CN108828380B - 微波加热过程中材料电磁参数测量装置与方法 - Google Patents

微波加热过程中材料电磁参数测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种微波加热过程中材料电磁参数测量装置与方法，采用波导开关使微波加热系统与电磁参数测量系统分离可控，通过控制微波加热过程和电磁参数测量过程交替进行测量材料在整个微波加热过程中的电磁参数。本发明简单易行，为分析和调整材料的微波加热工艺奠定了基础。

Description

微波加热过程中材料电磁参数测量装置与方法
技术领域
本发明涉及一种电磁参数测量装置，具体地说是一种微波加热过程中的材料的电磁参数测量装置。
背景技术
微波是频率为300M至300GHz的电磁波。微波加热是材料依靠吸收微波能并将其转换成热能，从而使材料整体同时升温的加热方式。材料的电磁参数直接决定了材料的吸波性能。然而，材料在加热的过程中的相变反应或分子热运动等均会大幅影响材料的电磁参数。因此，测量材料在整个微波加热过程中的电磁参数对于分析和调整微波加热工艺至关重要。
现有方法采用电阻丝对微波单模谐振腔和放置在其内部的样品进行传导加热，从而测试样品在加热过程中的电磁参数。然而，微波加热过程中材料发生的相变反应和加热产物均不同于传导加热过程，而且传导加热的方法加热惯性大，材料温度不均匀。当采用微波加热时，由于用于加热的微波信号（磁控管发出）和用于电磁参数测量的电磁信号（矢量网络分析仪发出）会发生干涉，因此，如何在微波加热过程中测量材料的电磁参数一直是本领域公认的难题。
针对上述问题，本发明提供一种微波加热过程中材料电磁参数测量装置与方法，将材料放置在微波单模谐振腔内，利用微波源发射微波对腔内的材料进行加热，当加热一定时间后，通过波导开关关闭微波单模谐振腔与微波加热系统的通道，转而打开微波单模谐振腔与电磁参数测量系统的通道，对当前温度下材料的电磁参数进行测量。本发明解决了在微波加热过程中测量材料电磁参数的难题，为进一步分析和调整材料的微波加热工艺奠定了基础。
发明内容
本发明的目的是针对现有电磁参数测量装置无法用于测量材料在微波加热过程中的电磁参数的问题，发明一种微波加热过程中材料电磁参数测量装置，实现对微波加热过程中材料电磁参数的有效测量，同时提供一种相应的电磁参数交替测量方法。
本发明的技术方案之一是：
一种微波加热过程中材料电磁参数测量装置，其特征在于：它包括微波加热系统和电磁参数测量系统。
所述的微波加热系统包括微波单模谐振腔6和微波源10，微波单模谐振腔6的两端分别连接第一波导开关2’和第二波导开关2的A端，第一波导开关2’的B端依次连接调配器7、环形器8、水负载9、波导传输线19、微波源10，第二波导开关2的B端连接终端调配器1，材料15放置在微波单模谐振腔6内进行微波加热；其中，微波源10用于产生加热微波功率，环形器8与水负载9用于吸收未被材料15完全吸收的反射功率，避免损伤微波源10，调配器7用于调节传输线阻抗从而降低传输线损耗，终端调配器1用于调节微波单模谐振腔6内的驻波分布情况；微波单模谐振腔6的侧面设置有微波屏蔽小孔18，温度采集装置11透过该微波屏蔽小孔实时监测材料15的加热温度，并将温度数据实时发送到工业计算机13，工业计算机13通过功率控制单元12实时调整微波源10的加热功率；
所述的电磁参数测量系统包括与第一波导开关2’和第二波导开关2的C端相连接的第一波导同轴转换器3’和第二波导同轴转换器3，第一波导同轴转换器3’和第二波导同轴转换器3分别通过第一同轴线4’和第二同轴线4连接矢量网络分析仪5。
所述的微波单模谐振腔6的C面具有取放样品的腔体门17；D面设置有微波屏蔽小孔18用于对放置在微波单模谐振腔6内的材料15进行测温；测温方式可采用接触式光纤测温或非接触式红外测温等。
针对黏流态样品或者高温下会软化的样品提供配合使用的样品夹具，该夹具采用耐高温的透波材料制成(如聚四氟乙烯、玻璃、陶瓷)等，包括用于放置样品的凹槽16和盖板14。
本发明的技术方案之二是：
一种微波加热过程中材料电磁参数测量方法，其特征在于：采用如下步骤测试材料在微波加热过程中的电磁参数：
第一步，调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并对整个电磁参数测量系统进行校准；
第二步，将材料15放入微波单模谐振腔6内，连接温度采集装置11，并测量材料15在室温下的电磁参数；
第三步，调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与B端通路，其余端口短路，构成微波加热系统，并根据设定的温度曲线对材料15进行加热；
第四步，当材料15的温度达到设定的测量点温度时，立即关闭微波源10，快速调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并测量材料15在当前温度下的电磁参数；
第五步，重复第三步和第四步，直至完成所有电磁参数测量过程。
所述的电磁参数包括反射率（S11/ S22）、透射率（S12/ S21），以及根据反射率和透射率计算的介电常数和磁导率等。
所述的第一波导开关2’和第二波导开关2可采用电磁控制或手动控制两种结构，采用电磁控制时，通过工业计算机13控制微波加热过程与电磁参数测量过程交替进行，使加热时间t1与测试时间t2相互配合。
当材料15为各向异性材料时，通过调节样品与电场方向的夹角完成其不同方向的电磁参数测试。
本发明的有益效果：
采用本发明所述的装置和方法可以方便、准确地测量任意材料在微波加热过程中的电磁参数。
附图说明
图1是本发明的总体装置示意图。
图2是本发明的微波单模谐振腔示意图。
图3是本发明的夹具示意图。
图4是本发明的加热/测量控制信号图。
图中：1为终端适配器、2为第一波导开关，2’为第二波导开关， 3’为第一波导同轴转换器，3为第二波导同轴转换器， 4’为第一同轴线，4为第二同轴线，5为矢量网络分析仪、6为微波单模谐振腔、7为调配器、8为环形器、9为水负载、10为微波源、11为温度采集装置、12为功率控制单元、13为工业计算机、14为夹具盖板、15为材料、16为夹具凹槽、17为腔体门、18为微波屏蔽小孔、19为波导传输线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的装置作进一步的说明。
实施例一。
如图1-3所示所示。
一种微波加热过程中材料电磁参数测量装置，该装置同时包括微波加热系统和电磁参数测量系统；所述的微波加热系统包括微波单模谐振腔6和微波源10，微波单模谐振腔6的两端分别连接第一波导开关2’和第二波导开关2的A端，第一波导开关2’的B端与调配器7相连，调配器7与环形器8相连，环形器8一方面连接水负载9，另一方面通过波导传输线19连接微波源10；第二波导开关2的B端连接终端调配器1，材料15放置在微波单模谐振腔6内进行微波加热；微波单模谐振腔6的侧面设置有微波屏蔽小孔18，温度采集装置11透过该微波屏蔽小孔18实时监测材料15的加热温度，并将温度数据实时发送到工业计算机13，工业计算机13通过功率控制单元12实时调整微波源10的加热功率；所述的微波源10用于产生加热微波功率，环形器8与水负载9用于吸收未被材料15完全吸收的反射功率，避免损伤微波源10，调配器7用于调节传输线阻抗从而降低传输线损耗，终端调配器1用于调节微波单模谐振腔6内的驻波分布情况；所述的电磁参数测量系统包括连接在第一波导开关2’和第二波导开关2的C端的波导第一同轴转换器3’和第二波导同轴转换器3，第一波导同轴转换器3’和第二波导同轴转换器3分别通过第一同轴线4’和第二同轴线4连接矢量网络分析仪5。微波单模谐振腔6的C面（相当于图1中微波单模谐振腔6的正面）具有取放样品的腔体门17；D面（相当于图1中微波单模谐振腔6的背面）设置有微波屏蔽小孔18用于对放置在微波单模谐振腔6内的材料15进行测温；测温方式采用接触式光纤测温或非接触式红外测温。针对黏流态样品或者高温下会软化的样品提供配合使用的样品夹具，该样品夹具采用耐高温的透波材料制成，所述样品夹具包括用于放置样品的凹槽16和盖板14，如图3所示。
如图1所示，微波单模谐振腔6两端分别连接单刀双掷第一波导开关2’和第二波导开关2。微波单模谐振腔6的制造标准为BJ26，其长度为500mm，横截面宽度和高度分别为86.36mm和43.18mm。微波单模谐振腔6的C面中部设置有取放被测样品15的腔体门17。腔体门17高43.18mm，宽50mm。微波单模谐振腔6的D面（图2）中部设置有用于测量被测样品15温度的微波屏蔽小孔18，孔径为3mm。第一波导开关2’的B端依次连接三销钉调配器7、环形器8和水负载9、波导传输线19、微波源10。微波源10的频率为2.45GHz，功率为1500W。波导传输线19的制造标准同样采用BJ26。波导开关2B端连接终端调配器1。微波加热过程中采用光纤荧光温度解调仪或红外测温模块11实时监测被测样品15的加热温度，并将温度信号实时发送至工业控制计算机13。工业控制计算机13实时计算测量温度信号与设定温度信号的差值，并通过功率控制单元12实时调节微波源10的加热功率。上述装置构成了本发明的微波加热系统。
第一波导开关2’和第二波导开关2的C端连接第一波导同轴转换器3’和第二波导同轴转换器3，并通过第一同轴线4’和第二同轴线4连接至矢量网络分析仪5。采用的矢量网络分析仪5为是德N5244B，其频率范围为~43.5GHZ。上述装置与微波单模谐振腔6一起构成了本发明的电磁参数测量系统。
实例施二。
测量碳纤维增强双马树脂基复合材料（ZT7H/QY9611）在微波加热过程中垂直纤维方向的电磁参数。第一波导开关2’和第二波导开关2采用电磁控制方式。首先，采用ZT7H/QY9611预浸料制作被测样品15，铺层方式为[0°]16，从而保证测试过程中碳纤维的方向与电场方向垂直，样品尺寸为86（长）×43（宽）×2（厚）mm3。然后采用如下步骤测试材料在微波加热过程中的电磁参数，
第一步，手动调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并对整个电磁参数测量系统进行校准；
第二步，将被测样品15放入微波单模谐振腔6内，采用红外测温模块11透过微波屏蔽小孔18实时测量被测样品15的温度，并测量被测样品15在室温下的电磁参数；
第三步，手动调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与B端通路，其余端口短路，构成微波加热系统，并采用5°C/min的升温速率对被测样品15进行加热；
第四步，当被测样品15的温度为10的整数倍时，立即关闭微波源10，快速调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并测量被测样品15在当前温度下的反射率（S11/ S22）、透射率（S12/ S21）、介电常数和磁导率；
第五步，重复第三步和第四步，直至样品温度达到300°C，关闭整个系统，完成测试。
实施例三。
测量环氧树脂在微波加热过程中的电磁参数。第一波导开关2’和第二波导开关2采用电磁控制方式。采用如下步骤测试环氧树脂在微波加热过程中的电磁参数，
第一步，调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并对整个电磁参数测量系统进行校准；
第二步，将环氧树脂15倒入样品夹具的凹槽16内，并用盖板14进行密封。该样品夹具采由耐高温且透波的聚四氟乙烯制成，外轮廓尺寸为86（长）×43（宽）×20（厚）mm3，内部凹槽尺寸为80（长）×38（宽）×15（深）mm3，盖板14的尺寸为80（长）×38（宽）×10（厚）mm3。将样品夹具放入微波单模谐振腔6内，将光纤荧光传感器插入微波单模谐振腔6和样品夹具凹槽16侧面的测温小孔18内，并用高温胶带进行密封。连接光纤荧光温度解调仪11实时测量环氧树脂15的温度。测量环氧树脂15在室温下的电磁参数；
第三步，采用工业控制计算机15控制微波加热过程与电磁参数测量过程交替进行，加热时间t1设置为55s，测量时间t2设置为5s。加热时，自动调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与B端通路，其余端口短路，构成微波加热系统，加热速率为5°C/min；测量时，自动关闭微波源10，调整第一波导开关2’和第二波导开关2使其A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并测量被测样品15在当前温度下的反射率（S11/ S22）、透射率（S12/ S21）、介电常数和磁导率；
第四步，当环氧树脂温度达到150°C，关闭整个系统，完成测试。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种微波加热过程中材料电磁参数测量装置，其特征在于：该装置同时包括微波加热系统和电磁参数测量系统；
所述的微波加热系统包括微波单模谐振腔（6）和微波源（10），微波单模谐振腔（6）的两端分别连接第一波导开关（2’）和第二波导开关（2）的A端，第一波导开关（2’）的B端与调配器（7）相连，调配器（7）与环形器（8）相连，环形器（8）一方面连接水负载（9），另一方面通过波导传输线（19）连接微波源（10）；第二波导开关（2）的B端连接终端调配器（1），材料（15）放置在微波单模谐振腔（6）内进行微波加热；微波单模谐振腔（6）的侧面设置有微波屏蔽小孔（18），温度采集装置（11）透过该微波屏蔽小孔（18）实时监测材料（15）的加热温度，并将温度数据实时发送到工业计算机（13），工业计算机（13）通过功率控制单元（12）实时调整微波源（10）的加热功率；所述的微波源（10）用于产生加热微波功率，环形器（8）与水负载（9）用于吸收未被材料（15）完全吸收的反射功率，避免损伤微波源（10），调配器（7）用于调节传输线阻抗从而降低传输线损耗，终端调配器（1）用于调节微波单模谐振腔（6）内的驻波分布情况；
所述的电磁参数测量系统包括连接在第一波导开关（2’）和第二波导开关（2）C端的第一波导同轴转换器（3’）和第二波导同轴转换器（3），第一波导同轴转换器（3’）和第二波导同轴转换器（3）分别通过第一同轴线（4’）和第二同轴线（4）连接矢量网络分析仪（5）；
调整第一波导开关和第二波导开关，使它们的A端与C端形成通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统；调整第一波导开关和第二波导开关，使它们的A端与B端形成通路，其余端口短路，构成微波加热系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：微波单模谐振腔（6）的C面具有取放样品的腔体门（17）；D面设置有微波屏蔽小孔（18）用于对放置在微波单模谐振腔（6）内的材料（15）进行测温；测温方式采用接触式光纤测温或非接触式红外测温。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：针对黏流态样品或者高温下会软化的样品提供配合使用的样品夹具，该样品夹具采用耐高温的透波材料制成，所述样品夹具包括用于放置样品的凹槽（16）和盖板（14）。
4.一种微波加热过程中材料电磁参数测量方法，其特征在于：采用如下步骤测试材料在微波加热过程中的电磁参数：
第一步，调整第一波导开关和第二波导开关，使它们的A端与C端形成通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并对整个电磁参数测量系统进行校准；
第二步，将材料（15）放入微波单模谐振腔（6）内，连接温度采集装置（11），并测量材料（15）在室温下的电磁参数；
第三步，调整第一波导开关和第二波导开关，使它们的A端与B端形成通路，其余端口短路，构成微波加热系统，并根据设定的温度曲线对材料（15）进行加热；
第四步，当材料（15）的温度达到设定的测量点温度时，立即关闭微波源（10），快速调节第一波导开关和第二波导开关使它们的A端与C端通路，其余端口短路，构成电磁参数测量系统，并测量材料（15）在当前温度下的电磁参数；
第五步，重复第三步和第四步，直至完成所有电磁参数测量过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的电磁参数包括反射率（S11/ S22）、透射率（S12/ S21），以及根据反射率和透射率计算的介电常数和磁导率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：第一波导开关和第二波导开关采用电磁控制或手动控制两种结构，采用电磁控制时，通过工业计算机（13）控制微波加热过程与电磁参数测量过程交替进行，使加热时间t1与测试时间t2相互配合。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当材料（15）为各向异性材料时，通过调节样品与电场方向的夹角完成其不同方向的电磁参数测试。
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