| 单词 | 微波、毫米波传感器与非电量检测 |
| 释义 | 【微波、毫米波传感器与非电量检测】 拼译：miicrowave and millimeter wave sensors and nonelectrical quantities testing 微波、毫米波传感器是工作在微波、毫米波段的射电传感器，借助传感器用射电信号来获取物质或物体的非电信息，以达到非电量检测的目的。为此，必须将非电量转换成电磁场量或电磁波量，并建立两者之间以及物质的电磁特性与非电磁特性间的严格关系，这些关系不仅是定量所必须的，也是确定和探索特定的检测方法和相应传感器的关键。建立这些关系，将涉及到电磁场和电磁波与物体或物质间的经典的相互作用(如反射、折射、散射、绕射、干涉、频移、频散、谐振、偏振、态变化等)，以及量子的相互作用(如核磁共振NMR、电子自旋共振ESR、核四极矩共振NQR、铁磁反铁磁共振、回旋共振等)。而要解决的问题都是电磁逆问题，即根据目标的电磁响应来确定目标的非电特征。在非电量的射电检测中，引用并发展了雷达、通信、射电天文、空间技术、瞬态电磁场和超短脉冲技术、波谱学和光学、准光技术中，以及对射电信号进行传感、提取、传递、变换和处理的方法，从而形成射电检测的新分支。它可以达到非接触、无损伤取样，因此也是一种新型的无损检测技术(NDT)，能连续、在线(on line)、在位(in situ)、在体(in vivo)和遥测。它是继超声波、电磁、涡流、红外、同位素、X线和γ线等方法之后新崛起的NDT技术，在某些应用领域，具有其它方法无法替代的独特优点。它在下列领域有广泛应用：工业(化工、石油、煤炭、冶金、机械、轻纺、食品、动力、建材)、地质勘探、材料、交通运输、农林业、国防、公安、环境保护监测、物化、生化、生理和生物医学工程，是一个涉及多学科的交叉和综合性学科。 二次世界大战以后，遗留下许多与雷达有关的微波器件与设备，为射电检测提供了物质基础。另外，由于当时原子、分子物理学、光谱学以及量子理论的发展，人们对物质结构已有相当深刻的认识，奠定了射电传感的物理基础。而分子的共振谱和弛予过程，固体和等离子体中的跃迁量子化能量恰好处于微波波段。美国麻省理工学院辐射研究室率先开展了射电波谱的研究工作。从1944年到1954年各国科学家进行了一系列磁共振现象的实验并探讨了其在物质结构研究中的应用，由此导致了Maser和Laser的发明。射电检测中的许多样品或目标都是电介质，因此研究电介质的基本理论和测量方法将是射电检测技术的两个重要方面。1954年西派尔(A．R．von Hippel)的两本有关电介质的专著《Dielectrics and Waves》和《Dielectric Materials and Applications》对电介质的物理性质进行了系统的总结。1963年前苏联学者白朗特(A．A．Брaндт)在其专著《在微波波段研究介质》(ИccиegobaHиe дилekmрukol Ha Cqeрxqнcokиx Чacmomax ИссAegoqaниe диэΛekmрикoq Ha)系统地总结了当时有关微波传感器和电介质的微波检测法。1969年前后，匈牙利海德维格(P．Hedvig)和臣太(G．Zentai)系统地用微波方法研究了化学结构和化学反应(Microwave Study of Chemical Structures and Reactions)，丰富了微波波谱法的内容。1973年切姆贝兰(J．ChamberLain)等国际知名学者系统地总结了当时国际上电介质的高频测量法，撰写了《High Frequency Dielectric Measurement》(IPC Press)，其中包括了准光腔法、色散傅里叶变换波谱学、时域波谱学等较新的内容。19世纪60年代波兰科学院UNIPAN科学仪器实验室的斯塔克利(S．Stuchly)、克拉捷伍斯基(A．Kraszewski)等科学家开展了用微波方法连续控制工业生产过程的研究，其中包括机械量检测(金属板厚度、金属线线径、金属目标探测)和材料检测(含水量、密度、聚合度)，后来他们在加拿大又开展了微波生物医学的研究。随着微波能应用的迅速推广，1965年在加拿大开始出版专业性杂志《The Journal of Microwave Power》。专门刊登微波在能源和非电量检测方面的应用，又在1986年该杂志改名为《The Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy》，并把电磁能也包括进去。同时成立了国际微波能学会(International Microwave Power Institute)，每年召开微波能应用国际会议，进行广泛学术交流。1977年7月在芬兰的坡伏(Porvoo)召开了第1届半导体微波诊断的国际会议(International Symposium on Microwave Diagnostics of Semiconductors)，由美、法、英、德、苏联、日本、捷克、丹麦、印度和芬兰11个国家42位著名科学家参加，发表论文31篇，讨论如何用各种微波传感器和检测方法对半导体材料进行检测诊断，开拓了半导体材料微波检测法的新途径。从1972年到80年代，英国柯伦(A．L．Cullen)等系统地展开了在微波、毫米波段用准光开放腔(Quasi optical open Resonator)作为传感器来测量电介质的理论和实验研究。阿夫沙(M．N．Afsar)等也在毫米和亚毫米波段用准光法系统研究介电特性。材料的介电特性与其含水量密切相关，且微波能透入介质材料内部，因此微波法测湿要比红外法优越。70年代以来，美国奈尔逊(S．O．Nelson)等对粮食种子的微波测湿，芬兰铁尔瑞(M．Tiuri)、卢福斯(E．Nyfors)、范开拉(P．Vianikainen)对木材、纸张的微波测湿都进行了一系列富有成效的研究，并总结成专著《Industrial Microwave Sensors》(Artech，1989)。由于半导体器件的发展，在70年代用隧道二极管(TD)或阶跃恢复二极管(SRD)构成的脉冲发生器已可达1ns的上升沿，即可复盖10KHz～18GHz的电磁频谱，由此发展了时域波谱学(Time Domain Spectroscopy)，可以用来研究介电材料的波谱特性，研究极性物质的分子性能，以及极性分子与非极性分子间的相互作用，水溶液中溶质和溶剂间的相互作用等。是物化、生化、生理和生物医学研究中的有力手段。最近，利用Nd∶YAG锁模、脉冲压缩、倍频激光器和光电导效应，已可激励出10～1000GHz频宽的电磁脉冲，从而可构成相干微波瞬态谱仪(Coherent Microwave Transient Spectroscopy-COMITS)，大大拓宽了时域波谱的频率上限，是研究物质结构的有效工具。1980年以来，前苏联柯力夫(B．A．Koнeв)将光学中的椭偏法(Ellipsometry)推广到毫米波和亚毫米波段，克服了透射式椭偏法只适用于透光材料的缺点。可用于材料特性、缺陷和分层结构研究，在探伤、微电子和光电子、超导和薄膜材料、等离子体诊断、摄影科学、表面物理、生物医学等领域有广泛应用。瓦西琴柯(И．П．Bacилbгeнкo)等则利用微波、毫米波的偏振特性来研究构件的内应力、缺陷和各向异性，将光测弹性推广到微波、毫米波波段，这对不透光材料的检测是很有意义的。中国从70年代开始也开展了微波传感器和非电量的检测工作的科研和工程应用，并取得了可喜的成果。本学科的研究热点为：(1)探索和开发新型传感器和检测方法；(2)结合光学技术，形成光波－电波传感和检测；(3)扩展毫米波的短波段，以便提高检测分辩率和开拓新的共振谱；(4)利用激光超快过程和光电子技术，获得THz的超宽带电磁频谱；(5)发展电磁表波和微波超声波传感技术。【参考文献】：1 Бpaндт A A．ИccΛeдoвaниe диэΛeкмpичeскoв Hacвч，1963，42 Stuchly S，et，al，Microwave Journal 1969，8∶51～57．3 Nelson S O．JMP．1973，13～224 Proc．of the International Symposium on Microwave Diagnostics of Semiconductors，1977，7∶13～155 任之恭．微波量子物理学．北京：科学出版社，19806 Alfred J Bahr著，微波无损检测法，李英译．凯山计量出版社，19857 Ebbe Nyfors，Industrial Microwave Sensors，ARTECH，19898 Cullen A L．Infrared and Millimeter Waves，10∶233～2819 Koнeв B．PagΛиoвoнoвaя 9ΛΛипcoмeтpия ДиэΛeктpичecкиX cт-pчктyp，198910 李英．微波毫米波传感器与非电量检测．北京：电子工业出版社，1991(上海科学技术大学李英教授) |
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