微波加热中物料实时温度测量无线传感器及其网络

微波作为新型的清洁能源在工业生产中得到广泛应用。然而,微波选择性加热导致的加热不均匀和微波场中温度难以准确实时测量的问题限制了微波工业设备的高效设计与应用。针对以上问题,本文设计了一种基于无线传感器网络和单片机技术的微波加热温度测量系统,该系统以STM32作为微控制器、CC1101作为无线收发器组成星型无线传感器网络,并开发简易的上位机显示程序,实现了微波加热过程中多点位置的实时温度测量。其中无线传感器节点(End Device)采用DS18B20数字温度传感器实时测量节点位置温度值并发送数据,中央节点(Access Point)接收数据并通过RS232串口上传至PC机显示。本文使用该系统测量结果和光纤温度计结果作为比对,验证了该系统的可行性和准确性,且该系统成本低廉、布控灵活,适用于隧道式工业微波加热等多种应用场景。     

一种915 MHz和2450 MHz双频微波加热分析

微波加热作为一种新型的加热方式在许多领域中得到了广泛的应用,与传统的加热方法相比,微波加热具有高效节能、选择加热、清洁无污染等特点。多源微波加热结构是实现微波均匀高效加热的有效手段,也是微波加热领域未来的发展趋势。在工业应用的多源微波加热腔体中,保证加热效率的同时如何提升加热均匀性始终是该领域的研究重点。本文在现有微波加热模型的基础上,提出了一种新型的双端口双频微波加热模型。本文基于有限元方法的多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.4设计了一种915 MHz和2450 MHz的双频微波加热模型,通过端口之间的正交和缝隙滤波器的设计减少了两个端口之间能量的互相耦合,在保证加热效率的同时提高了加热的均匀性。     

管道式固体材料微波加热装置的仿真设计*

为了解决工业上固体材料在微波加热过程中普遍存在的能量不集中、效率低、加热不均匀的问题,提 出了一种管道式固体材料微波加热装置的设计方案。利用多物理场仿真对固体材料微波加热均匀性影响因素进行 分析,并优化了微波馈入装置的分布和管道结构,仿真表明该装置具有较好的加热均匀性和较高的效率。基于优化 后的设计,计算了褐煤在微波加热时的温度分布情况,其温度场的变异系数COV 值达到0.166,表明温度分布具有 良好的均匀性。该装置实现了对褐煤的微波均匀加热,对固体材料微波加热的工业应用具有指导意义。     

基于缝隙波导的多频微波加热研究

微波因其高效、绿色无污染等优点在加热领域应用广泛,但加热均匀性差限制了它的进一步发展。本文基于波导缝隙天线理论和磁控管的非线性响应特性,设计了一个以波导缝隙阵列天线为辐射器的加热系统。利用磁控管的非线性响应特性输出多个频率的微波以丰富电磁场的模式,设计了基于横向缝隙波导和纵向缝隙波导的两种辐射器,建立了微波加热的多物理场模型,以模拟多个频率的微波通过缝隙波导加热物体的效果,并分析了不同参数如缝隙、频差等对加热均匀性及效率的影响。     

基于数值仿真的多馈微波加热温度控制系统

针对常用多模腔加热的不均匀性,对多馈口微波加热进行了研究,提出了一种基于数值仿真分析来设计微波加热系统的方法。通过建立1/2 全尺寸有限元模型进行仿真计算,分析了馈口数量对微波加热的影响,在此基础上采用Bang-Bang 控制策略设计了加热系统。其中,圆柱形谐振腔模型的高度为800 mm,半径为395 mm。腔体周围环形布置10个微波源,通过德拜模型仿真温度变化和测量值进行对比,验证了仿真模型的正确性。不同馈口数的COMSOL仿真结果表明,馈口数为4时,温度变异系数(COV)为0.0897,相比于一个馈口的情况,温度的均匀性提高了10.5%。通过实验测试了微波加热系统性能,实验结果表明,媒质温度能得到合理控制。     

微波辅助油炸的加热均匀性研究

为了实现高均匀性的微波和油炸的联合加热，本文设计了一种延展的微波单模腔，扩大了微波加热区域，通过调节矩形加热区域在极化方向的尺寸可获得均匀的电场分布，同时建立了微波加热的多物理场仿真模型来计算腔体内的电磁场分布以及土豆的温度分布。仿真结果表明，在设计的腔体内模拟微波油炸初步实现对土豆油炸效率的提升，模拟土豆在矩形加热腔内做匀速平移运动以及调节上下两个端口之间的相位差随时间不断变化能够进一步提高油炸均匀性，并建立实验系统，验证了所提方法的准确性。还讨论了不同厚度、不同含水量的土豆片对油炸均匀性的影响。     

煤炭低温微波提质系统研究与设计

褐煤因其含水率太高无法合理利用。介绍了一种用于褐煤脱水的低温微波装置。该装置采用新型微波加热技术,与传统方法相比,具有高效、安全和无污染的优点。详细介绍了该装置的组成、主要指标。采用多模谐振腔的设计提高了加热均匀性和加热效率,特有的微波漏能抑制器和网孔设计使微波泄漏功率很小。应用微波理论和仿真进行了较深入的分析,仿真也验证了理论分析结果。最后,实验数据表明,该装置的处理能力和加热均匀性均达到预期,性能良好。其研究成果可推广于产业化应用。     

基于选频技术的高效高均匀性微波加热

近年来,微波加热以其高效性和内部加热等优点在各领域得到广泛应用。然而,微波加热的不均匀性限制了其大规模工业应用的发展。高均匀性和高效率是微波加热领域研究的重点。效率低会造成能源的浪费,而不均匀加热会导致加热品质差、甚至热失控等现象。本文提出一种双端口选频加热方法,通过在腔体中内置两个正交极化天线方式进行馈电。并且利用扫频来分析各频点的加热效率以及不同频率对加热效果的影响。最后选择性地对其中高效率的频点进行选频加热,使其在维持加热高效率的前提下提高加热的均匀性。     

平板微波炉均匀性提升研究

提出了一种平板微波炉新型曲面天线结构,与平面天线结构相比,其加热均匀性具有明显改善,同时消除采用平面天线的平板微波炉产生的微波盲区。该曲面天线由曲面金属片和内导体构成。根据微波天线理论,首先设计平面天线和曲面天线初始尺寸,然后运用电磁仿真软件HFSS实体建模,通过仿真空载和负载条件下,对比验证曲面天线能够提升均匀性和消除微波盲区,最后再通过天线手板测试验证。研究表明新型曲面天线相对平面天线,加热均匀性提升10.3%,且消除微波盲区。     

基于MSP430F2132的温差式原油流量传感器设计

设计了基于热力学吸热定律的温差式流量传感器.通过标定试验确定流量与温差的关系后,现场只需测量加热装置前后的温度,即可由单片机MSP430F2132计算得到流量.利用无线模块,实现数据的短距离无线传输.在保证测量精度的同时,降低了流量传感器的成本.     

微波分离场加热焊锡膏的实验研究

微波加热作为一种快速、高效、清洁的加热方式,在材料处理领域得到了广泛应用。本文结合金属粉末的微波耗散机理,分析了焊锡膏在微波电场及磁场中的加热特性,通过实验研究了焊锡膏电路在微波电场、微波磁场中的加热效果。实验结果表明,微波电场和微波磁场均可快速加热焊锡膏,但高强度的微波电场容易激发等离子体,灼伤基板;而微波磁场则选择性地加热焊锡膏,实现快速加热融化焊点的同时保持基板在较低温度。通过对比微波磁场快速融化的焊点与传统方式加热融化焊点的微观结构,发现微波磁场快速加热融化的焊点具有极薄的金属间化合物厚度,有利于提高焊点强度。该研究为柔性等塑料基电路的焊接提供了一种良好的解决方案。     

微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响

利用电磁场和误差分析理论,在阐述天线远场测量条件的基础上,分析了微波暗室有限测试距离对天线远场测量的影响,建立了误差模型,并结合实例说明了微波暗室有限测试距离对天线场强测量、增益测量的影响.分析结论可为实践中快速准确地确定适合在微波暗室内进行测量的天线尺寸和频率范围提供具体的技术指导.     

A Microwave Irradiation Chamber for Scientific Studies on Agricultural Products (Short Papers)

The design and testing of a chamber for uniform heating of objects with an intense microwave field is described. Methods for direct and inferred measurement of temperature in the microwave field during irradiation are discussed. A theoretical analysis was made to determine the range of electrical parameters for which heating will be uniform. This analysis was verified experimentally. Curves for determining the rate of energy absorption in cylindrical posts are given for a wide range of electrical parameters.     

空中三维电场探测系统

目前存在的空中电场探测方法，主要实现空中矢量电场的一个或两个分量的探测。介绍了一种新型的空中三维电场探测系统，系统由传感器、发射机、接收机以及地面信号处理单元组成，传感器采用新型的三维电场传感器，其探测到的三维电场信号是由发射机发射，接收机接收到信号后，送到信号处理部分进行分解，识别出的电场三维信号矢量。该系统进行了外场探空试验，成功地获得了可靠的空中三维电场探测数据，完成了从地面至15km高空之间的电场的三维探测。     

The resistive sensor: a device for high-power microwave pulsedmeasurements

In this paper we review a novel microwave power sensor, the operation of which is based on the electron-heating effect in semiconductors. The sensor has been specifically developed for the measurement of high-power microwave pulses. The sensor's principle of operation and its related circuitry are described. The influence of lattice heating on the sensor's performance is considered. The actual design and implementation of a waveguide-type sensor is presented, including details regarding its calibration. The application of the sensor for the measurement of microwave pulses at medium and high power levels is also presented     

基于AFA型吸波材料的微波暗室静区性能仿真

基于射线追踪法开发的静区电平仿真软件应用于AFA型吸波材料(难燃型吸波材料)铺设的微波暗室静区性能仿真。软件以国内暗室性能检测机构的喇叭天线数据为依据设定发射天线的辐射特性模拟函数,得到发射天线的直射波方向图。以AFA 型吸波材料的实测数据为依据设定吸波材料的吸波特性模拟函数,计算微波暗室各面墙壁反射电场在静区内叠加后的总反射电场值,并据此得到静区内的反射电平分布。仿真与实测结果表明,1 GHz 以下静区反射电平仿真结果下限值与测试结果偏差相对较大;1 GHz 以上两者偏差小于1 dB,吻合较好。验证了该仿真软件能够快速并较准确地用于微波暗室吸波工程的设计与评估。     

Measurement of intense microwave field patterns using a neon glow indicator lamp

A novel method using small neon glow lamps with electrodes is developed for measuring intense microwave field patterns. When the lamp axis coincide with the electric field direction, the lamp discharge starts at the feeblest microwave electric field strength. Therefore, the lamp axis shows the field direction and the discharge starting indicates the field strength. The field strength for starting the microwave discharge is less than the strength for AC discharge, because of its low loss discharge mechanism. In the experiments using a microwave oven, it has been demonstrated again comparing with the simulated results that the method is able to use for measuring the intense electric field strength and direction.     

Synthesis of Tetrapodlike Zinc Oxide Nanostructures by Inductive Heating

The inductive heating method is used to synthesize regular tetrapodlike zinc oxide nanostructures on a glass substrate. The morphology of tetrapodlike ZnO nanostructures is investigated by scanning electron microscopy. It is found that the tetrapodlike ZnO structure fabricated by inductive heating is smaller than that fabricated by PVD. Therefore, more emission sites can be generated with the tetrapodlike ZnO structures obtained by inductive heating. The field-emission characteristics of ZnO nanostructures are also measured in this letter. The measurement results show that the tetrapodlike ZnO nanostructures obtained by the inductive heating method have low turn-on electric field and high emission current. Its field-emission performance is better than that of the tetrapod ZnO emitters obtained by PVD due to its good morphology and adhesion on substrate. Because ZnO nanostructures can grow directly on a glass substrate with the inductive heating method, it is very useful for the application in the field-emission display panel.      

基于金刚石NV色心的带状线芯片微波场成像

为了满足集成微波器件进行高分辨率微波近场测量的需求,本论文提出了一种基于金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy,NV）色心的微波近场成像技术.该技术可用于查找芯片等集成微波器件的干扰源和信号串扰.此微波近场成像方法采用金刚石NV色心颗粒作为场传感器,其中金刚石颗粒固定在锥形光纤的末端.由于塞曼效应,NV色心的光探测磁共振（Optical Detection Magnetic Resonance,ODMR）谱在外部静磁场环境中会分裂成为8个峰,通过测量共振峰频点的Rabi振荡谱,能够得到Rabi频率,接着通过2.8MHz/Gauss换算得出该处的微波场强度,最后通过将所测得所有数据点进行二维图像处理即可得到所测芯片和集成微波器件的表面微波场近场图像.