介電常數(shù)測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波測量技術(shù)。本發(fā)明公開了一種介電常數(shù)測量裝置，包括測試腔和測量儀，所述測試腔為具有軸對稱結(jié)構(gòu)的封閉金屬腔體，所述金屬腔體由上下兩部分對接構(gòu)成，上部分為錐臺，用于安裝探針，下部分為柱體或錐臺，用于盛放被測介質(zhì)，上下兩部分的對稱軸重合，所述探針安裝在上部分頂端并置于金屬腔體對稱軸上，所述探針伸入金屬腔體，所述探針具有同軸線結(jié)構(gòu)，所述探針為同軸線結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體，所述同軸線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體與金屬腔體相連，所述探針通過傳輸線與測量儀連接，用于傳輸微波測試信號，所述測量儀為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過S參數(shù)計算被測介質(zhì)的介電常數(shù)。本發(fā)明采用非接觸式測量方法，能有效消除高溫帶來的測量誤差。
【專利說明】介電常數(shù)測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波測量技術(shù)，特別涉及一種利用微波輻射測量介電常數(shù)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波在化學(xué)、冶金、醫(yī)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。復(fù)介電常數(shù)作為電磁場中描述材料的重要宏觀參數(shù)，決定并影響著微波與材料的相互作用，因此，在新形式交叉學(xué)科的挑戰(zhàn)下，對物質(zhì)復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行測量也提出了更高的要求。常溫材料的復(fù)介電常數(shù)測量方法比較常見，主要有傳輸線法和諧振法，但目前對高溫材料的復(fù)介電常數(shù)測量還少有研究，給一些科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)帶了極大的瓶頸。例如，由于缺乏各種陶瓷材料在高溫下的介電常數(shù)，微波燒結(jié)陶瓷過程中經(jīng)常出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，目前是采用微波加熱和傳統(tǒng)加熱相結(jié)合的方式來解決這個問題，這給實(shí)際生產(chǎn)中帶來了不便。雖然可以采用數(shù)值模擬計算來預(yù)測并控制陶瓷的微波燒結(jié)過程，但由于缺乏高溫陶瓷復(fù)介電常數(shù)的了解，在材料功率吸收和溫度分布的計算機(jī)模擬中很難建模分析。
[0003]高溫材料復(fù)介電常數(shù)測量與常溫測量相比有以下四個主要問題:(I)在高溫條件下，復(fù)介電常數(shù)的變化范圍大，傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)難于匹配和調(diào)諧；(2)高溫引起的熱膨脹及測量容器尺寸發(fā)生變化引入測量誤差；(3)高溫狀態(tài)下，需要解決傳感器耐高溫問題或使用絕熱測量系統(tǒng)；(4)溫度升高，不確定參數(shù)增加，測量精度降低。一些研究人員采用諧振法或微擾法進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)測量測量，都有一定的局限性。為了得到高溫效果，Baysar等人諧振法采用腔體內(nèi)直接對介質(zhì)加熱，由于腔體熱膨脹的結(jié)果，在650°C高溫狀態(tài)下不可避免的影響了腔體的諧振頻率，測量結(jié)果對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部影響較大。Hutcheon等人采用腔體為TMOlO圓柱腔實(shí)現(xiàn)微擾法測量，設(shè)計了一套高溫測量系統(tǒng)避免了腔體熱膨脹，測量較為方便，缺點(diǎn)是測量頻帶窄，只適合測量低損耗介質(zhì)材料。Ara1、David、Bringhurst等人各自設(shè)計了一些終端開路同軸線探頭，通過復(fù)雜的裝置一定程度上解決了熱膨脹問題，缺點(diǎn)是只能測量一些粉末狀的材料，一些堅硬塊狀材料如礦石等無法測量，而且這類方法需要接觸被測材料，對被測材料樣品有一定的限制，如要求接觸面必須光滑等。綜上看出，對于大于1000°C的高溫材料復(fù)介電常數(shù)測量較為困難，以上介紹的測量方法，既要考慮加熱設(shè)備，又要考慮耐熱的測量探頭以及諧振腔的熱膨脹，使測量變得復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對材料介電常數(shù)測量，特別是高溫狀態(tài)材料介電常數(shù)測量的問題，提出了一種非接觸式測量介電常數(shù)的裝置。
[0005]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，介電常數(shù)測量裝置，包括測試腔和測量儀，所述測試腔為具有軸對稱結(jié)構(gòu)的封閉金屬腔體，所述金屬腔體由上下兩部分對接構(gòu)成，上部分為錐臺，用于安裝探針，下部分為柱體或錐臺，用于盛放被測介質(zhì)，上下兩部分的對稱軸重合，所述探針安裝在上部分頂端并置于金屬腔體對稱軸上，所述探針伸入金屬腔體，所述探針具有同軸線結(jié)構(gòu)，所述探針為同軸線結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體，所述同軸線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體與金屬腔體相連，所述探針通過傳輸線與測量儀連接，用于傳輸微波測試信號，所述測量儀為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過S參數(shù)計算被測介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0006]本發(fā)明的介電常數(shù)測量裝置，采用非接觸測量方法，特別適合高溫狀態(tài)物質(zhì)的介電常數(shù)測量。由于探針不接觸被測介質(zhì)，不需要采用特別的耐高溫材料，也不需要采取特別的絕熱措施。本發(fā)明采用微波測試信號，軸對稱結(jié)構(gòu)的測試腔，可以提高微波匯聚效果和電場分布的均勻性，有利于提高測量靈敏度。特別是安裝探針的金屬腔體上部分設(shè)計成錐臺結(jié)構(gòu)，可以使測試信號向金屬腔體下部分集中，有利于盛放于金屬腔體下部分的被測介質(zhì)介電常數(shù)的測量，提高測量精度和靈敏度。
[0007]具體的，所述錐臺為圓錐臺，所述柱體為圓柱體。
[0008]或者，所述錐臺棱錐臺，所述柱體為棱柱體。
[0009]采用形狀規(guī)則的圓錐臺加圓柱體或多邊形棱錐臺加多邊形柱體測試腔，不但便于加工成型，降低制造成本，也便于測量時上下部分快速扣合。柱狀結(jié)構(gòu)的測試腔，特別是圓柱狀或棱柱狀結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單，加工方便的特點(diǎn)，并且容易與盛放被測介質(zhì)的容器形狀和尺寸匹配，提高測量精度。錐臺和柱體對接構(gòu)成的測試腔，兼顧了匯聚性能和測量精度要求，可以采用沖壓工藝或焊接工藝制作測試腔，是本發(fā)明優(yōu)選的測試腔形狀結(jié)構(gòu)。
[0010]進(jìn)一步的，所述被測介質(zhì)處于高溫狀態(tài)并置于容器中，所述容器置于金屬腔體內(nèi)，其形狀和大小與金屬腔體匹配，使容器與金屬腔體之間間隙最小。
[0011]本方案是用于測量高溫狀態(tài)介質(zhì)材料介電常數(shù)的裝置，可以將介質(zhì)材料置于耐高溫容器如坩堝內(nèi)，加熱到高溫狀態(tài)對其介電常數(shù)進(jìn)行測量。容器形狀和大小與金屬腔體匹配，使容器與金屬腔體之間縫隙最小，有利于提高測量精度。
[0012]具體的，所述高溫狀態(tài)溫度高于1000°C。
[0013]本發(fā)明的測量裝置，采用非接觸測量方法，可以測量溫度高于1000°C的介質(zhì)材料介電常數(shù)，通常對于溫度1200°c以下的材料，只要選擇合適的容器，本發(fā)明的測量裝置就可以勝任，而且不需要特別昂貴的耐高溫金屬探針和金屬腔體。
[0014]進(jìn)一步的，所述金屬腔體設(shè)置有排氣孔。
[0015]更進(jìn)一步的，所述排氣孔孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波測試信號波長。
[0016]對于高溫狀態(tài)的介質(zhì)材料，在測試腔上設(shè)置排氣孔，可以提高密閉金屬腔體的安全性，只要排氣孔孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波測試信號波長，就不會對微波測試產(chǎn)生影響，也不會產(chǎn)生微波泄漏。
[0017]本發(fā)明的有益效果是，采用非接觸式測量方法，能有效消除高溫帶來的傳感器熱膨脹，降低熱膨脹造成的測量誤差。本發(fā)明不需要特別的耐高溫材料和絕熱措施，測量裝置成本低。本發(fā)明探針采用同軸線結(jié)構(gòu)，對被測材料介電常數(shù)變化敏感，能有效的通過數(shù)值計算得到被測材料的高溫介電常數(shù)。本發(fā)明能夠測量塊狀、粉末狀和液態(tài)材料的介電常數(shù)，特別是高溫狀態(tài)的介電常數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是實(shí)施例1的測試腔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是圖1的俯視圖；
[0020]圖3是實(shí)施例2的測試腔俯視圖；[0021]圖4是實(shí)施例3的測試腔俯視圖；
[0022]圖5是實(shí)施例4的測試腔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6是圖5的俯視圖。
[0024]圖中，I為測試腔；11為金屬腔體上部分；12為金屬腔體下部分；20為排氣孔；3為同軸線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體；30為探針，也是同軸線結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體；31為同軸線結(jié)構(gòu)介質(zhì)；40為被測介質(zhì)；41為坩堝。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0026]本發(fā)明的介電常數(shù)測量裝置，采用非接觸測量方法，特別適合高溫狀態(tài)物質(zhì)的介電常數(shù)測量，由于探針不接觸被測介質(zhì)，不需要采用特別的耐高溫材料，也不需要采取特別的絕熱措施。本發(fā)明的測量裝置采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，介電常數(shù)的反演算法是對S參數(shù)進(jìn)行反演，而非對Q值進(jìn)行反演，并不要求測試腔處于諧振狀態(tài)，因此一套系統(tǒng)可以覆蓋相對較寬的頻率，而且對測試腔的具體尺寸要求也不嚴(yán)格。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本例介電常數(shù)測量裝置，如圖1和圖2所述，包括測試腔I和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(圖中未示出)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠根據(jù)檢測到的S參數(shù)計算被測介質(zhì)的介電常數(shù)。本例測試腔I為具有對稱結(jié)構(gòu)的封閉金屬腔體，金屬腔體上部分11為圓錐臺，用于安裝探針30，下部分12為圓柱體，用于盛放被測介質(zhì)。圓錐臺11和圓柱體12對接構(gòu)成封閉的金屬腔體，圓錐臺11和圓柱體12的對稱軸重合。圓錐臺11頂部安裝有同軸線結(jié)構(gòu)的探針30，探針30為同軸線結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體，探針30安裝在圓錐臺11和金屬圓柱體12的對稱軸上，并伸入圓錐臺U。同軸線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體3做成標(biāo)準(zhǔn)N型同軸線接頭，并與測試腔I相連，探針30與同軸傳輸線(圖中未示出)的芯線相連，同軸線的另一端連接測量儀。本例測量儀采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試時，探針30向測試腔中輻射微波測試信號并向測量儀傳輸S參數(shù)，測量儀接收到該S參數(shù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演得到被測材料的介電常數(shù)。本例采用形狀規(guī)則的圓錐臺和圓柱體結(jié)合構(gòu)成測試腔，有利于提高微波匯聚效果，使電場分布比較均勻和集中。本例測量裝置非常適合材料高溫狀態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)。對于溫度比較高的被測介質(zhì)，測量時，將被測介質(zhì)置于坩堝等容器中，加熱到預(yù)訂溫度后連同坩堝一起放置到測試腔I中進(jìn)行測試。為了提高測量精度，要求容器形狀和大小與金屬腔體匹配，使容器與金屬腔體之間縫隙最小。由于測試腔下半部分為圓柱體，容易做到與坩堝形狀和尺寸的匹配，有利于提高測量精度。而測試腔I上半部分的圓錐臺11，則可以將微波測試信號匯聚到測試腔I下半部分的被測介質(zhì)上，有利于提高測試靈敏度。
[0029]實(shí)施例2
[0030]本例介電常數(shù)測量裝置，測試腔I結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用金屬材料的四棱錐臺和四棱柱對接構(gòu)成封閉的金屬腔體，探針30安裝在四棱錐臺頂部，并與測試腔I對稱軸重合，四棱錐臺底部與四棱柱對接，被測介質(zhì)放置在四棱柱中。這種結(jié)構(gòu)的測試腔，具有結(jié)構(gòu)簡單，加工方便的特點(diǎn)，并且容易與盛放被測介質(zhì)的容器形狀和尺寸匹配，提高測量精度。本例其他結(jié)構(gòu)參見實(shí)施例1的描述
[0031]實(shí)施例3[0032]如圖4所示，本例介電常數(shù)測量裝置，測試腔I由金屬材料的六棱錐臺和六棱柱對接構(gòu)成。本例其他結(jié)構(gòu)參見實(shí)施例1的描述。
[0033]上述錐臺和柱體對接構(gòu)成的測試腔，兼顧了匯聚性能和測量精度要求，是本發(fā)明優(yōu)選的測試腔形狀結(jié)構(gòu)。
[0034]實(shí)施例4
[0035]如圖5和圖6所示，本例測試腔I由圓錐臺11與圓錐臺12對接構(gòu)成，圓錐臺11的底部與圓錐臺12的頂部對接，探針安裝在圓錐臺11頂部并與測試腔對稱軸重合。這種測試腔具匯聚性能好的特點(diǎn)，適合與上大下小的坩堝41配合，用于測量高溫狀態(tài)的介質(zhì)40的參數(shù)。
[0036]本發(fā)明的測量裝置，采用非接觸測量方法，可以測量溫度高于1000°C的介質(zhì)材料介電常數(shù)。通常對于溫度在1200°C以下的介質(zhì)材料，只要選擇合適的容器，一般金屬材料如鋼材、銅材或鋁材等構(gòu)成的測試腔和探針都能夠勝任，不需要特別昂貴的耐高溫金屬探針和金屬腔體。
[0037]本發(fā)明的測量裝置中，測試腔I內(nèi)壁應(yīng)是光滑的，特別是上下兩部分對接處以及安裝探針的金屬腔體頂部，都應(yīng)當(dāng)做得光滑平整，上下兩部分對接處不應(yīng)有凸臺或凹陷。如果采用螺釘固定探針，應(yīng)當(dāng)對突出金屬腔體內(nèi)的螺釘進(jìn)行打磨，使金屬腔體內(nèi)表面光滑平整，以免影響微波的傳輸。對于高溫狀態(tài)的介質(zhì)材料，由于金屬腔體的密閉性，測試腔內(nèi)的空氣受熱膨脹，產(chǎn)生壓力的變化，給測量工作帶來危險。特別是對于盛放于坩堝內(nèi)的高溫液體介質(zhì)，可能飛濺出來污染測試腔，或者發(fā)生燙傷事故。在測試腔上設(shè)置排氣孔20，可以及時排除受熱膨脹的空氣，提高密閉的測試腔的安全性。只要排氣孔孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波測試信號波長，就不會對微波傳輸產(chǎn)生影響，也不會產(chǎn)生微波泄漏。這種設(shè)置有排氣孔的的測試腔，對于微波來說可以認(rèn)為是封閉的，而對于空氣來說則是非密閉的。
[0038]本發(fā)明測量步驟如下:
[0039]1、測量前先將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)，用同軸電纜連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針。
[0040]2、當(dāng)測量溫度較低時(如600°C以下)，直接使用金屬腔體下部分盛裝被測材料，在電爐中加熱到所需溫度，取出后迅速蓋上金屬腔體上部分，記錄矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的測量數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)記錄完畢既可取下上部金屬腔體。由于測量時間較短，而且探針不與被測介質(zhì)接觸，可以忽略下部金屬腔體和被測介質(zhì)取出電爐后的降溫，測量電纜和儀器也基本不會受到高溫的影響。當(dāng)測量溫度較高時(如高于800°C，由于金屬腔體一般采用不銹鋼，溫度太高容易氧化，如果采用比較耐高溫的金屬，可以提高這個溫度)，需要將待測物料裝入坩堝中，再將坩堝放入電爐中加熱到所需溫度，取出后迅速放入下部金屬腔體中，并蓋上上部金屬腔體，記錄網(wǎng)絡(luò)分析儀上的測量數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)記錄完畢既可取下上部金屬腔體。
[0041]3、將網(wǎng)絡(luò)分析儀上記錄的S參數(shù)數(shù)據(jù)用解析或者數(shù)值方法進(jìn)行反演，得到被測物料的介電常數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.介電常數(shù)測量裝置，包括測試腔和測量儀，所述測試腔為具有軸對稱結(jié)構(gòu)的封閉金屬腔體，所述金屬腔體由上下兩部分對接構(gòu)成，上部分為錐臺，用于安裝探針，下部分為柱體或錐臺，用于盛放被測介質(zhì)，上下兩部分的對稱軸重合，所述探針安裝在上部分頂端并置于金屬腔體對稱軸上，所述探針伸入金屬腔體，所述探針具有同軸線結(jié)構(gòu)，所述探針為同軸線結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體，所述同軸線結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體與金屬腔體相連，所述探針通過傳輸線與測量儀連接，用于傳輸微波測試信號，所述測量儀為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過S參數(shù)計算被測介質(zhì)的介電常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述錐臺為圓錐臺，所述柱體為圓柱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述錐臺棱錐臺，所述柱體為棱柱體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任意一項(xiàng)所述的介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述被測介質(zhì)處于高溫狀態(tài)并置于容器中，所述容器置于金屬腔體內(nèi)，其形狀和大小與金屬腔體匹配，使容器與金屬腔體之間間隙最小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述高溫狀態(tài)溫度高于1000。。。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述金屬腔體設(shè)置有排氣孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介電常數(shù)測量裝置，其特征在于，所述排氣孔孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波測試信號波長。
【文檔編號】G01R27/26GK103969510SQ201410204516
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】黃卡瑪, 楊陽, 陳倩, 陳星 , 劉長軍, 郭慶功, 閆麗萍, 趙翔, 楊曉慶 申請人:四川大學(xué)