CN109459620B - 一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的装置及方法，属于微波检测领域。该发明将天线阵列和多分类模型结合，能够在微波设备在使用的过程中实时、自动的对设备的微波泄漏情况进行检测，不仅能检测到天线附近的微波泄漏情况，同时也能检测到远离天线位置微波泄漏的情况，并利用相关的分类算法判断泄漏位置，确认位置后使用训练好的数据处理模块计算漏能的大小，当泄漏的能量超过设定的阀值时，自动断开电源，停止工作，有效地保证了用户的人身财产安全，同时显示泄漏位置，对后期的维修工作带来极大的便利。

Description

一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的装置及方法

技术领域

本发明属于微波检测领域，具体涉及一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的装置及方法。

背景技术

微波能的应用极其广泛，几乎渗透到了社会生产生活的各个领域。从应用角度来看，主要可分为物料的快速加热及烘干、食品的杀菌灭虫以及材料改性等几个方面，因此各种微波设备也成为了现代生活中不可缺少的一部分，为人们的生活、生产和科研带来了极大的方便。但是，如果微波设备在工作过程中发生微波泄漏将对人体造成极大的伤害，比如像微波炉，在工作时微波屏蔽层坏掉使得微波辐射到炉外，人体受到较强的微波辐射，可能导致头痛、头昏、睡眠问题、记忆减退等等，辐射强度再增强的话就会对心脏产生影响。因此，在微波设备出厂时，都必须进行微波漏能检测。

目前微波检测的常用方法是在微波设备(如微波炉)出厂时，用漏能仪对其进行检测(如图1所示)。该方法的优点是能够精确地检测微波泄漏的大小和微波泄漏的具体位置，但是在微波设备实际工作过程中，不可能时时刻刻用漏能仪对泄漏微波进行检测，例如家庭使用的微波炉过程中，不可能实时检测微波泄漏情况，且一般家庭用户也没有漏能仪。如果发生微波泄漏，将对用户的人身和财产构成严重威胁，这就导致了有些用户在使用微波设备工作时心有余悸，不放心使用，甚至不愿意使用。另外该方法只能检测到漏能仪探头处的微波泄漏情况，并不能同时对整个微波设备可能发生微波泄漏的位置进行检测，如果需要检测其他位置的微波泄漏情况，需要移动漏能仪探头。

在专利申请号为201020583765.X、实用新型名称为《带有微波警示功能的微波炉》的专利文件中公开了一种带有微波警示功能的实用新型微波炉，在原有的微波炉上增设微波检测模块，通过中央处理芯片分析、处理实现报警，能够保证用户的人身安全。但该专利并没有具体的微波检测装置，通常的微波检测装置只能检测天线附近的微波泄漏情况，无法检测到远离天线区域的泄漏情况，但是泄漏可能会发生在任何位置，而该方法却实现不了检测。同时专利中的中央处理芯片对信号的处理也没有具体的算法，该微波炉在理论上实现了报警，但没有实现自动断开电源让微波炉停止工作，如果在报警以后，用户才去手动断开电源，可能已经造成了一定的财产损失。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的技术问题，提供了一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的装置及方法，相对于传统的用漏能仪检测微波泄漏的方法，本方法的创新之处在于微波设备在使用的过程中，能实时、自动的对设备的微波泄漏情况进行检测，不仅能检测到天线附近的微波泄漏情况，同时也能检测到远离天线位置微波泄漏的情况，并利用相关的分类算法判断泄漏位置与漏能的最大值，当泄漏的能量超过设定的阀值时，自动断开电源，停止工作，有效地保证了用户的人身财产安全，同时显示泄漏位置，对后期的维修工作带来极大的便利。

本发明的技术方案如下：

一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的装置，包括检测单元、数据转换单元、数据处理单元、显示单元、报警单元和开关装置，所述检测单元包括同轴传输线，所述数据转换单元包含检波器与A/D转换模块，所述数据处理单元包括单片机，检测单元将接收的高频AC信号通过同轴传输线传输到检波器，检波器将高频AC信号转换为低频AC信号并传输到A/D转换模块，A/D转换模块将低频AC信号转换为数字信号传输到单片机进行处理，处理结果由显示单元进行显示，超过设定阈值时由报警单元报警并同时通过开关装置断开电源，其特征在于，所述检测单元还包括阵列天线，所述阵列天线由设置于微波设备待测区域防辐射层和有机玻璃之间的多个天线单元组成，其中天线单元按照以下方式设置：将微波设备待测区域均分为m*m个区域，其中m＝2k+1，k为正整数，天线单元设置于划分的所有奇数行中的每块区域，数量为((m+1)/2)*m。

进一步地，所述阵列天线还包括增设于第一列和第m列中未设置区域的天线单元，此时，天线单元的总数量为((m+1)/2)*m+m-1。

进一步的，所述天线单元可以是半波偶极子天线、交叉偶极子天线、全向的贴片天线或微带天线等。

进一步的，所述显示单元设于微波设备正前方的右上角，能向用户显示数据处理单元计算的结果，显示的形式可以是数字形式，也可以是文字形式。

进一步的，所述报警单元为声音报警，当微波泄漏超过设定的阀值时及时报警，并通过开关装置断开电源，停止工作。

一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：固定阵列天线，连接检测单元、数据转换单元、数据处理单元、显示单元、报警单元和开关装置；

步骤2：建立数据库，具体步骤如下：

步骤2.1：将微波设备待测区域均分为m*m个区域，从左到右、从上到下依次编号为A1、A2、A3…A((m+1)/2)*m，首先，控制泄漏位置位于第一块区域A1，控制漏能大小为0.5mW/cm^2，使用天线接收到的数据分别减去其对应的((m+1)/2)*m路天线检测电压的初始值，得到U1，U2，…，U((m+1)/2)m，其中，初始值为未开启微波设备时天线的电压值；

步骤2.2：控制漏能泄漏时间，每次泄漏t秒，每1秒记录一次漏能泄漏时天线接收的数据，其中，t＝10s～60s；

步骤2.3：以xmW/cm^2为步长，在漏能大小为(0.5～20)mW/cm^2的范围内，依次增加漏能大小，重复步骤2.1和步骤2.2，得到不同漏能大小下的天线单元的电压值，其中步长x为0.5～1；

步骤2.4：在其他划分区域A2…Am…A((m+1)/2)*m，重复步骤2.1～2.3，记录不同泄漏位置在不同漏能大小下的天线测量电压数据，建立数据库；

步骤3：使用数据库中的数据训练多分类模型(m*m分类)，用训练好的多分类模型来判断微波泄漏位置；

步骤4：在(0.5～20)mW/cm^2的漏能范围内，每个漏能大小下泄漏t秒，对天线单元检测的电压值分别取平均值，得到

由于对称性，使用数据漏能P和电压平均值

将泄漏区域分为两个部分进行拟合：

(1)当泄漏位置为设置有天线的区域Ai时，通过任一天线单元的不同漏能大小和对应不同漏能大小下的测量电压平均值数据来拟合，得到计算公式1为P＝f(U_q)；

(2)当泄漏位置为未设置有天线的区域An时，通过任一未设置有天线的区域的上下两根天线单元的不同漏能大小和对应不同漏能大小下的测量电压平均值之和来进行拟合，得到计算公式2为P＝h(sum(U_L))；

其中，P为漏能大小，单位mw/cm^2，q表示泄漏区域天线的标号，L表示泄漏位置上下两根天线的标号，

表示向下取整，％表示取余，sum表示求和，i和n表示划分区域的编号；

步骤5：实时检测：如果发生微波泄漏，天线单元检测的电压数据输入多分类模型进行判断，得到泄漏位置，然后根据泄漏位置选择对应的拟合公式进行漏能大小的计算并通过显示单元进行显示。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明能在微波设备工作过程中，对设备的微波泄漏情况进行实时检测，并利用相关的分类算法判断泄漏位置并计算漏能的大小，通过报警单元进行报警，当泄漏的能量超过设定的阀值时，自动断开电源，停止工作，有效地保证了用户的人身财产安全，显示单元能同时显示漏能大小和泄漏位置，对后期的维修工作带来极大的便利。

附图说明

图1为用漏能仪对微波炉进行检测的示意图。

其中：1.微波炉实体，2.微波泄漏位置，3.漏能仪探头

图2为将微波炉炉门划分为3*3个区域的示意图。

图3为阵列天线第一种排列方式示意图。

图4为阵列天线第二种排列方式示意图。

其中：1-6和1-15都为天线标号。

图5为微波泄漏检测装置模块连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本实施方式采用的微波炉型号为：M3-232B，尺寸为202(高)×352(宽)×325(深)，单位：mm。本实施例中使用的微波炉进行了前期处理：为了使微波辐射，将炉门上的屏蔽层剪掉，替换成锡箔纸，并在锡箔纸上贴一层导电铜胶带，保证只在所要测量区域处有泄漏，其他位置无泄漏。

步骤1：将微波炉门区域均分为3*3的区域，如图2所示；

步骤2：将6根中心频率2.45GHz的半波偶极子天线对称固定于微波炉炉门有机玻璃和防辐射层的中间，排列方式如图3中a图，天线数量为6，天线通过RG1.13的同轴线接到检波器，检波器输出端连接到6通道的THM工业无纸记录仪；

步骤3：开启微波炉，使A1位置泄漏，并控制漏能大小在(1～20)mW/cm^2之间(漏能的大小用RCG—1A微波漏能检测仪检测)，每间隔1mW/cm^2测量一次数据，测量时间为30s，天线单元每秒输出一组电压数据，将6根天线接收到的信号数据储存起来；

步骤4：重复步骤3，依次使A2、A3...A9位置泄漏，将6根天线接收到的信号数据储存起来，建立一个数据库，并绘制表格如表1所示；

步骤5：利用建立的数据库，训练以SVM为基础的OVO(one-versus-one，一对一)多分类模型，用于判断泄漏位置；

步骤6：对数据库中天线单元测量30秒的电压取平均值，使用(1～20)mW/cm^2不同漏能大小和在不同漏能大小下的电压平均值拟合计算公式：

(1)泄漏位置为A1、A2、A3、A7、A8或A9时，使用任一根天线单元的漏能大小P和电压平均值

拟合公式，为P＝f(U_q)；

(2)泄漏位置为A4、A5或A6时，使用任一未设置天线单元区域的上下两根天线单元的电压平均值

之和与漏能大小P拟合公式，为P＝h(sum(U_L))；

步骤7：如果发生微波泄漏，天线单元将检测到的高频AC信号经数据转换单元转换后输入单片机，单片机的信号处理芯片对六根天线接收到的电压数据输入训练好的以SVM为基础的OVO多分类模型进行泄漏位置判断，然后输出泄漏位置，根据泄漏位置选择相应拟合公式进行漏能大小的计算并通过显示单元进行显示以及相应报警断电处理。

步骤8：校准步骤7的检测结果，使用RCG—1A微波漏能检测仪对微波炉门上的9个位置进行检测，将测到的漏能大小与步骤7的结果进行比较。

表1

图3和图4分别为阵列天线的两种排列方式示意图。其中图3为天线单元第一种排列方式，即天线单元只分布于奇数行划分区域，(a)图为m＝3的设置情况，(b)图为m＝5的设置情况；图4为天线单元第二种排列方式，即天线单元不只分布于奇数行划分区域，还增设了第一列和最后一列没有设置天线单元的区域，(a)图为m＝3的设置情况，(b)图为m＝5的设置情况。

图5为微波泄漏检测装置模块连接示意图。检测单元连接数据转换单元，数据转换单元连接数据处理单元，数据处理单元连接显示单元、报警单元和开关装置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种基于阵列天线实时检测微波泄漏的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：固定阵列天线，连接检测单元、数据转换单元、数据处理单元、显示单元、报警单元和开关装置；

步骤2：建立数据库：

步骤2.1：将微波设备待测区域均分为m*m个区域，天线单元设置于划分的所有奇数行中的每块区域，数量为((m+1)/2)*m，对天线从左到右，从上到下依次编号为A1、A2、A3…A((m+1)/2)*m，控制泄漏位置位于第一块区域A1，控制漏能大小为0.5mW/cm^2，使用天线接收到的数据分别减去其对应的((m+1)/2)*m路电压的初始值，得到U1，U2，…，U((m+1)/2)m，其中，初始值为未开启微波设备时天线的电压值；

步骤2.2：控制漏能泄漏时间，每次泄漏t秒，每1秒记录一次漏能泄漏时天线接收的数据，其中，t为10～60秒；

步骤2.3：以x mW/cm^2为步长，在漏能大小为(0.5～20)mW/cm^2的范围内，依次增加漏能大小，重复步骤2.1和步骤2.2，得到不同漏能大小下的天线单元测量的电压值，其中步长x为0.5～1；

步骤2.4：在其他区域A2、…、Am、…、A((m+1)/2)*m，重复步骤2.1～2.3，记录不同泄漏位置在不同漏能大小下的天线测量电压数据，建立数据库；

步骤3：使用数据库中的数据训练多分类模型用于判断微波泄漏位置；

步骤4：数据处理并拟合计算公式：对数据库中同一漏能大小下泄露t秒的天线检测电压取平均值，在(0.5～20)mW/cm^2的漏能范围内，使用漏能P和电压平均值

进行分区拟合：

(1)当泄漏位置为设置有天线的区域Ai时，通过任一天线单元的漏能P和对应的电压平均值

进行拟合，得到计算公式1为P＝f(U_q)；

(2)当泄漏位置为未设置有天线的区域An时，通过任一未设置天线区域的上下两个设置有天线的区域中的天线单元的漏能P和对应的电压平均值之和进行拟合，得到计算公式2为P＝h(sum(U_L))；

其中，P为漏能大小，单位mw/cm^2，q表示泄漏区域天线的标号，L表示泄漏位置上下两根天线的标号，sum表示求和，i和n表示划分区域的编号；

步骤5：实时检测：如果发生微波泄漏，天线单元检测的电压数据输入多分类模型进行位置判断，然后输出泄漏位置，根据泄漏位置选择相应拟合公式进行漏能大小的计算并通过显示单元进行显示。

Images