CN107713002A - 一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机，包括有一边呈截平设置的变形圆柱谐振腔，及变形圆柱谐振腔处设置的一段截止频率高于传输的微波信号的工作频率的截止波导管，所述变形圆柱谐振腔包括有采用TM₀₁₀模式工作的、电耦合的第一通道谐振腔，及采用TE₁₁₁模式工作的、磁耦合的第二通道谐振腔；该避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机能够提高微波检测系统的检测灵敏度，减少双路卷烟机中两路微波检测系统的相互干扰问题，增加高速卷烟机微波检测系统可靠性。

Description

一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机

技术领域

本发明具体涉及一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机。

背景技术

在烟支生产过程中，需要严格控制烟支的湿度和密度。其测量和控制直接关系到产品质量和生产效率。实时、非接触、无损伤测量是目前湿度和密度测量的重要要求和研究方向。

上世纪80年代以来，为了提高烟机的生产速度，德国Hauni公司等烟机生产厂家推出了双烟条超高速卷烟机。它在同一台烟机内安置了两套高速自动卷烟系统同时生产，因而使烟支生产能力提高了一倍。为了实时检测所生产的烟支的密度及湿度，要在同一个检测探头内集成两套独立的微波检测系统的检测探头，分别对烟机的两条烟道进行动态检测。

上海恒博已拥有一项发明专利“一种用于双轨卷烟机的微波测控系统”(ZL2013 20205881.1)，公布了双轨卷烟机的微波测控系统。该专利的目的在于提供一种用于双轨卷烟机的微波检测系统，其能够解决双轨卷烟机的微波检测系统中的两个谐振腔的微波泄漏和相互干扰的问题，将两个谐振腔之间的残留微波泄漏对两条烟道内的烟支的湿度和密度检测的影响减到最小。

按照上述专利设计的系统，在烟厂里经过实际应用，虽然基本上解决了双烟条超高速卷烟机微波检测系统中两路微波检测系统的相互干扰问题，但由于卷烟机安装空间位置狭小，微波检测装置的尺寸受限，两路信号离得太近，在有些情况下两路信号的影响不能完全消除。从而使得检测期间时而会出现信号不稳定的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高微波检测系统的检测灵敏度，减少双路卷烟机中两路微波检测系统的相互干扰问题，增加高速卷烟机微波检测系统可靠性的避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机，包括有一边呈截平设置的变形圆柱谐振腔，及变形圆柱谐振腔处设置的一段截止频率高于传输的微波信号的工作频率的截止波导管，所述变形圆柱谐振腔包括有采用TM₀₁₀模式工作的、电耦合的第一通道谐振腔，及采用TE₁₁₁模式工作的、磁耦合的第二通道谐振腔。

作为优选，所述采用TM010模式工作的、电耦合的第一通道谐振腔的谐振波长为

作为优选，所述采用TE111模式工作的、磁耦合的第二通道谐振腔的谐振波长为

本发明技术效果主要体现在以下方面：对原来的双烟条超高速卷烟机微波检测系统作了进一步的改进，该系统能够在线高速实时检测两个烟道生产的烟支的密度和湿度，并剔除各种有质量缺陷的烟支，使得双通道超高速卷烟机的烟支目标重量取样误差值达到7mg以内，满足了烟支的生产质量要求。

附图说明

图1是现有的微波圆柱形谐振腔的结构示意图；

图2是本发明的变形的圆柱形微波谐振腔结构示意图；

图3是本发明的防泄漏截止波导结构示意图；

图4是本发明的圆柱形谐振腔的TM₀₁₀模式场结构示意图；

图5是本发明的圆柱形谐振腔的TE₁₁₁模式场结构示意图；

图6是本发明的谐振腔的磁耦合方式示意图；

图7是本发明的谐振腔的电耦合方式示意图。

具体实施方式

在本实施例中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

另，在本具体实施方式中如未特别说明部件之间的连接或固定方式，其连接或固定方式均可为通过现有技术中常用的螺栓固定或钉销固定，或销轴连接等方式，因此，在本实施例中不再详述。

实施例

一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机，包括有一边呈截平设置的变形圆柱谐振腔1，及变形圆柱谐振腔处1设置的一段截止频率高于传输的微波信号的工作频率的截止波导管2，所述变形圆柱谐振腔包括有采用TM₀₁₀模式工作的、电耦合的第一通道谐振腔3，及采用TE₁₁₁模式工作的、磁耦合的第二通道谐振腔4。

卷烟机中考核烟支密度一致性的最终指标是目标重量取样标准偏差SD。SD是指50支烟重量标准偏差值，重量标准偏差

式中g_i＝第i支烟重量值，支烟平均重量值，重量标准偏差值越小，说明取样烟支重量离散度越小，则微波检测系统的检测精度或分辨率越高。通常要求SD小于8mg，的微波检测系统一般能达到的该值。但是，有个别时候有信号不稳定性的情况，并且用户希望能进一步提高质量使SD值再降低。所以，还需要对微波检测系统作进一步改进。

分析其原因，一是谐振腔的微波能量泄漏也大大降低了谐振腔的Q值，使得检测灵敏度降低。二是虽然采取了不少措施来减小两路谐振腔之间的干扰，但是由于两路信号间隔太近，这种干扰仍然存在，从而影响了检测信号的稳定性。

为了进一步提高微波检测系统的检测灵敏度，同时减少双路卷烟机中两路微波检测系统的相互干扰问题，增加高速卷烟机微波检测系统的可靠性。对微波谐振腔工作模式、腔体形状、结构作了进一步的优化设计。

1)首先，采用了变形的圆柱谐振腔，提高了微波谐振腔的Q值，从而提高了系统检测灵敏度。

微波圆柱形谐振腔的简图如图1所示。微波谐振腔的Q值高低决定了系统检测灵敏度。Q值越高，检测灵敏度也越高。由于Q值与腔体的形状尺寸、工作模式、腔壁导体材料的特性及工作波长等都有关，所以为了能作普遍性讨论，常用Q·δ/λ₀表征谐振腔的性质。式中δ表示腔壁导体的集肤深度，λ₀表示谐振腔的谐振波长。Q·δ/λ₀只与腔体尺寸和工作模式有关，故称之为波形因数。在确定微波谐振腔的工作模式后，波形系数只与腔体内部的体积V与表面积S之比成正比。谐振腔内部的体积V表示该谐振腔所能够储存的微波能量，其表面积S表示其对微波能量的损耗。V/S

越大表示其储存能量越多而损耗越小。而Q值除了与V/S成正比外，还与δ/λ₀成反比。

原来在单通道微波烟支重量检测控制系统中所使用的圆柱形谐振腔，其内部直径D为55㎜，长度L为10㎜。在目前双通道微波检测系统中，由于其两通道中心间距只有32㎜，所以考虑到谐振腔的壁厚，所使用的微波谐振腔的内部最大直径也只能有30㎜。所以，在其他条件相同的情况下，通过计算可以得到Φ＝55㎜的谐振腔的Q值大约是Φ＝30㎜谐振腔的1.2倍。而如果两个谐振腔采用同一TM₀₁₀工作模式，对于该工作模式，谐振波长λ₀＝1.31D。可见，大谐振腔的谐振波长是大小谐振腔谐振波长的1.72倍。所以，两者相乘，原来大谐振腔的Q值应当是小谐振腔的2.06倍。实际上，通过计算可以知道，圆柱谐振腔的直径越大，它的体积增大的倍数比其表面积增大的倍数更快，所以其Q值也能更高。

但是，如果按照原来大谐振腔的尺寸，在双通道烟支重量检测系统中，由于受到安装位置的限制，无法实现。为此，一方面要考虑能适应安装尺寸要求，同时也要尽可能的提高谐振腔的Q值，设计了将一边截平的变形圆柱谐振腔(如图2-3所示)。经计算，这种谐振腔的Q值约为Φ＝30㎜小谐振腔的1.8倍，能基本满足的要求。而且其谐振频率也接近于原来单通道微波烟支重量检测控制系统中所使用的微波谐振腔的谐振频率，这就使得在系统制造时，各部件的通用性也更强。

2)在烟支进出口位置使用了过截止波导，既解决了微波能量从烟支进出口位置的严重泄漏，又能让被测烟支顺利通过。

根据微波理论，波导管的频率特性可以用截止频率来描述，低于截止频率的电磁波不能通过波导管，高于截止频率的电磁波可以通过波导管。利用这个特性，可以达到屏蔽电磁波，同时实现一定实体连通的目的。方法是，在烟支的进出口位置设计一段既要能让被测物质通过，又不能让微波信号从这个孔向外泄漏的截止波导(见图4-5，图中实线为电力线，虚线为磁力线)。该波导的截止频率应设计于远远高于所要传输的微波信号的工作频率，所以当截止波导的长度达到一定值后，微波能量就不能再沿着该波导向外辐射。由于这种应用中主要是利用波导管的频率截止区，因此截止波导管的概念是屏蔽结构设计中的基本概念之一。

根据微波理论，圆形波导管的截止频率：

f_c＝17.6/d；

式中：d是圆形波导管的内直径，单位是cm，

f_c的单位是GHz。

落在波导管频率截止区内的电磁波穿过波导管时，会发生衰减，这种衰减称为截止波导管的吸收损耗，圆形截止波导管的吸收损耗计算公式如下：

A＝1.8×f_c×t(1-(f/2)^1/2)(dB)。

式中：t是截止波导管的长度，单位是cm，

f是谐振腔的谐振频率(GHz)，

fc是截止波导管截止频率(GHz)

如果谐振腔的谐振频率f远低于截止波导管截止频率(f﹤f_c/3)，

则公式化简为：A＝1.8×f_c×t(dB)

对于圆形截止波导管：

A＝31.7t/d(dB)

对于系统中使用的谐振腔，直径D＝55㎜，谐振波长

λ₀＝1.31D＝7.2㎝。而烟支进出口的孔径d＝1.2㎝，则其截止波长为λ_c＝2.04㎝。谐振腔的谐振波长λ远远大于截止波长λ_c＝2.04㎝。为了使泄漏小于30dB(即从截止波导泄漏的微波功率小于腔体内微波功率的千分之一),取t≥2㎝。可以满足对泄漏的要求。

3)利用正交电磁场不能互相耦合的原理，对两路检测系统的微波谐振腔采用了两种电磁场互相正交的不同工作模式，从而避免了两个通道间电磁场的互相干扰。同时，也使谐振腔的Q值有所提高，因而，也能提高系统的检测灵敏度。

在圆柱形微波谐振腔中，有两种最低阶振荡模式(即谐振波长最长的振荡模式)，一种是H型振荡模式H₁₁₁(也称为TE₁₁₁工作模式)，另一种是E型振荡模式E₀₁₀(也称为TM₀₁₀工作模式)。这两种振荡模式的谐振波长分别为：

和

式中R为圆柱谐振腔的半径，L为谐振腔的长度。由计算可知：

当圆柱谐振腔的长度L大于2.1R(R为圆柱谐振腔的半径)时,TE₁₁₁为谐振腔的最低次模；当圆柱谐振腔的长度L小于2.1R时,TM₀₁₀为谐振腔的最低次模。对于的系统，设R＝27.5㎜，取第一通道微波谐振腔的长度为50㎜，第二通道微波谐振腔的长度L＝60㎜。这样就能使得第一通道谐振腔工作于TM₀₁₀模式，而第二通道谐振腔工作于TE₁₁₁模式。

这两种工作模式的电磁场结构图如图3所示。可见，TM₀₁₀模式的电场方向是平行于谐振腔的长度方向且电场只有沿谐振腔的长度方向分量。而TE₁₁₁模式的电场方向是垂直于谐振腔的长度方向。所以，这两种工作模式的电磁场是互相垂直正交的。按照电磁场理论，两种电磁场结构互相垂直的电磁场不能互相耦合，所以也不会产生相互干扰。使两路微波检测系统的微波谐振腔工作于这样两个不同的工作模式，这样就能够避免双路卷烟机中两路微波检测系统的相互干扰。

由微波谐振腔理论知道，对于圆柱形谐振腔的最低次模，谐振腔的Q值随腔长L的增加而增大，并逐渐趋向一个近似恒定的值。

按内径为27.5㎜的圆柱谐振腔计算，使用长度为60㎜的TE₁₁₁模式的圆柱谐振腔，比使用长度为50㎜的TM₀₁₀模式的圆柱谐振腔的Q值高6％，而比原来在单通道系统中使用的长度为10㎜的TM₀₁₀模式的圆柱谐振腔的Q值高2.57倍。

谐振腔的Q值越高表示微波谐振腔对腔内异物扰动的感应灵敏度越高，也就是其系统的检测灵敏度越高。通过计算可知道，对于TE₁₁₁模式，由于其谐振腔纵向长度大于原来的TM₀₁₀的谐振腔，且其谐振波长较长，所以其Q值也相应的较高。这对提高检测灵敏度也是有利的。

为了在两个通道的微波谐振腔中激励起不同的工作模式，应对两种谐振腔采取两种不同的激励方式。对于第一通道TM₀₁₀模式，采用电耦合方式，即信号输入和输出探针采用直接插式入谐振腔中；而对于第二通道TE₁₁₁要采用磁耦合方式，即将探针前端弯成圆环状，再插入谐振腔内，并使圆环的面与谐振腔内磁场的方向垂直。(见图6-7)

双通道的微波检测系统经过以上多种方法的改进，进一步提高了检测灵敏度，同时也最大限度地降低了微波能量的泄漏，消除微波通道之间的相互干扰，做到每个通道微波检测的准确。经实验及烟厂生产线的实际运用结果表明，本设计合理，两个通道之间的残留微波泄漏对两烟道的湿度及密度检测无可见的影响。两烟道都能实现正常检测和对不合格烟支的剔除。

本发明技术效果主要体现在以下方面：对原来的双烟条超高速卷烟机微波检测系统作了进一步的改进，该系统能够在线高速实时检测两个烟道生产的烟支的密度和湿度，并剔除各种有质量缺陷的烟支，使得双通道超高速卷烟机的烟支目标重量取样误差值达到7mg以内，满足了烟支的生产质量要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机，其特征在于：包括有一边呈截平设置的变形圆柱谐振腔，及变形圆柱谐振腔处设置的一段截止频率高于传输的微波信号的工作频率的截止波导管，所述变形圆柱谐振腔包括有采用TM₀₁₀模式工作的、电耦合的第一通道谐振腔，及采用TE₁₁₁模式工作的、磁耦合的第二通道谐振腔。

2.根据权利要求1所述的避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机，其特征在于：所述采用TM₀₁₀模式工作的、电耦合的第一通道谐振腔的谐振波长为

3.根据权利要求1所述的避免两路微波检测相互干扰的双路卷烟机，其特征在于：所述采用TE₁₁₁模式工作的、磁耦合的第二通道谐振腔的谐振波长为