《Measurement》：Distributed fiber-optic temperature measurement for monitoring microwave drying processes
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分布式光纤传感（DFOS）使间歇式微波干燥铺路熟料黏土试件过程中的轴向分辨温度监测得以实现。DFOS揭示了局部温度极大值及点传感器无法探测到的内部非均匀温度分布。基于温度演变与干燥性能识别出三个特征干燥阶段。微波功率强烈影响温度演变，进而影响干燥动力学、收缩行
分布式光纤传感（DFOS）使间歇式微波干燥铺路熟料黏土试件过程中的轴向分辨温度监测得以实现。DFOS揭示了局部温度极大值及点传感器无法探测到的内部非均匀温度分布。基于温度演变与干燥性能识别出三个特征干燥阶段。微波功率强烈影响温度演变，进而影响干燥动力学、收缩行为及裂纹形成。对于所研究的铺路熟料黏土试件与所用腔体，34–40 W的平均功率范围在干燥效率与材料完整性之间提供了有利折中。
论文解读：分布式光纤传感在微波干燥过程监测中的应用与优化研究
一、研究背景与问题
建筑陶瓷及砖瓦制造业是能源密集型行业，其干燥环节能耗高、耗时长，且温度与湿度梯度的控制直接决定产品缺陷的形成。传统对流干燥依赖表面向内部的热量传递，效率低且易导致收缩裂纹。微波干燥通过对材料内部极化水分子与电磁场的相互作用实现体加热，具有显著加快干燥动力学、缩短工艺时间的潜力。然而，微波加热的复杂性在于其功率吸收的空间分布不均匀，直接受材料介电特性与腔内电场分布影响，进而导致局部温度峰值和严重温度梯度。这种非均匀内部温度场强烈控制水分迁移、收缩行为及损伤演化，但常规点式传感器（如热电偶）无法获取足够空间分辨率的内部温度分布，而红外热成像仅能测量表面温度。因此，在微波干燥过程中实现具有高空间分辨率的内部温度测量，成为理解干燥机理、优化工艺参数并避免开裂缺陷的关键前提。
二、研究目的与贡献
为此，本研究系统探究了分布式光纤传感（Distributed Fiber-Optic Sensing, DFOS）在微波干燥黏土基陶瓷材料中的应用。研究人员采用基于光学频域反射仪（Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）与瑞利背向散射分析的DFOS系统，将传感光纤沿圆柱形试件轴线嵌入，在间歇微波干燥过程中实现毫米级空间分辨率的轴向温度分布连续监测。同时，同步采集质量损失、试件直径变化及表面图像，结合干燥速率、体积收缩、干密度等参数，系统分析平均微波功率对温度演变、干燥动力学、收缩行为及裂纹形成的影响，进而识别合适的功率操作窗口。
三、关键技术方法
研究人员搭建了自行改装的固态微波源干燥系统（频率2.4–2.5 GHz，最大功率250 W），通过LabVIEW软件实现间歇式ON/OFF功率调控。实验采用铺路熟料黏土试件（直径40 mm，长度50 mm），初始含水率20%。分布式光纤温度传感以聚酰亚胺涂层单模光纤（直径150 μm）为核心，置于聚四氟乙烯（PTFE）毛细管中以消除机械应变影响，沿试件中心轴线布置，测量空间分辨率0.65 mm。传感器先在温控腔内以K型热电偶和Pt100参考传感器完成校准与验证，温度偏差小于2.5%。共进行十组不同平均功率（11–61 W）的干燥实验，每组功率水平包含三次重复实验，另设常规对流干燥参照。质量损失通过精密天平连续测定，图像采集（频率1 Hz）结合数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）计算径向收缩。
四、研究结果
4.1 DFOS温度测量
DFOS成功捕获了微波干燥过程中轴向分辨的温度分布与局部温度极值。实验初期（30–120 s），温度分布呈现非均匀特征，存在偏离中心的温度极大值，这与多模腔体内的电磁驻波场分布一致，并得到前期有限元模拟的验证。随着干燥进行，热传导与吸收变化使温度剖面逐渐均匀化。中等功率（Pmean=37 W）条件下，中心温度达到176 °C（2500 s），高功率（Pmean=54 W）条件下达到198 °C（2000 s）。DFOS还能清晰分辨间歇功率引起的温度振荡。
4.2 平均功率对温度与干燥速率的影响
功率水平的提高显著加快升温速率与水分去除速率。高功率实验（Pmean≥44 W）最大干燥速率达0.84–1.13 %/min；中等功率实验（28–40 W）为0.49–0.74 %/min；低功率实验（≤21 W）低于0.38 %/min。随湿度降低，温度演变呈现四个阶段：初始快速升温达到局部温度极大值；随后因蒸发冷却出现近似等温平台；当水分降至约13.2–11.8%后温度随湿度降低近似线性上升；最终在低含水率阶段达到全局温度极大值，温度随后下降。
4.3 最优能量输入与温度驱动干燥机制
可见表面裂纹在Pmean≥44 W时出现，而Pmean≤40 W时试件保持无裂纹。最大干燥速率随功率近似线性增加，达到最大干燥速率的时间则随功率降低。综合干燥效率与材料完整性，34–40 W（0.28–0.33 W/g）被确定为该试件与腔体配置下的最优平均功率窗口。高功率下试件收缩减小，推测与快速升温引起的孔隙水热膨胀及内部蒸气压部分抵消毛细收缩力有关；低功率下收缩更充分，干密度更高。微波干燥试件的干密度普遍低于对流干燥参照（约1.95 g/cm3），且随功率增大而降低。
五、结论
本研究证明DFOS是一种在微波干燥过程中以高空间分辨率解析内部温度分布的有效工具。通过DFOS获得的温度数据与干燥性能的综合关联分析，研究人员识别出三个特征干燥阶段：低效低功率阶段、兼顾效率与完整性的中间阶段以及伴随开裂的高功率阶段。本研究确定的功率范围仅适用于所研究的材料系统与微波腔体，但所提出的基于DFOS的方法为其他材料和系统的过程评估与优化提供了系统性框架，有助于减少能源消耗、提高产品质量并推动微波干燥技术的工业应用。
