電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭及由其構(gòu)成的測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭及由其構(gòu)成的測量裝置，所述電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭包括同軸結(jié)構(gòu)的外導體、內(nèi)導體及位于內(nèi)外導體之間的絕緣介質(zhì)，探頭插入待測介電系數(shù)物質(zhì)的測試終端為斜切口結(jié)構(gòu)，另一端設計有使探頭接入測量系統(tǒng)的同軸接口。所述物質(zhì)介電系數(shù)微波測量裝置，包括以上所述結(jié)構(gòu)的探頭和盛裝待測介電系數(shù)物質(zhì)的密閉金屬容器，所述密閉金屬容器由容器罐體和容器罐蓋構(gòu)成，容器罐蓋上設計有與探頭外導體外柱面相匹配的插入孔。采用由本實用新型構(gòu)成的微波測量系統(tǒng)測量物質(zhì)介電系數(shù)，解決了現(xiàn)有技術微波測量裝置測量物質(zhì)介電系數(shù)精度不高，難以滿足寬帶在線測量要求的等問題。
【專利說明】電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭及由其構(gòu)成的測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微波頻率下電介質(zhì)物質(zhì)介電系數(shù)的測量技術，更為具體地說，是涉及一種用于以微波測量電介質(zhì)物質(zhì)介電系數(shù)的探頭，以及由其構(gòu)成的物質(zhì)介電系數(shù)微波
測量裝置。
【背景技術】
[0002]物質(zhì)介電特性的測量在微波工程、微波物質(zhì)處理過程、微波化學及生物醫(yī)學工程中都有著非常重要的作用。人們通過測量物質(zhì)的介電系數(shù)了解物質(zhì)的介電特性，由此，產(chǎn)生了多種微波測量方法用于物質(zhì)介電系數(shù)的測量。
[0003]在測量方法中，非諧振法相對簡單。在非諧振法中，基于同軸線的傳輸-反射法在寬帶測量中得到了廣泛的應用，而且對從高損耗到低損耗的物質(zhì)的介電系數(shù)的測量都達到了較高的精度。
[0004]在一些微波化學反應中，因為反應物是復雜的混合物，且隨時間變化，通常用等效介電系數(shù)描述反應中分子極化特性。通過測量介電系數(shù)推知反應進行的情況，但介電系數(shù)隨微波頻率、溫度及反應時間改變而改變。因而，需要由在線測量裝置來反演反應物的介電系數(shù)。但是，在多數(shù)情況下，如果采用傳統(tǒng)的測量和反演方法，反應物的介電系數(shù)難以實現(xiàn)在線測量。近來在微波技術中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡計算模型作為一種非傳統(tǒng)的有效方法已逐漸得到人們的認可，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡計算模型反演反應物的介電系數(shù)成為可能。目前采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡計算模型反演反應物的介電系數(shù)，是直接用探頭與待測介電系數(shù)的物質(zhì)直接接觸進行微波測量。微波測量所使用的探頭為由外導體、內(nèi)導體和位于它們之間的絕緣體構(gòu)成的同軸探頭，其測試終端通常為平端面，有的為內(nèi)導體外凸的平端面，或為內(nèi)導體內(nèi)縮的平端面。現(xiàn)有技術使用的微波測量同軸探頭存在的不足，一是同軸探頭不便于插入到待測介電系數(shù)物質(zhì)內(nèi)，二是沒有考慮同軸探頭測試端面與待測介電系數(shù)物質(zhì)的接觸面積對介電系數(shù)測量靈敏度的影響，致使現(xiàn)有技術通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡計算模型反演反應物的介電系數(shù)的精度還不夠高，還難以滿足電介物質(zhì)介電系數(shù)測量精度的要求。
實用新型內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量的技術現(xiàn)狀，本實用新型的目的旨在提供一種新結(jié)構(gòu)的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭及由其構(gòu)成的微波測量裝置，以克服現(xiàn)有技術的存在的測量精度不高、難以滿足寬帶在線測量要求的等問題。
[0006]本實用新型提供的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，包括同軸結(jié)構(gòu)的外導體、內(nèi)導體及位于內(nèi)外導體之間的絕緣介質(zhì)，探頭插入待測介電系數(shù)物質(zhì)的測試終端為斜切口結(jié)構(gòu)，另一端設計有使探頭接入測量系統(tǒng)的同軸接口。
[0007]為了更好的解決本實用新型所要解決的技術問題，本實用新型還可進一步采取以下技術措施。下述各項技術措施可單獨采取，也可組合采取，甚至一并采取。
[0008]在本實用新型的上述技術方案中，所述絕緣介質(zhì)可以為空氣，也可以為固體絕緣介質(zhì)；優(yōu)選固體絕緣介質(zhì)；進一步優(yōu)選聚四氟乙烯。
[0009]在本實用新型的上述技術方案中，所述探頭測試終端斜切口的斜切角一般在20°?60°的范圍；所述外導體的外柱面優(yōu)先考慮由不同直徑柱面構(gòu)成的階梯結(jié)構(gòu)柱面；所述使探頭接入測量系統(tǒng)的同軸接口最好采用標準的“N”型接口。
[0010]由上述電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭構(gòu)成的物質(zhì)介電系數(shù)微波測量裝置，包括所述結(jié)構(gòu)的探頭和盛裝待測介電系數(shù)物質(zhì)的密閉金屬容器，所述密閉金屬容器由容器罐體和容器罐蓋構(gòu)成，容器罐蓋上設計有與探頭外導體外柱面相匹配的插入孔。
[0011]在上述物質(zhì)介電系數(shù)測量裝置中，所述插入孔最好位于容器罐蓋的中央；位于容器罐蓋中央的插入孔直徑最好介于探頭外導體構(gòu)成階梯柱面的兩外徑之間，以保證測試時探頭只能插入半徑較小的部分，而半徑較大的部分不能插入，探頭插入的深度保持不變；所述容器罐體和容器罐蓋最好采用螺紋蓋配聯(lián)接，以便于容器罐蓋和容器罐體之間拆裝。當然也可采用其他聯(lián)接結(jié)構(gòu)，如止口聯(lián)接結(jié)構(gòu)。
[0012]采用本實用新型提供的介電系數(shù)微波測量裝置測量物質(zhì)介電系數(shù)，先將介電系數(shù)微波測量裝置接入介電系數(shù)微波測量系統(tǒng)，將待測液體或粉狀物質(zhì)裝入測量裝置的金屬容器中，待測物質(zhì)裝至充滿金屬容器罐體后旋緊罐蓋，將連接好的斜切口同軸探頭通過罐蓋上的插入孔插入裝滿待測物的容器中，由探頭導入的微波輻射金屬容器內(nèi)待測物質(zhì)，通過測量金屬容器的反射系數(shù)S11的幅度和相位值測量待測物質(zhì)介電系數(shù)。利用數(shù)值計算方法，采用有限時域差分計算不同待測介質(zhì)介電系數(shù)引起的反射系數(shù)S11幅值和相位的變化，構(gòu)成BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練樣本，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對仿真計算產(chǎn)生的樣本進行訓練，通過選擇適當?shù)挠柧毢瘮?shù)等參數(shù)，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡誤差范圍小于預設值時就停止訓練，存儲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實測幾種校準物質(zhì)的反射系數(shù)S11的幅度和相位值，校準測量與仿真計算值之間的誤差，將校準后測量所得的反射系數(shù)S11的幅度和相位值作為輸入值賦給訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡，神經(jīng)網(wǎng)絡輸出物質(zhì)的介電系數(shù)，完成待測物質(zhì)介電系數(shù)的測量。
[0013]采用由本實用新型的介電系數(shù)微波測量裝置構(gòu)成的測量系統(tǒng)進行電介物質(zhì)介電系數(shù)測量，方法十分簡單，測量不需導出測量值與所求值之間的公式，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡對微波測量裝置的測量數(shù)據(jù)進行反演，直接得到待測物的介電系數(shù)及相關參數(shù)，測試具有實時、準確的特點。本實用新型提出的介電系數(shù)微波測量裝置，適用于固體粉末、液體及氣體介電系數(shù)的測量，尤其適用于化學反應溶液介電系數(shù)微波測量，解決了現(xiàn)有技術的化學反應溶液介電系數(shù)測量技術存在的諸多問題。
[0014]本實用新型是基于非諧振法中的同軸線傳輸-反射法測量物質(zhì)的介電系數(shù)，利用設計的同軸探頭插入裝有待測物質(zhì)的金屬容器，測得反射系數(shù)進而反演物質(zhì)的介電系數(shù)。該裝置能在較寬的頻帶范圍內(nèi)取得較高的測量精度，樣品的準備過程簡單，測試易于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖1是本實用新型的介電系數(shù)微波測量探頭沿插入方向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]附圖2是本實用新型的介電系數(shù)微波測量裝置探頭及金屬容器外觀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]附圖3是本實用新型的介電系數(shù)微波測量裝置使用狀態(tài)的示意圖。
[0018]在上述附圖中，各圖示標號標識的對象分別為:1-空氣；2_內(nèi)導體；3_絕緣介質(zhì)；4-外導體；5_探頭；6_容器罐蓋；7_容器罐體?！揪唧w實施方式】
[0019]下面通過實驗實施例對本實用新型進行具體描述，有必要在此指出的是，實施例只用于對本實用新型進行進一步說明，不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員可以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容對本實用新型作出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
[0020]微波測量裝置實施例
[0021]實施例1
[0022]本實施例的介電系數(shù)微波測量裝置，其結(jié)構(gòu)如附圖1、2所示，包括斜切口同軸探頭5及盛裝待測介電系數(shù)物質(zhì)的密閉金屬容器。所述斜切口同軸探頭包括外導體4、位于外導體圓柱形管腔內(nèi)的圓柱形內(nèi)導體2及位于內(nèi)與外導體間的絕緣介質(zhì)3，探頭的測試終端為斜切口結(jié)構(gòu)，斜切口的斜切角約為30°，另一端為使本測量裝置接入測量系統(tǒng)的標準同軸N型接口。所述外導體的外柱面為兩個不同直徑的柱面構(gòu)成的階梯柱面，外導體在軸向分為直圓柱傳輸段和斜切口測量段。位于內(nèi)與外導體間的所述絕緣介質(zhì)為聚四氟乙烯，內(nèi)導體通過聚四氟乙烯絕緣介質(zhì)層同軸安置在外導體圓柱形管腔內(nèi)。所述密閉金屬容器由容器罐體7和容器罐蓋6構(gòu)成，容器罐蓋與容器罐體通過螺紋結(jié)構(gòu)蓋配，容器罐蓋中央設計有與同軸探頭外導體相匹配的插入孔，插入孔的直徑介于同軸探頭外導體兩直徑之間。
[0023]實施例2
[0024]本實施例的介電系數(shù)微波測量裝置，其結(jié)構(gòu)也如附圖1、2所示，與實施例1中的介電系數(shù)微波測量裝置的結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的地方是同軸探頭測試終端的斜切口斜切角約為30°，容器罐蓋與容器罐體蓋配結(jié)構(gòu)為卡扣結(jié)構(gòu)。
[0025]介電系數(shù)測試實施例
[0026]測試之前，通過仿真計算得到大量的訓練樣本，以反射系數(shù)S11幅度值為輸入，介電系數(shù)的實部與虛部為輸出訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，訓練結(jié)束后存儲網(wǎng)絡。
[0027]微波輻射下物質(zhì)介電特性的測量是通過如下測試過程完成的，首先按照附圖3搭建好測試系統(tǒng)。
[0028]測試例I
[0029]將待測物質(zhì)乙二醇裝入金屬容器中，旋上罐蓋，再將斜切口同軸探頭接入介電系數(shù)微波測量裝置插入金屬容器中。讀取頻率為2.45GHz條件下反射系數(shù)S11的幅度和相位值，校準實測的反射系數(shù)S11的幅度和相位值，將校準后反射系數(shù)S11的幅度和相位值輸入已經(jīng)訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡，由輸出數(shù)據(jù)得到待測物質(zhì)介電系數(shù)的實部與虛部，測試結(jié)果如表I所示。
[0030]測試例2
[0031]將待測物質(zhì)甲酸裝入金屬容器中，旋上罐蓋，再將斜切口同軸探頭接入介電系數(shù)微波測量裝置插入金屬容器中。讀取頻率為2.45GHz條件下反射系數(shù)S11的幅度和相位值，校準實測的反射系數(shù)S11的幅度和相位值，將校準后反射系數(shù)S11的幅度和相位值輸入已經(jīng)訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡，由輸出數(shù)據(jù)得到待測物質(zhì)介電系數(shù)的實部與虛部，測試結(jié)果如表I所
/Jn ο
[0032]表I頻率為2.45GHz、20°C時物質(zhì)等效介電系數(shù)的測量結(jié)果
[0033]
【權利要求】
1.一種電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，包括同軸結(jié)構(gòu)的外導體(4)、內(nèi)導體(2)及位于內(nèi)外導體之間的絕緣介質(zhì)(3)，其特征在于，探頭插入待測介電系數(shù)物質(zhì)的測試終端為斜切口結(jié)構(gòu)，另一端設計有使探頭接入測量系統(tǒng)的同軸接口。
2.根據(jù)權利要求1所述的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)為空氣或固體絕緣介質(zhì)。
3.根據(jù)權利要求2所述的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)為聚四氟乙烯。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，其特征在于，所述斜切口的斜切角為20°?60°。
5.根據(jù)權利要求4所述的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，其特征在于，所述外導體的外柱面為由不同直徑柱面構(gòu)成的階梯結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權利要求5所述的電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭，其特征在于，所述使探頭接入測量系統(tǒng)的同軸接口為標準的“N”型接口。
7.權利要求1至6之一所述電介物質(zhì)介電系數(shù)微波測量探頭構(gòu)成的測量裝置，其特征在于，包括所述探頭(5)和盛裝待測介電系數(shù)物質(zhì)的密閉金屬容器，所述密閉金屬容器由容器罐體(7)和容器罐蓋(6)構(gòu)成，容器罐蓋上設計有與探頭外導體相匹配的插入孔。
8.權利要求7所述用于物質(zhì)介電系數(shù)微波測量裝置，其特征在于，所述插入孔位于容器罐蓋的中央。
9.權利要求8所述用于微波測量電介物質(zhì)介電系數(shù)測量裝置，其特征在于，位于容器罐蓋中央的插入孔直徑介于探頭外導體構(gòu)成階梯外柱面的兩外徑之間。
10.權利要求7或8或9所述用于微波測量物質(zhì)介電系數(shù)測量裝置，其特征在于，所述容器罐體和容器罐蓋通過螺紋蓋配聯(lián)接。
【文檔編號】G01R27/26GK203732632SQ201420074952
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月21日 優(yōu)先權日:2014年2月21日
【發(fā)明者】黃卡瑪, 陳倩, 楊陽, 劉長軍, 閆麗萍, 趙翔, 陳星 , 郭慶功, 楊曉慶 申請人:四川大學