Микроволновые и ультразвуковые сенсоры

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
Л.В. ШЕБАЛКОВА, В.Н. ЛЕГКИЙ, 
В.Б. РОМОДИН 
 
 
 
МИКРОВОЛНОВЫЕ 
И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ 
СЕНСОРЫ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2015 

УДК 621.396.969(075.8) 
         Ш 361 
 
 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор В.П. Ющенко; 
канд. техн. наук, зам. ген. директора ОАО «НИИЭП» Е.Ю. Мешков 
 
 
 
 
Шебалкова Л.В.  
Ш 361       Микроволновые и ультразвуковые сенсоры : учеб. пособие/ 
Л.В. Шебалкова, В.Н. Легкий, В.Б. Ромодин; под ред. В.Н. Лег- 
кого. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2015. – 172 с. 

ISBN 978-5-7782-2586-2 

Изложены теоретические основы и схемотехнические решения, 
применяемые при проектировании бортовых систем ближней локации, микроволновых и ультразвуковых сенсоров для систем контроля 
различных технологических процессов (расходомеры, уровнемеры, измерители геометрических размеров, параметров движения, физических 
свойств материалов) и для систем поиска людей в завалах и укрытиях. 
Учебное пособие предназначено магистрантам и студентам, обучающимся по направлению 27.00.00 (220400) «Управление в технических 
системах» (специализации: «Автономные информационные и управляющие системы», «Системы автоматического управления летательными аппаратами»), студентам направления 17.00.00 «Оружие и системы вооружения» (специальность 17.05.01 «Боеприпасы и взрыватели», 
специализация «Автономные системы управления действием средств 
поражения»), и аспирантам соответствующих научных специальностей. 
 
УДК 621.396.969(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-2586-2  
 
 
 
 
 
 
© Шебалкова Л.В., Легкий В.Н., 
    Ромодин В.Б., 2015 
© Новосибирский государственный  
технический университет, 2015    

ВВЕДЕНИЕ 

Основные виды сенсоров развивались совместно с автоматизацией 
технологических процессов. Многие проблемы измерений в различных 
областях промышленности успешно решаются с помощью микроволновых сенсоров (МС). 
К микроволновому диапазону в современном техническом понимании 
условно можно отнести оптические волны (длина волны 0,1...100 мкм), 
радиоволны: длина волны от 1 мм до 1 м (частотный диапазон от 
300 МГц до 300 ГГц) и от 0,1 мм до 1 мм (частотный диапазон от 
300 ГГц до 3 ТГц). Принцип действия микроволновых сенсоров основан на взаимодействии электромагнитного поля с веществом. Это взаимодействие может быть следующее: отражение, рассеяние, преломление, поглощение, изменение скорости или фазы. На рис. В1 показаны основные физические явления, реализуемые в МС. В зависимости 
от того, какое явление используется, МС подразделяются на группы по 
техническому исполнению. Основные МС – это резонаторы, линии 
передачи, радары, радиометры, голографические и томографические 
сенсоры, террагерцовые приборы и фотоприемники инфракрасного излучения. МС измеряют широкий диапазон величин: расстояние, форму, 
скорость перемещения, размер частиц, свойства материалов и др.  
Измерение свойств материала основано на том, что взаимодействие 
электромагнитных волн со средой распространения зависит от относительной диэлектрической и магнитной проницаемости среды: 

,
r
r
r
i


    
   
.
r
r
r
i


      

В табл. В1 приведены основные измеряемые величины и соответствующие параметры. Более подробно методы измерения и используемые сенсоры будут описаны в последующих разделах. 
Рассмотрим преимущества и недостатки МС. 
Преимущества 
 МС не имеют механического контакта с объектом, возможны дистанционные измерения. 
 Микроволны проникают во все материалы, за исключением металлов, измерения можно проводить в объеме, а не только по поверхности. 

 Широкий диапазон частот, позволяющий обнаруживать и тестировать разнообразные объекты. 
 МС реагируют на особенности материала, особенно ярко проявляется контраст между водой и многими другими веществами, что делает их оптимальными для измерения влагосодержания с высокой точностью. 
 МС, выполненные на резонаторах, имеют стабильные характеристики, так как резонансные частоты определяются физическими размерами. 
 МС нечувствительны к окружающим условиям, таким, как повышенная влажность, концентрация пыли (в сравнении с инфракрасными сенсорами) и высокая температура (в сравнении с полупроводниковыми). 
 Уровни мощности, используемые при измерениях в МС, и неионизирующее излучение безопасны (например, в сравнении с радиоактивным излучением). 
 Высокая чувствительность СВЧ-приемников позволяет работать 
по объекту как «на просвет», так и «на отражение» («на рассеяние»). 
 Волны этого диапазона никак не воздействуют на тестируемый 
материал (не изменяют его свойств, не разрушают). 
 МС достаточно быстры при работе (в сравнении с теми же радиоактивными, для которых точность измерения зависит от времени и 
других факторов). 
 Использование микропроцессоров позволяет проводить измерения в режиме реального времени. 

 
Рис. В1. Основные физические явления, используемые 
в излучающих измерительных микроволновых системах 

Т а б л и ц а  В1 

Измеряемая величина 
Физическое явление 
Измеряемый
электрический 
параметр

Механические величины
 
Фаза 
 
 
 
 
 
 
Частота Доплера 

Малые расстояния
Большие расстояния 
Уровни жидких 
и сыпучих веществ 
Вибрации 
Малые перемещения 
 
 
Скорость 
Ускорение 
Скорость потока

Время задержки между 
излученным 
и отраженным сигналом в свободном 
пространстве 
или в направляющей 
системе 
 
Эффект Доплера 

Геометрические размеры
Отсчет биений между двумя точками 
 
Коэффициент отражения или фаза 
 
Резонансная частота 
 
 
 
Резонансная частота 
 
 
Резонансная частота 

Длина движущегося объекта
 
 
Толщина 
диэлектрического листа 
 
Толщина металлического 
листа 
 
 
Ширина металлической ленты
 
 
Форма профиля 
Диаметр стержня

Эффект Доплера
 
 
Интерференция 
 
 
Отражение 
или возмущение 
резонатора 
 
Возмущение 
резонатора 
 
Дифракция или возмущение резонатора

Химический состав и физические свойства
материалов
 
 
Коэффициенты 
отражения или прохождения или частота 
 
 
Резонансная частота 

Степень отвердевания
Степень схватывания цемента
Влагосодержание 
Плотность 
 
 
Процентное соотношение 
ингредиентов 
Влажность

Диэлектрические 
свойства 
 
 
 
Преломление 
или возмущение резонатора 

О к о н ч а н и е  т а б л .  В1 

Измеряемая величина 
Физическое явление 
Измеряемый
электрический 
параметр

Диагностика непроводящих сред 
Отраженный сигнал 
(обратнорассеянный) 
Излученный сигнал 
(пряморассеянный) 

Определение и локализация
пустот или разломов 
Определение и локализация 
включений, примесей

Рассеяние
или дифракция 

Разнообразные величины
Мощность шума 
 
 
Отраженный сигнал 
 
 
Отраженный сигнал 
 
Отраженный или 
прошедший сигнал 

Температура
 
 
Определение наличия 
объектов 
 
Идентификация объектов 
 
Сортировка продукции 

Излучение горячего
тела 
 
Распространение в свободном пространстве
и отражение 
Отражение 
 
Дифракция 
или рассеяние

 
Недостатки 
 Чем выше частота, тем дороже электронные компоненты. 
 МС необходимо калибровать отдельно для каждого материала. 
 МС часто имеют узкоспециализированное применение, они недостаточно универсальны. 
 МС бывают чувствительны более чем к одной переменной. Следовательно, в некоторых случаях требуются дополнительные сенсоры. 
 Достижимая разрешающая способность ограничена из-за больших длин волн на нижней границе диапазона. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
МИКРОВОЛНОВЫХ СЕНСОРОВ ДЛЯ СИСТЕМ 
КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 

Микроволновые методы измерения и системы широко используются для контроля и автоматизации технологических процессов. Необходимость получения информации о текущем состоянии технологических параметров и об их изменениях при автоматизации процесса изготовления или контроля потребовала разработать измерительные 
микроволновые системы и их основные функциональные элементы – 
сенсоры [1]. 
К настоящему времени на основе микроволновых методов решен 
ряд проблемных, с точки зрения получения первичной информации задач измерения параметров технологических процессов. Среди них можно отметить следующие задачи: бесконтактное измерение уровня жидких и сыпучих сред; измерение запасов топлива в условиях неопределенности распределения контролируемой среды; контроль массы криогенных жидкостей независимо от их фазового состояния; контроль объемного содержания веществ в двухкомпонентном потоке независимо от 
структуры потока; контроль расхода сыпучих материалов; бесконтактное измерение геометрических параметров изделий; бесконтактное измерение компонентов топлива; измерение уровня жидких и сыпучих 
сред, инвариантных к электрофизическим свойствам этих сред, в том 
числе криогенных жидкостей (жидкого гелия); измерение сплошности 
двухфазных потоков в трубопроводах, инвариантных к изменению диэлектрических свойств веществ в потоке; контроль влажности нефтепродуктов в потоке, независимо от их сортности. 
Микроволновый измеритель состоит из следующих основных частей: МС, в котором осуществляется первичное преобразование контролируемой величины в информативный параметр; СВЧ-генератора, 
служащего источником электромагнитных колебаний, характеристики которых изменяются в МС при взаимодействии с контролируемой 
средой (объектом); блока обработки СВЧ-сигнала, в который входят 
гетеродин, смеситель, детектор, аналого-цифровой преобразователь и 

цифровой блок для необходимых вычислительных операций преобразования, передачи и регистрации данных. 
По характеру взаимодействия с контролируемым объектом и способу получения информативных параметров МС можно разделить на 
неизлучающие (замкнутые и квазизамкнутые) и излучающие. Неизлучающие МС представляют собой линии передачи и резонаторы различных форм (традиционные – на отрезках длинных линий, волноводов, замедляющих систем и резонаторы сложных нетрадиционных 
форм). В качестве информативных параметров используются резонансные частоты различных типов колебаний резонаторов, число типов колебаний (резонансов), возбуждаемых в резонаторах на определенном интервале частот; добротность резонаторов, мощность, амплитуда и фаза волн в направляющих системах и др. [2]. 
Излучающие МС – это в основном традиционные передающие и приемные антенны (вибраторы, рупоры, микрополосковые антенны и др.). 
Информативными параметрами являются характеристики отраженной, прошедшей или рассеянной волны (амплитуда, фаза, время распространения и др.) и сравнительные характеристики СВЧ-колебаний (частотный сдвиг, доплеровский сдвиг частоты, положение узла или пучности напряженности поля стоячей волны и др.). 
Эффективно использование конструктивных элементов контролируемого объекта в качестве МС, например, при измерении уровня 
жидкого металла в технологических установках металлургического 
производства емкость служит как объемный резонатор. Как показали 
натурные испытания [2], информацию об этом уровне можно получить 
по значению резонансной частоты при возбуждении электромагнитных 
колебаний в конструктивных элементах установок. Например, при 
возбуждении электромагнитных колебаний в системе «промежуточная 
емкость–струя жидкого металла–кристаллизатор» по резонансной частоте колебаний можно судить об уровне жидкого металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали.  
Простота конструкций МС – это важная особенность микроволновых датчиков. В качестве МС могут быть использованы типовые элементы ВЧ-, СВЧ-техники, необходимо лишь их конструктивно доработать для обеспечения требований промышленной эксплуатации. Если 
МС, как элемент ВЧ- или СВЧ-техники, является новым, то требуются 
конструктивная разработка и специальная технология его изготовления. 
К таким элементам, в частности, относятся МС микроволновых дат- 
чиков сплошности, уровня жидкого гелия, количества жидкости при 

кренах и дифферентах сосуда, положения границы раздела «шлак–
металл», толщины проката, влажности нефтепродуктов. 
Разработаны новые МС на основе частично излучающих резонаторов, открытых резонаторов, запредельных структур и др. 
Другой основной элемент микроволновых приборов – это генератор электромагнитных колебаний в диапазоне от единиц мегагерц до 
десятков гигагерц (в зависимости от задачи). Для комплектации измерительных устройств генераторами с автоматической перестройкой 
частоты в широких пределах; применяют свип-генераторы. 
Применение микропроцессоров (МП) в микроволновых приборах 
можно рассматривать в двух аспектах: для реализации алгоритмов, 
обеспечивающих инвариантность результатов измерений к возмущающим воздействиям, и для повышения точности вторичного преобразования информативных сигналов. В частности, один из резервов повышения класса точности частотных приборов связан с повышением 
точности измерения резонансных частот. При этом необходимые операции нормирования сигнала и фильтрации помех могут быть реализованы с помощью МП. Использование микропроцессорной техники в 
микроволновых измерениях способствует разработке приборов с новыми функциональными возможностями.  
Микроволновые методы измерения основаны на использовании зависимостей от контролируемой величины различных параметров электромагнитных систем, применяемых в качестве сенсоров (первичных 
измерительных преобразователей) в СВЧ-диапазоне. К таким параметрам относятся собственная частота электромагнитных колебаний системы, ее добротность, число возбуждаемых типов колебаний, время 
прохождения электромагнитной волны от источника излучения до 
контролируемого объекта и др [1]. 
Наиболее распространены датчики, чувствительные элементы которых выполнены на основе металлодиэлектрических конструкций, 
представляющих собой длинные линии, волноводы, объемные резонаторы, а также приемные и передающие антенны. 
Датчиками микроволновых измерителей главным образом служат 
электромагнитные системы с распределенными параметрами. В основе 
метода измерений лежит взаимодействие электромагнитного поля 
(ЭМП) с контролируемым объектом. Результат этого взаимодействия 
выражается в изменении входных характеристик датчика. Датчики могут быть контактными и бесконтактными. Первые имеют непосредственный контакт с измеряемым объектом, у вторых он отсутствует. 

Возможность получать информацию об интересующих параметрах 
объектов обусловлена различием электромагнитных свойств   и   
объектов от свойств сред (например, воздуха), которые находились в 
той же области пространства в отсутствие объектов. Появление в области электромагнитного поля датчика какого-либо объекта с отличными 
от первоначальных электромагнитными свойствами приводит к изменению тех или иных выходных параметров датчика. 
В общем случае для измерений могут быть использованы отражения волн от контролируемого объекта или специального отражателя с 
прохождением через занятую объектом область. Возможны случаи 
размещения объектов произвольной формы в полом металлическом 
резонаторе. Информацию об интересующих параметрах объекта может 
обеспечить измерение различных колебательных характеристик резонатора. 
Рассмотрим подробнее основные СВЧ-устройства, используемые в 
качестве МС.  

Полый волновод 

Полый волновод представляет собой трубу с проводящими стенка
ми, отделяющими электромагнитную волну от внешнего пространства 
[7]. Сложное электромагнитное поле, возбужденное в волноводе, можно 
рассматривать как сумму в общем случае бесконечного числа простых 
полей, характеризующих определенный тип электромагнитных волн, 
которые могут быть возбуждены в волноводе. Отдельные простые поля 
распространяются либо вдоль волновода, апериодически затухая (запредельный режим), либо в виде волнового процесса (рис. 1.1). 

а   
 
 
 
 
 
 
б 

Рис. 1.1. Прямоугольный (а) и круглый (б) волноводы