CN101627299A - 控制材料的微波设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制材料(150)的控制设备(100)，其至少包括发射装置(110)和接收装置(130)，所述发射装置(110)以载波频率Fp发射电磁信号以照射材料(150)，所述接收装置(130)接收该电磁信号，其特征在于所述设备(100)还包括以频率Fm1调制所述电磁信号的第一调制装置，所述调制装置设置在所述发射装置(110)和所述材料(150)之间的信号路径上以在空间上离散所述发出的电磁信号，以频率Fm2调制所述电磁信号的第二调制装置(140)，所述调制装置(140)设置在所述材料(150)和所述电磁信号接收装置(130)之间的信号路径上以在所述电磁信号穿过所述材料后在空间上离散所述电磁信号。所述设备可主要用于检测材料中的缺陷或用于确定所述材料的物理性质。

Description

控制材料的微波设备

技术领域

本发明涉及一种控制材料的设备。本发明还涉及使用该设备的方法。

背景技术

根据本发明的设备可用于不同的应用场合。

特别地，根据本发明的设备可以控制不是完全由金属组成的材料，例如木头、纸、石头或玻璃丝、玻璃、塑料、农业食品相容性材料(agri-food compatible material)或放射性元素等。

对于这种材料，所述设备特别可以测量材料的物理性质(密度、湿度)，甚至检测被控材料的缺陷(空腔、夹杂物等)。

在工业生产线上控制材料要求使用快速且经常是非进入性的设备。已知的这种非进入性设备包括例如X光、伽马射线、红外或超声设备，每种设备都有其特定的应用场合。

为了提高这些设备的性能，建议将这些设备组合使用，以至少可以获得单独使用每种设备时的优点。

但是，对于应用非金属材料，虽然使用基于特定的电磁波的设备具有一定优点(特别是电磁波实际进入非金属材料的内部)，但是对于工业应用来说，现有技术仍然是有限的。

实际上，这种工业应用要求进行实时测量，在实时测量中要考虑待检材料沿生产线的移动速度以及考虑控制材料的大部件的必要性。

本发明的目的是弥补上述局限性。

更具体地说，本发明的第一目的是提供一种能够控制不是完全由金属组成的材料的设备。

本发明的另一个目的是提供一种能够实施材料的实时控制的设备。

本发明的再一个目的是实现对材料的大部分的控制。

本发明的另一个目的是提供一种模块化设备，其易于适用于各种生产线，且容易安装。

发明内容

为此，本发明的目标是提供一种控制材料的设备，所述设备至少包括以载波频率Fp来发射电磁信号以照射材料的装置和接收该电磁信号的装置，其特征在于所述设备还包括以频率Fm1调制所述电磁信号的第一调制装置，所述调制装置设置在所述发射装置和所述材料之间的信号路径上，从而在空间上对所述发出的电磁信号取样；以频率Fm2调制所述电磁信号的第二调制装置，所述调制装置设置在所述材料和所述电磁信号接收装置之间的信号路径上，从而在空间上对通过所述材料的电磁信号取样。

附图说明

参考附图，通过阅读以下的非限制性描述，将更容易理解本发明，本发明的其他目的、目标和优点也会更加清楚，其中：

图1显示了发射模式中的控制材料的设备的示意图；

图2显示了根据本发明的控制材料的设备的方框图；

图3显示了反射模式中的根据本发明的控制材料的设备的示意图；

图4显示了具有调制元件的传感器的示意图；

图5显示了具有根据图4的具有调制元件的传感器阵列图。

具体实施方式

1、发射模式中的控制材料的设备

图1和2显示了处于发射配置中的控制材料150的设备100。

控制设备100表现为如下形式：

以载波频率Fp发射电磁信号以照射被控材料150的发射装置100；

以频率Fm2调制从材料150接收的电磁信号的调制装置140；

接收调制产生的电磁信号的接收装置130。

调制装置140设置在材料150和调制产生的电磁信号的接收装置130之间的信号路径上。

一方面，发射装置110，另一方面，调制装置140和接收装置设置在被检材料150的任意一侧，从而调制装置140接收穿过材料150的被传输的信号。

a.发射装置

发射装置100包括用于以载波频率Fp发射电磁信号的相邻的发射天线的阵列。更确切的说，信号是平面电磁波。频率Fp在微波频率的范围内。

天线优选的是贴片天线(patch antennas)。

b.调制装置

调制装置140包括传感器200的阵列，该传感器200的阵列朝向材料150设置且排列在垂直于发射装置110发射的信号的传播方向的公共平面内。

调制装置的作用是以调制频率Fm2局部干扰电磁场，从而在空间上对通过材料150的电磁信号进行取样，独立信号的取样数目等于传感器200的数目。

结合图4和5将更详细描述结合了用于空间分离的调制元件的传感器200。

此外，本发明的可选实施例提出产生如下调制频率的调制装置：Fm2、Fm2-1、Fm2-2……Fm2-i，其中“i”对应于第n个传感器。

c.接收装置

接收装置130还包括对齐的接收天线的阵列，该天线优选的属于同一类型，甚至是与发射阵列的天线相同。

接收天线的阵列位于空间调制传感器200的阵列的后面。

所述接收天线的阵列用于以载波频率收集信号，并以调制获得的调制频率Fp±Fm收集信号。

在接收装置130的一个变化实施例中，接收天线的阵列和空间调制传感器200的阵列可以是独立元件的阵列，每个独立元件包括一体的接收天线和一体的空间调制传感器。

d.控制设备的其他元件

如图2中所示，所述设备还包括对以频率Fm2被调制的信号进行多路分配的装置180。所述多路分配装置180用于不同传感器200的寻址，即其使接收装置130区分来自传感器200的不同信号的信号源。

所述多路分配装置可以是时间多路分配装置或空间多路分配装置。

对于时间多路分配，通过将调制信号顺序分配到不同传感器200来获得区分。

对于空间多路分配，通过同时将不同的调制频率Fm或者一套正交的调制归于阵列的每个传感器200来获得区分。

所述设备还包括接收装置130接收的载波频率为Fp且以频率Fp±Fm被调制的信号的滤波装置190和放大装置191。

更详细地说，滤波装置190包括带通滤波器，其中的截止频率和带宽适于在调制信号的放大之前去除载波频率Fp。

以频率Fp±Fm被调制的信号的电平(level)通常在60-80dB的范围内，其低于被选载波频率Fp的电平，基于该信号更新收集通过材料150的射线的传感器163的功能的有效动态范围。

滤波装置190允许载波频率为Fp的信号使接收器163不饱和，从而该设备可以获得更好的动态特性。

对于多载波频率的设备，可以使用居中于每个载波频率且沿着频带移动的滤波器，例如钇铁石榴石YIG滤波器。

此外，放大装置191包括低噪音放大器，其用于接收经过滤波的信号以及在信号被接收器163收集之前对信号进行放大。

最后，所述设备具有与特定单元161、162和163通信的处理器170，特定单元161、162和163分别用于管理发射装置110的信号发射、多路分配装置、以及连接到接收装置的接收器163，以测量被调制的电磁信号的实部和虚部。

同样，处理器170包括用于处理来自接收器163的实信号和虚信号的装置，以增强对从发射装置110发射的电磁信号的扰动检测。

处理器170还包括用于被控材料150的图像的后处理显示的显示装置，所述图像是基于调制产生的信号生成的。

e.控制设备的操作原理

通过这些装置，可以使用电磁信号以频率Fp被发射以照射被控材料150的过程。

此外，一旦发射装置110发射了电磁信号，电磁信号就传播通过被控材料150。

材料150的最轻微的非匀质性或其密度、湿度或温度的变化会导致在材料150中传播的电磁场的表现发生变化。

类似地，缺陷的存在，由于其介电性或磁性与材料150不同，会在缺陷所在处对材料150中传播的电磁信号产生干扰。

这样被改变的信号由调制装置140的阵列的传感器200接收。

然后，在其每个传感器200中，材料150发出的电磁信号被以调制频率Fm2调制。随后从每个传感器200发出的被调制的信号被接收装置130的天线接收。

以这种方式，在接收装置130接收到已经被调制的信号之后，可以识别出哪个(哪些)传感器200检测到了受干扰信号。这个特定传感器200将对应于材料150的局部区域。

然后，这些被调制的以及被接收装置130接收的信号被滤波、放大和处理，以获得被控材料150的图像。

在一个或多个特定传感器200的图像上，可以看到由材料150的区域中存在的缺陷引起的电磁信号的干扰，从而可以为缺陷定位。

类似的，所述设备还能检测出材料150中的非匀质性或密度、湿度或温度的变化。

在图1的可选实施例中，设备的发射部分是互易的，对通过接收装置130的天线来发射的发射装置和通过发射装置110的天线来接收的接收装置另行规定。

f.双调制检测设备

已经允许在图1的设备中加入以调制频率Fm1来调制由发射装置100发射的信号的装置。

该调制频率Fm1可以等于或者不同于材料150接收到的电磁信号的调制频率。

这些装置与上面参考图4和5提及和描述的调制装置140类似。

此外，本发明的变化实施例提出一种表现如下调制的调制装置：Fm1、Fm1-1、Fm1-2……Fm1-i，其中“i”对应于第n个传感器。

调制装置设置在发射装置110和被分析材料150之间的信号路径上。

它们在空间上把发射装置110发射的电磁信号取样为与调制装置阵列中的传感器数目相同的信号。

这样就获得了载波频率为Fp的电磁信号的双调制。

对于电磁信号的每个发射点，已通过材料的信号被调制装置140的阵列的传感器200的集合接收。

因此，传感器收集的信号对应于穿过材料150的不同的电磁信号路径。

这样，点对点的测量两个阵列中的所有传感器之间的穿过材料150的电磁信号路径的集合。

这可以在被分析材料150中获得多元静态断层影像(multistatictomographic imagery)。

2、反射模式中的控制材料的设备

图3显示了反射模式中的材料150的控制设备。其操作方法与原理与发射模式中的控制设备相同。

差别主要在于发射装置110、调制装置140和接收装置130的设置。

在反射模式中，一方面，发射装置，另一方面，调制装置140和接收装置130设置在被控材料150的同侧，从而调制装置140接收从材料150反射的信号。

由于在这种模式中，载波频率的电磁信号两次通过被检材料150，因此所述设备的优点在于双发射操作。当不能接近被测材料150的一侧或者待测材料150具有金属表面时，这种设备是有利的。

一个实施例允许在被检材料150后面与发射装置110、调制装置140和接收装置130相对的侧面上放置金属板，从而提高反射率。

3、传感器阵列

图4中绘制的空间调制装置传感器200由四个主要元件构成，即发射线(radiating wires)220的集合、非线性电子组件230、馈线(feedwires)240和基板210。

参照位于材料150和接收装置130之间的信号路径上的调制装置140的传感器200描述传感器200的操作原理。描述如下。

传感器200的发射线220将采集通过材料150的载波频率为Fp的电磁信号。

线220还被非线性电子组件230充电，非线性电子组件230本身在调制频率Fm2的信号的辅助下被极化。

这样，其产生以频率Fp±Fm2被调制的信号，该信号将被接收装置130接收。

更具体的说，每个传感器200包括两根发射线220，每一根发射线连接到非线性电子组件230的任一端。

非线性电子组件230优选的是电子二极管或光电二极管。

类似地，其还可以是对温度敏感的非线性电子组件，例如热敏电阻。

传感器200的调制有效性直接关系到二极管的开状态和关状态之间的对比。

两根发射线220优选的是矩形片形状的。在一个变化例中，发射线220的其他形状也是可能的。

优选的，线220的尺寸与波长相比较小。

应注意，线220的表面越大，以频率Fp±Fm2被调制的电磁信号的振幅越大。

此外，根据发射装置110的天线阵列的极化方向确定线220的角度配置。线的纵向与天线阵列的极化方向之间的角度α可以在0°到180°之间。

优选的，线220相对于发射装置110的天线阵列的极化方向定位在α＝45°。

其优点在于减小了阵列中不同传感器200之间的间隔，从而增加了传感器200的密度且增大了设备100的空间分辨率，下面将参考图5进行描述。

这样，通过调整形状或增大或减小线220的长度或宽度以及根据发射装置110的天线阵列的极化方向为线220定位，可以为发射线220采用多种配置。

每个传感器200还包括为非线性电子组件230馈给信号的两个馈线240，优选的，所述馈线240垂直于发射装置110的天线阵列的极化方向设置。

其优点在于减小了馈线240对入射电磁场的影响。

此外，馈线240和线220相对于发射天线阵列的极化方向分别为垂直和成α＝45°的配置允许沿着馈线240，特别是沿着低通滤波器自由使用滤波装置，该低通滤波器用于阻碍线上以频率Fp产生的信号同时保证通过调制频率Fm2的信号。

此外，其他元件集合所在的基板210可以是柔性的或刚性的。其有利地具有介电性和最小的厚度，从而可以限制界面上的反射并减小入射电磁信号的振幅损耗。

对于基板210是柔性的情况，传感器200的阵列可以是适应性结构。例如，圆形的传感器200的阵列可以适用于控制例如沿管状延伸的材料。

结合在传感器200中的调制元件230优选地是电光组件(electro-photonic components)类的非线性电子组件。

馈线240可以是印制电线或非印制电线，对于电光传感器的情况，馈线240被光纤或激光束代替。

图5绘制了与传感器200相同的传感器的阵列，将结合图4进行描述。

阵列的长度应该等于或大于被控材料150的宽度，从而可以完全控制所述材料。

优选地，阵列中的传感器200规律地间隔分布。更具体的说，传感器以确定的距离D被间隔，这可以限定设备的空间分辨率。

实际上，距离D越小，传感器200分析的材料150的区域的宽度越小。

此外，位于阵列中的传感器200中的每一个都可以具有相对于发射装置110的天线阵列的极化方向不同的尺寸和角度位置。

一个变化实施例可以连续设置传感器200使其线220相对于发射装置110的天线阵列的极化方向定位为α＝+45°和α＝-45°。

这可以为接收器200的阵列生成双极化，还可以测量入射电磁场的两个分量。

另一个变化实施例提出通过例如对传感器的线220充电来使用串联设置的多个非线性电子组件230的结构。

此外，另一个变化实施例包括分割传感器的线220，该线220由多个非线性电子组件230的结构进行充电。

此外，另一个变化实施例允许层积两个传感器200，这两个传感器200具有与发射装置110的天线阵列的极化方向不同的两个角度位置。这可以使形成的整体传感器200产生双极化，还能测量局部重合的入射电磁场的两个分量。

最后，另一个变化实施例提出使用发射装置的天线和/或双极化的接收装置结合双极化的传感器，从而可以影响材料中缺陷的偏振测量。

Claims (16)

1、一种控制材料(150)的设备(100)，所述设备(100)至少包括发射装置(110)和接收装置(130)，所述发射装置(110)以载波频率Fp发射电磁信号以照射材料(150)，所述接收装置(130)接收该电磁信号，其特征在于所述设备(100)还包括以频率Fm1调制所述电磁信号的第一调制装置，所述调制装置设置在所述发射装置(110)和所述材料(150)之间的信号路径上，从而在空间上对发出的电磁信号取样；以频率Fm2调制所述电磁信号的第二调制装置(140)，所述调制装置(140)设置在所述材料(150)和所述电磁信号接收装置(130)之间的信号路径上，从而在空间上对通过所述材料(150)的电磁信号取样。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述第一和第二调制装置(141，140)包括用于空间调制的传感器(200)的阵列，每个传感器(200)由非线性电子组件形成或者由非线性电子组件(230)的阵列形成，所述非线性电子组件以期望的调制频率Fm被馈给信号且对连接到所述组件上的两个或多个发射线(220)充电。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于每个传感器(200)包括为所述非线性电子组件(230)馈给信号的两根馈线(240)，所述馈线(240)垂直于所述发射装置(110)的极化方向设置。

4、根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于所述非线性电子组件(230)是电子二极管、光电二极管或热敏电阻，且所述馈线(240)可以是印制电线、或非印制电线、或光纤。

5、根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于所述传感器(200)是由非线性元件，例如电子二极管、光电二极管或热敏电阻进行充电的电偶极。

6、根据权利要求2至5中任一项所述的设备，其特征在于阵列中的所述传感器(200)是规律间隔的。

7、根据权利要求6所述的设备，其特征在于每一阵列的所有传感器(200)朝向材料(150)设置，且排列在垂直于所述发射装置(110)发射的信号的传播方向的公共平面中的一行或多行内。

8、根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于每个传感器(200)包括相对于所述发射装置(110)的极化方向以±45°定位的发射线(220)。

9、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于一方面所述发射装置(110)，另一方面所述第二调制装置(140)和接收装置(130)，设置在所述材料(150)的任意一侧，从而所述第二调制装置(140)接收传输通过材料(150)的信号。

10、根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于一方面所述发射装置(110)，另一方面所述第二调制装置(140)和接收装置(130)，相对于所述材料(150)设置在同侧，从而所述调制装置(140)接收从所述材料(150)反射的信号。

11、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于所述发射装置(110)和所述接收装置(130)均包括相同类型的天线的阵列。

12、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于其包括将所述调制信号多路分配到所述第二调制装置(140)的多路分配装置(180)。

13、根据前一权利要求所述的设备，其特征在于所述多路分配装置(180)是时间多路分配装置或空间多路分配装置。

14、根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于所述设备还包括滤波装置(190)，用于对通过所述接收装置(130)接收的信号进行滤波。

15、根据权利要求2至14中任一项所述的设备，其特征在于所述传感器(200)包括能形成每个传感器阵列(200)的柔性基板。

16、一种控制材料(150)的方法，其特征在于以频率Fp发射电磁信号以照射所述材料(150)，在被发射的电磁信号到达所述材料(150)之前，所述电磁信号以调制频率Fm1被调制，来自所述材料(150)的电磁信号以调制频率Fm2被调制并被接收，基于所述调制产生的信号获得所述材料(150)的图像。

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