一种测量圆柱腔内壁介质薄膜厚度的方法
发布时间：2021-08-01 14:26
针对谐振腔传感器内壁水膜和盐垢会降低湿度测量精度的问题,文章提出一种用于测量圆柱腔内壁介质薄膜厚度的方法。此方法基于介质微扰法的原理,使用双曲余弦开缝形谐振腔作为传感器,工作于TE111模式来测量介质薄膜厚度。以水膜为例,理论推导了谐振腔水膜厚度与谐振频率的关系,并通过仿真分析了TE111模式准确测量水膜的可行性;采用矢量场方程的方法建立了TE111模式下谐振腔端面电流密度分布线的数学模型,并设计了双曲余弦开缝形谐振腔传感器。仿真结果表明:该谐振腔的电磁特性、辐射特性和流动特性均良好,电磁泄露率基本为0,取样误差为-1.25%,符合设计要求;可准确测量水膜、盐垢、油膜和污垢等介质薄膜的厚度,且它们的膜厚均与谐振频率偏移量呈线性关系,与理论相符。
【文章来源】：光通信研究. 2020,(02)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同蒸汽湿度条件下水膜厚度d与谐振频率偏移量的关系曲线
式中,c为常数。取不同的c值,用Matlab软件在极坐标下画出曲线簇,图2所示为极坐标下TE111模式的电流密度线分布图。令φ=0,设(r0,0)为曲线与极轴的交点,则c与r0满足关系c=J1(kc1r0),r0与c是一一对应的关系。只要确定曲线与极轴的交点即可画出过此交点的电流密度矢量线,且所有的矢量线均不相交。r0的范围为0～20.59,对应的c的范围为-0.581 9～0.581 9。
采用HFSS仿真软件设计一个与湿度传感器尺寸相同的圆柱谐振腔,内径R为20.59 mm,长度l为41.18 mm;该谐振腔内部填充湿蒸汽,工作在TE111模式下。由于同轴线可以传输横电磁波TEM模式且工作频带较宽,所以选用尺寸较小的同轴线做激励。同轴线采用环耦合方式耦合到谐振腔,通过磁场耦合激励起TE111模式。对耦合环的金属直径R2及环直径R1进行优化,优化后得到:当R2为0.2 mm、R1为2.2 mm时,谐振腔在低频段只能激励起TE111模式,且附近没有别的干扰模式。激励耦合结构的具体尺寸如图3所示,蓝色部分为导体材质黄铜,白色部分为内置绝缘体材料聚四氟乙烯(Teflon)。在实际工程中采用网络分析仪来检测谐振腔的谐振频率。经理论计算得知,此谐振腔工作在TE111模式下的谐振频率在5.641 GHz,所以使用网络分析仪扫描时将扫频范围设置在5.641 GHz附近的区间内,此时得到的谐振频率即为谐振腔工作在TE111模式下的谐振频率。3.1 隔离器金属条数量及定位
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光拉曼光谱的水面油膜厚度测量方法研究[J]. 蔡宗岐,冯巍巍,王传远. 光谱学与光谱分析. 2018(06)
[2]剪切应力影响下近壁微液膜测量技术及波动特性研究[J]. 王科,叶晶,龚圣捷,马卫民. 机械工程学报. 2017(24)
[3]超声波油膜厚度测量研究综述[J]. 章何菁,马希直. 机械制造与自动化. 2017(05)
[4]电磁辐射污染的危害及防护[J]. 王成林. 工程建设与设计. 2017(04)
[5]湿度传感器圆柱谐振腔辐射量的研究[J]. 张淑娥,孙丽红,孟宪盖. 电波科学学报. 2016(05)
[6]基于电容法的管内低温流体液膜厚度测量方法[J]. 王宇辰,陈建业,徐璐,张小斌. 浙江大学学报(工学版). 2016(10)
[7]蒸汽湿度微波谐振腔热膨胀自补偿测量系统研究[J]. 张淑娥,孟宪盖,韩中合. 动力工程学报. 2016(06)
[8]水膜厚度光纤检测系统[J]. 张小栋,郭琦,牛杭. 光学精密工程. 2015(10)
[9]微波同轴谐振腔测量液膜厚度的理论分析[J]. 钱江波,严晓哲,韩中合,陈红健,翟新杰. 汽轮机技术. 2015(02)
[10]谐振腔内水膜和积盐厚度对蒸汽湿度测量的影响[J]. 韩中合,李恒凡,严晓哲,钱江波. 热力发电. 2014(07)
博士论文
[1]谐振腔介质微扰技术测量蒸汽湿度的理论与实验研究[D]. 钱江波.华北电力大学 2012
硕士论文
[1]基于UTDR管道污垢超声场模拟与实验研究[D]. 徐曼菲.东北电力大学 2017
[2]微带缝隙谐振器测湿方法的研究[D]. 王凯.华北电力大学 2015
本文编号：3315694
【文章来源】：光通信研究. 2020,(02)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不同蒸汽湿度条件下水膜厚度d与谐振频率偏移量的关系曲线
式中,c为常数。取不同的c值,用Matlab软件在极坐标下画出曲线簇,图2所示为极坐标下TE111模式的电流密度线分布图。令φ=0,设(r0,0)为曲线与极轴的交点,则c与r0满足关系c=J1(kc1r0),r0与c是一一对应的关系。只要确定曲线与极轴的交点即可画出过此交点的电流密度矢量线,且所有的矢量线均不相交。r0的范围为0～20.59,对应的c的范围为-0.581 9～0.581 9。
采用HFSS仿真软件设计一个与湿度传感器尺寸相同的圆柱谐振腔,内径R为20.59 mm,长度l为41.18 mm;该谐振腔内部填充湿蒸汽,工作在TE111模式下。由于同轴线可以传输横电磁波TEM模式且工作频带较宽,所以选用尺寸较小的同轴线做激励。同轴线采用环耦合方式耦合到谐振腔,通过磁场耦合激励起TE111模式。对耦合环的金属直径R2及环直径R1进行优化,优化后得到:当R2为0.2 mm、R1为2.2 mm时,谐振腔在低频段只能激励起TE111模式,且附近没有别的干扰模式。激励耦合结构的具体尺寸如图3所示,蓝色部分为导体材质黄铜,白色部分为内置绝缘体材料聚四氟乙烯(Teflon)。在实际工程中采用网络分析仪来检测谐振腔的谐振频率。经理论计算得知,此谐振腔工作在TE111模式下的谐振频率在5.641 GHz,所以使用网络分析仪扫描时将扫频范围设置在5.641 GHz附近的区间内,此时得到的谐振频率即为谐振腔工作在TE111模式下的谐振频率。3.1 隔离器金属条数量及定位
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于激光拉曼光谱的水面油膜厚度测量方法研究[J]. 蔡宗岐,冯巍巍,王传远. 光谱学与光谱分析. 2018(06)
[2]剪切应力影响下近壁微液膜测量技术及波动特性研究[J]. 王科,叶晶,龚圣捷,马卫民. 机械工程学报. 2017(24)
[3]超声波油膜厚度测量研究综述[J]. 章何菁,马希直. 机械制造与自动化. 2017(05)
[4]电磁辐射污染的危害及防护[J]. 王成林. 工程建设与设计. 2017(04)
[5]湿度传感器圆柱谐振腔辐射量的研究[J]. 张淑娥,孙丽红,孟宪盖. 电波科学学报. 2016(05)
[6]基于电容法的管内低温流体液膜厚度测量方法[J]. 王宇辰,陈建业,徐璐,张小斌. 浙江大学学报(工学版). 2016(10)
[7]蒸汽湿度微波谐振腔热膨胀自补偿测量系统研究[J]. 张淑娥,孟宪盖,韩中合. 动力工程学报. 2016(06)
[8]水膜厚度光纤检测系统[J]. 张小栋,郭琦,牛杭. 光学精密工程. 2015(10)
[9]微波同轴谐振腔测量液膜厚度的理论分析[J]. 钱江波,严晓哲,韩中合,陈红健,翟新杰. 汽轮机技术. 2015(02)
[10]谐振腔内水膜和积盐厚度对蒸汽湿度测量的影响[J]. 韩中合,李恒凡,严晓哲,钱江波. 热力发电. 2014(07)
博士论文
[1]谐振腔介质微扰技术测量蒸汽湿度的理论与实验研究[D]. 钱江波.华北电力大学 2012
硕士论文
[1]基于UTDR管道污垢超声场模拟与实验研究[D]. 徐曼菲.东北电力大学 2017
[2]微带缝隙谐振器测湿方法的研究[D]. 王凯.华北电力大学 2015
本文编号：3315694
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