一种智能微波加热方法及装置
阅读说明：本技术 一种智能微波加热方法及装置 (Intelligent microwave heating method and device ) 是由 唐正明 洪涛 杨伟超 朱铧丞 黄卡玛 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种智能微波加热方法及装置,其中加热方法包括以下步骤：步骤S1：获取被加热物的几何模型和属性；步骤S2：根据所述被加热物的几何模型和类型,计算所述被加热物的加热频率和加热时间；步骤S3：根据所述加热频率和加热时间对所述被加热物进行加热。本发明所提供的智能微波加热方法,自动获取所述被加热物的几何建模并判断所述被加热物的属性,进而计算出加热频率和加热时间,充分考虑了被加热对象随时间的动态变化特性,提高了频率选择的准确度,实现了智能化加热过程,减少了加热过程对人的依赖程度。(The invention discloses an intelligent microwave heating method and device, wherein the heating method comprises the following steps: step S1: acquiring a geometric model and attributes of a heated object; step S2: calculating the heating frequency and heating time of the heated object according to the geometric model and type of the heated object; step S3: heating the heated object according to the heating frequency and the heating time. The intelligent microwave heating method provided by the invention automatically obtains the geometric modeling of the heated object and judges the attribute of the heated object, so as to calculate the heating frequency and the heating time, fully considers the dynamic change characteristic of the heated object along with the time, improves the accuracy of frequency selection, realizes the intelligent heating process, and reduces the degree of dependence of the heating process on people.)
技术领域
本发明涉及微波加热领域，特别是涉及一种智能微波加热方法及装置。
背景技术
随着现代科技的飞速发展，微波能作为一种新型的高效率、清洁能源，已广泛应用于工业生产、日常生活等各个领域。
现有微波炉存在被加热物的加热均匀性差的问题。为了解决该技术问题，现有技术的应用中，通过变化的频率微波对被加热进行加热的方式来提高加热均匀性(如变频微波炉)，但其往往通过简单地在一个频段内扫频来实现变频，仍然存在被加热物微波吸收率低，即加热效率低的问题。近期公示的《一种微波选频加热的装置及其方法》通过设置微波调节装置对加热的频率进行选择，在提高被加热物加热均匀性的同时可提高微波的吸收效率。该方法主要在对被加热对象进行几何建模并输入介电常数后，依赖于多物理场计算获得其在一定频率范围内的电场、磁场、耗散功率和温度，并将这些结果存入存储器。随后，通过微处理器选取S11＜-3dB所对应的频率，并启动频率调节装置调节微波加热频率。
现有技术主要有以下几大不足：其一，被加热对象的几何建模过程需要手动完成，要进行具体的尺寸设置，过程相对繁琐；其二，被加热对象的介电特性需要手动输入，由于物质的介电特性在加热过程中会动态变化，因此，在智能化程度差的同时，该方法一定程度上会使得计算结果与实际结果匹配度差。即，有可能选择出来的加热频率未必是最优化的微波频率。其三，频率的调节缺乏实时性。由于现有方法是通过预先计算获得优选频率的，而随着加热的时间推移，当预先选定的频率与实际需要的优选频率出现偏差时，不能适时调整输出频率，进而影响到加热均匀性和效率的进一步提升。
因此，如何有效提高微波加热效率，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能微波加热方法及装置，用于提高微波加热效率，提高加热均匀性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能微波加热方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取被加热物的几何模型和属性；
步骤S2：根据所述被加热物的几何模型和类型，计算所述被加热物的加热频率和加热时间；
步骤S3：根据所述加热频率和加热时间对所述被加热物进行加热。
优选的，所述步骤S2中，所述加热频率有多个；
所述步骤S2还包括：根据预先存储的信息，计算所述被加热物的若干加热频率，并获得各所述加热频率的顺序。
优选的，所述步骤S3之后还包括：
获取所述被加热物的实时反射系数；
对比各时间点下的目标反射系数和实时反射系数，根据两者的差值实时调节加热频率。
优选的，所述步骤S2中，加热频率的计算方法包括：
按预设频率步长，计算获得所述被加热物在预设频率范围内的电场、磁场、耗散功率、温度和反射系数S11参数；
按照公式(1)计算出可用于衡量加热均匀性的变异系数Cov：
其中：Ti为任意点温度，为平均温度，
优选的，所述步骤S2中还包括：
根据各所述加热频率出现的顺序及各个所述加热频率的频率点所对应的S11参数，计算出物体吸收的微波能量；
结合物体的几何参数、密度、比热容参数，计算出所述被加热物达到预定平均温度时的加热时间。
一种智能微波加热装置，包括微波炉主体，所述微波炉体主体内部设有微波炉内腔，还包括用于获取被加热物的几何模型和属性的摄像组件和用于根据所述摄像组件的获取信息得到所述被加热物的加热频率和加热时间的控制器，所述摄像组件设置在所述微波炉内腔中。
优选的，所述摄像组件包括处理器、摄像头以及供所述摄像头移动的导轨，所述控制器还用于控制所述摄像头按照预设路径和角度移动或转动。
优选的，所述摄像组件还包括摄像存储器、电源、通讯接口以及用于安装所述摄像头的小车载体，所述小车载体可沿所述导轨移动。
优选的，还包括用于存储常见物质的外观特性、介电常数表、密度、比热容参数信息的信息存储器，所述控制器用于根据所述被加热物的几何模型和属性，对于所述信息存储器内侧存储的信息，获得所述被加热物的加热频率和加热时间。
优选的，还包括用户获取所述被加热物实时反射系数的传感器，所述控制器还用于根据所述传感器获取的温度信息实时调节所述加热频率。
本发明所提供的智能微波加热方法，包括以下步骤：步骤S1：获取被加热物的几何模型和属性；步骤S2：根据所述被加热物的几何模型和类型，计算所述被加热物的加热频率和加热时间；步骤S3：根据所述加热频率和加热时间对所述被加热物进行加热。本发明所提供的智能微波加热方法，自动获取所述被加热物的几何建模并判断所述被加热物的属性，进而计算出加热频率和加热时间，充分考虑了被加热对象随时间的动态变化特性，提高了频率选择的准确度，实现了智能化加热过程，减少人为因素的干扰。
本发明所提供的智能微波加热装置，包括微波炉主体，所述微波炉体主体内部设有微波炉内腔，还包括用于获取被加热物的几何模型和属性的摄像组件和用于根据所述摄像组件的获取信息，得到所述被加热物的加热频率和加热时间的控制器，所述摄像组件设置在所述微波炉内腔中。本发明所提供的智能微波加热装置，通过所述摄像组件实现对所述被加热物的几何建模，方便快捷，通过控制器自动获取最优化的被加热物的加热频率和加热时间，实现智能化操作，无需手动输入，并且加热频率的选择更加准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的智能微波加热方法的流程图；
图2为本发明所提供的智能微波加热装置一种
具体实施方式
的结构示意图；
图3-A为本发明所提供的智能微波加热装置对土豆片上表面温度分布的示意图；
图3-B为现有技术中所提供的智能微波加热装置对土豆片上表面温度分布的示意图；
图4为本发明所提供的智能微波加热装置中各部件的连接关系框图的结构示意图；
其中：1.摄像头；2.导轨；3.显示屏；4.传感器；5.控制器；6.调频旋钮；7.键盘；8.启动按钮；9.微波炉内腔；10.把手；11.微波炉箱门；12.微波源。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种智能微波加热方法及装置，能够提高微波加热均匀性和效率。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图4，图1为本发明所提供的智能微波加热方法的流程图；图2为本发明所提供的智能微波加热装置一种具体实施方式的结构示意图；图3-A为本发明所提供的智能微波加热装置对土豆片上表面温度分布的示意图；图3-B为现有技术中所提供的智能微波加热装置对土豆片上表面温度分布的示意图；图4为本发明所提供的智能微波加热装置中各部件的连接关系框图的结构示意图。
该智能微波加热方法包括以下步骤：
步骤S1：获取被加热物的几何模型和属性，具体的，可以通过多个角度拍摄被加热物，生成被加热物的几何模型，自动完成三维建模过程，并判断其属性，例如土豆或面包；
步骤S2：根据被加热物的几何模型和类型，计算被加热物的加热频率和加热时间，具体的，根据被加热物的几何模型和类型，通过与信息存储器中已有的数据对比后，直接给出被加热对象的介电特性随时间变化的数据表，并据此计算出最优的加热频率和加热时间；
步骤S3：根据加热频率和加热时间对被加热物进行加热，实现自动选择和加热的过程。
进一步，在步骤S3之后还包括：
步骤S4：达到加热时间后，停止加热。
本发明所提供的智能微波加热装置，通过摄像组件实现对被加热物的几何建模，方便快捷，通过控制器5自动获取最优化的被加热物的加热频率和加热时间，实现智能化操作，无需手动输入，并且加热频率的选择更加准确度。
优选的，步骤S2中，加热频率有多个，即可以通过多个不同的加热频率对被加热物进行加热；
具他的，步骤S2还包括：根据预先存储的信息，计算被加热物的若干加热频率，并获得各加热频率的顺序。
上述步骤，通过选取若干个加热频率，可以避免现有技术中，仅在同一个频率下加热导致的效率低和加热效果差的问题；
同时，每个加热频率优选对应有一个加热时间，各加热频率对应的加热时间可以为相同的时间，也可以为根据各加热频率对应的反射系数S11的大小按照比例分配的时间。
具体的，加热频率的计算方法包括：
按预设频率步长，通过多物理场计算获得被加热物在预设频率范围内的电场、磁场、耗散功率、温度和反射系数S11参数；具体的，预设频率范围优选为10GHz至300MHz；
按照公式1计算出可用于衡量加热均匀性的变异系数Cov，即Coefficient ofVariation：
其中：Ti为任意点温度，
更具体的，各加热频率的顺序，可以根据反射系数S11的大小进行排序，数值较小的反射系数S11对应的加热频率排序靠前，数值较大的反射系数S11对应的加热频率排序靠后。
这里需要说明的是，进行加热频率的选择时，根据电场的平均值或者平均温升选频，如选择电场平均值或平均温升高于预设值的微波频率。
在上述各实施方式的基础上，步骤S2中还包括：
根据各加热频率出现的顺序及各个加热频率的频率点所对应的S11参数，计算出物体吸收的微波能量；
结合物体的几何参数、密度、比热容参数，计算出被加热物达到预定平均温度时的加热时间。
上述步骤，用于计算出总的加热时间，可以显示在显示屏3上，方便使用者拿取被加热物。
在上述各实施方式的基础上，步骤S3之后还包括：
获取被加热物的实时反射系数；
对比各时间点下的目标反射系数和实时反射系数，根据两者的差值实时调节加热频率。
上述步骤，通过实时反馈，进一步提高加热精度和效率，在通过计算获得优选加热频率的顺序后，在此基础上对优选频率进行适时调整，可进一步提高加热效率；通过智能控制加热时间，在达到目标温度后，自动停止加热。
在上述各实施方式的基础上，在步骤S1中还包括：获取被加热物的初始温度；步骤S2中还包括：根据被加热物的初始温度，确定各加热频率对应的加热时间。例如，对于冰箱中取出的物品，可以相应的增加加热时间，对于常温下的物品，可以适当减小加热时间。当然，也可以通过在获取被加热物的几何模型和属性时，判断是否为冷冻物，进而相应的调整各加热频率对应的加热时间。
除上述智能微波加热方法外，本发明还提供了一种智能微波加热装置。
智能微波加热装置包括微波炉主体，微波炉体主体内部设有微波炉内腔9，还包括摄像组件和控制器5。
其中，摄像组件用于获取被加热物的几何模型和属性，控制器5用于根据摄像组件的获取信息，得到被加热物的加热频率和加热时间，摄像组件设置在微波炉内腔9中，控制器5可以位于微波炉本体上或者之外均可。
本发明所提供的智能微波加热装置，通过摄像组件实现对被加热物的几何建模，方便快捷，通过控制器5自动获取最优化的被加热物的加热频率和加热时间，实现智能化操作，无需手动输入，并且加热频率的选择更加准确度。
在上述各实施方式的基础上，还包括用于存储常见物质的外观特性、介电常数表、密度、比热容参数信息的信息存储器，控制器5用于根据被加热物的几何模型和属性，对于信息存储器内侧存储的信息，获得被加热物的加热频率和加热时间。
在上述各实施方式的基础上，还包括用户获取被加热物实时反射系数的传感器4，控制器5还用于根据传感器4获取的温度信息实时调节加热频率。
在上述各实施方式的基础上，摄像组件包括处理器、摄像头1以及供摄像头1移动的导轨2，控制器5还用于控制摄像头1按照预设路径和角度移动或转动，具体的，导轨2优选安装在微波炉内腔9的顶部。
在上述各实施方式的基础上，摄像组件还包括摄像存储器、电源、通讯接口以及用于安装摄像头1的小车载体，小车载体可沿导轨2移动。具体的，通讯接口可以为USB接口或者1394接口。
进一步，处理器通过串口装置与摄像组件相连接，用于控制摄像组件进行对被加热物体的图像采集并实现三维建模功能。
在上述各实施方式的基础上，微波炉本体上还设有调频旋钮6，可以对微波频率进行手动调节；并且，具有输入键盘7，可用于录入物质的介电特性、密度、比热容参数或用于手动设定加热时间。
优选的，微波炉主体上还设有用于显示加热时间和/或加热频率的显示屏3，方便观察。
进一步，微波炉主体上还设有启动按钮8，微波炉箱门11，微波炉箱门11上设有把手10，方便使用。
在上述各实施方式的基础上，该装置还可以包括WIFI部件，实现远程控制微波加热装置或参数的输入。
在一种具体实施例中，该装置和方法的具体操作过程为：
将物体放入炉箱，按启动按钮8，处理器控制摄像组件每隔13-17度，优选为15度，拍摄一张被加热物体的照片，摄像头1运动一周后，处理器根据所拍摄的照片生成被加热物体的三维模型，完成几何建模，并将建模结果存入处理器中的存储单元，如摄像存储器中；同时，对被加热物体的属性进行判别，如判断其属于土豆、面包还是其它类型，并通过存储单元，如信息存储器的已有结果进行比对后，作出物体类型判断并从信息存储器中调出与之对应的介电特性表、及密度、比热容参数值；
将所得的几何建模结果结合介电特性表代入多物理场计算程序，在10GHz至300MHz之间进行频率选择，获得能高效加热的微波频率序列，并同时估算出加热的总时间；
执行加热，控制器5按照优选出的加热频率依次输出，由其内置的时钟单元控制每个频率的作用时间，并根据传感器4探测到的反射功率大小，由处理器控制适时调整微波加热频率；
当达到预估的加热时间时，控制器5控制微波源12停止加热。
举例：如图3-A和图3-B所示，通过矩形土豆片上表面温度分布对比可知，在加热30秒后，采用本实施例所提供的加热方法，进行了微波加热频率的优选，其加热效果明显更好。
以上对本发明所提供的智能微波加热方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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