微波测湿传感器设计

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1、微波测湿传感器设计微波测湿传感器设计捅要按照国际电工委员会( I E c ) 的定义，微波( M i c r o w a v e s ) 是“波长足够短，以致在发射_ 和接收中能实际应用波导和谐振腔技术的电磁波”。微波是频率在3 0 0 兆赫到3 0 0千兆赫的电磁波。如果从1 9 3 6 年波导传输实验成功算起，至今已有一百多年历史了。1 8 6 2年，英国物理学家J C M a x w e l l 提出了位移电流的概念，并预言“光与电磁现象有联系”。1 8 6 5 年，M a x w e l l 在其论文中第一次使用了“电磁场”( e l e c t r o - - m a g n e t

2、 i cf i e l d ) 一词，建立了电磁场方程组推演了波方程，论证了光是电磁波的一种。一百多年来的事实证明，建立在电磁场理论基础上的微波科学技术，例如：雷达的诞生和成熟；射电天文学的发展；卫星通信及卫星广播的建立与普及；微波波谱学与量子电子学的巨大进步；微波能利用和微波医学发展等等，对人类生活产生了极其巨大的影响。微波测湿是微波技术应用的一个新领域，现已在医学及化学领域中的到开发和应用。比如，利用微波技术检测肺内的含水量来监测疾病就是一种典型的应用。微波测湿的主要原理是：水的介电常数远远大于其它介质，微波通过含水介质时产生损耗，通过测量与介电常数密切相关的物理量，如：功率衰减、相位变化

3、和谐振频率等，就能够判断被测介质的含水量。微波测湿技术的关键环节是微波测湿传感器的设计。本文以电磁波理论和电介质理论为基础，并辅以模拟电路、传感器与单片机相关知识，着重阐述微波测湿原理及水对微波场损耗模型，根据微波测湿的机理设计谐振腔微扰法微波测湿传感器，并对现有喇叭型微波测湿传感器进行分析，对其输出信号进行数字化电路设计。本文主要从事了四方面的研究工作。( 1 ) 微波技术的发展简史及国内外微波技术研究现状；( 2 ) 从基础理论方面研究了微波测湿机理，提出了微波测湿技术研究的基本方法和路线；( 3 ) 从微观角度阐述了含水介质的理论模型，解释了介质对微波损耗吸收规律；( 4 ) 基于该模型

4、，设计谐振腔微扰法微波测湿传感器，并对已有的模拟传感器进行数字化改进研究。关键词：微波，微波测湿，传感器，数字电路微波测湿传感器设计D e s i g no ft h eh u m i d i t ys e n s o ro fm i c r o w a v eM i c r o w a v ei St h ew a v e l e n g t hS Os h o r tt h a tl tC a l lb ee m i t t e da n dr e c e i v e dmw a v e g u i d ea n dc a v i t ya c c o r d i n gt h eI E

5、C M i c r o w a v ei sak i n do f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ew h o s ef r e q u e n c yr a n g ef r o m3 0 0m e g a h e r t zt o3 0 0g i g a h e r t z T h eh i s t o r yo f t e c h n o l o g ym i c r o w a v eh a sb e e nh u n d r e dy e a r sf r o mt h ee x p e r i m e n ta c h i e v e di

6、nw a v e g u i d e M a x w e l lh a sb e e np r o p o s e dt h en o t i o no fd i s p l a c e m e n tc u r r e n ti n18 6 2 T h en o t i o no fe l e c t r o - m a g n e t i cf i e l dw a sd o n ea n dp r o p o s e dt h ee q u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ci n18 6 5 A tt h em o m e n t ，h

7、ed e d u c e dt h ee q u a t i o no fw a v ea n dp r o p o s e dt h el i g h tb e l o n gt ot h em a g n e t i c T h et e c h n o l o g yo fm i c r o w a v eh a sb e e ne f f e c to nt h el i f eo fm a n k i n db a s e do nt h et h e o r yo fm a g n e t i cf o rh u n d r e dy e a r s F o re x a m p

8、l e ，b o r n ea n dm a t u r e dr a d a r ；t h ed e v e l o p m e n to fR a d i oA s t r o n o m y ；B u i l ts a t e l l i t ec o m m u n i e a t i o na n db r o a d c a s t ；t h ep r o g r e s s i o no fm i c r o w a v e sa n dq u a n t u me l e c t r o n i c s ；d e v e l o p e dt h eu s eo f m i c

9、 r o w a v e se n e r g ya n dm e d i c a ls c i e n c e M e a s u r i n gt h ea m o u n to fw a t e ri ns u b s t a n c eb ym i c r o w a v et e c h n i q u ei so n eo ft h ea p p l i c a t i o n so f m i c r o w a v ei ns e n s o r I t sa p p l i c a t i o np e r s p e c t i v ei sv e r yw i d e ，

10、f o re x a m p l e ，i t sn e wa p p l i c a t i o n si nm e d i c i n ea n dc h e m i s t r yh a v ea t t r a c t e da l l - p e r v a d i n ga t t e n t i o n T h e r e f o r e ，al a r g en u m b e ro fe q u i p m e n t sa r eb e i n gu s e d ，f o ri n s t a n c e ，d e t e c t i n gt h ea m o u n t

11、o fw a t e ri nl u n gb ym i c r o w a v et e c h n i q u et om o n i t o rt h ed i s e a s ei san e wk i n d o fa p p l i c a t i o no fm i c r o w a v ei nm e d i c i n e T h ei m p o r t a n to fp r i n c i p l ei st h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to fw a t e rb i g g e rt h a no t h e r sm

12、a t e r i a l S ow ec a nm e a s a r ct h ep h y s i c sr e l a t i o nt ot h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tw h e nt h em i c r o w a v e st h r o wt h em a t e r i a lw h i c hc o n t a i n st h ew a t e rm o l e c u l e T h eh u m i d i t yo ft h em a t e r i a lw e r em e a s u r e da c c o

13、r d i n gt h ed e t e c t i o no fp o w e r 、p h a s ec h a n g ea n dr e s o n a n c ef r e q u e n c ye t e I ti m p o r t a n to ft h em e a s u r i n gh u m i d i t yb ym i c r o w a v et e c h n i q u ei st h a tt h em e a s u r i n gh u m i d i t ym i c r o w a v es e n s o ri sd e s i g n e d

14、 T h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v et h e o r ya n dt h ed i e l e c t r i cm e d i u mt h e o r ya r et a k e na st h ef o u n d a t i o na n dA n a l o gC i r c u i t s 、S e n s o ra n dS i n g l e c h i pC o m p u t e rr e l a t e dk n o w l e d g ei sa u x i l i a r yi nt h ep a p e r T h

15、ep r i n c i p l e so fm e a s u r i n gt h e a m o u n to fw a t e ra n dt h em o d e lo ft h el o s sw h e nm i c r o w a v e st h r o wt h ew a t e rw e r ew r i t t e n A c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h eh u m i d i t ys e D , ro fm i c r o w a v ew a sd e s i g n e d A tt h es a m e

16、t i m e s ，a n a l y s e sa n di m p r o v e st h es e n s o ro f f o r m e r s ，d e s i g n e dt h ed i g i t a lc i r c u i to f t h es e n s o rw h i c hC a nb er e a d i n gi nd i g i t a l T h e r e f o r e ，f o u ra s p e c t sr e s e a r c hw o r k sh a v em a i n l yb e e ne n g a g e di nt h i sa r t i c l e ( 1 ) T h eh i s t o r yo f t e c h n o l o g ym i c r o w a v ea n dd e v e l o p m e n tw e r er e v i e w e d ；( 2 ) T h er e s e a r c ha b o u tt h e