微波传感器

微波传感器（共3篇）

微波传感器 篇1

摘要：自动门微波传感器是采用多普勒原理的一种自动门微波传感器。自动门微波传感器是利用微波的传输性能好、易反射、被吸收功率易测量等特点, 用专门的微波振荡器来产生微波, 特定的天线收发微波。

关键词：真空度,自动门微波传感器,反射式,遮断式

自动门微波传感器是采用多普勒原理的一种自动门微波传感器。适用于人或物体运动时信号的采集。在立体范围内主要为非接触式, 且不受气候条件影响, 易于隐蔽。该传感器主要由发射与接收双矩形腔体;振荡、混频电路;选频、放大、整形、灵敏度调整电路;信号显示控制电路及稳压电源组成。该传感器结构紧凑, 可长时间连续工作, 因此最适用于测速系统的智能控制、机要档案部门防盗报警的监控及自动门控制系统信号的采集。

1 自动门微波传感器的分类

由发射天线发出的微波, 遇到被测物时将吸收或反射, 使功率发生变化。若利用接收天线, 接收通过实测或由被测物反射回来的微波, 并将它转化成电信号, 再由测量和指示, 就实现了微波检测过程。根据上述原理, 微波检测传感器可分为反射式与遮断式两种。

1.1 反射式传感器

这种反射式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, 来表达实测物的位置、厚度等参数。

1.2 遮断式传感器

这种遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线间有无被测物的位置与含水量等参数。

2 自动门微波传感器的原理

2.1 自动门微波传感器的工作原理

自动门微波传感器使用直径9 cm的微型环形开线用微波探测, 其天线在轴线方向产生一个椭圆形径为0 m~5 m (可调) 空间微波戒区, 当人体活动时其反射的回波和微波感应控制器发出的原微波场 (或频率) 相干涉而发生变化, 这一变化量经PLC12F510进行检测、放大、整形、多重比较以及延处理后, 由白色导线输出电压控制信号。

自动门微波感应控制器内部由环形天线和微波三极管组成一个工作频率为2.4 Hz的微波振荡器, 环形天线既做发射天线也可接收人体移动而反射的回波。内部微波三极管的半导体PN结混频后差拍检出微弱的频移信号 (即检测到人体的移动信号) 。

2.2 自动门微波传感器的工作原理图

自动门微波传感器由放大部分、电源部分、控制部分组成, 如图1所示。

3 自动门微波传感器的规格

●实用技术:单片机控制微波传感器

●检测原理:多普勒微波反射式

●微波中心频率:12 GHz/24.25 GHz/多普勒频率1 Hz~500 Hz

●发射功率:5 m W

●安装高度:2.1 m~3.0 m

●感应角度:水平角120° (天线端) 垂直角25°~90° (可调)

●检测区域: (典型值) 4 m (W) ×2.5 m (D) 增益65 d B

●检测模式:运动

●最小检测运动速度:5 cm/s (沿天线纵轴线测试)

●检测区域调整:机械调整平面天线仰角

●检测灵敏度调整:调整电位器

●温度范围:-20℃~+55℃

●抗干扰性能:电磁兼容性 (EMC) 符合89/336EEC标准

●电源电压:AC12 V~24 V±10%DC12 V~30 V±10%

●动作指示灯:接通电源电压, 自检 (指示灯闪烁5次)

绿色—正常状态

红色—感应状态

4 传感器结构说明

5 采用微波控制的优点

1) 成本低, 开发商易采用。

2) 几乎不受温度影响, 控制距离稳定。

3) 内含稳压电路, 适应新楼房电压偏差大的实际情况, 直流交流9 V~12 V都可以。

4) 当住户防盗门打开时灯即亮, (红外技术是:门打开灯不亮, 人移动时灯才会亮) , 更显人性化。

5) 灵敏度高、使用方便、节省电能。

6 传感器的作用

人们为了从外界获取信息, 必须借助于感觉器官。在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为了适应这种情况, 就需要传感器。因此可以说, 传感器是人类五官的延长, 又称之为电五官。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中, 要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数, 使设备工作在正常状态或最佳状态, 并使产品达到最好的质量。因此可以说, 没有众多的优良的传感器, 现代化生产也就失去了基础。

7 结束语

自动门微波传感器是基于独特的微波传输技术, 其超薄的天线能实现多种频谱;根据雷达工作原理可以提供连续波多普勒雷达、调频连续波多普勒雷达、脉冲多模雷达;发送频率24GHz;探测精确、成本低、控制距离稳定不受干扰、灵敏度高、使用方便、节省电等特点。

参考文献

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[2]张虹.电路与电子技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.

[3]刘少强, 张靖.传感器设计与应用实例[M].北京:中国电子出版社, 2008.

微波传感器 篇2

糖浆锤度的在线测量一直是制糖企业自动化控制实现的瓶颈。利用微波技术对糖浆的锤度进行测量和控制, 在现代糖业工业加工过程中已尽显其优越性。在制糖过程中对连续煮糖罐和间歇式煮糖罐内糖膏锤度进行精确测量, 就是一个很好的例子。

工艺参数的准确测量是最优化生产的基础。过去的15年间, 传统的测量方法都是人工取样后拿去实验室进行光学分析, 这种测量方式对生产控制有明显的滞后, 不利于生产效率的提高。微波传感器的出现, 成为糖汁溶液中干物质含量 (锤度) 的标准测量工具。传感器是基于微波传输测量技术的仪器, 传感器在整个结晶过程中直接实时测量结晶罐中的锤度, 结果极为精确。凭借着精确的测量精度, 实时在线式的连续采样测量, 结晶工段就能经过优化而达到最高效率。这是结晶工段煮糖自控系统解决重要参数控制方案的不二选择。

2 微波浓度测量原理

利用微波对浓度的测量方法是一种间接手段。微波在糖浆或糖膏中的传输是通过水分子来传递的, 鉴于水比其它的干固物有更大的介电常数, 因而被微波信号作为传递者而选择。被传送的微波信号值当作水分含量来体现, 同样在与整体干固物关联性上的确定来控制整个蒸发过程。由于微波对水分子的高选择性, 从而把水分与干固物清楚的区别开来。这给了我们一个机会, 根据锤度与干固物互有关连性的一个信号。从图1可以看出微波在介质中的传输过程, 由于被水分的吸收, 从而造成其自身的衰减和相移。对于10亿Hz的高频微波, 糖浆纯度的变化对于其影响, 相对于别的波段的微波更为微弱。由于水的双极性, 微波在水分子中传递造成水分子的剧烈震荡, 被测介质在70℃～80℃的温度范围内, 一个很小的介电常数变化所引起的温度偏差, 比在低温的情况下更难被发现。这一点正好体现了微波浓度测量仪在结晶罐内和蒸发阶段的使用特性。

3 应用

糖结晶工艺的最优化, 取决于制种点及最后的浓缩等关键点得到可靠的确认, 对所有品种的糖来说 (精炼糖、白糖或高级粗糖;即A糖、B糖或C糖) 都是一样的。proMtec的传感器能够以精确的测量值为煮糖自动控制参数提供有效的支持。微波浓度测量的高精确性, 可以直接体现在0.2%的测量精度。这一点对于要准确地测量出接种点有着至关重要的意义。对理想的接种点和结晶时间的有效控制, 可以产生高质量的蔗糖晶体。在糖膏锤度的完全可控情况下完成结晶过程, 进而可得到非常理想的分蜜效果。proMtec微波锤度测控仪对这个结晶点控制起到了关键的作用。proMtec所设计的微波测量设备中, 插入式的微波探头在结晶罐上采用法兰式连接, 安全、密封性能好, 拆卸方便。我们目前推荐在新的结晶车间采用该微波科技, 现有的手工操作车间则能够逐步进行现代化改造。在大多情况下, 传感器作为独立装置是现代化改造的第一步, 它能够为操作人员提供有用的信息, 方便进行制种点的确认, 并进一步控制整个结晶工序。通过采用相应的控制元件, 能够对整个结晶工序进行成功的自动化改造。最高阶段的改造是全自动解决方案, 由此可以实现由多个罐组成的整套结晶工序从入料到出料都得到全面自动控制。每一项改造措施都能为工序带来改进, 如产出量提升、质量稳定性、降低耗水、更佳的离心效果或更短的停运时间。测量方式基于基本的物理原理:微波由发送器传播到接收器, 当微波的传输受到阻碍时, 其特性 (如:强度、相位) 就会改变。这些参数的改变是能够测量的。

微波尤其容易受到水分子的影响, 而糖分 (溶化或结晶状态) 对微波几乎毫无影响。水溶液中含的糖分越多, 微波通过过程中产生的变化就越小。该变量被测量后, 可以转化为锤度。输出的微波对人体绝对无害, 也不会对产品产生影响, 它仅仅是一部手机产生的微波辐射量的万分之一。传感器由同产品接触的探测器以及基于电脑的分析元件组成, 两者通过特制的微波电缆连接。根据具体应用要求, 可以采用不同的探测器。设备的操作由功能键菜单实现, 有多种语言可选。设备的调校方便, 并可在现场进行。测量结果均显示在屏幕上, 并可作为模拟信号发送到上级控制系统。

2005年proMtec实践成功了对93 Bx的连续结晶罐糖膏出口处糖膏锤度测量的新手段--嵌入式传感器的投入使用。这是一种全新的设计方案, 嵌入式的传感探头被直接安装于管路截面的两侧, 它可以完全无阻碍的对管路内糖膏锤度进行从0～90 Bx的精确测量。在高浓度范围内, 被测物体在管路中的运动, 对探头也同时具有自洁功能。嵌入式的探头尺寸对于管路的口径在DN40到DN300都适用。微波探头是一种被固定的装置。微波的发送与接收, 以及对探头的承载部件的设计都不受温度和清洁需要的影响。安装在管路截面上的探头对糖膏的锤度进行测量, 保证了测量的连续性和在线性。无需用水对结晶罐或管路进行清洁, 而且可以避免在探头上结垢。图2比较了内置式与嵌入式探头的区别。用嵌入式探头进行的测量相对于内置式探头进行的测量要相对平稳很多, 不受水洗的影响, 从图上我们可以清楚地看出这个变化。

4 结论

如图3, 微波技术能从低于1～98锤度如此大的范围内进行测量。

微波传感器 篇3

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要分为布里渊光时域分析仪(BOTDA)、布里渊光时域反射计(BOTDR)和布里渊光频域分析(BOFDA)三种。前两种技术是目前国内外研究的热点。与BOTDR相比,BOTDA技术具有更高的信噪比和测量精度。基于微波外调制的BOTDA系统只需要一个激光器作为光源,将激光器输出光分成两路,通过调节探测光调制信号的频率实现对被测光纤区域的扫描,以此确定布里渊频移的改变量并获得温度或应变的传感信息。BOTDA技术又分为增益型和损耗型两种[1]。增益型是指连续探测光频率低于脉冲光频率,能量由脉冲光转移到探测光,当光纤上的温度或应变为均匀分布时,这种传感方式会引起脉冲光能量急剧降低,难以实现长距离检测;损耗型是指连续探测光频率高于脉冲光频率,探测光的能量向脉冲光转移,这种传感方式使脉冲光能量升高,不存在泵浦耗尽现象,从而能实现长距离的检测。本文设计了一个基于微波外调制的损耗型BOTDA传感系统,并对其系统性能进行了分析及仿真。

1 理论基础

在传感光纤两端分别入射短脉冲光与连续探测光,当两者的频率差与光纤中某区域的布里渊频移νB相等时,则在该区域就会产生受激布里渊散射(SBS)放大效应,两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系,因此,在对两激光器的频率进行连续调节的同时,通过检测从光纤一端耦合出来的探测光,就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差。从而得到传感光纤上温度和应变的信息,实现分布式测量[2,3,4]。

布里渊频移νB是温度和应变的函数,在应变ε或者温度T单独作用下有如下关系:

$\begin{array}{l}\nu {}_{\text{B}}(\epsilon )=\nu {}_{\text{B}}(\epsilon {}_{\text{r}})[1+C{}_{\nu \epsilon }(\epsilon -\epsilon {}_{\text{r}})]\\ \nu {}_{\text{B}}({\rm T})=\nu {}_{\text{B}}({\rm T}{}_{\text{r}})[1+C{}_{\nu {\rm T}}({\rm T}-{\rm T}{}_{\text{r}})]\end{array}(1)$

式中εr和Tr分别为参考应变和参考温度;Cνε,CνT分别为布里渊频移的应变和温度灵敏度系数。在温度和应变共同作用的情况下,式(1)可以改写为Δν=CνεΔε+CνTΔT,对于T=300 K、工作在光波长λ=1.55 μm附近的普通单模光纤,Cνε=(0.048 3±0.000 4) MHz/με,CνT=(1.10±0.02) MHz/K,Δε及ΔT分别为光纤的应变和温度的变化量。

2 传感系统设计

图1为所设计的基于微波外调制的BOTDA光纤传感系统。该系统采用1.55 μm工作波长的窄线宽激光器,通过耦合器1将光源分为两路。其中一路光信号由声光调制器(AOM)调制成脉冲光,经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大信号和光栅滤除EDFA产生的自发辐射噪声后进入传感光纤。耦合器的另一路光信号由电光调制器(EOM)调制产生约11 GHz频移的光信号。为了获得最大的输出信号和平坦的传输特性,EOM前需加偏振控制器(PC)进行偏振态的控制。本系统采用损耗型BOTDA技术,连续光频率高于脉冲光频率。因此选取调制信号的上边带。经过调制后的光信号作为探测光进入传感光纤。当光纤中相向传输的两路光的频率差与光纤的布里渊频移一致时,受激布里渊散射作用最强。探测光通过耦合器2进入光电检测器检测,再由高速数据采集设备迭加平均并进行频谱拟合,就可确定光纤各段布里渊增益达到最大时所对应的频率差,该频率差与光纤各段上的布里渊频移相等,因此能够确定与布里渊频移成线性关系的温度和应变值,从而实现应变或温度的分布式测量。

3 系统性能分析

3.1 空间分辨率

分布式光纤传感系统的空间分辨率表征传感系统的定位能力。影响系统空间分辨率的因素有很多,包括光脉冲宽度、光纤色散、光电转换器件的带宽和响应时间、A/D转换速度等。一般影响较大的是光脉冲宽度和A/D转换速度。

空间分辨率δW与光脉冲宽度W的关系可以表示为:

$\delta {}_{\text{W}}=(c/n)(W/2)=vW/2(2)$

式中c为真空中的光速,n为光纤纤芯折射率,v为光在光纤中的传播速度。由此当脉冲宽度为10 ns,n=1.45时,对应的空间分辨率δW约为1 m。

由数据采集处理设备决定的系统空间分辨率为:

$\delta {}_{\text{s}}=vt{}_{\text{s}}/2(3)$

式中ts为采集设备的采集周期,ts与A/D采样频率的关系为fs=1/ts。假设数据采集处理设备的fs=100 MHz,则δs=1 m。综上可知,系统的空间分辨率应取上述两个空间分辨率δW和δs中的最大值。

3.2 测量时间

测量时间是指在给定的测量精度下,以一定的空间分辨率对整个传感光纤的温度或应变完成一次测量所需要的最小时间。该项指标表明了系统实时监测的性能。采用多次迭加平均的方法可在一定程度上提高信噪比。对于检测探测光强度的情况来说,为保证对传感光纤探测信号的两次测量不发生混叠,要求入射脉冲相邻两个脉冲的时间间隔tp大于光在传感光纤中往返的时间,即Δt=2L/v<tp,入射泵浦光的重复频率f=1/tp,其中L为传感光纤长度。若为达到规定的信噪比所需平均次数为N,则完成一次测量的时间为t0=N /f。

要确定光纤上某点的布里渊频移,需要测量不同频率下探测光强的曲线才能完成一次布里渊谱的绘制。假设扫频范围为ω,实现扫频功能的微波步进为ωB,则完成一次布里渊谱的扫频需要发射ω/ωB个不同频率的光脉冲。综上所述,完成一次布里渊扫频需要的测量时间至少为:

$t=(\omega /\omega {}_{\text{B}})t{}_0=2{\rm N}L\omega /(\omega {}_{\text{B}}v)(4)$

根据以上分析,代入N=1 000、L=10 km、f=10 kHz,参照式(1)给出的温度和应变灵敏度系数,在微波调制带宽为120 MHz、中心频率为11 GHz、扫频步进为0.1 MHz(对应理论温度变化量0.1 ℃或应变变化3 με)、频率变化时间间隔不小于t0=0.1 s时,完成一次布里渊谱的测量时间为t=120 s。

3.3 布里渊信号分析

在BOTDA系统中主要通过测量布里渊频移来实现温度和应变的测量。对布里渊谱的扫描使得数据采集设备得到一组包含布里渊传感信号的探测光强数据。将采集到的这组信号在每个空间分辨率长度上进行频谱拟合,获得布里渊散射谱的曲线,从而确定光纤上某一段的布里渊频移和线宽的信息。

布里渊频谱的拟合曲线由洛伦兹曲线和高斯曲线结合而成[5],这一曲线称作Pseudo-Voight分布,可以表示为:

式中PB为布里渊峰值功率,ν为微波信号的频率,νB为布里渊频移,当波长为1.55 μm时,νB=10 850 MHz;ΔνB为布里渊谱自然线宽,谱的形状由系数C决定。当C=1时,频谱没有高斯分量而呈洛伦兹分布;当C=0时,频谱呈高斯分布。这种拟合方法适用于从纯洛伦兹分布到纯高斯分布的频谱拟合。图2给出了洛伦兹、Pseudo-Voight和高斯这三种不同分布的归一化频谱曲线。Pseudo-Voight分布能实现被测布里渊谱的描述,当频谱发生展宽时,改变C的取值即可适应频谱形状的变化。

由Pseudo-Voight拟合曲线得到实验数据有关参数的应用范围很广。但是在系统实验之前需要计算机仿真参数数值的精确度[6]。由于BOTDA系统直接检测探测光信号,当泵浦脉冲宽度比声子寿命大很多(比如50 ns或更宽)时,SBS过程随时间变化不大,可认为这种情况下SBS是稳态的,其耦合方程组经过简化可表示为:

$\begin{array}{l}\frac{\text{d}{\rm I}{}_{\text{Ρ}}}{\partial z}=-g{}_{\text{B}}{\rm I}{}_{\text{Ρ}}{\rm I}{}_{\text{C}\text{W}}-\alpha {\rm I}{}_{\text{Ρ}}\\ \frac{\text{d}{\rm I}{}_{\text{C}\text{W}}}{\text{d}z}=-g{}_{\text{B}}{\rm I}{}_{\text{Ρ}}{\rm I}{}_{\text{C}\text{W}}+\alpha {\rm I}{}_{\text{C}\text{W}}\end{array}(6)$

式中IP和ICW分别为脉冲光和探测光信号强度,gB为布里渊增益系数,α为光纤损耗,z为脉冲光在光纤中传输的距离。当光纤长度为10 km时,将1.55 μm工作波长下普通单模光纤G.652的纤芯面积和衰减系数等参数值代入式(6),并设定脉冲光入射功率为3 mW(z=0处),探测光入射功率为1 mW(z=L处),先假设ICW只发生光纤损耗,不受脉冲光影响;然后根据边界条件解此方程组,可得脉冲光功率和探测光功率与光纤长度的关系,如图3所示。图中虚线为未发生SBS,脉冲光和探测光只受光纤损耗影响时的强度变化曲线;当发生SBS时,脉冲光得到加强,与未发生SBS曲线相比探测光损耗较大。探测光通过传感光纤在光纤末端由光电检测器直接检测到的信号强度为0.42 mW。

根据PB=IBAeff,可得受激布里渊信号功率为:

PB=PCW[1-exp(-gBPPLeff/Aeff)]exp(-αL) (7)

式中PCW和PP分别为探测光和脉冲光功率,Aeff为光纤纤芯有效截面积,Leff为光纤有效长度,Leff=[1-exp(-αL)]/α。由于布里渊信号强度依赖于各种参数,当光纤的长度及外界环境一定时,布里渊信号功率会随探测光信号和脉冲光信号的增加而增强。

决定布里渊拟合曲线的另一重要因素是布里渊谱宽γ,即半最大值全宽(FWHM),可表示为:

$\begin{array}{l}\gamma =\\ 2\sqrt{\frac{-g{}_{\text{B}}{\rm P}{}_{\text{Ρ}}(\text{Δ}\nu {}_{\text{B}}/2){}^{2}L{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}/A{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}}{\ln [0.5+0.5\exp (-g{}_{\text{B}}{\rm P}{}_{\text{Ρ}}L{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}/A{}_{\text{e}\text{f}\text{f}})]}-(\text{Δ}\nu {}_{\text{B}}/2){}^2}(8)\end{array}$

由上式可知,在传感光纤确定后,布里渊线宽主要取决于脉冲光功率,如图4所示。这与布里渊增益不同,它主要受探测光功率大小的影响。

由于布里渊谱的展宽会降低测量精度,提高布里渊增益能够提高测量精度。因此,在微波外调制布里渊光纤传感系统中,对入纤功率的设定上要系统考虑,在不超出单端SBS阈值的范围内选择最佳入射光功率。

3.4 精确度分析

本方案需通过大量实验数据进行统计分析,这就要求实验设备及环境是稳定不变的,否则将产生较大测量误差。BOTDA系统测量时频谱的信噪比(SNR)由布里渊拟合谱得到[7,8],即

$R{}_{\text{S}\text{Ν}}={\rm P}{}^2/\sigma {}_{\text{R}}^2(9)$

式中P为拟合谱峰值功率,σ${}_{\text{R}}^2$为曲线拟合的方差。在给定SNR和归一化峰值功率后,通过曲线拟合,高斯分布的标准差可以表示为:

$\sigma =10{}^{-R{}_{\text{S}\text{Ν}}/20}(10)$

将测量数据代入可得标准差与SNR的关系,由式(10)可见,提高系统的SNR可以提高测量精度。

4 结 论

本文设计的基于BOTDA技术的光纤传感系统采用微波外调制的扫频方法,理论上可达到在10 km传感距离上空间分辨率1 m,温度分辨率0.1 ℃,应变分辨率3 με的性能指标。与传统BOTDA系统相比,只需一个光源,检测光路简单。为达到更好的性能需要进一步优化系统,目前,提高精度和降低偏振影响是该系统研究的重点。

摘要：通过微波电光调制和光纤光栅滤波产生连续泵浦光信号,声光调制产生脉冲信号,设计了一个基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术的单端光纤传感系统。该系统通过扫描微波频率实现布里渊谱的测量,进而获得传感光纤上温度和应变的数据。对系统空间分辨率、测量时间等性能进行了分析,并对布里渊信号进行了仿真。

关键词：分布式光纤传感,布里渊散射,布里渊光时域分析

参考文献

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