微波雷達(dá)水分傳感器檢測原理

微波雷達(dá)水分傳感器是利用雷達(dá)檢測技術(shù)獲取被測介質(zhì)對特定制式電磁波的透射或反射(或稱為二次散射)傳播信息來確定有關(guān)介質(zhì)中水分含量大小的傳感器。應(yīng)用微波雷達(dá)檢測近距離或接觸式有耗介質(zhì)含水量具有快速、無損、連續(xù)檢測，測試結(jié)果一目了然，分析、判讀直觀方便等特點(diǎn)

微波雷達(dá)水分傳感器涉及的雷達(dá)測量技術(shù)包含有三種：反射式、透射式(遮擋式)和混合式(導(dǎo)波式)三種微波雷達(dá)水分傳感器。其中,反射式微波雷達(dá)(非接觸式)傳感器，隨著電子技術(shù)的發(fā)展,其成本大幅降低后可以在諸多特殊工況應(yīng)用中獲得精準(zhǔn)的測量效果,滿足廣大工業(yè)用戶的需求;透射式(遮擋式)微波雷達(dá)傳感器，通過收發(fā)天線的組合應(yīng)用,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)射頻電容法測試的不足,讓點(diǎn)對點(diǎn)間的介質(zhì)測量數(shù)據(jù)既精確又可靠;導(dǎo)波雷達(dá)傳感器則借助圓波導(dǎo)或方波導(dǎo)對雷達(dá)波的無損傳輸,能適應(yīng)檢測工況的特殊要求，既可以全反射,也可以全發(fā)射,這樣可以將環(huán)境因素影響測量的不良效果降的更低。

反射式微波雷達(dá)水分傳感器，天線發(fā)射出特定調(diào)制的頻率信號(hào)，經(jīng)被測介質(zhì)反射后，天線接收回波信號(hào)，比較兩信號(hào)的能量損失，由于回波信號(hào)能量主要受介質(zhì)水分含量的影響而變化，故將檢測回波與發(fā)射信號(hào)瞬間的能量差異和介質(zhì)的溫度等信息進(jìn)行融合，通過標(biāo)準(zhǔn)的水分標(biāo)定表(模板)刻度，就可以得到被測介質(zhì)的水分含量。通常，天線最好能和被測介質(zhì)能自然接觸，如浸入式或表面接觸式。由于，這種傳感器天線的設(shè)計(jì)輻射能約為1mW，當(dāng)這種信號(hào)在空氣中傳播時(shí)，能量衰減較快，當(dāng)微波信號(hào)到達(dá)物位表面并反射時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度也就是振幅，與介質(zhì)的介電常數(shù)有直接關(guān)系，介電常數(shù)非常低的非導(dǎo)電類介質(zhì)，如烴類液體，反射回來的信號(hào)非常弱，這種被削弱的信號(hào)在返回至接收天線的途中，能量又進(jìn)一步衰減，這樣，接收天線接收到的返回信號(hào)能量大致只有發(fā)出信號(hào)能量的1%，當(dāng)不用于上述要求天線和檢測介質(zhì)不直接接觸時(shí)，這種水分儀表的性能指標(biāo)會(huì)有所降低，甚至無法正常使用。

透射式(遮擋式)水分傳感器，這種傳感器技術(shù)就是由發(fā)射天線發(fā)射一束調(diào)制脈沖信號(hào)，該信號(hào)透過被測介質(zhì)并由接收天線接收到信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，取出信號(hào)的幅度和相位變化信息，這些信息再綜合其他參數(shù)，如溫度補(bǔ)償后，由DSP進(jìn)行多傳感器信息融合，經(jīng)水分標(biāo)定模板(表)比較后，直接輸出介質(zhì)水分含量的大小;對氣體介質(zhì)而言，則求出濕度的大小。顯然這種傳感器在技術(shù)上比較復(fù)雜，成本也比較高，它綜合應(yīng)用了TDR時(shí)域反射原理，ETS等時(shí)采樣原理和超高速計(jì)時(shí)方法的充分組合?？删珳?zhǔn)測量介質(zhì)的水分含量。由于透射的技術(shù)選擇，故這種傳感器對被測介質(zhì)有要求，即介質(zhì)對電磁波既不能被全反射，也不能全吸收，這種傳感器類似于射頻電容法測試的組合，兩電容極板等效于兩側(cè)天線，介質(zhì)也等效于被測介質(zhì)。

為了彌補(bǔ)透射式(遮擋式)水分傳感器的不足之處，混合式(導(dǎo)波式)微波雷達(dá)水分傳感器應(yīng)運(yùn)而生，其工作原理與前述兩種非常相似，其基礎(chǔ)是電磁波的時(shí)域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS等時(shí)采樣原理的應(yīng)用。混合式(導(dǎo)波式)微波雷達(dá)水分傳感器運(yùn)用TDR原理(時(shí)域反射原理)，TDR發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)沿導(dǎo)波桿向下傳送的調(diào)制電磁脈沖波，當(dāng)遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)(空氣或蒸發(fā)氣)介電常數(shù)大的介質(zhì)表面時(shí)，脈沖波會(huì)被反射。用超高速計(jì)時(shí)電路來計(jì)算脈沖波的傳導(dǎo)時(shí)間差，從而達(dá)到精確測量水分含量大小。多年來，TDR一直被用于電纜故障探測儀，通過它檢測發(fā)現(xiàn)埋地電纜和墻內(nèi)埋設(shè)電纜的斷頭。測電纜斷頭時(shí)，TDR發(fā)生器發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)沿電纜傳播，到達(dá)斷頭處就會(huì)產(chǎn)生測量反射脈沖;同時(shí)，在接收器中預(yù)先設(shè)定的與電纜總長度相應(yīng)的阻抗變化也引發(fā)出一個(gè)基準(zhǔn)脈沖，將反射脈沖與基準(zhǔn)脈沖相比較，可精確定位斷頭的位置。將該原理用于水分測量時(shí)，TDR發(fā)生器每秒中產(chǎn)生數(shù)十萬個(gè)能量脈沖沿波導(dǎo)體傳導(dǎo)，當(dāng)?shù)竭_(dá)待測介質(zhì)表面時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)水分反射原始脈沖;與此同時(shí)在探頭的頂部預(yù)設(shè)一個(gè)等量水分定值的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，用以產(chǎn)生一個(gè)可溯源的可靠基準(zhǔn)脈沖，該脈沖又稱為基準(zhǔn)反射脈沖。雷達(dá)水分傳感器檢測到介質(zhì)反射原始脈沖，并與基準(zhǔn)反射脈沖相比較，從而得到水分測量的數(shù)值，這就是混合式(導(dǎo)波式)雷達(dá)微波水分儀表的工作過程。ETS等時(shí)采樣原理用于測量高速、低功率的電磁信號(hào)，是基于TDR 的測量技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。眾所周知，高速的電磁信號(hào)短\距離的測量是很困難的，ETS實(shí)時(shí)捕捉電磁信號(hào)(UIS)，并且在等值的時(shí)間里重新構(gòu)造它們，以利于更好使用先進(jìn)的技術(shù)測量?；旌鲜?導(dǎo)波式)微波雷達(dá)水分傳感器不受溫度、壓力、流速的影響，與介質(zhì)表面無接觸，快速且精確地測量不同介質(zhì)的水分，是高性價(jià)比選擇的上策。

微波雷達(dá)水分傳感器不但可以在高溫高壓下進(jìn)行測量而且準(zhǔn)確、安全且節(jié)省能源，傳感器的發(fā)射功率只有每平方厘米幾個(gè)微瓦，因此可以不受任何限制將其應(yīng)用于各種場合。在實(shí)際應(yīng)用中，通過金屬外壁就可將雷達(dá)信號(hào)完全屏蔽。傳感器所使用的材料的化學(xué)性和機(jī)械性都相當(dāng)穩(wěn)定，而且材料可以再循環(huán)利用。

雷達(dá)波不受干擾，由于雷達(dá)式傳感器的各部件均不能被拆開而且沒有機(jī)械磨損，所以雷達(dá)式傳感器可以被應(yīng)用于各種場合。通過使用高級(jí)材料，雷達(dá)水分傳感器對于極復(fù)雜的化學(xué)和物理?xiàng)l件都很耐用，它可以提供準(zhǔn)確可靠且長期穩(wěn)定的模擬量或數(shù)字量信號(hào)。

雷達(dá)信號(hào)是否可以被反射，取決于兩個(gè)因素：被測介質(zhì)的導(dǎo)電性，被測介質(zhì)的介電常數(shù)。所有導(dǎo)電的介質(zhì)都能很好地反射雷達(dá)信號(hào)，雷達(dá)傳感器可以測量所有介電常數(shù)大于1.5的介質(zhì)(空氣的介電常數(shù)是1)，盡管介質(zhì)的導(dǎo)電性不是很好，也能被很準(zhǔn)確地測量。

實(shí)物照片

如以上所述，區(qū)別與視頻檢測，路口通常為多車道、并且具有多車輛、多行人的復(fù)雜性。單使用多普勒效應(yīng)的微波雷達(dá)對路口違章車輛的偵測同樣具有較大困難，而對于速度較快，方向單一的高速路，微波雷達(dá)則是配合高速攝像機(jī)的最佳搭檔，高速攝像機(jī)接受到微波雷達(dá)所偵測到的高速移動(dòng)車輛，迅速進(jìn)入快速抓拍狀態(tài)，配合高速快門進(jìn)行違章取證。國際上的主流產(chǎn)品就是雷達(dá)配合高速攝像頭拍攝超速。

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