微波諧振腔及微波檢測裝置的製作方法

2023-07-06 14:01:31 1

專利名稱：微波諧振腔及微波檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及微波諧振腔及微波檢測裝置，尤其涉及一種用於離線物質溼度和 密度檢測的微波諧振腔及微波檢測裝置。
背景技術：
溼度和密度在工業生產中是決定產品品質的關鍵因素，其測量和控制直接關係到 產品質量和生產效率。現有技術中，測量物體溼度的主要方法有烘乾法、紅外線法和微波法，而測量物質 密度的主要方法有稱重法、核照射法和微波法。實際上，微波法是唯一可同時測量物質溼度 和密度的方法。傳統的烘乾法是最直接的溼度測量方法，測量精度較高，絕對誤差小於士0. 1%。 但耗時較長且應用範圍較窄，對被測物有損傷，且測量精度受烘乾時間影響。測量之前，物 料必須混勻，否則測量誤差非常明顯，而且也是無意義的。紅外線法能夠實現在線測量，但其測量結果受到被測物料表面特性、規範性、材 質、被測物與探測器之間距離的變化等因素的影響，且紅外線的透射性較差。另外，探測器 在工作過程中存在一定的溫度漂移和時間漂移，使測量值的重複性受到影響。稱重法是測量物質重量的最傳統的方法之一，但其測量耗費時間長，而且還要通 過被測物質的體積來求出物質密度。而且，該方法還無法直接測得物質在一定截面內的實 際密度。核照射法利用物質對放射性射線的衰減，可測得物質在一定截面內的實際密度。 該方法的速度快、測量精度較高。但放射性射線對人體具有損害，放射性物質還具有半衰 期，在經過一定時間後就不能繼續使用，且其廢棄物的處理相當麻煩。50年代初，英國人Waston發現，微波透過牆體所產生的衰減量與牆體的溼度呈線 性關係，並且提出利用微波方法測量物料的溼度。從此，微波在溼度測量領域有了新的發 展。進一步研究表明，物質的密度及溼度對微波諧振頻率及幅度都有十分明顯的影響。利用 微波的諧振特性受被測物質的影響而發生的變化，可同時實時地測得物質的密度及溼度。 於是，以微波為手段的物質溼度和密度測量，替代了傳統測量法，使測量過程簡單，並實現 了快速、實時、在線及非接觸無損傷測量。國外許多相關企業斥巨資加緊對該項技術的研究 與應用。如德國的TEWS電子有限公司早已將微波技術用於菸草的溼度和密度的測量當中。

實用新型內容針對現有技術中的諸多不足，本實用新型旨在提供一種能替代傳統的稱重法和核 放射法，且對一定形狀的物質進行快速、實時、非接觸及無損傷測量的新穎的裝置。根據本實用新型的一個方面，提供了一種微波諧振腔，包括腔體；上蓋，與所述 腔體配合且中心處設有通孔；下蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；以及輸入探針和 輸出探針，設置於所述上蓋或下蓋上並與電纜連接。[0011]根據一較佳實施例，該微波諧振腔的通孔的外周位置設置有由低微波損耗材料制 成的導引管。根據一較佳實施例，該微波諧振腔的腔體呈圓柱形。根據一較佳實施例，該微波諧振腔的諧振腔表面塗覆有良導電材料塗層。根據一較佳實施例，該微波諧振腔的導引管呈圓柱形。根據本實用新型的另一方面，提供了一種微波檢測裝置，包括微波諧振腔，包括 腔體；上蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；下蓋，與所述腔體配合且中心處設有通 孔；以及輸入探針和輸出探針，設置於所述上蓋或下蓋上並與電纜連接；微波信號發生器， 與所述輸入探針相連接；檢波器及放大器組件，與所述輸出探針相連接；數模轉換及信號 處理單元，與所述檢波器及放大器組件相連接；計算及控制單元，分別與所述數模轉換及信 號處理單元和所述微波信號發生器相連接。根據一較佳實施例，該微波檢測裝置還包括微波隔離器，設置於所述微波信號發 生器和輸入探針之間以及設置於所述檢波器及放大器組件和輸出探針之間。根據一較佳實施例，該微波檢測裝置中的通孔的外周位置設置有由低微波損耗材 料製成的導引管。本實用新型的裝置利用了微波測量技術，並具有檢測速度快，測量結果準確，可靠 性高，對操作者人體安全的特點。它通常用於各種非金屬材料的實時檢測，用來對物質在線 測量裝置進行抽樣校準和定標。本實用新型的設計人已將該裝置用於煙支生產過程中，作 為煙支密度和溼度的抽樣校準和定標裝置。本實用新型的裝置可用作菸草行業生產過程中煙支的密度和溼度的離線檢測裝 置，用來對在線檢測設備進行校準和定標。可用於例如PR0T0S、PASSIM、SUPER9、MK95、GD121 等各種捲菸機組。應當理解，本實用新型以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說明性 的，並且旨在為如權利要求所述的本實用新型提供進一步的解釋。

包括附圖是為提供對本實用新型進一步的理解，它們被收錄並構成本申請的一部 分，附圖示出了本實用新型的實施例，並與本說明書一起起到解釋本實用新型原理的作用。 附圖中圖1示出了本實用新型的微波諧振腔的結構簡圖。圖2示出了本實用新型的微波檢測裝置的示意性框圖。
具體實施方式
現在將詳細參考附圖描述本實用新型的實施例。如本領域中已知的，微波在一個金屬製成的容器(可稱為微波諧振腔)內具有諧 振特性。對於一個空的微波諧振腔，當諧振腔的幾何形狀確定後，其諧振頻率和諧振幅度也 是確定的。但當在該諧振腔內部分或全部填充有其它非金屬物質(可稱為介質材料)時， 其諧振頻率和諧振幅度會因填充的介質材料的介質常數、介質的多少和形狀的不同而產生 不同的變化。這種變化對於所填充的介質材料的不同所產生的響應的十分敏感的。因此，可以利用對微波諧振腔的諧振頻率和諧振幅度的測量來快速、精確地測出微波諧振腔內所 填充的介質材料的密度和溼度。基於上述的微波技術，本實用新型的設計人設計了一種新穎的微波諧振腔。如圖 1所示，該微波諧振腔包括腔體1、下蓋2、上蓋3，輸入探針4和輸出探針6。特別是，上蓋3 和下蓋2均與腔體1配合且它們的中心處都設有通孔，該通孔的外周位置處設置有導引管 5。該導引管5能方便被測材料的裝填和取出，同時也將諧振腔的腔體1與外部隔離，以防 止腔體1被汙染而影響測量的精度。此外，如圖所示，輸入探針4和輸出探針6都設置於上 蓋3上並可與電纜連接。當然，輸入探針4和輸出探針6也可設置於下蓋2上。如上所述，本實用新型的較佳實施例用於測量煙支的密度和溼度，因此該微波諧 振腔優選採用園柱形。此外，為提高諧振腔的熱穩定性，該微波諧振腔優選採用低膨脹合金 材料(例如，鐵鎳合金4J36)且表面優選塗覆耐腐蝕的良導電材料塗層，以保證其長期穩定 性。此外，優選地，導引管5由石英玻璃或聚四氟乙烯等低微波損耗材料製成為呈圓柱形。圖3示出了採用上述微波諧振腔的一種微波檢測裝置。該微波檢測裝置的微波諧 振腔5如圖2所示，因此不再對其進行贅述。該微波檢測裝置還包括與微波諧振腔5的輸 入探針相連接的微波信號發生器1、與微波諧振腔5的輸出探針相連接的檢波器及放大器 組件9、與該檢波器及放大器組件9相連接的數模轉換及信號處理單元10以及分別與數模 轉換及信號處理單元10和微波信號發生器1相連接的計算及控制單元。在圖3中，該計 算及控制單元由數據採集及處理計算機11、顯示及存儲單元12、系統控制單元13三部分構 成。但，本領域的技術人員可以理解，可將這三部分組合成單一的計算及控制單元來實現相 同的功能。根據一較佳實施例，微波隔離器2和8分別設置於微波信號發生器1和輸入探 針4之間以及檢波器及放大器組件9和輸出探針6之間。微波信號發生器1可選用由數字控制的快速跳頻鎖相微波源。其產生的微波信號 通過微波同軸電纜及微波隔離器2由輸入探針4注入微波諧振腔5。然後，再由輸出探針6 將受被測物質的影響而變化的微波諧振信號引出。引出的微波諧振信號通過微波同軸電纜 及微波隔離器8進入檢波器及放大器組件9。檢波器及放大器組件9可採用一般的微波檢波二極體，檢波後再進行直流放大， 放大後輸出為直流電壓信號。為了提高系統的穩定性必須對檢波器和放大器組件9進行溫 度補償。模數轉換及信號處理單元10將檢波放大後的直流電壓信號經過模數轉換，變為 數位訊號。將各個時刻的檢出信號送入單元10的隨機存取存儲器中。在圖3所示的實施例中，由數據採集和處理計算機11對信號進行分析計算、歸納， 最後給出被測物質的密度和溼度數據，提供給顯示和儲存單元12。微波信號的產生及與信 號處理過程的同步等工作則可由系統控制單元13控制。但如上所述，數據採集和處理計算 機11、顯示和儲存單元12、系統控制單元13的工作可由單個計算及控制單元代替。由於微波信號發生器1是一個由數字控制的快速跳頻鎖相微波源，每一時刻對應 於一個微波信號頻率。比較各個時刻的輸出信號大小，即可求得諧振腔5的諧振特性(頻 率與輸出信號幅度的對應關係)，從而得到當時的微波諧振頻率及諧振幅度。當諧振腔內被 測物質的密度及溼度發生改變時，微波諧振腔5的諧振頻率及諧振幅度也將發生改變。再 根據微波諧振腔5的諧振頻率及諧振幅度與填充物質的密度和溼度的數學關係，通過計算機處理，可得到填充物質的密度和溼度的實時數據。綜上所述，本實用新型利用了微波諧振原理，能對微波諧振腔內填充的材料的密 度和溼度進行快速、實時、精確、非接觸和無損的檢測。本實用新型的產品的環境適應性強， 不因環境因素影響檢測準確性。特別是，本實用新型的微波檢測裝置可選用輸出功率較小 的微波信號源，例如10毫瓦，是一般手機發射功率的百分之一，安全性高。其在操作位置的 輻射強度僅為0. lmW/cm2，遠遠低於國家規定的5mW/cm2的安全標準。此外，本實用新型的 微波檢測裝置開機後即可正常工作，不需預熱、不需調零，操作使用方便。本領域技術人員可顯見，可對本實用新型的上述示例性實施例進行各種修改和變 型而不偏離本實用新型的精神和範圍。因此，旨在使本實用新型覆蓋落在所附權利要求書 及其等效技術方案範圍內的對本實用新型的修改和變型。
權利要求一種微波諧振腔，包括腔體；上蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；下蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；以及輸入探針和輸出探針，設置於所述上蓋或下蓋上並與電纜連接。
2.如權利要求1所述的微波諧振腔，其特徵在於，所述通孔的外周位置設置有由低微 波損耗材料製成的導引管。
3.如權利要求1所述的微波諧振腔，其特徵在於，所述腔體呈圓柱形。
4.如權利要求1所述的微波諧振腔，其特徵在於，所述諧振腔表面塗覆有良導電材料 塗層。
5.如權利要求1所述的微波諧振腔，其特徵在於，所述導引管呈圓柱形。
6.一種微波檢測裝置，包括微波諧振腔，包括腔體；上蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；下蓋，與所述腔體 配合且中心處設有通孔；以及輸入探針和輸出探針，設置於所述上蓋或下蓋上並與電纜連 接；微波信號發生器，與所述輸入探針相連接；檢波器及放大器組件，與所述輸出探針相連接；數模轉換及信號處理單元，與所述檢波器及放大器組件相連接；計算及控制單元，分別與所述數模轉換及信號處理單元和所述微波信號發生器相連接。
7.如權利要求6所述的微波檢測裝置，其特徵在於，還包括微波隔離器，設置於所述微波信號發生器和輸入探針之間以及設置於所述檢波器及放 大器組件和輸出探針之間。
8.如權利要求6所述的微波檢測裝置，其特徵在於，所述通孔的外周位置設置有由低 微波損耗材料製成的導引管。
專利摘要本實用新型提供了一種微波諧振腔和微波檢測裝置。本實用新型的微波諧振腔包括腔體；上蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；下蓋，與所述腔體配合且中心處設有通孔；以及輸入探針和輸出探針，設置於所述上蓋或下蓋上並與電纜連接。本實用新型的產品可對物料的密度和溼度進行快速、實時、在線及非接觸無損傷的測量。
文檔編號G01N9/24GK201637697SQ20102014429
公開日2010年11月17日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者張躍武, 王會石, 閔晨, 陳林 申請人:上海恆博自動化設備有限公司