微波水分传感器

分类

　　微波雷达水分传感器涉及的雷达测量技术包含有三种：反射式、透射式(遮挡式)和混合式(导波式)三种微波雷达水分传感器。其中,反射式微波雷达(非接触式)传感器，随着电子技术的发展,其成本大幅降低后可以在诸多特殊工况应用中获得精准的测量效果,满足广大工业用户的需求;透射式(遮挡式)微波雷达传感器，通过收发天线的组合应用,弥补了传统射频电容法测试的不足,让点对点间的介质测量数据既精确又可靠;导波雷达传感器则借助圆波导或方波导对雷达波的无损传输,能适应检测工况的特殊要求，既可以全反射,也可以全发射,这样可以将环境因素影响测量的不良效果降的更低。

原理及性能

　　1 反射式微波雷达水分传感器

　　反射式微波雷达水分传感器，天线发射出特定调制的频率信号，经被测介质反射后，天线接收回波信号，比较两信号的能量损失，由于回波信号能量主要受介质水分含量的影响而变化，故将检测回波与发射信号瞬间的能量差异和介质的温度等信息进行融合，通过标准的水分标定表(模板)刻度，就可以得到被测介质的水分含量。

　　通常，天线能和被测介质能自然接触，如浸入式或表面接触式。由于，这种传感器天线的设计辐射能约为1mW，当这种信号在空气中传播时，能量衰减较快，当微波信号到达物位表面并反射时，信号强度也就是振幅，与介质的介电常数有直接关系，介电常数非常低的非导电类介质，如烃类液体，反射回来的信号非常弱，这种被削弱的信号在返回至接收天线的途中，能量又进一步衰减，这样，接收天线接收到的返回信号能量大致只有发出信号能量的1%，当不用于上述要求天线和检测介质不直接接触时，这种水分仪表的性能指标会有所降低，甚至无法正常使用。

　　2 透射式(遮挡式)水分传感器

　　透射式(遮挡式)水分传感器，这种传感器技术就是由发射天线发射一束调制脉冲信号，该信号透过被测介质并由接收天线接收到信号后进行解调，取出信号的幅度和相位变化信息，这些信息再综合其他参数，如温度补偿后，由DSP进行多传感器信息融合，经水分标定模板(表)比较后，直接输出介质水分含量的大小;对气体介质而言，则求出湿度的大小。显然这种传感器在技术上比较复杂，成本也比较高，它综合应用了TDR时域反射原理，ETS等时采样原理和超高速计时方法的充分组合。可精准测量介质的水分含量。由于透射的技术选择，故这种传感器对被测介质有要求，即介质对电磁波既不能被全反射，也不能全吸收，这种传感器类似于射频电容法测试的组合，两电容极板等效于两侧天线，介质也等效于被测介质。

　　3 混合式(导波式)微波雷达水分传感器

　　为了弥补透射式(遮挡式)水分传感器的不足之处，混合式(导波式)微波雷达水分传感器应运而生，其工作原理与前述两种非常相似，其基础是电磁波的时域反射性TDR(Time Domain Refectory)和ETS等时采样原理的应用。

　　混合式(导波式)微波雷达水分传感器运用TDR原理(时域反射原理)，TDR发生器产生一个沿导波杆向下传送的调制电磁脉冲波，当遇到比先前传导介质(空气或蒸发气)介电常数大的介质表面时，脉冲波会被反射。用超高速计时电路来计算脉冲波的传导时间差，从而达到精确测量水分含量大小。多年来，TDR一直被用于电缆故障探测仪，通过它检测发现埋地电缆和墙内埋设电缆的断头。

　　测电缆断头时，TDR发生器发出的电磁脉冲信号沿电缆传播，到达断头处就会产生测量反射脉冲;同时，在接收器中预先设定的与电缆总长度相应的阻抗变化也引发出一个基准脉冲，将反射脉冲与基准脉冲相比较，可精确定位断头的位置。

　　将该原理用于水分测量时，TDR发生器每秒中产生数十万个能量脉冲沿波导体传导，当到达待测介质表面时，产生一个水分反射原始脉冲;与此同时在探头的顶部预设一个等量水分定值的标准阻抗，用以产生一个可溯源的可靠基准脉冲，该脉冲又称为基准反射脉冲。雷达水分传感器检测到介质反射原始脉冲，并与基准反射脉冲相比较，从而得到水分测量的数值，这就是混合式(导波式)雷达微波水分仪表的工作过程。ETS等时采样原理用于测量高速、低功率的电磁信号，是基于TDR 的测量技术应用的关键。

　　众所周知，高速的电磁信号短距离的测量是很困难的，ETS实时捕捉电磁信号(UIS)，并且在等值的时间里重新构造它们，以利于更好使用先进的技术测量。混合式(导波式)微波雷达水分传感器不受温度、压力、流速的影响，与介质表面无接触，快速且精确地测量不同介质的水分，是高性价比选择的上策。

优点

　　1 检测优势

　　1)不影响被测介质的自然属性;

　　2)高频电磁波信号易于长距离传送，可测大量程;

　　3)不受空间气相条件变化的影响;

　　微波雷达通过发射和接收高频(GHz)级电磁波，计算电磁波到达介质表面并反射回到接收天线的时间和电磁波幅度来进行水分测量，而电磁能量的传送不易受到传播空间性质的局限性，它可以在高/低压(真空)或具有汽化介质的条件下传播，并且气体的波动也不影响电磁波的传播。

　　2 安全且节能

　　微波雷达水分传感器不但可以在高温高压下进行测量而且准确、安全且节省能源，传感器的发射功率只有每平方厘米几个微瓦，因此可以不受任何限制将其应用于各种场合。在实际应用中，通过金属外壁就可将雷达信号完全屏蔽。传感器所使用的材料的化学性和机械性都相当稳定，而且材料可以再循环利用。

　　3 免维修且可靠性强

　　雷达波不受干扰，由于雷达式传感器的各部件均不能被拆开而且没有机械磨损，所以雷达式传感器可以被应用于各种场合。通过使用材料，雷达水分传感器对于极复杂的化学和物理条件都很耐用，它可以提供准确可靠且长期稳定的模拟量或数字量信号。

　　4 几乎可以测量所有介质

　　雷达信号是否可以被反射，取决于两个因素：被测介质的导电性，被测介质的介电常数。所有导电的介质都能很好地反射雷达信号，雷达传感器可以测量所有介电常数大于1.5的介质(空气的介电常数是1)，尽管介质的导电性不是很好，也能被很准确地测量。