微波空腔传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微波空腔传感器。具体地，本发明的微波空腔传感器特别地用于多相混合物的成分的检测、腐蚀的测量以及电介质材料的化学过程的确定。当本发明的微波空腔传感器被使用与电子顺磁共振(EPR)和核磁共振(NMR)结合时，如下文所述。
【背景技术】
[0002]在石油和天然气工业中，管道与管道形成的监控需要进行大量的测量以控制或阻止腐蚀及规模的发展或当流体必须在管道中被进行长距离运输时管理与监控流体。在管道中流动的石油与水以及可能的天然气的流体的混合物的独立组分的组成和流量需要被监控。需要这些测量确定油井中存在的成分，也可帮助控制石油的萃取以及使石油的萃取最大化。
[0003]用于测量独立组分的组成和流量的常规技术需要对具有每种流体成分的流进行单独的测量。可选地，在之前没有进行分离的条件下，多相仪表可以被使于测量组成和流量。这些仪表测量石油、水以及天然气(可能也需要石油与天然气的温度、压力、密度以及水的含盐量作为输入参数以作补偿用途)的流速与相对比例。在近海处的采油树生产系统中多相仪表的可用空间被限制。因此，需要紧凑的多相仪表。
[0004]具体地，在石油和天然气产业中，腐蚀检测是另一个重大的难题。酸性物质、碱性溶液剂以及气体的侵蚀性影响会导致金属腐蚀。塑料腐蚀被引起是由于扑捉杂质粒子、紫外光以及热量。这两者的腐蚀机理可以被以微波或电磁波谱中的高频部分操作的优化的传感探头监控、检测以及测试。
[0005]在石油和天然气管道中，用于腐蚀检测与监控的最广泛使用技术是抗电阻性(ER)监控与失重取样(weight loss coupons)。这些方法检测金属损耗。但它们不能检测油漆材料与防护涂层材料的变质以及导致腐蚀开始的条件。诸如超声波测量技术、辐射成像测量技术、热成像测量技术以及涡电流测量技术的非破坏性测试(NDT)技术对腐蚀预测不够灵敏。此外，油漆、底层涂料以及腐蚀产物是典型的电介质(绝缘的)材料。因此，这些方法不适合用于检测与评估油漆与底层涂料薄层下的腐蚀层的特性。
[0006]金属腐蚀是一个复杂的问题，并且其对工商业设备的影响是极大的，因为它威胁到大批资产的安全性与完整性。通过对腐蚀的早期检测更好地预测绝缘层下的腐蚀发展情况是需要的。用于检测铝面板油漆与底层涂料下的腐蚀的近场微波非破坏性检测技术的最近成果表明了使用微波信号的潜在优势。例如，美国专利US 7，190，177描述了用于检测油漆与复合材料下的生锈的微波传感器。根据对反射信号相移的测量，该传感器可以对材料腐蚀成像。该传感器也可以根据脉冲的传输时间确定疏松材料的疏松程度。然而，该传感器不能检测电介质或材料的特性，同样也不能检测这些特性的变化。
[0007]为了模拟地层油，需要测量诸如多孔性、渗透性以及流体饱和度的构造岩石特性。直到最近，才知道地核样品是渗透性的唯一来源。另外，从地层中收集的数据获得起来稀少且昂贵。核磁共振(NMR)数据对于收集渗透性与多孔性数据而言是宝贵的工具。例如，美国专利US 4，785，245描述了一种被石油工业使用以确定原地流体岩石的渗透性与多孔性的NMR测井工具。具体地，对于渗透性的确定而言，NMR比其它的测井方法更好，因为NMR信号的缓和(relaxat1n)时间(Tl到T2)可以被使用以提供关于孔径大小分布的信息。NMR也提供对岩石中氢基总数的测量。
[0008]其它的研宄表明另一种磁共振技术-电子顺磁共振(EPR)能根据原油中的有机自由基产生可检测的信号，但是不能根据水或天然气产生可检测的信号。这些EPR信号的幅度与岩石里的油量成比例。因此，应该可直接测量流体岩石的含油量或原油混合物的含油量。当EPR与NMR —起被使用时，由此这种方法能够分别检测岩石(以及可能的天然气)中水与石油的含量。
[0009]一般而言，EPR光谱仪检测样品中自由基的含量与组成。通常样品被放入缓慢变化的均匀磁场中的高频共振空腔。在特定的磁场中，被固定频率的微波射线辐射的非成对电子在自旋加快状态与自旋减慢状态之间经历共振过渡。对于自由空间中的电子而言，塞曼分裂为hv = g|3H。其中，V为激励频率，H为外加磁场，β是玻尔磁子，h是普朗克常数，g是取决于分子的因数。
[0010]大部分EPR测量使用9000MHz-10000MHz (9-10GHz)区域中的微波，磁场强度对应约为3500高斯(0.35T)。例如，对于3350高斯的磁场而言，与核磁共振的仅大约14.3MHz相比，电子顺磁共振的电子自旋共振大约出现在9400MHz。许多EPR光谱系统与锁定低Q共振器的自动频率控制(AFC)不兼容。当EPR光谱系统在低于-70dbm的低功率中使用时，这种问题更普遍。获取AFC锁的困难可能会导致频率漂移、误差电压、分散以及噪声。在没有砷化镓场效应晶体管放大的情况下，有较高Q的系统使得获取频率锁变得更加容易。因此，需要具有高Q的EPR探头。
【发明内容】
[0011]根据本发明，提供一种使用激励波长处的微波信号检测样品的传感器。该传感器包括:用于引导微波信号的电介质波导管；以及电介质反射器，位于所述电介质波导管的一端，用于引起越过所述电介质反射器外表面的感应场的形成。可选地，所述电介质反射器可以刚好在所述电介质反射器内表面的下方引起感应场。在这种情况下，被检测的材料仅被放置在所述电介质反射器内表面的下方或者如果有必要的话也可放置在所述电介质反射器内部加工的凹槽中。在这种情况下，所述凹槽的横向尺寸可以是从Imm X Imm直到所述电介质反射器的横向尺寸。所述凹槽的深度可以达到所述电介质反射器的厚度。
[0012]所述电介质波导管可以被布置以允许激励波长的驻波在所述波导管内形成。该驻波以半个激励波长进行共振。所述感应场可以是渐逝场或辐射场。
[0013]所述传感器可以包括聚集器。所述聚集器被布置于所述波导管周围以聚集波导管中的微波能量。所述聚集器可以为分布式布拉格反射器结构。所述布拉格反射器结构可以为蜂巢结构。
【附图说明】
[0014]现仅通过举例以及参考附图的方式描述本发明的不同方面。其中:
[0015]图1是基于末端开口微波共振传感器的高Q布拉格反射器的垂直截面图；
[0016]图2是基于末端开口微波共振传感器的高Q布拉格反射器的水平截面图；
[0017]图3是基于图1中的末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器的3D视图；
[0018]图4是基于末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器中的模拟驻波电磁场分布图，示出了电介质反射器3的效果；
[0019]图5是基于末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器在没有电介质反射器3的情况下的模拟驻波电磁场分布图；
[0020]图6是测量的频率响应图，示出了当不同的材料填充具有Q因数?1000的简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时的观测的(信号)频率扰动；
[0021]图7是测量的频率响应图，示出了当材料I以不同的食品材料的百分比组成填充具有负载Q因数?600的简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时的观测的(信号)频率扰动；
[0022]图8是测量的共振频率响应以及负载Q因数的曲线图，示出了当材料I以不同的食品材料的百分比组成填充简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时的观测的(信号)共振频率与Q因数数值；
[0023]图9是测量的频率响应图，示出了当材料2以不同的食品材料的百分比组成填充具有负载Q因数?600的简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时的观测的(信号)频率扰动；
[0024]图10是测量的共振频率响应以及负载Q因数的曲线图，示出了当材料2以不同的食品材料的百分比组成填充简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时的观测的(信号)共振频率与Q因数数值；
[0025]图11(a)是基于图1中示出的末端开口微波共振