CN102032948B - 一种高微波辐射下的温度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高微波辐射下的温度测量方法。本发明针对现有的微波测温技术不能大规模应用于高微波辐射下的温度测量缺点，通过在微波装置壁上开一圆形孔，利用截止波导阻止从孔泄漏出的微波，并通过凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，再由红外探测器进行检测进而得到被测物的温度。该方法简单、实用，可以有效、实时的测量出微波装置内被测物的温度。

Description

一种高微波辐射下的温度测量方法
技术领域
本发明属于微波测温技术领域，特别涉及一种高微波辐射下的温度测量方法。
背景技术
微波加热具有效率高，可控制，无明火，无烟尘，安全等特点，在工业或家用烹调中有着广泛的应用。但是在微波加热过程中，由于微波的强辐射，对金属和有极化的非金属的材料都有加热作用，因为微波加热一般处于封闭腔体内，基于红外线辐射的测温仪也不适用，所以以常规的温度传感器为基础的测量温度的方法不再适用。现有的较广泛应用的微波测温技术中主要有以下三种：
1.在微波热疗机中，用热电偶测量温度。由于热电偶中有金属，为了防止微波对热电偶的干扰，在热疗时采用“停机测温”的方法。由于此方法采用“停机测温”，所以不能用于高微波辐射下的温度测量，也不属于在线测试。
2.光纤温度仪的测温探头不包含金属和极性物质，测温精度高，非常适合应用于微波中的温度测量，但是价格十分昂贵，这决定它只能应用研究于一些小范围的特殊领域，不能大规模应用。
3.煤油温度计，组成煤油温度计的煤油和玻璃具有很低的介电常数和介质损耗，对微波场干扰小，因此在一些工业领域得到了广泛的应用。由于煤油的沸点在150℃左右，所以煤油温度计不能用于高微波辐射下的高温测量。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有的微波测温技术不能大规模应用于高微波辐射下的温度测量缺点，提出了一种高微波辐射下的温度测量方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高微波辐射下的温度测量方法，包括如下步骤：
S1.确定开孔尺寸：在微波装置上开一圆形的孔，该孔与截止波导相连接，孔的半径r的最大值rmax通过公式
Figure GDA0000097359740000021
得到，其中对于TE11模式，p′nm＝1.841，表示第n阶Bessel函数的导数的第m个零点，m和n均为1，μ是截止波导中的磁导率，ε是截止波导中的介电常数，fc是微波装置的工作频率；
S2.消除泄漏微波：通过截止波导阻止从孔泄漏出的微波，孔与截止波导中的微波以e-αz的形式衰减，z是截止波导的长度，α是衰减常数，其大小为：
Figure GDA0000097359740000022
其中kc是截止波导的截止波数，k是截止波导的传播波数，根据微波能量的截止量确定截止波导的长度z，截止波导的半径与步骤S1中的孔的半径r相等；
S3.红外光汇聚：利用凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，凸透镜的物理半径与步骤S2中截止波导的半径相等；
S4.红外光检测：在红外光汇聚处放置热敏电阻红外探测器，检测红外光的辐射强度，得到红外光信号对应的电信号；
S5.数据处理：对步骤S4检测出的电信号进行放大、转换即得到微波装置内被测物的温度。
上述步骤S3中凸透镜的焦距小于截止波导的长度。
上述步骤S4中，还包括通过平衡电桥进行消除干扰的步骤，平衡电桥由第一热敏电阻、第二热敏电阻、第一固定电阻、第一可变电阻和直流电压源组成，其中第一热敏电阻与第二热敏电阻串联，再与串联的第一可变电阻、第一固定电阻并联，然后与直流电压源直接相连，平衡电桥的输出电压即是红外光信号对应的电信号。
本发明的有益效果：本发明针对现有的微波测温不能大规模应用于高微波辐射下的温度测量缺点，通过在微波装置壁上开一圆形的孔，利用截止波导截止掉从孔泄漏出的微波，并通过凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，再由红外探测器进行检测进而得到被测物的温度。该方法简单、实用，可以有效、实时的测量出微波装置内被测物的温度。
附图说明
图1是本发明的高微波辐射下的温度测量方法的结构示意图。
图2是本发明的高微波辐射下的温度测量方法的流程图。
图3是本发明的平衡电桥的示意图。
附图标记说明：微波装置的壁1、孔2、截止波导3、凸透镜4、热敏电阻红外探测器5、被测物6、高透明度玻璃7。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的具体实施例。
本发明的结构示意图如图1所示，在微波装置的壁1上开一定尺寸圆形的孔2，孔2与截止波导3相连接，通过截止波导3阻止从孔泄漏出的微波，凸透镜4置于截止波导3中，凸透镜4将从孔2和截止波导3透射出的红外光汇聚，在汇聚处放置热敏电阻红外探测器5，通过对检测出的红外光信号进行放大、转换即可得到被测物6的温度。为了防止被被测物6中的蒸汽进入截止波导3，可以在孔2前加一高透明度玻璃7。
本发明的一种高微波辐射下的温度测量方法，具体包括如下步骤：
S1.确定开孔尺寸；
在微波装置上开一圆形孔，该孔与截止波导相连接，孔的半径r的最大值rmax通过公式
Figure GDA0000097359740000031
得到，其中对于TE11模式，p′nm＝1.841，表示第n阶Bessel函数的导数的第m个零点，m和n均为1，μ是截止波导中的磁导率，ε是截止波导中的介电常数。由于TE11模式是微波技术领域的公知概念，因此在这里不再做详细描述。
在导波系统中，某导模无衰减所能传播的最低频率为该模式的截止频率，用fc表示。在某特定的导行系统中，当工作频率f小于fc时，该工作频率将不能在导行系统中无衰减的传输，在上述计算孔的半径的最大值的公式中，截止频率fc即为微波装置的工作频率。
以微波炉为例，微波炉的工作频率为2.45GHz，此时的工作频率作为截止频率所对应的圆波导半径是36mm，因此这里的孔的半径r的范围为：0＜r≤36mm。
S2.消除泄漏微波；
通过截止波导阻止从孔泄漏出的微波，孔与截止波导的中的微波以e-αz的形式衰减，z是截止波导的长度，α是衰减常数，其大小为：
Figure GDA0000097359740000041
其中kc是截止波导的截止波数，k是截止波导的传播波数，根据微波能量的截止量确定截止波导的长度z，截止波导的半径与步骤S1中的孔半径r相等。
通过步骤S2可以将微波装置中的从孔泄漏出的微波都阻止掉。
S3.红外光汇聚；
利用凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，凸透镜的物理半径与步骤S2中截止波导的半径相等。
这里凸透镜的焦距小于截止波导的长度，便于将凸透镜放置于截止波导内。
S4.红外光检测；
在红外光汇聚处放置热敏电阻红外探测器，检测红外光的辐射强度，得到红外光信号对应的电信号。
在实际测量温度的过程中，难免会有环境温度的干扰，为了消除此影响，步骤S4还包括通过平衡电桥进行消除干扰的步骤。如图3所示，平衡电桥由第一热敏电阻R1、第二热敏电阻R2、第一固定电阻R3、第一可变电阻R4和直流电压源VD组成，其中第一热敏电阻R1与第二热敏电阻R2串联，再与串联的第一可变电阻R4、第一固定电阻R3并联，然后与直流电压源VD直接相连。
第一热敏电阻R1和第二热敏电阻R2是规格相同的热敏电阻，在测量中它们处于相同的温度环境中，唯一的区别在于第一热敏电阻R1可以受到聚焦的红外线照射，而第二热敏电阻R2则被置于无红外线照射处。在测量温度之前，调节第一可变电阻R4，可以使图3的平衡电桥达到平衡，此时平衡电桥的输出电压VO＝0。
在测量时，由于第一热敏电阻R1受到被测物体发出的红外线照射而升温致使其阻值发生变化，此时电桥输出电压VO不再为零，而正比于被测物的温度。
S5.数据处理。
对步骤S4检测出的电信号进行放大、转换即可得到微波装置内被测物的温度。至此完成了高微波辐射下的温度测量。
本发明针对现有的微波测温不能大规模应用于高微波辐射下的温度测量缺点，通过在微波装置壁上开一圆形孔，利用截止波导阻止从孔泄漏出的微波，并通过凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，再由红外探测器进行检测进而得到被测物的温度。该方法简单、实用，可以有效、实时的测量出被测物的温度。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种高微波辐射下的温度测量方法，包括如下步骤：
S1.确定开孔尺寸：在微波装置上开一圆形的孔，该孔与截止波导相连接，孔的半径r的最大值rmax通过公式
Figure FDA0000110864970000011
得到，其中对于TE11模式，p′nm＝1.841，μ是截止波导中的磁导率，ε是截止波导中的介电常数，fc是微波装置的工作频率；
S2.消除泄漏微波：通过截止波导阻止从孔泄漏出的微波，孔与截止波导中的微波以e-αz的形式衰减，z是截止波导的长度，α是衰减常数，其大小为：
Figure FDA0000110864970000012
其中kc是截止波导的截止波数，k是截止波导的传播波数，根据微波能量的截止量确定截止波导的长度z，截止波导的半径与步骤S1中的孔的半径r相等；
S3.红外光汇聚：利用凸透镜将从截止波导透射出的红外光汇聚，凸透镜的物理半径与步骤S2中截止波导的半径相等；
S4.红外光检测：在红外光汇聚处放置热敏电阻红外探测器，检测红外光的辐射强度，得到红外光信号对应的电信号；
S5.数据处理：对步骤S4检测出的电信号进行放大、转换即得到微波装置内被测物的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中凸透镜的焦距小于截止波导的长度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S4还包括通过平衡电桥进行消除干扰的步骤，平衡电桥由第一热敏电阻、第二热敏电阻、第一固定电阻、第一可变电阻和直流电压源组成，其中第一热敏电阻与第二热敏电阻串联，再与串联的第一可变电阻、第一固定电阻并联，然后与直流电压源直接相连，平衡电桥的输出电压即是红外光信号对应的电信号。
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