CN109374987A - 一种电磁波感应装置及应用该装置的开关 - Google Patents

Abstract

本发明发明人发现电磁波会影响烟雾在空气中的上升形态，并在此基础上提供一种使用烟雾替代天线的电磁波感应装置及使用这种感应装置的开关。本发明利用烟雾实现对电磁波信号的感应，替代天线作为接收装置，不易受环境的影响，能应用于天线受限场合，减少因天线导致的安全隐患，并且可以实现为肉眼所识别，直观读取信号转变，实现电磁波信号的可视化感应。相比于传统的电磁波感应装置，本发明提供了一种全新的电磁感应装置，接收部分的天线由实验腔体中的烟雾替换，烟雾直接作为信号接收设备而存在，克服了现有技术中由天线受到的制约。

Description

一种电磁波感应装置及应用该装置的开关

技术领域

本发明属于电磁波感应技术领域，更具体地涉及一种电磁波感应装置及应用该装置的开关。

背景技术

电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，电磁波由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动。电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。无线电波用于通信等，微波用于微波炉、卫星通信等，红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等，可见光是大部分生物用来观察事物的基础，紫外线用于医用消毒、验证假钞、测量距离、工程上的探伤等，X射线用于CT照相、伽玛射线用于治疗、使原子发生跃迁从而产生新的射线等。

无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。现有无线通信都是基于电磁感应现象，将待传输的数据经低频载波调制、信号放大、功率放大后，通过发射器产生电磁波，电磁波在空间传播时，遇到导体，会使导体产生感应电流，当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，感应电流经滤波、解调、解码等信号处理后，在接收端接收发送的信息，完成通信过程。

传统的天线信号传输系统中，信号的传输过程如下：

(1)天线将本地信号转换为自由空间辐射；

(2)辐射向远离天线的方向传播，经过一段相对较长的距离；

(3)另一个天线检测到辐射，并将其转换成接收信号。

在这种无线通信中，接收端天线为必要部件，在一些特殊场合比如雷电集中区域无法应用，且天线可能会增加电击风险，引入安全隐患，而且天线接收到的信号需要进行复杂的信号处理之后才能以视觉或者听觉的形式呈现。目前还没有出现替代电磁感应现象接收无线电波、微波信号的方法。CN108363052A公开了一种基于可见光通信的室内定位系统及方法，选用发出除室内照明灯的光成分之外的可见光的单色光LED，通过在信号发射器中使用单色光 LED传递唯一ID，再通过在信号接收器的光电探测器的接收端设置滤光片，避免唯一ID信号被室内照明灯干扰，提高了信号接收器接收唯一ID信号的准确性与效率，信号接收器接收到包含唯一ID的单色光信号后将之转换为电信号，将与信号发射器这种匹配关系发送至服务器，由于信号发射器和信号接收器其中之一为固定端，服务器端即可确定信号发射器的位置和信号接收器的位置，从而实现在室内定位。这种方案实现了不用天线进行通信，但这种通信近限于短距离通信，且容易受到环境的干扰。

发明内容

本发明发明人发现电磁波会影响烟雾在空气中的上升形态，并在此基础上提供一种使用烟雾替代天线的电磁波感应装置及使用这种感应装置的开关。本发明利用烟雾实现对电磁波信号的感应，替代天线作为接收装置，不易受环境的影响，能应用于天线受限场合，减少因天线导致的安全隐患，并且可以实现为肉眼所识别，直观读取信号转变，实现电磁波信号的可视化感应。相比于传统的电磁波感应装置，本发明提供了一种全新的电磁感应装置，接收部分的天线由实验腔体中的烟雾替换，烟雾直接作为信号接收设备而存在，克服了现有技术中由天线受到的制约。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案是：

一种电磁波感应装置，所述装置包括由腔体限定的烟雾空间，所述烟雾空间内设置有携带电荷的烟雾。

烟雾用于检测电磁波信号的变化，电磁波的存在会改变烟雾的层流高度，烟雾的层流高度为烟气羽流整体稳定上升的高度。在存在电磁波的情况下烟雾层流高度减小，而当电磁辐射关闭时，烟雾层流高度迅速恢复到其初始高度。烟雾层流高度的变化在添加与去除电磁波的短时间内就能体现，类似于开关的开/关转换，同时体现了非接触的特性。

优选，所述感应装置还包括图像信号采集器以及图像信号分析装置，所述图像信号采集器采集所述烟雾的图像信号，并将所述图像信号传输到图像信号分析装置，所述图像信号分析装置对所述烟雾层流高度的变化进行分析。所述图像信号采集器可以根据实际情况选择摆放位置，可以置于所述腔体内，也可以置于所述腔体外部。

可选的，所述烟雾由燃烧材料燃烧产生，所述燃烧材料可以为比如煤、木材、棉、麻、纸、香烟等。

优选，所述燃烧材料为燃烧产生白色烟雾的材料，比如天然蚕丝、棉、麻、纸、香烟等。虽然本发明中的原材料燃烧产生的烟雾可以由其他携带电荷的烟雾替代，但随着烟雾的逐渐增加，腔体内部的能见度逐渐减低，为了能更好的读取数据，优先选择产物为白色烟雾的原材料。

可选的，所述烟雾由烟雾产生器产生，通过强电极激发空间离子，使烟雾通过从而带电。

腔体用于将烟雾限定在一定范围内，以减少外部环境的影响。在所述腔体中，电磁波信号转变为烟雾高度变化的可观测信号，体现出电磁波信号的转变。

优选，所述腔体为透明腔体。

优选，所述燃烧材料置于所述腔体内。

优选，所述透明腔体设置有顶盖，方便向箱内置放燃烧物。顶部相对两侧设置有导轨，顶盖可沿导轨滑动打开或者闭合透明腔体。从而能够实现两种轻微不同的环境，一个是开放的，另一个是封闭的，通过滑动顶盖从一个环境过渡到另一个环境。

优选，腔体尺寸为20×20×40厘米，由于燃烧会使微粒携带一定量的电荷，所以腔体优选使用5毫米厚的防静电聚碳酸酯板制成，以防止静电对结果产生影响。

为了最小化壁对结果的影响，优选将所述燃烧材料放置在腔体底部的中心。

优选，所述装置还包括照明系统，所述烟雾的层流高度变化经所述照明系统突出显示。

所述照明系统产生具有较好的聚焦能力的可见光束，优选设置于腔体上部。聚光能力较好的照明系统用于突出用于检测的烟雾的状态变化。随着烟雾浓度的增加，腔体内部的能见度逐渐降低，使用具有较好的聚焦能力的可见光束能更好的突出烟雾状态的变化，更好的读取数据。

本发明进一步提供一种电磁感应开关，所述开关包括上文所述的电磁波感应装置、电磁信号发射装置、图像信号采集器以及图像信号分析装置。

所述图像信号采集器采集所述烟雾的图像信号，并将图像信号传输到所述图像信号分析装置，所述图像信号分析装置对烟雾层流高度的变化进行分析，得到与微波信号对应的开关信号。

所述电磁信号发射装置为高频电磁波发射装置，可以为速调管、磁控管体、效应管或某些固体元件。其输出频率优选为900MHz。

优选，所述电磁信号发射装置发射的电磁波为调制电磁波。

优选，所述电磁信号发射装置的发射功率可调，其功率由外部信号控制。

优选，所述开关还包括天线，所述天线用于将电磁波变为自由空间传播的电磁波，所述天线可以为抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线、透镜天线、开槽天线、介质天线、潜望镜天线等。所述天线优选为喇叭天线。

所述腔体置于发射天线的远场区域，且所述腔体中的功率密度不小于10mw/cm²，在此区域内电磁波可视为平面波且场分布稳定。这个区域根据发射电磁波的频率的不同而不同。

所述开关可以应用到航空航天、机车舰船、军工兵器、发电配电、邮电通信、冶金矿山、自动控制、家用电器、仪器仪表和科研实验等社会生产和生活的各个领域，比如点火控制系统、照明系统等。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用电磁波进行信号传递，电磁波传输过程损耗小，可以实现远距离传输，不易受环境的影响，且具有能较好的量化信号的变化等优势。

2、相比于传统的天线型电磁感应接收装置，本发明利用烟雾实现对电磁波信号的感应，替代天线作为接收装置，不易受环境的影响，能应用于天线受限场合，减少因天线导致的安全隐患，各部件的位置可以灵活设置。

3、本发明接收部分的天线由实验腔体中的烟雾替换，采用透明腔体，并使用照明系统突出用于检测的烟雾的状态变化，利用烟雾实现可直观读取信号转变(信号转变的可视化)，信号的变化可轻松的由人眼观察得到，直观读取信号转变，实现电磁波信号的可视化感应，采用信号采集器以及图像信号分析装置，可以应用于自动系统中，实现信号的精确读取。

4、本发明透明腔体采样防静电聚碳酸酯板制成，可以有效防止静电对结果产生影响。

附图说明

图1为本发明电磁感应装置示意图；

图2为本发明电磁感应开关示意图；

图3为本发明的电磁感应开关系统机构示意图；

图4为喇叭天线激发的电磁场分布示意图；

图5为本发明电磁感应开关的系统流程图；

图6为实施例1的实验结果图；

图7为实施例2的实验结果图；

图8为实施例1和实施例2的烟雾层流高度变化图；

图9为电磁波影响层流高度的仿真分析中烟雾粒子距离分区图；

图10为电磁波影响层流高度的仿真分析中不同距离间隔内的烟雾粒子随时间的分布图。

其中：1为微波信号源，2为传输线，3为喇叭天线，4为透明腔体，5为燃烧材料，6为照明系统，7为图像信号采集器，8为图像信号分析装置；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

先对电磁波如何影响烟羽气流的层流高度变化进行理论分析，并通过仿真分析对可行性进行了进一步论证。

一、理论分析

与许多其他充气气体充电方式一样，燃烧使烟雾携带的电荷略高于它们的平衡电荷量。已有研究表明，在周期性电场的作用下，单极带电粒子的轨迹随着电场的变化而变化。气溶胶簇作为非线性系统受到各种影响的影响，轻微干扰可能导致一些有趣的变化。

研究气溶胶云的行为使我们能够在电磁环境中探索烟雾的运动定律。气溶胶云被定义为在它们与周围介质之间具有清晰边界的区域。由于这些高浓度颗粒与来自周围介质的分子进入气溶胶系统时产生的阻力之间的相互作用，周围介质围绕气溶胶系统而不是通过它流动，因此它像固体一样移动。气溶胶云的行为可以通过参数G总结如下：

其中μ是周围气体的粘度，g是重力引起的力，d_c，ρ_c和C_D分别是云的直径，密度和阻力因子。另外，ρ_P和ρ_g分别是颗粒和气体密度，C_S,ave是平均颗粒直径的滑移校正因子。

在我们的实验中，气溶胶粒子满足条件G＞＞1，这意味着它们表现出云行为并且作为连贯体进行移动。在这种情况下，气溶胶系统可以被视为流体，其运动可以描述为层流，过渡状态或湍流。根据雷诺数：

其中ρ，v，d和η分别是流体的密度，平均速度，特征长度和动态粘度。随着雷诺数的增加，流体从平流主导变为非线性动力系统，然后变为混沌演化。

烟羽气流最初是由香烟的燃烧产生的，并且由于与温度相关的密度差异引起的浮力而自然地以层状方式上升，上升期间，粘性力消除了由于环境干扰引起的任何流体场不稳定性。随着羽流上升，各种因素使得粘性力很难继续消除这些环境干扰，因此进入一个不稳定的过渡状态，最终导致烟雾进入动荡的状态。在分析实验结果后，我们认为这可能是电磁波影响烟雾颗粒以改变烟羽的大小。

二、仿真分析

进行烟雾粒子运动模拟，在存在或不存在电磁辐射的情况下获得粒子在不同时刻的位置，并提取当前粒子位置与粒子系统中心之间的距离，从而评估气溶胶云的扩散。然后，将目标粒子到云团中心的距离在不同的时间划分为几个不同的距离间隔，如图9所示，所有粒子到云团中心的距离被分成10个区域，A-J，并且在感兴趣的时间计算每个区域中的粒子数。粒子分布在这些距离间隔上的演变存在显着差异，具体取决于是否存在电磁辐射，如图10所示，图10显示了不同距离间隔内的粒子随时间的分布，在这里，x轴和y轴分别代表粒子与中心的距离(不同的间隔)，以及每个区间中粒子的比例。图10a-d分别表示1s，1.2s，1.5s和 2s时的粒子分散情况。

由多种因素导致粒子距离云中心点的距离增加将造成粒子的扩散。如果足够多的烟雾颗粒进一步扩散，则烟流的特征尺寸将增加，这意味着如果等式(2)中的其他参数是恒定的，则雷诺数将增加。如果最初的小雷诺数超过临界值，最轻微的干扰将导致烟雾状态发生显着变化，将层流羽流变成湍流状态。

当没有电磁辐射时，在中心附近(距离为0)的几个区域中有更多的粒子，而电磁辐射存在时，情况则相反。目标区域中颗粒总数的变化约为10％，表明电磁波的辐射加速了颗粒扩散，并且在800-900MHz的频率下效果特别明显。

本发明中，计算的G值总是远大于1，这意味着烟雾将继续作为一个独特的云移动，而云的雷诺数随着它的大小而增加。除了自然扩散之外，电磁波加速了扩散过程，进一步增加了烟气流的宽度约10％。由于特征尺寸与雷诺数之间存在线性关系，这意味着雷诺数也增加了10％。如果这导致它超过某个临界值，这将充分扰乱烟雾系统，使得粘性力不再能够补偿它，因此烟雾状态将从层流变为湍流。

通过上述理论分析及仿真分析，充分验证了远程电磁-烟雾开关的可行性。

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种电磁波感应装置，所述装置包括由腔体4限定的烟雾空间 1，图像信号采集器2以及图像信号分析装置3，所述烟雾空间1内设置有携带电荷的烟雾，所述图像信号采集器2采集所述烟雾的图像信号，并将所述图像信号传输到图像信号分析装置3，所述图像信号分析装置3对所述烟雾层流高度的变化进行分析。

腔体4用于将烟雾限定在一定范围内，以减少外部环境的影响。所述腔体4为透明腔体，所述烟雾由置于所述腔体4内的燃烧材料5燃烧产生。

燃烧材料5为香烟，透明腔体4中的烟雾的状态变化经所述照明系统6突出显示。

进一步，如图2所示，本发明提供一种电磁感应开关，开关包括微波信号源7，传输线8，喇叭天线9，透明腔体4，燃烧材料5，照明系统6，图像信号采集器2以及图像信号分析装置3；所述微波信号源7是高频电磁波发射装置，用于发射远距离传播的高频电磁波，实现将外界信号转变为电磁波信号，而在透明腔体4中实现电磁波信号转变为烟雾层流高度变化的可观测信号。

工作时，微波信号源7的输出信号通过传输线8传输到喇叭天线9，由喇叭天线9将微波信号辐射到空间，所述微波信号源7产生的微波信号的能改变白色烟雾的层流高度；烟雾的层流高度变化经照明系统6突出显示，所述图像信号采集器2识别烟雾层流高度的变化，并将此信号传输到图像信号分析装置3，所述图像信号分析装置3对烟雾层流高度的变化进行分析，得到与微波信号对应的开关信号。

所述开关信号作为开关模块的输入控制信号。所述开关可以应用到航空航天、机车舰船、军工兵器、发电配电、邮电通信、冶金矿山、自动控制、家用电器、仪器仪表和科研实验等社会生产和生活的各个领域，比如点火控制系统、照明系统等。

所述燃烧材料5用于燃烧产生持续的烟雾，烟雾用于检测电磁波信号的变化。电磁波的存在会改变烟雾的层流高度，烟雾的层流高度描述了烟气羽流的整体稳定上升。在存在电磁波的情况下烟雾层流高度减小，而当电磁辐射关闭时，烟雾层流高度迅速恢复到其初始高度。烟雾层流高度的变化在添加与去除电磁波的短时间内就能体现，类似于开关的开/关转换，同时体现了非接触的特性。

透明腔体1中的烟雾的状态变化经所述照明系统6突出显示，同时所述图像信号采集器 2收集并检测烟雾运动状态的变化，然后将此信号传输到所述图像信号分析装置3进行分析。所述图像信号采集器2可以根据其性能的不同而选择摆放位置，可以置于腔体4内，也可以置于腔体4外部。

所述微波信号源7用于发射远距离传播的高频电磁波，实现将外界信号转变为电磁波信号，而在腔体中实现电磁波信号转变为烟雾高度变化的可观测信号。所述微波信号源7功率可调，由外部信号控制，其输出频率为900MHz。所述微波信号源7发射的电磁波为调制电磁波。

腔体尺寸为20×20×40厘米，由于燃烧会使微粒携带一定量的电荷，所以透明腔体4使用5毫米厚的防静电聚碳酸酯板制成，以防止静电对结果产生影响。

为了最小化壁对结果的影响，将所述燃烧材料5放置在腔体底部的中心。所述燃烧材料 5采用香烟材料，燃烧产生白色烟雾的材料。

所述照明系统6产生具有较好的聚焦能力的可见光束，能够突出用于检测的烟雾的状态变化。随着烟雾浓度的增加，腔体内部的能见度逐渐降低，使用具有较好的聚焦能力的可见光束能更好的突出烟雾状态的变化，更好的读取数据。

为了能更好的体现出电磁波信号的转变，将所述实验腔体4置于发射天线的远场区域，实验腔体4中的功率密度不小于10mw/cm²，在此区域内电磁波可视为平面波且场分布稳定，天线激发的电磁场分布如图3所示。

所述透明腔体4拥有可滑动的顶盖，方便向箱内置放燃烧物5。透明腔体4用于将燃烧物产生的烟雾限定在一定范围内，以减少烟流与腔体内部环境的浓度差。

所述透明腔体4设置有顶盖，顶部相对两侧设置有导轨，顶盖可沿导轨滑动打开或者闭合透明腔体。从而能够实现两种轻微不同的环境，一个是开放的，另一个是封闭的，通过滑动顶盖从一个环境过渡到另一个环境。

实施例1：

透明腔体4的顶盖打开

开启电磁辐射，烟羽气流的层流高度降低，烟羽气流的宽度也显著增加；关闭电磁辐射，烟羽迅速恢复到其初始高度，结果如图6所示。图6(a)为电磁辐射打开前的烟羽气流。图 6(b)为打开辐射后1秒的烟羽气流。图6(c)为再次关闭辐射后2秒的烟羽气流。白光柱仅用于照明。图6(b)中微波泄漏检测器上的红点表示存在电磁波。烟羽气流层流高度随时间的变化如图8(a)所示，x轴和y轴分别显示时间(s)和层流高度(cm)。在电磁辐射打开之前(B-W，方块)，电磁辐射打开时(O-W，圆点)，并且在电磁辐射再次关闭之后(A-W，三角)呈现明显变化。图中离散点显示了单独的测量值，而线条显示了每个区域的平均值。存在电磁波的区域以灰色阴影显示。

实施例2：

透明腔体4的顶盖关闭

当顶盖关闭，实验腔体4完全封闭。由烟雾与周围空气所产生的浓度差引起的弱流场不稳定性导致烟羽中的微弱扰动，导致在原始层流产生的点处羽流的弱振荡并使烟羽气流进入过渡状态。随着烟雾的不断产生，浓度相关的干扰逐渐减少，烟羽气流慢慢恢复到稳定的层流。当其流动状态稳定时，电磁辐射被打开，引起烟羽气流中的严重不规则振荡并产生在电磁波存在下更容易维持的湍流状态。与前面的实验一样，当辐射存在时，烟羽气流变得非常宽，并且当辐射关闭时，烟羽气流迅速恢复到其初始状态。结果如图7所示，图7(a)为电磁辐射打开前的烟羽，图7(b)为辐射开启后1秒的烟羽，图7(c)为再次关闭辐射后2秒的烟羽。白光柱仅用于照明。图7(b)中微波泄漏检测器上的红点表示存在电磁波。烟羽气流层流高度随时间的变化随时间的变化如图8(b)所示，x轴和y轴分别显示时间(s)和层流高度(cm)。在电磁辐射打开之前(B-W，方块)，电磁辐射打开时(O-W，圆点)，并且在电磁辐射再次关闭之后(A-W，三角)呈现明显变化。图中离散点显示了单独的测量值，而线条显示了每个区域的平均值。存在电磁波的区域以灰色阴影显示。

从图7跟图8可以看出，实验腔体的顶盖是否关闭对烟羽气流有轻微的影响，但不会影响电磁波对烟羽气流高度的改变，本发明的电磁感应开关可以采用密闭的烟雾空间也可以采用非密闭的烟雾空间。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种电磁波感应装置，其特征在于：所述装置包括由腔体限定的烟雾空间，所述烟雾空间内设置有携带电荷的烟雾。

2.根据权利要求1所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述感应装置还包括图像信号采集器以及图像信号分析装置，所述图像信号采集器采集所述烟雾的图像信号，并将所述图像信号传输到图像信号分析装置，所述图像信号分析装置对所述烟雾层流高度的变化进行分析。

3.根据权利要求1所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述烟雾由燃烧材料燃烧产生，所述燃烧材料为煤、木材、棉、麻、纸、香烟中的一种或其组合。

4.根据权利要求1所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述腔体具有可滑动的顶盖，所述腔体的顶部相对两侧设置有导轨，所述顶盖可沿所述导轨滑动打开或者闭合所述腔体。

5.根据权利要求1所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述燃烧材料燃烧产生白色烟雾。

6.一种电磁感应开关，其特征在于：所述开关包括权利要求1-5任一项所述的电磁波感应装置、电磁信号发射装置、图像信号采集器以及图像信号分析装置。

7.根据权利要求6所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述电磁信号发射装置为速调管、磁控管体、效应管中的一种。

8.根据权利要求6所述的开关，其特征在于：所述电磁信号发射装置发射的电磁波为调制电磁波。

9.根据权利要求6所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述开关还包括照明系统。

10.根据权利要求6所述的电磁波感应装置，其特征在于：所述开关还包括天线，所述烟雾空间置于发射天线的远场区域，且所述腔体中的功率密度不小于10mw/cm²。