11.2微波传感器的原理和组成1.反射式微波传感器反射式微波传感器：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、厚度等参数。2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器：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。11.2.2微波传感器的组成组成：微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分。1.微波振荡器及微波天线微波振荡器：是产生微波的装置。对振荡回路的要求：由于微波波长很短，即频率很高（300MHz～300GHz）→要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容→不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。微波振荡器的构成器件：有调速管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管。微波天线：用波导管（管长为10cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图11-1所示，其中有喇叭形天线（图（a）、（b））、抛物面天线（图（c）、（d））、介质天线与隙缝天线等。喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线使微波发射方向性得到改善。2.微波检测器敏感探头：电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。要求：足够快的响应速度。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。不同频率、不同要求下采用的探头元件：几兆赫以下—半导体PN结，频率比较高的—使用肖特基结。灵敏度特性要求特别高的情况下—使用超导材料的约瑟夫逊结检测器、SIS检测器等超导隧道结元件，接近光的频率区域—使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。两种微波的检测方法：—一种是将微波变化为电流的视频变化方式，一种是与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。微波检测器性能参数：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、可靠性、温度特性、耐环境性等。11.2.3微波传感器的特点微波传感器是一种新型的非接触传感器。特点：①有极宽的频谱（波长=1.0mm~1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；②适用于恶劣环境下工作：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，因此可以在恶劣环境下工作；③水对微波的吸收作用最强，介质对微波的吸收介质的介电常数成比例；④便于自动控制：时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理；⑤便于实现遥测和遥控：测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；⑥微波无显著辐射公害。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，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11.3.2微波湿度传感器水分子在微波场中的储能与释能—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）—表现为微波信号的相移，又不断释放能量（放能）—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′与ε″与材料、测试信号频率有关,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物体的含水量：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11-3测量酒精含水量的仪器框图。工作原理：MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到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。11.3.3微波测厚仪微波测厚仪：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。工作过程（图11-4）：被测金属体上下两表面各安装一个终端器。信号微波经A、D传输到上终端器→发射到被测物体上表面上→全反射后又回到上终端器→D、A→E→下终端器→发射到被测物体下表面的微波→全反射