微波密度传感器谐振腔的结构设计

　　1　检测原理简介

　　微波是一种频率在300MHz~300GHz的电磁波。在微波频段,由于水的介电常数和损耗角正切远大于普通脱水物料,所以用微波照射含有水分的物料时,其能量会被损耗。基于这种特性,当被测物料通过微波谐振腔时,会引发谐振腔谐振频率的偏移和功率的衰减,通过检测谐振腔谐振频率的偏移量Δf和微波功率的衰减量Δp,经过后续的数据处理即可得到被测物料的密度。图1所示为微波谐振腔谐振曲线。

　　在实际测量中,为提高抗干扰性和测量精度,选取谐振曲线上最好线形段上的两个相近固定频率点(相差几十兆赫兹),用微波发生器向谐振腔输送这两种固定频率的微波,通过加载物料前、后两个频率点谐振功率的变化,检测谐振频率和幅值的变化,继而得到被测物料的密度。图1中,fa、fb为微波发生器输送的两个固定频率,p0a、p0b为空腔时的谐振功率,p1a、p1b为加载物料时的谐振功率,f1为加载后谐振频率,f0为空腔谐振频率。

　　2　结构设计

　　由上述检测原理可知,得到精确的谐振频率偏移值和幅度衰减值是保证传感器精度的基础。谐振腔作为传感器的核心部件,其结构尺寸应合理,能产生合适的谐振曲线波形,灵敏度高,稳定性好。

　　2.1　外形的确定

　　本设计选择常用的圆柱形谐振腔,不仅是从所要采用的谐振模式上考虑,其结构方面的优点也很明显:一是圆柱形内腔容易达到较高的加工精度,二是圆柱形在变形后仍能保持原来的形状。

　　谐振腔结构如图2所示,主体外形为圆柱体,内部为圆柱形空腔,由腔盖密封合成。中间为过物料的通孔,由一根高耐磨、低介电损耗的保护管贯通。为减少开通孔引起的微波泄漏,两端各有一段延伸。谐振腔还需要两个微波耦合探针,一个用于输入微波以激励所需的谐振模式,另一个用于输出微波信号,探针轴线方向应与谐振模式的电力线方向一致。

　　微波谐振腔可以采用空气或其他介质填充,空气介质腔的优点是热稳定性较好,但同体积的腔体其谐振频率相对较高,加大了后期信号处理的难度。选用高介电常数材料填充腔体,可减小体积和谐振频率,使结构更加紧凑且有利于后期信号处理,但其对温度变化敏感性高,易给测量带来偏差,不符合稳定工作的要求。本设计采用空气介质腔。

　　2.2　谐振模式的选择

　　在谐振腔的设计中为避免高次模的负面影响,一般会选择最低振荡模式作为主模。由于理论上谐振腔的谐振模式无穷多,在实际设计中常把谐振模式图作为模式选择的重要参考。圆柱腔谐振波长λ为:

　　式中:m、n、q为相应模式的模数,m=0,1,…;n=0,1,…;q=0,1,…;D为谐振腔直径; l为谐振腔长;对于在传播方向上有电场分量而无磁场分量的横磁波TMmnq模,x′mn为m阶第一类贝塞尔函数的第n个根;对在传播方向上有磁场分量但无电场分量的横电波TEmnq模,x′mn为m阶第一类贝塞尔函数导数的第n个根,均可查表得到相应数值。