微波的其他应用

九、微波的其他应用

在上面几节中介绍了微波在工农业生产、医疗卫生事业和高新技术中的一些应用，本小节内，将介绍一些微波的其他应用。

（一）微波测速雷达

当大家在高速公路上驱车行进时，经常会看到在某些路段会出现“雷达测速区”的警示牌，在大城市中有时也会看到类似的标牌。这些标牌指出在该路段内将对通过的汽车进行速度测量，这种测速有时是自动进行并自动记录的，也有遇到交通民警手持测速仪针对某一汽车进行跟踪测速的。这种设备非常小巧，就像一台摄像机一样，对着目标在显示器上就可读出汽车的车速来，使用起来十分方便。这对交管部门进行城市交通流量的控制，实行交通监管，预防车祸的发生都有很大的意义。

这种测速雷达是利用移动物体（例如汽车）对电磁波反射产生的“多普勒效应”而制成的电子仪器。

大家都知道，物理学中的“多普勒效应”是怎么回事？例如当人们站在火车站月台上听到即将进站的火车鸣叫汽笛或喇叭时，其声音随着火车愈来愈近也使其音调变得愈来愈高；当火车离去时，其音调却愈来愈低。这种音调随着物体相对速度变化而改变的现象首先是由多普勒发现的，后来人们就把它称为“多普勒效应”。声音音调高低的变化，实际上是声音频率的变化，而且这种频率的变化量是与相对速度的变化量成正比的。

微波测速雷达就是根据这一效应制成的微波仪器。理论和实验表明，如果由天线发射的微波信号被汽车反射后，其回波信号的频率就会发生改变，这种改变在学术上就是上面所说的“多普勒效应”，也叫做“多普勒频移”。这一频移（即频率改变量）的大小是与移动物体（如汽车）的相对速度成正比的，如图4-31所示。也就是说，车速愈大，频移也就愈大。如果能将这一频移检测出来，车速不就测量出来了吗？多普勒频移f_d与物体移动速度v之间存在着下述关系：

这里c是真空中的光速；α 为目标运动方向与测速仪的轴向夹角。当完全对准时，α = 0。如采用f₀ = 9.375GHz，则可计算出当目标移动速度为1～10m/s时，f_d约为62.5～625Hz的频移范围。这个频率正好是音频范围，因此采用简单的差拍接收技术就可测出这一多普勒频率。

图4-31　测速雷达工作原理图

由于目前汽车车速通常在几十公里（市内）至一两百公里（高速公路上）之内，因此测速雷达的作用距离一般在100m左右；同时由于车体体积较小，因此要求微波天线的方向性较好，能在100m左右的距离内很好地对准快速移动的汽车产生回波，所以要求雷达的发射功率较大，频率较高。目前生产的测速雷达使用的频率多为10GHz，也有使用94GHz，后者已是毫米波波段了。因为使用的工作频率愈高，采用同样大小的天线，可以获得更强的方向性（即指向性），这样可以提高目标的分辨率，特别是城市中车流密度较大时，天线方向性的好坏是极为重要的技术参数。

（二）微波自动门

微波自动门也是利用多普勒效应原理工作的一种自动开启和关闭的门户，在机场、车站、码头、医院、宾馆等许多需要自动启闭的大门都可获得应用。这种自动门的工作原理是当有人走近门前时，通过微波传感器可以感受到人的行走速度，尽管人的移动速度很慢（通常约为0.3～1.5m/s），因此多普勒频移值不大（相对于测速雷达来说），但近代无线电电子技术还是能快速准确地检测到这一微小的频移值的。这种自动门从20世纪70年代起就已在国内得到了应用和推广。

自动门与测速雷达尽管工作原理相同，但也存在几点差异，这就是：

（1）两者速度不同，相差甚为悬殊；

（2）作用距离不同，测速雷达相距100m左右，而自动门相对距离近在咫尺；

（3）自动门要求微波波束产生一个特定的形状，因为人进出大门时不一定从正中方向进出，因此要考虑门的两侧，这就需要一个圆弧形如图4-32（b）所示或椭圆形如图4-32（a）所示的天线辐射图形，而测速雷达则要求有一个聚束良好的方向性好的波束，以便对准某一辆汽车进行测量。

图4-32　自动门方向图形状

（三）微波室内防盗报警器

微波室内报警器是利用“多普勒效应”的第三个例子。这种设备都隐藏于博物馆、档案室、仓库、武器库、保密室、珠宝店、金库以及一些需要通宵无人值守的重要场所，一般人是不易发现其安装部位的。当晚间有不相干的人进入这些安置有报警器的房内时，就能被报警器所识别并自动报警。报警器的天线辐射场与测速雷达及微波自动门又有很大差别，因为室内报警器要求受控面积愈大愈好，最好没有死角，当然这一要求是很难做到的，所幸的是入室盗窃者总会走动，这会使报警器动作而发出光电警报信号。

报警器分配有不同的工作频率，但都在微波的厘米波段，多数厂家都采用10.525GHz的微波频率生产的。这种报警器的工作原理是十分简单的。通常它由一微波固态振荡器产生一输出功率仅为数十毫瓦的微波信号，通过天线向房内有效区内辐射，当无物体（例如人和动物）移动时，微波从各处反射后的频率是与发射出来的频率相同的，也就是说不产生频移现象；但当房内有移动物体时，情况就完全不同了，这时天线接收到的回波频率就发生了改变，这一改变量即频移的大小就能被接收装置迅速地检测出来，然后启动报警电路，将光、声、电等信号告知值班室工作人员以便及时处理。

早期的室内报警器存在着误报率高的缺点，这是由于装置的灵敏度过高，导致稍有风吹草动，例如窗帘的飘动，门窗在大风吹动时的强烈振动，甚至房外走廊上的小动物例如猫或老鼠的爬行都会引起报警，显然，这些都属于误报警的范畴。实用上应将上述这些因素排除在外，方能正常使用。研究人员花了不少精力来解决上述技术难题，同时又不致使成本过高，影响推广。

（四）微波围墙

微波围墙是利用“多普勒效应”的第四个例子。在这一装置中，采用多个微波天线组成一道看不见的空气围墙，当有人或动物试图穿越这道无形围墙时，控制室内就会发出报警信号，管理人员即可作应急处理。这对于劳改工地、农牧养殖场以及一些没有障碍物或围栏的需要看管的任何特定面积场所都可设置这种围墙。

（五）利用微波测定物料流量

大家知道，任何物质形态（包括固态、液态和气态）在输送过程中都有一定流量需要测量，当物料的形态、密度和面积确定后，其输送的流量只与其速度成正比。换句话说，只要测定物料的移动速度，即能测量出物料的流量大小。因此，利用“多普勒效应”原理就能轻而易举地测定物料流量的大小。这也是第五个利用“多普勒效应”的例子。

（六）微波测湿

自然界中许多物料都在不同程度上含有一定的水分，因为大气中总有水蒸气或其他由水挥发形成的水分子存在。通常大气中的含水量用相对湿度的大小来表示，例如当相对湿度为30%～60%时，人们感到空气清新舒服；当相对湿度超过70%后，就会感到闷人；超过90%后，可能更潮湿，在夏天时，就会闷热不已，非常不适！

同样，无论粮食如大米、小麦、燕麦、大豆、玉米、小米、油菜子、花生、高粱等，或木材、木板、胶合板、皮革、棉花、各种纤维、纸张、棉布、化肥、农药、烟草、土壤、石油、煤炭、各种矿石等都不同程度地含有一定的水分，只不过这些水是以三种不同形式存在于这些物料之中的。

1．自由水

它是以物理机械能结合的方式存在于物料的毛细间隙之中的，其结合能较小，较易除去。

2．束缚水

它是以物理化学结合的方式存在于物料毛细管管壁上的，其结合能较自由水要大得多，约为自由水的30倍。

3．结晶水

它是以化学结合存在于化合物结晶体的大分子链间的，它的结合能更大，去除它更显困难。因此，物料也有含水量多少的问题。人们把物料中的含水量也称为湿度，但定义上有很大的不同。

物料中的湿度又有两种不同的定义，即

（1）干基湿度：

（2）湿基湿度：

由此可见，当总含水量不变时，湿基的湿度比干基的湿度要低一些。例如当物料干重为80g，而含有20g水时，干基湿度为25%，而湿基湿度则为20%。目前，在微波测湿中湿基湿度用得多些。

而水的介电特性表明，它不仅有较大的介电常数（即电容率），同时还对微波具有较大的吸收损耗。微波测湿技术就是利用微波穿过上述含有一定水分的物料时对微波的衰减特性或相位特性，或反射特性的变化而间接测量出其中所含水分的百分比的。其测量范围很大，可从百分之几到百分之几十。测量误差较小，可采样测量，亦可置于生产线中做在线连续实时测量。尽管这种仪器成本较高，但由于它对环境的适应性，可不受尘埃烟雾等影响，而且测量速度快，实时控制无时间延迟性，反应敏捷，因此仍然在许多行业中得到采用。我国在20世纪70年代中后期，就已制成粮食水分仪，后来又生产了输油管中原油含水量的微波测湿仪、烟丝水分仪、纸张测湿仪、纤维测湿仪等。图4-33中示出了一种在线连续自动测量含水物料传感部分的示意图。

图4-33　含水物料在线自动测量的传感部分

在该装置中，物料由上面大漏斗中装入，自动通过中间圆筒或矩形料盒，料盒由低介电常数、低损耗的材料制成，如聚苯乙烯、聚四氟乙烯等。在料盒的两侧紧挨着两个喇叭天线，一个作为发送微波的天线，另一个则作为接收微波的天线。由于物料中含水量的变化若不同，微波穿过料盒时的损耗或衰减就不同，于是从接收喇叭天线输出信号幅度的强度就会根据含水量大小的变化而变化，如将此信号检波后作用在某个指示器上，即可读出含水量或湿度的大小。当然，事先应对各种物料的含水量或湿度与信号衰减量之间做出定标曲线，而且还应注意环境温度的影响。所以，应在不同环境温度下做出相应的校准定标曲线，然后存入单片机或电脑相应的存储器内，将它与指示器中的数字仪表相连接，最后即可在指示器中读出某一温度下的湿度大小。如做在线自动检测时，就应与记录仪相连接，在记录仪中将自动连续不断地记录下物料湿度的变化。在微波测湿仪中，对微波功率要求不大，通常在20～30mW内就已足够了，因此目前都乐于选用微波固态振荡器作为信号源，但对输出功率稳定度却要求很高，否则将影响读数的准确度。

图4-34中示出了一种适用于洗煤厂车间内对经洗煤后，在输送带上行进的煤块自动检测湿度的微波测湿仪。在输送带上方一定高度处安置一微波探头（喇叭天线）作为传感器，在离探头的左边，有一由钢铁制成的弧形铲平刀，其作用是将输送带上杂乱堆放的大小不一的煤块铲平，保证经过微波探头处的煤层厚度具有一定的大小以减小测量误差。在这里，微波信号从探头上向下辐射到输送带上的煤层上，由于煤层中含水量的不同，会产生不同的反射，这一反射信号向上进入同一个探头，于是在隔壁控制室内的微波测湿仪中就产生了相应的读数或记录。这种读数或记录是随着煤层中含水量的变化而实时地被记录下来的。通常在测湿仪附近还安装有γ射线灰分仪，以实时测量煤层中煤的含灰量（平均值），这些信息将在控制室内的电脑中同时利用专用软件进行计算，然后自动打印出一定时间内或一定重量的煤具有多少的燃烧热值。波兰卡托维茨一煤矿矿井中就装有这套装置。

图4-34　洗煤车间内的微波测湿装置

（七）烟道飞灰含碳率的微波测量

在火力发电厂中，锅炉未燃烧的煤粉在高温下会转化为有一定导电性的石墨微粒，它混在飞灰中从烟道排出，如能及时检测出飞灰的含碳率，进而采用一定的技术措施，使煤粉充分燃烧，对电厂来说就是一项既能提高经济效益又能减小空气污染的节能措施。

利用烟道两侧加装微波收发天线，当通过的飞灰中所含石墨颗粒浓度增高时，对穿过的微波功率吸收增强，于是就形成了较大衰减，然后通过信号处理电路显示出其中的含碳率。其基本结构与微波测湿仪的类似。这种方法误差小，工作稳定可靠，我国已有一些电厂用上了这种设备。

（八）微波探雷

地雷表面都由金属制成，由于金属的辐射率接近于零，因此当将地雷埋于地下时，该处上部土壤的温度和湿度分布都将发生变化，从而使埋雷处的辐射率与周围的土壤不同，用高灵敏度低噪声的微波接收机（即微波辐射计）即能探测出雷场与普通土壤之间的区别，从而发现地雷。

（九）微波辐射计

除了上述微波探雷技术外，利用微波辐射计还能作许多应用。它们都是根据物体自身所发出的辐射能量带有反映物体内部或表面状态的大量信息，物体的电磁辐射能量正比于被测物体的辐射率，因此利用这种被动式的微波辐射计就可探测海域油污，探测水资源及水域分布，探测地表植被，对农作物进行分类，预报农作物产量，预报病虫害，森林火灾探测等。利用微波辐射计还可探测人体不同部位的肿瘤，这是因为肿瘤部位病变部分的温度将比周围正常组织的温度要高，利用热像图可以检查皮下一定深度处的异常温度分布，从而探测出可能存在的肿瘤病灶所在。

（十）微波化学

近十年来，微波在化学的催化、萃取、消解、合成、提取、材料改性等领域中，人们做了大量的实验室研究工作，有的已进入批量生产或规模生产阶段，应用前景非常广阔，已形成了一个专门的学科即微波化学。十年前，中国电子学会微波分会下已专门成立了微波化学专业委员会，组织学术交流，推动微波在化学领域中的应用。大家知道，微波是一种电磁波，它属于物理学的电学范畴，而当其与化学结合在一起时，产生了相互交叉、相互渗透的作用，使过去很难达到或无法做到的事情能够很容易地做到或者轻易地解决了。目前，在一些综合大学的化学系如吉林大学、南开大学、四川大学、复旦大学、南京大学、中山大学……都在积极开展微波化学的有关基础性和应用性研究，取得了一系列的研究成果。几年前，还出版了第一本“微波化学”的专著。

1988年，加拿大化学家葛台（Gedye）通过大量实验和对微波加热机理的深入探讨，发现微波能够大大加速化学反应，在许多情况下，比常规方法快成百上千倍！他的研究和发现开创了微波化学的新纪元。接着许多科学家就用家用微波炉做实验，取两种化合物，加上一些溶剂，放进一根具有过压保护装置的聚四氟乙烯试管，密封后放进微波炉中，只需短短几秒钟的时间就获得了所需要的新化学产品。

早在20世纪60年代末期，美国麻省理工学院的科学家们就对微波在化学领域中的应用做过不少工作。例如：

（1）从氧（O₂）、氢（H₂）、氯（Cl₂）等气体原子的生产到未饱和碳化氢和碳化氟的合成以产生乙炔（C₂H₂）；

（2）从甲烷（CH₄）中生产碳黑（C）和氢气（H₂）；

（3）从环乙烷反应中产生乙烷（C₂H₄）和丙烯；

（4）将废氯变成氯气；

（5）使二氧化硫氧化从而产生硫酸等。

在很多情况下，微波功率被用来代替动力学上控制气相反应的昂贵的催化剂。例如，在制造硫酸中促使二氧化硫氧化作用的五氧化钒是比较昂贵的，虽然微波设备也不便宜，但能取代五氧化钒，而且效率提高了很多倍，结果还是非常合算的。

后来，澳大利亚科学家研制成功一种能连续进行反应和加工有机合成物的微波反应器，他们称之为“微波化学实验室”并作为商品出售，他们预言，这种装置将成为化学实验室中的一种基础性研究工具。

再后来，人们发现利用微波放电可以促进化学反应。例如：

（1）在微波放电室中进行煤的高温分解，其主要产品有氢气（H₂）、二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）、乙炔（C₂H₂）等；

（2）在氩（Ar₂）等离子体射流中，高温分解丙烷得到乙炔（C₂H₂）、甲烷（CH₄）、碳（C）、氢（H₂）及少量C₃H₆等；

（3）在微波放电中煤同氮气（N₂）的反应主要形成乙炔（C₂H₂）和HCN；

（4）氨（NH₃）在微波放电中合成肼；

（5）低压强微波放电中由苯（C₆H₆）合成联苯；

（6）氮气（N₂）和氢气（H₂）合成氨（NH₃）。

此外，微波在分析化学中的应用也很广泛，例如生物样品的湿法消解，各类金属如钢铁、合金、煤、飞灰、油页岩、矿渣和地质样品等溶样的制备，不仅大大缩短时间，还大大提高反应速率和酸的分解效率。目前，在上海等地就有五六家生产和销售各种品牌的微波消解仪器。

在光谱分析方面有微波等离子体光谱分析法，亚稳态能量转移光谱分析法，微波耦合空心阴极发射光谱分析，微波等离子体色谱检测仪等先进、快速、高效、准确的分析手段，使分析工作与高新技术密切地结合起来，推动了分析技术的现代化。

实际上，微波在工农业应用中的橡胶脱硫、硫化、材料合成、改性、沉积、治污……都早已涉及微波化学的交叉学科了，只是没有从化学的角度去深入地理解其中所产生的化学过程而已。即使现在，对微波化学反应中的一些解释仍存在两种不同的观点，一种较普遍的看法是微波的热效应是催化的物理原因，但也有人认为微波的非热效应仍然是不可忽视的另一种原因，这种观点也得到了一些实验的证实。

这种情况有点类似于电磁生物效应对人体作用的争论。几十年来，为了科学合理地制定微波对人体伤害的辐射标准，西方多数国家基于微波热效应的机理制定出了10mW/cm²的辐射安全标准；而前苏联及一些东欧国家却从微波非热效应的角度出发，它们制定出了与西方标准相差1000倍之多的10μW/cm²的新标准。早期我国制定出的标准为38μW/cm²，介于两者之间，实际上更靠近后一标准，不过最后我国还是采用了国际电工委员会的工业设备距设备5cm处不得超过5mW/cm²的通用标准，但并不说明不承认微波的非热效应。实际上，我国生产销售的毫米波治疗仪就是根据非热效应原理设计生产的。

（十一）非电量的微波检测技术及其应用

非电量通常是指一些与电学参数无关的物理量，如上述物料中的含水量即湿度外，尚有温度、长度、高度、厚度、深度、宽度、杆径、丝径、密度、颗粒度、速度、加速度、振动、流量、材料表面或内部的缺陷、混合物中成分百分比、目标识别、产品分类等都属于非电量的范畴。

采用微波方法来检测这些非电量，是因为：

（1）微波方法有宽广的频率范围，有可能使人们找到物体尺寸与波长的最佳比例；

（2）已经建立起微波波段有效的相干电磁振荡信号的产生、传输及相应的检测方法；

（3）微波通过污浊空气、油、水蒸气时呈现低的衰减，而上述条件在工业生产中是经常遇到的；

（4）对低耗介质材料具有较深的穿透能力；

（5）微波检测的灵敏度高；

（6）对射频干扰影响具有较高的抗干扰本领；

（7）微波能够非接触非破坏性传感，因而可在近距离处进行测量；

（8）对微波信号的处理已有十分有效的技术手段；

（9）微波无严重的辐射危险，因为都在毫瓦级的低功率电平上运行；

（10）微波系统具有较高的可靠性。

微波方法的主要缺点为：

（1）较高的设备成本和投资；

（2）由于待测物体的多样性和多变性，使得检测工作中的定标和校正技术增加了复杂性，因而这类检测设备或仪表缺乏通用性；

（3）对不需要的或副作用的反应具有较高的灵敏度，因此相应地降低了它的许多优越性。

尽管如此，近二十多年来，我国以及波兰、加拿大、日本、德国、美国、俄罗斯等国家都致力于微波在非电量检测中应用的研究和开发工作。这些成果及设备已广泛地应用在石油、地质、造纸、粮食、轻工、化工、冶金、煤炭、食品、纺织、烟草、制皂、皮革、木材等行业中。如波兰研发的煤炭水分仪，各种粮食（大米、大豆、燕麦、荞麦、花生、油菜子……）水分仪，矿物湿度仪等；德国研发的烟丝在线微波测湿仪，取样测湿仪等；我国研发的油田输油管中含水量的自动检测仪，石油岩芯含水饱和度和孔隙度检测仪，纸张含水量的双模腔微波检测仪，香皂含水量的在线检测仪，钢板热轧过程中动态实时在线测厚仪，微波雷达天线罩电厚度测试仪，微波测温仪，微波钢轨测长仪，钢包中钢水液面高度仪，钢包中炉渣厚度成像装置，陶瓷或其他介质材料中各种缺陷（如微孔、裂缝、应力）的微波声学显微镜成像设备等。

微波产生于20世纪30年代，主要应用于军事与国防，六十多年来，微波在军事上的应用一点也没有削弱，各种先进的电子装备中，几乎都涉及微波。当前，世界上一些军事大国，无一不在研究各种直接利用微波摧毁敌方电子装备特别是电脑的高功率微波武器，有的已接近于实战水平。与此同时，微波在非军事领域中的应用也不断开创新局面，已渗透到国民经济各个部门，特别是高新技术领域中所取得的一些成就，为广大科技工作者指明了利用微波技术及其他先进技术结合起来去改造传统工业和农业的必要性和可能性。