微波監(jiān)測簡介

微波檢測技術(shù)的研究內(nèi)容是除微波能的加熱干燥外的非通訊、非電量應(yīng)用。微波檢測的基本原理就是將微波作為傳遞信息的載體，研究微波與物質(zhì)相互作用及其探測應(yīng)用。

微波檢測還具有非接觸、非破壞、非電量、非污染和非金屬應(yīng)用的特點(diǎn)。與被檢對象無需直接接觸，可離開一定距離或間隙進(jìn)行掃查。不破壞產(chǎn)品或材料本身，屬于無損檢測。不需要耦合劑，避免污染制品，傳感器在試件間可以通過空氣來實(shí)現(xiàn)有效的耦合或匹配，不存在耦合劑污染問題。適宜于生產(chǎn)流水線上的連續(xù)快速測控，實(shí)現(xiàn)自動化。它不適用于檢測金屬材料的內(nèi)部缺陷。雖然微波能夠探測確定金屬表面μm裂紋的位置，但不能穿透金屬或?qū)щ娦阅茌^好的碳纖維增強(qiáng)塑料等復(fù)合材料。由于微波（包括亞毫米波）的場量趨于導(dǎo)電媒介質(zhì)表面（即集膚效應(yīng)），故它不能檢測金屬內(nèi)部缺陷，對非極性物質(zhì)也不易確定缺陷深度?？墒撬m合于金屬物體或產(chǎn)品的位移、振動、直徑尺寸及計(jì)數(shù)等的測量控制和地質(zhì)礦井、路基道橋空洞裂縫的檢測以及冰川冰山的測厚等。微波檢測具有能穿透聲衰減很大的非金屬材料的特點(diǎn)。適用于檢測增強(qiáng)塑料、陶瓷、樹脂、玻璃、橡膠、木材、固體推進(jìn)劑、聚氨酯泡沫、化學(xué)制品、糧食、原油、纖維織物、紙張和各種復(fù)合材料；還可檢測固體火箭玻璃鋼及有機(jī)纖維樹脂殼體、藥柱等航天飛行器的零部件、玻璃鋼船體、導(dǎo)流罩、化工容器和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量狀況等。比如，膠接結(jié)構(gòu)及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中的分層、脫粘；固體推進(jìn)劑和飛機(jī)輪胎內(nèi)部氣孔、裂縫；金屬加工表面粗糙度、裂紋、劃痕及其深度；金屬板材、片材和帶材以及非金屬材料厚度；非金屬料材濕度、密度、固化度及混合物組分比；各種線徑、微小位移振動等。首先，在不破壞工程材料構(gòu)件產(chǎn)品及其地面的前提下，應(yīng)用微波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理來診斷、評價(jià)、測試材料構(gòu)件和工業(yè)產(chǎn)品的完整性、連續(xù)性以及質(zhì)量安全故障狀況。其次，在生產(chǎn)流水線或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，用微波進(jìn)行快速測試或測量材料或產(chǎn)品的物理性能及技術(shù)參數(shù)等，成為自動化生產(chǎn)的重要監(jiān)控手段和可靠的質(zhì)量保證。

微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個特性。例如：對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：

穿透性

微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長更長，因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于微波能與介質(zhì)發(fā)生一定的相互作用，以微波頻率2450兆赫茲，使介質(zhì)的分子每秒產(chǎn)生24億五千萬次的振動，介質(zhì)的分子間互相產(chǎn)生摩擦，引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。

選擇性加熱

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。因此，對于食品來說，含水量的多少對微波加熱效果影響很大。

熱慣性小

微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，升溫速度快。另一方面，微波的輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。

似光性

微波波長很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車建筑物等）尺寸相對要小得多，或在同一量級上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。因此使用微波工作，能使電路元件尺寸減?。皇瓜到y(tǒng)更加緊湊；可以制成體積小，波束窄方向性很強(qiáng)，增益很高的天線系統(tǒng)，接受來自地面或空間各種物體反射回來的微弱信號，從而確定物體方位和距離，分析目標(biāo)特征。

由于微波波長與物體（實(shí)驗(yàn)室中無線設(shè)備）的尺寸有相同的量級，使得微波的特點(diǎn)又與較長的波相似，即所謂的似長波性。例如微波波導(dǎo)類似于無線電中的接收器；喇叭天線和縫隙天線類似于無線電中的發(fā)射器；微波諧振腔類似于無線電共振腔。

非電離性

微波的量子能量還不夠大，不足與改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵（部分物質(zhì)除外：如微波可對廢棄橡膠進(jìn)行再生，就是通過微波改變廢棄橡膠的分子鍵）。再有物理學(xué)之道，分子原子核在外加電磁場的周期力作用下所呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象都發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。另一方面，利用這一特性，還可以制作許多微波器件。

信息性

由于微波頻率很高，所以在不大的相對帶寬下，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲。這是低頻無線電波無法比擬的。這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)，幾乎無例外都是工作在微波波段。另外，微波信號還可以提供相位信息，極化信息，多普勒頻率信息。這在目標(biāo)檢測，遙感目標(biāo)特征分析等應(yīng)用中十分重要。

利用微波能來提高萃取率的一種最新發(fā)展起來的新技術(shù)。它的原理是在微波場中，吸收微波能力的差異使得基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使得被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到介電常數(shù)較小、微波吸收能力相對差的萃取劑中；微波萃取具有設(shè)備簡單、適用范圍廣、萃取效率高、重現(xiàn)性好、節(jié)省時間、節(jié)省試劑、污染小等特點(diǎn)。除主要用于環(huán)境樣品預(yù)處理外，還用于生化、食品、工業(yè)分析和天然產(chǎn)物提取等領(lǐng)域。在國內(nèi)，微波萃取技術(shù)用于中草藥提取這方面的研究報(bào)道還比較少。

微波萃取的機(jī)理可從以下3個方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時，在微波場的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運(yùn)動，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動而引起分子運(yùn)動的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動運(yùn)動，若分子具有一定的極性，即可在微波場的作用下產(chǎn)生瞬時極化，并以24．5億次/s的速度作極性變換運(yùn)動，從而產(chǎn)生鍵的振動、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對較差的萃取溶劑中。 〖圖片說明：模擬的有限宇宙微波背景輻射圖象，匹配的圓圈上具有相同的冷熱分布?！?

微波能通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得?？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。