体可吸收的小分子成份，又不至于产生油烟或其他有害物质。光热热效率比微波炉稍高又节能省电，容器清洗方便并可任意更换。,【 10 】微波传感器的原理和组成,定向辐射装置易造遇到各种障碍物易于反射绕射能力差传输特性好，在传输过程中受烟雾，火焰，灰尘，强光影响小介质对微波的吸收与介质介电常数成正比，水对微波的吸收作用最强,微波的特点,2微波天线,微波震荡器,波导管,天线,10cm,喇叭形状天线,抛物面形状天线,3微波检测器,11.2微波传感器及其分类,微波传感器“ 利用微波的特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线
14、发出微波，遇到被测物体时微波被吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调整电路后，可以显示出被测量，从而实现微波检测过程。 可以分成反射式和遮断式,1）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物的位置，位移厚度等参数,2）遮断式微波传感器,通过检测接收天线受到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线之间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数,微波传感器的装置,MS微波源,T转换器,R接收器,有源微波传感器,自振式微波传感器,11.3微波传感器的优点和存在问题,（1）微波传感器
15、的优点可以实现非接触测量，可以进行活体检测，大部分测量不需要取样。检测速度快，灵敏度高，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制。可以在恶劣环境条件下进行检测，如高温，高压，有毒，有放射线环境条件下工作。输出信号可以方便地调制在载波信号上进行反射与接收，便于实现遥测与遥控。,2）微波传感器存在问题,微波传感器的主要问题是零点漂移和标定问题，这些问题有待于进一步解决。外界环境对微波传感器影响较多，如温度，气压，取样位置,11.4微波传感器的应用,（1）微波湿度（水分）传感器 在微波场中含有水分子，偶极子受到电场作用，从电场中得到能量表现为微波的相移，又释放能量表现为微波衰减，即,介电常数与材料本
16、身有关，还和测试信号的频率有关,测量物体含水量的原理,测量干燥物体和含有一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移和衰减量，将其换算成物体的含水量,现在已经研究出的含水量测量仪器,土壤，煤，石油，矿砂，酒精，玉米，稻谷，塑料，皮革,测量酒精含水量,MS,A1,A2,T2,T1,PTAT,DD,分工器,衰减器,被测样品,转换器,无水酒精,相位测定仪,衰减测定仪,注意： 对于颗粒状物料，由于形状各异，装料不均等因素，测量其含水量时，对微波传感器的要求比较高,（2）微波液位计,l,微波发射天线,微波接收天线,d,相距为L的发射天线与接收天线，相互成一定角度，波长为的微波从被测液面的高度不同而不同。接收
17、天线接收到的功率为,Pt发射天线的发射功率Gt发射天线的增益G0接收天线的增益D两天线与被测表面间的垂直距离,当发射功率，波长，增益均恒定时，上式可以写为,K1为取决于发射功率，天线增益与波长的常数；K2为取决于天线安装方法和安装距离的常数,（3）微波物位计,当被测物体位置较低时，发射天线发出的 微波束全部由接收天线接收，经过检波，放大与设定物位升高到天线所在高度时，微波束部分被物体吸收，部分反射，接收天心接收到的微波功率相应减弱，经检波，放大与设定电压比较，低于设定电压值时，微波物位就发出被测物体位置高出设定物位的信号,振荡器,电源,被测对象,前置放大器,放大器,电压放大器,l,微波开关式物
18、位计,（4）微波测厚仪,原理：利用微波在传播过程中遇到被测物金属表面时被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行厚度测量的。,可逆电机,光电转换器,显示器,放大器,补偿短路器,振动短路器,环形器A,环形器B,C,微波信号源,上终端器被测物下终端器,工作过程,在被测金属物体上下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，由传输波导管传输到上终端器，再由上终端器发射到被测物上表面上，微波在被测物上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输波导管，环行器A，下传输波导管传送到下终端器。由下终端器发射到被测物下表面微波，经全反射后回到下终端器，再经过传输波导管回到环行器A。因此被测物的厚度
19、与微波传输过程中的行程长度密切关系，当被测物厚度增加时，微波传输的行程减小。,采用微波自动平衡电桥法,目的：测量微小行程变。将微波传输行程作为测量臂，完全模拟测量臂设置一个参考臂。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经检波器G检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，则反射回来的微波的相位角不同，经反射叠加后不相互抵消，再经检波器检波后就有不平衡信号输出。此差值信号经过放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，从而改变补偿短路的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。,补偿短路器的位移与被测物厚度增加之间关系为,LA电桥平衡时测量臂的行程长度LB电桥平
20、衡时测量臂的行程长度 LA被测物厚度变化 h后引起测量臂行程长度变化的值 h被测物厚度变化值 S补偿短路器位移值,(5)微波温度传感器,辐射计（噪声温度接收机）工作原理 任何物体，当其温度高于环境温度时，都能够向外辐射热量。当该辐射热量到达接收机输入端口时，若仍然高于基准温度或室温时，在接收机的输出端将有信号输出,微波温度传感器最有价值的应用是：,微波遥测：将微波温度传感器装在航天器上 可以遥测大气对流层的状况； 可以进行大地测量与探矿； 可以遥测水质污染程度； 确定水域范围； 判断土地肥沃程度植物品种；,探测人体癌变组织，早期癌变组织与周围正常组织之间存在0.1温差,Ti输入温度（被测温度）
21、C环形器Tc基准温度BPF带通滤波器LNA低噪声放大器LO本机振荡器M混频器IFA中频放大器,（6）微波定位传感器,微波定位传感器原理 微波源MS发射的微波，经环形器C从天线发射出微波信号，当物料远离小孔时，反射信号很小，当物料移近小孔时，反射信号突然增大，该信号经转换器T变换为电压信号，然后送显示器D显示出来。也可将此信号送至控制执行器工作，使物料停止运动或加速运动,微波定位传感器原理框图,（7）微波多普勒传感器,微波多普勒传感器原理 利用多普勒效应可以探测运动物体的速度、方向与方位。 多普勒频移为,应用：交通管制测速雷达水文站用的流速测定仪海洋气象站用以测定海浪于热带风暴仪火车进站速度监控仪,
