微波传感器在实际应用中的场景

1.微波湿度传感器

水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。这个特性可用水分子自身介电常数ε来表征，即

ε=ε′+αε″

式中 ε′——储能的度量；

ε″——衰减的度量；

α——常数。

ε′与ε″不仅与材料有关，还与测试信号频率有关，所以极性分子均有此特性。一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其ε′在1～5范围内，而水的ε′则高达64，因此如果材料中含有少量水分子时，其复合ε′将显著上升，ε″也有类似性质。

使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。

图10-24 酒精含水量测量仪框图

图10-24给出了测量酒精含水量的仪器框图。图中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A₁、A₂分别注入两个完全相同的转换器T₁、T₂中。其中，T₁放置无水酒精，T₂放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别反复接通两电路（T₁和T₂）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差，从而确定样品酒精的含水量。

2.微波测厚仪

微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都不变的特性进行测厚的。

微波测厚仪原理如图10-25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、上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。

图10-25 微波测厚仪原理图

一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电动机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电动机停止转动为止。

补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为

ΔS=L_B-（L_A-ΔL_A）=L_B-（L_B-Δh）=Δh

式中 L_A——电桥平衡时测量臂行程长度；

L_B——电桥平衡时参考臂行程长度；

ΔL_A——被测物厚度变化Δh后引起的测量臂行程长度变化值；

Δh——被测物厚度变化；

ΔS——补偿短路器位移值。

由上式可知，补偿短路器位移值ΔS即为被测物厚度变化值Δh。

3.微波辐射计（温度传感器）

任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热能。微波辐射计能测量对象的温度。普朗克公式在微波领域可近似为

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就微波辐射计而言，它以一定的频带宽检测来自物体的微波辐射辉度L（λ，T）。由于此电信号输出正比于物体的发射率ε（λ，Τ）和绝对温度的乘积，因此微波辐射计指示的温度不是物体的真实温度，而是辉度温度ε（λ，Τ）Τ。

图10-26给出了微波温度传感器的原理框图。图中，T_i为输入（被测）温度，T_c为基准温度，C为环行器，BPF为带通滤波器，LNA为低噪声放大器，IFA为中频放大器，M为混频器，LO为本机振荡器。

微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将它装在航天器上，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，判断植物品种等。

图10-26 微波温度传感器原理框图

4.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是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接收返回的反射波的能动型传感器。若对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多普勒效应，反射波的频率f_r发生偏移，即

f_r=f₀+f_D

式中 f_D——多普勒频率，并可表示为

当物体靠近靶时，多普勒频率f_D为正；远离靶时，f_D为负。输入接收机的反射波的电压u_e可用下式表示：

括号[]内的第二项是因电波在距离r上往返而产生的相位滞后。用接收机将来自发射机的参照信号U_esin2πf₀t与上述反射信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两频率之差，即f_D的差拍频率的多普勒输出信号为

因此，根据测量到的差拍信号频率，可测定相对速度。但是，用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电波f₁和f₂，这两个波的反射波的多普勒频率也稍有不同。若测定这两个多普勒输出信号成分的相位差为Δφ，则可利用下式求出距离r：

5.微波无损检测

微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。

复合材料在工艺过程中，由于增强了纤维的表面状态、树脂黏度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等因素，因此，在复合材料制品中难免会出现气孔、疏松、树脂开裂、分层、脱粘等缺陷。这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用微波无损检测技术进行评定。

微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组成，如图10-27所示。当以金属介质内的气孔作为散射源，产生明显的散射效应时，最小气隙的半径与波长的关系符合下列公式：

K·a≈1

式中 K——K=2π/λ，其中λ为波长；

a——气隙的半径。

当微波的工作频率为36.5GHz时，a=1.0mm，也就是说，λ=6mm时，可检出的孔隙的最小直径约为2.0mm。从原理上讲，当微波波长为1mm时，可检出最小的孔径大约为0.3mm。通常，根据所需检测的介质中最小气隙的半径来确定微波的工作频率。

图10-27 微波无损检测框图