微波空腔传感器
阅读：984发布：2021-11-02
专利汇可以提供微波空腔传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 传感器 包括： 电介质 波 导管 ，用于引导 微波 信号 ；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。，下面是微波空腔传感器专利的具体信息内容。
1.一种使用激励电磁波的波长处的微波信号检测样品的传感器，所述传感器包括：
电介质波导管，用于引导所述微波信号以允许所述激励电磁波的波长的驻波在所述波导管内形成；以及
电介质反射器，位于所述电介质波导管的一端，用于引起越过其外表面或在其内表面下方的感应场的形成，
其中，所述电介质反射器包括具有比所述电介质波导管更高的介电常数的材料，并且该材料具有至少λg/20的厚度，其中，λg为电介质反射器中激励电磁波的波长，以将所述感应场中电磁场强度最大化。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述驻波以所述激励电磁波的波长的四分一的倍数nλg/4进行共振，其中，n是分数。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述驻波的共振模式是TM模式或TE模式。
4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述感应场为渐逝场。
5.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述感应场为辐射场。
6.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的传感器，所述传感器包括：
聚集器，被布置于所述电介质波导管周围，用于聚集所述电介质波导管中的微波能量。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述聚集器为分布式布拉格反射器结构。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中，所述布拉格反射器结构为蜂巢结构。
9.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的传感器，其中，所述激励电磁波的波长在0.3GHz到1THz之间的微波区域内。
10.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的传感器，所述传感器包括：
用于检测感应场变化的装置。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中，用于检测感应场变化的所述装置可操作以测量频率差和/或相位差和/或幅度差和/或Q因数差。
12.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的传感器，所述传感器包括：
用于产生激励信号的微波发生器。
13.根据权利要求10所述的传感器，其中，用于检测感应场变化的所述装置位于所述电介质反射器对面的所述电介质波导管的一端。
14.一种电子顺磁共振光谱仪，所述光谱仪包括根据前述任一项权利要求所述的传感器。
15.根据权利要求1到13中任一项权利要求所述的传感器的用途，作为成分传感器，持续流量和成分传感器，腐蚀检测传感器，用于监控管道厚度或表层厚度、监控管线中流动的湿气体混合物的成分的传感器，或者作为检测样品室内的流体、固体材料、气体的成分的独立的实验室和手持结构。
16.一种测量系统，所述系统包括：
根据权利要求1-13中任一项权利要求所述的传感器；以及
还包括：
核磁共振系统，用于检测核磁共振信号。
17.根据权利要求16所述的测量系统，其中，所述传感器与所述核磁共振系统可操作以同时进行测量。
微波空腔传感器
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(pipe)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线(pipeline)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] 在石油和天然气管线中，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(relaxation)时间(T1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] 其它的研究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一起被使用时，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＝gβH。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1mm x 1mm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。
[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1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1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器的高Q布拉格反射器的仿真频率响应图；
[0026] 图11(b)是图11(a)的近距离视图，其中，共振器Q因数为～100000；
[0027] 图12是利用布置的电磁参数的仪器的主要部件的纵向截面视图，该仪器包括基于管线中末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器，用于测量多相流；
[0028] 图13是利用设置的电磁参数的仪器的主要部件的横向截面视图，该仪器包括基于管线中末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器，用于测量多相流；
[0029] 图14是利用设置的电磁参数与NMR参数的仪器的主要部件的纵向截面视图，该仪器包括基于管线中末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器，用于测量多相流；
[0030] 图15是利用设置的电磁参数与NMR参数的仪器的主要部件的横向截面视图，该仪器包括基于管线中末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器，用于测量多相流；
[0032] 图17是利用近场电磁参数的仪器的主要部件的横向截面视图，该仪器包括基于末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器，用于腐蚀的监控与检测；以及
[0033] 图18是利用远场电磁参数的仪器的主要部件的横向截面视图，该仪器包括基于末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器，用于腐蚀的监控与检测。
具体实施方式
[0034] 图1示出了基于末端开口微波共振传感器7的高Q布拉格反射器的截面图。该传感器7是具有波导管1以及在波导管1周围的聚集器10的电介质结构。波导管的一端通过SMA连接器5与微波发生器11连接以便微波可以沿着波导管的纵轴被注入。波导管纵轴的另一端终止于具有预定厚度的电介质反射器3。波导管1延伸超出电介质反射器以形成样品室6。波导管1具有激励波长一半的共振波长λ/2。电介质反射器具有至少λg/20的厚度。其中，λg是电介质中激励电磁波的波长。电介质反射器的作用是使样品室6中电磁场强度最大化。实际上，电介质反射器应该由与电介质波导管不同的介电材料制成。
[0035] 聚集器10具有空腔的阵列。在图1示出的例子中，该阵列包括多个以λ/2共振的空腔以及多个以λ/4共振的空腔。然而，还可以使用其他的空腔排列。例如，λ/8空腔的阵列或λ奇数倍的空腔的阵列。波导管1被通过厚度为λ/4的电介质反射器2从聚集器空腔9中分离。可以实施一些不同的结构。例如，λ/4空腔9可以以蜂巢样式进行排列，并且λ/2共振器占据中心狭槽。波导管1、聚集器10以及电介质反射器3位于空金属壳4内。在使用中，微波信号被注入，并且从波导管1的同一端可检测测量场。
[0036] 波导管具有支持波导模式的横截面，波导模式能在反射器3与空金属壳4的底层之间产生主导地位电磁波，驻波的强度在反射器附近处(上方与下方)较强。当共振器长度相当于顶部反射器3与空金属壳4的底层之间的半模波长的整数倍时，共振发生在其中一种模式。
[0037] 当电磁场以λ/2的共振频率被激励时，驻波沿着λ/2共振器波导管1的纵轴形成。驻波与电磁场最大值的限制增加了微波共振器的Q因数。使用电介质墙形成共振器增加了Q因数是因为这些电介质墙仅有最小介电损耗(电介质墙材料的损耗正切接近于零)。通过控制电介质反射器的厚度，场的最大量在传感器的表面得到控制。
[0038] 传感器可以被使用以检测不同类型的样品，诸如气体、液体、固体以及三者的组合，并且还能确定样品内特定化合物的存在与含量。当传感器以低于确定的截止频率的频率被激励时，传感器可以操作在近场模式。当传感器以高于截止频率的频率被激励时，传感器可以操作在远场模式。
[0039] 在近场模式中，需要Q非常高的驻波样式。例如，对于近场操作而言，超过10的Q因数以及理想地超过20的Q因数将是优选的。在这种情况下，没有固有的波阻抗与环境(空气)匹配。反而当与电介质波导管的共振频率进行比较时，传感器以低于截止频率的频率被操作，例如，TM111模式，由此产生在感应区域中构建近场的衰减波。当与波导管区域1的共振频率相比较时，这意味着感应区域6以低于截止频率的频率被操作。为了达到这种目的，区域6的横向尺寸必须被选择以使得共振频率低于区域1的共振频率。
[0040] 在近场模式中，驻波通过在电介质反射器3的接口进行全内反射来形成。衰减波被形成以扩展到样品室6。样品室6中场的变化表明样品的存在，而且可以被用来确定样品的特征。当传感器在近场模式中被操作时，传感器可以检测电介质参数，诸如共振频率(频率扰动)的漂移，反射信号的振幅以及传感器的Q因数。
[0041] 在远场模式中，低Q共振器可足够从共振器的开口面辐射至少2cm的电磁波。为了实现远场检测，理想地Q因数小于10。在这种情况下，需要固有波阻抗与环境(被检测的空气与材料)相匹配。为了达到这种目的，当与电介质波导管中的共振频率相比较时，传感器以高于截止频率的频率被操作。这保持了传播模式。当与波导管区域1的共振频率相比较时，这意味着感应区域6以高于截止频率的频率被操作。通过对横截面尺寸(图2中示出的区域6的俯视图)的合适选择区域6以高于截止频率的频率得到保持。实际上，在远场模式中操作传感器不需要图1中示出的聚集器10。可选地，图1中的传感器能够在辐射低Q模式中馈入信号。
[0042] 在远场模式中，激励波长的场进行辐射越过电介质反射器的表面。在这种情况下，样品与传感器的距离在0.1mm与100cm之间变化。当传感器在远场模式中被操作以反映信号参数时，诸如后向散射(漫反射)、发射信号的镜面反射、发射信号与反射信号的时间差以及发射信号的后向散射或镜面反射的幅度可以被测量。
[0043] 图4示出了基于图1的末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器中的仿真驻波电磁场的分布。这幅图表明在传感器的电介质反射器表面电磁场强度可以最大化(最深的颜色)。在电介质反射器表面的正下方也可以观测到高强度的电场。这是因为这个区域的材料包含相对介电常数为1的空气。然而，传感器表面的空气的相对介电常数为10。作为对照，图5示出了当电介质反射器被拆除时图1的共振器中的仿真驻波电磁场的分布。在这种情况下，当与图4的样品区域6中的场作比较时，样品区域6中的场相对较低。这说明电介质反射器能使感应场最大化，这样也增加了传感器的灵敏度。
[0044] 传感器开口端的电磁场强度通过电介质反射器的反射系数来控制，而电介质反射器的反射系数通过电介质反射器材料的厚度与介电常数来控制。典型地，电介质反射器的介电常数比波导管电介质材料的介电常数更高，是具有低损耗的特性的材料。为了实现电介质反射器-空中接口处的电磁场强度的最大化，可以使用基于边界条件的方程式来确定电介质反射器的厚度，所述边界条件存在于电介质反射器-空中接口以及给定介电常数值的波导管的开口端。使用电介质反射器3能提高插入电介质与感应区域6之间的接口的电磁场强度。如果使用高介电常数的电介质来达到这个目的，区域1与区域2之间的边界条件指示区域2中的模态场模型在区域6中设置强非传播(渐逝的)电磁场。这些渐逝场将是用于近场操作的感应机制的源头。尽管任何具有与电介质波导管不同介电常数的电介质材料在原则上可以被使用，但是基于陶瓷、聚四氟乙烯或玻璃的电介质材料适合于电介质反射器的实例。
[0045] 微波空腔共振传感器7可以被使用以检测取决于测试中的材料的复杂介电常数或复杂磁导率的不同物理量。当电介质材料被引进空腔中时，传感器的原理是基于微波空腔共振频率的变化。根据反射信号测量的共振频率的漂移取决于微波共振空腔的品质因数、样品的介电常数、样品的体积以及其在与电场强度分布相关的空腔共振器中的位置。因此，由于高灵敏度与高分辨率取决于材料(被检测)的特性，该传感器需要进行设计以作特定的用途。
[0046] 本发明的传感器可以在微波频率范围内进行操作或以高于微波的频率进行操作。在这种情况下，该传感器可以被使用以通过测量反射信号的相位变化来对材料“成像”。因此，反射电磁信号的所有特性也都是可测量的量。例如，幅度、共振频率的漂移以及相位的变化。光谱的微波部分/毫米波部分的电磁信号的抑制允许信号的较强穿透力与传感器的较高灵敏度。
[0047] 图6示出了当使用末端开口微波共振器(具有Q因数～1000、输入频率范围为9155MHz、输入功率范围为-10dBm)测量不同浓度的工业酒精溶液时所获取的频率响应。Y轴表示S11参数，该参数是反射系数，并且用dB来表示。可选地，它可以用幅度来表示，并且还可以用幅度来转换。在这种情况下，被使用的传感器跟图1中示出的传感器一样，除了没有聚集器。与使用空腔测量的频率相比较，去离子水与工业酒精溶液各自有35MHz与40MHz的特定频率漂移。这种频率漂移特定于特别的化合物。工业酒精溶液的频率响应的幅度随着工业酒精的浓度的增加而增加，从而表明了鉴定液体中特定化合物的存在以及测量它们的实际浓度的可能性。
[0048] 图7示出了当使用末端开口微波共振器(具有Q因数～1000、输入频率范围为9900MHz、输入功率范围为-10dBm)测量具有材料1与这些材料1各种百分比组成的食物产品的不同组成时所获取的测量频率响应。在这种情况下，被使用的传感器跟图1中示出的传感器一样，除了没有聚集器。例如，材料1具有各种百分比含量的脱脂牛奶、鲜奶油、黄油、水(<
10％)、糖、变性淀粉、稳定剂以及乳化剂。与使用空的空腔测量的频率相比，材料各自显示出在200MHz到260MHz范围内的特定的频率漂移。这种频率漂移特定于材料1的特别组成。
10％)、糖、变性淀粉、稳定剂以及乳化剂。与使用空的空腔测量的频率相比，材料各自显示出在200MHz到260MHz范围内的特定的频率漂移。这种频率漂移特定于材料1的特别组成。
[0049] 图8示出了当材料1(在图7中示出)的成分1到成分4的不同百分比含量的食品材料填充具有简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时所观测(信号)的共振频率与Q因数值。所述共振频率与Q因数值来源于图7中的测量。当与共振频率响应作比较时，所测量的材料1的各种成分的Q因数响应表明了材料1的每种成分之间的Q因数的明确转变。考虑到图7中所测量的反射参数大小(magnitude)以及材料成分的共振频率与Q因数，可以开发计算机算法以便将它们归类。
[0050] 图9示出了当使用末端开口微波共振器(具有Q因数～1000、输入频率范围为9900MHz、输入功率范围为-10dBm)测量具有材料2与这些材料1的各种百分比组成的食物产品的不同组成时所获取的测量频率响应。在这种情况下，被使用的传感器跟图1中示出的传感器一样，除了没有聚集器。材料2具有各种百分比含量的脱脂牛奶、鲜奶油、黄油、水(<
10％)、糖、变性淀粉、稳定剂以及乳化剂。与使用空腔测量的频率相比较，材料各自显示在
300MHz到350MHz范围内有特定的频率漂移。这种频率漂移特定于材料2的特别组成。
10％)、糖、变性淀粉、稳定剂以及乳化剂。与使用空腔测量的频率相比较，材料各自显示在
300MHz到350MHz范围内有特定的频率漂移。这种频率漂移特定于材料2的特别组成。
[0051] 图10示出了当材料2(在图9中示出)的成分1到成分4的不同百分比含量的食品材料填充具有简单末端开口微波共振器的末端开口空腔时所观测(信号)的共振频率与Q因数值。所述共振频率与Q因数值来源于图9中的测量。当与漂移小于这些材料2的负载Q因数作比较时，所测量的材料2的各种成分的响应表明了材料2的每种成分之间的共振频率的明确转变。然而，这样一来，考虑到图9中所测量的反射参数大小以及材料成分的共振频率与Q因数，人们可以开发计算机算法以便将它们归类。
[0052] 图11示出了基于Q因数为～100000的末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器的仿真频率响应。这幅图表明微波传感器可以被使用以准确地区分各种液体成分的不同信号。基于电磁软件可使用商业有限元法(FEM)来进行仿真。仿真参数是高Q布拉格反射器的几何形状与尺寸以及1W的输入功率。软件程序的输出是与共振器的Q因数相关联的共振器的共振频率。图6与图11示出的仿真Q因数的差别主要归因于包括蜂巢形状的布拉格聚集器的聚集器10。图6是在没有聚集器10的情况下产生的。
[0053] 以上描述的基于末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器可以在各种应用中被使用。例如，如以上描述，它可以被使用为简单成分传感器。在这种情况下，感兴趣的的液体复合材料被放在样品区域6中，并且液体复合比例可通过测量感应场的变化被测量或被确定。其它的应用包括石油管道的持续流量与成分测定以及管道与表层的腐蚀检查与厚度监控等等。
[0054] 图12与图13示出了用于测量管线15中流动的湿气体混合物的成分的系统。该系统具有多个基于末端开口微波共振器的高Q布拉格反射器。这些高Q布拉格反射器安装于管线的内表面以使得每个传感器的样品室通向管线的内部。这些传感器被放置在管线的两个区域。第一个区域具有比第二个区域16更大的内径以允许压差测量。
[0055] 微波发生器被提供(没有示出)以产生激励信号。该发生器可以被使用以导致传感器中的电磁共振，从而导致具有场最大值的可控制边缘电磁场。所述场最大值接近于面向湿气体流的表面。可选地，传感器可以在非共振模式中被激励，并且与传感器相关的反射参数和相位被记录。
[0056] 当湿气体流流动经过传感器时，与传感器耦合的记录单元适合于测量反射特性与相位特性；包括反射幅度；以及获取共振Q因数、传输Q因数以及相位差。处理单元被提供用于使用主要元件的数字数据分析以及共振与发射数据的光谱分析以估测所述湿气体流的至少一部分特性。
[0057] 在使用中，例如，当组成为油与水的混合时，油量可以通过测量频率扰动来获取。这是因为整个混合物的等价介电常数变化了。当系统响应于甚近场或边缘电磁场时，第一光谱的Q因数、相位以及反射幅度产生变化。当系统响应于远场电磁场时，在另一更高频谱再次测量参数。一旦参数被测量，数据被发送到处理单元进行分析，并且使用PCA以及光谱角技术获取混合物的流动成分参数。
[0058] 在另一实施方式中，通过结合电磁技术与NMR技术可执行多相流测量。图14与图15示出的系统具有强磁体。该强磁体放置于管道15的附近，并且具有恒定不变的强磁场(假设>0.1特斯拉)，通过管道15指向一个方向。电磁线圈18也可以放置在处于恒定磁场附近的容器的附近以提供附加的低强度交替电磁场(假设35dBm到-60dBm)。由于强磁体的作用，该电磁场指向电磁场的垂直方向。另一电磁线圈15被放置于管线中用于检测来自于容器中的混合物的RF辐射。所述容器暴露于这些磁场中。近场模式中的高Q末端开口布拉格反射传感器可以用作EPR光谱仪。
[0059] 使用图14与图15的系统允许使用EPR/NMR与本发明的微波传感器估测多相流。在流动无干扰的多相气体流中，大部分流体在大量的条件下可在管壁上行进形成薄膜。因此，通过使用本发明公开的表面灵敏共振传感器测量流体(水/油/浓缩混合物)的含量和/或成分时，实现对流体含量的高灵敏度是可能的。将NMR测量、微波共振测量以及传输测量结合到多相集成仪表中能提高灵敏度与准确度。因为NMR技术在本领域是公知的，所以没有进行详细地描述。
[0060] 图16示出了用于获取材料的电介质参数、EPR参数以及NMR参数的系统。这个系统具有至少一个布拉格传感探头14、至少一对嵌入图14中所示出的管道15的内表面的永磁体以及用于NMR测量的RF线圈。通过使用环形器将发射信号(探测信号)与接收信号(输出信号)进行分离，并使用一个布拉格传感探头，可以测量电介质参数与EPR参数。因为环形器在本领域是公知的，所以没有进行详细地描述。
[0061] 如图16所示，一般地，布拉格传感探头被来自微波频率源16的信号经过放大21之后激励。脉冲控制器或脉冲发生器22被提供以设置与控制布拉格共振探头14中的间歇脉冲的持续时间与周期。接收部分具有前置放大器24、RF微波整流器25、锁相放大器26以及数字转换器27。数字信号馈入计算机28。锁相放大器用于从高噪声环境中提取信号。数字数据被不同的数字算法识别与处理以提取不同材料的电介质特性29与EPR/NMR参数30。另一种基于光谱技术或主成分分析技术31的数字算法被使用以关联具有公知数据库的信号。这些算法在本领域中都是公知的。
[0062] 功率分配器与环形器20放置于布拉格传感器附近。该环形器被使用以按路线在图16中示出的布拉格传感器端口、发射机端口以及接收机端口之间发送输出信号与输入信号。当功率分配器被使用以分配图16中所示的一组布拉格反射器之间的功率时，微波脉冲(如果需要)与高动态范围的使用可以导致环形器所需要的发送脉冲与接收脉冲的时域重叠。
[0063] 图16中的块19-30与布拉格反射器传感器相关联。该布拉格反射器传感器被使用以测量电介质参数与EPR参数。NMR参数需要使用图14中示出的线圈18以电磁光谱(通常RF频率从1MHz到20MHz)的不同频率进行测量。这样将具有类似的单独块16-22与28-29(没有示出)。
[0064] 与电介质特性测量相关联的微波测量、与EPR测量相关联的微波测量以及与RF频率测量相关联的NMR测量本质上可以独立。使用以上提到的算法将这些测量结合或关联或独立以提取关于被检测材料的必需信息。
[0065] 微波或电容技术可以被使用以测量流体的介电常数。流体的介电常数取决于成分的介电常数，而且流体的介电常数包含关于混合物成分的信息。介电常数对含水量尤其灵敏。这是因为当与其它的成分相比较，水成分的介电常数相对较高为～81。各种类型的密度计可以被使用以测量流体的密度。多个能量级的伽马辐射可以被结合以获取关于混合物与化学成分的信息。基于流体的限制的互关联技术或不同压力测量被使用以测量流速。
[0066] 图17示出了在近场模式中被操作以监控与检测腐蚀的传感器的横截面图。末端开口电磁共振空腔14面朝覆盖有诸如油漆或橡胶33的防护材料的管线35的管壁，并且可以被使用以监控材料腐蚀34。传感器可以探测反射信号的幅度、共振频率的变化以及反射信号的相位，而且还可以推断腐蚀34导致的材料变化与金属成分变化。可选地，腐蚀34可以是任何其它的需要被检测的电介质/金属层，诸如裂缝导致的空气、材料成分的变化甚至特定材料的厚度。传感器也可以探测腐蚀区域周围的直观环境。因此，传感器能给出关于腐蚀原因的隐藏信息。
[0067] 图18示出了在远场模式中操作以监控与检测腐蚀、材料缺陷、裂缝等的传感器的横截面图。本发明的传感器可以以高于微波范围的频率进行操作。在这种情况下，传感器被使用以通过测量反射信号的相位变化来对材料“成像”。因此，使用这些新颖的探头反射电磁信号的所有特性都是可测量的高精度量，诸如幅度、共振频率的漂移以及相位的变化。对光谱微波/毫米波部分的电磁信号的限制允许信号的强穿透力与传感器的高灵敏度的结合。
[0068] 与现有的系统相比，使用本发明的传感器监控腐蚀允许相对较大的有用(asset)区域得到更准确以及更快的监控。传感器可以被用以监控、检测以及测试水上、管线、水下以及设备的材料与金属腐蚀。为了提高灵敏度，本发明的传感器适合于使用微波感应加热样品区域。之后，通过监控微波反射来监控冷却速率。由于腐蚀的钢材比未腐蚀的钢材冷却得更慢，这样就能给出腐蚀程度测量。
[0069] 末端开口电磁共振空腔7可以被独立地使用为图1中所示的独立的实验室与手持结构以检测区域6中室内的流体、固体材料以及气体的成分。
[0070] 本发明的应用包括但不限于可负担得起的工业、科学或教育的通用台式单元，用于石油产品、润滑油以及液压油的联机或串联传感器能对关键化学特性进行实时分析，管道覆层的氧化与故障检测、食品与饮料产品的成分检测与保质期研究，以及诸如石油分析与作为生物医学检测的研究工具的特定行业应用。
[0071] 在没有脱离本发明的前提下，本领域技术人员可以理解本发明设计的变化是可能的。例如，在具体的实施方式中，样品室6位于电介质反射器的内表面，然而，当反射器的电磁场强度高于波导管的其它部分时，样品室6可刚好位于反射器内表面的下方。在这种情况下，被检测的材料仅放置于电介质反射器内表面的下方或者如果有需要的话可放置于电介质反射器内加工的凹槽中。该凹槽的横向尺寸可以在1mm x 1mm与电介质反射器的横向尺寸之间。凹槽的厚度可以达到电介质反射器的厚度。相应地，以上描述的具体实施方式仅通过举例的方式，但不限于此目的。本领域技术人员应该清楚的是，在描述的操作没有显著变化的情况下，可以做出小的修改。
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