CN102590230A

CN102590230A - 用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器及测量系统

Info

Publication number: CN102590230A
Application number: CN2012100093793A
Authority: CN
Inventors: 肖夏; 王洪军
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明属于测试技术领域，涉及一种用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，包括一个两端封闭的圆柱形金属腔体，在圆柱形金属腔体内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道，检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线方向一致，在圆柱形金属腔体的侧壁上开始有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的矩形波导，矩形波导的宽边与圆柱形金属腔体的轴线方向相同，所述的检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线重合。本发明同时涉及一种采用此种传感器的溶液浓度测量系统。本发明结构简单，使用方便，对环境的要求低，可以实现高精度的测量。

Description

用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器及测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量溶液浓度的传感器，可对溶液浓度进行精确地测量，属测试技术领域。

背景技术

在现代工农业生产、医药、化工、食品等各领域，对于液体浓度宽范围的检测有着迫切的需要，希望出现一种结构简单，检测传感可靠，易于工业生产加工，成本较低的新型液体浓度检测的传感器。

溶液浓度是根据溶质在溶液中的含量来计算的，在实际应用中由于溶质量的变化溶液浓度也发生改变。溶液浓度的测量方式分为直接测量和间接测量方式。直接提取溶液测定溶液中溶剂和溶质含量是最基本的方法，但由于提取溶液会影响到溶液的状态，不适宜应用于需要严格控制溶液状态的环境中；另一种是采用比重计测量溶液浓度的方法，主要依靠人工完成。这两种方法属于溶液浓度的直接测量方式。间接测量方式则是以溶液的特性为依据，如溶液的电导率大小来衡量溶液中溶质量的多少，但该方法只能应用于电解质溶液，限制了其测量范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，该传感器具有结构简单、测量精度高、测量误差小的优点。本发明的技术方案如下：

一种用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，包括一个两端封闭的圆柱形金属腔体，在圆柱形金属腔体内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道，检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线方向一致，在圆柱形金属腔体的侧壁上开始有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的矩形波导，矩形波导的宽边与圆柱形金属腔体的轴线方向相同，所述的检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线重合。

作为优选实施方式，所述的耦合孔开设在圆柱形金属腔体的侧壁沿轴线方向上的中心位置处，耦合孔半径为3.5mm；所述的检测通道为玻璃管，所述的圆柱形金属腔体由黄铜制成；在圆柱形金属腔体的内表面覆盖有银薄膜。

本发明同时提供一种采用上述传感器实现的用于测量溶液浓度的微波谐振测量系统，包括谐振腔传感器、微波源、环形器、检波器、计算中心，其中，微波谐振腔传感器，包括一个两端封闭的圆柱形金属腔体，在圆柱形金属腔体内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道，检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线方向一致，在圆柱形金属腔体的侧壁上开始有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的矩形波导，矩形波导的宽边与圆柱形金属腔体的轴线方向相同；由微波源产生的微波信号经环形器导入矩形波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号经环形器导入检波器，检波器输出的信号被送入计算中心，由计算中心根据谐振频率的测量数据，得到谐振频率和介电常数的关系，进而获取待测溶液的浓度。

本发明提供一种用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器及测量系统，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明由于通过对溶液浓度变化前后的谐振腔谐振频率偏移的分析及处理，可以对被测溶液的浓度进行宽范围的检测。

2、本发明由于传输的微波信号功率非常小，不超过500μW，远低于手机的辐射功率，因此对被测物质及周围环境不会造成任何损害。

3、本发明结构简单，使用方便，对环境的要求低，通过耦合波导与外部处理电路配合，可以实现高精度的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的上视图。

图4是不同耦合孔半径的S参数。

图5是本发明测量不同介电常数的葡萄糖溶液时得到的谐振曲线图。

图中各标号为：1、耦合孔，2、波导，3、谐振腔体，4、定位螺钉，5、玻璃管，6、检测区域。

具体实施方式

微波谐振腔内介质介电常数的变化将引起谐振腔谐振频率的改变，通过测量谐振腔谐振频率的变化，就可以测量谐振腔内介质介电常数或其变化量。一定压力(温度)下，溶液的浓度不同其介电常数也就不同，而且两者一一对应，因此，可以通过测量微波谐振腔内溶液的介电常数来测量溶液的浓度。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明

参见图1，该微波谐振腔包括腔体3，制作腔体3的材料为黄铜；在腔体3中部设置一玻璃管5，该玻璃管内部区域6用以放置被测溶液；在腔体3侧壁中心位置开有一圆孔1，谐振腔通过该圆孔与矩形波导耦合，进行微波信号的传输；定位螺钉4用于顶盖与腔体3固定。

由微波源产生的微波信号经环形器导入波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号经环形器导入检波器，经过外部的处理电路对谐振频率的跟踪和测量，就可以得到谐振频率和介电常数的关系。

在选择微波谐振腔结构尺寸时，要考虑无载时品质因子Q₀的大小。Q₀的计算公式如下：

Q₀＝0.610×(λ₀/δ)×{[1+0.168×(2a/l)²]^3/2/[1+(2a/l)³]}

式中λ₀为微波谐振腔空载时的谐振波长，δ为谐振时腔体材料的趋肤深度。a为微波谐振腔腔体半径，1为微波谐振腔腔体长度。

Q₀越大，测量溶液浓度的分辨率越高，因此选择品质因数最高的工作模式TE₀₁₁模式，在此模式下当2a/1＝1时，Q₀最大。选取谐振腔的工作频率为9.6GHz，当谐振腔内的介质为空气时，由2a/1＝1可以计算出谐振腔的半径a为20.5mm，高度1为41mm。

在谐振腔的谐振频率点处，谐振器吸收了大部分功率，S₁₁曲线的衰减最大。结合图4所示，当耦合小孔的半径变化时，谐振曲线也发生变化。当耦合孔半径为3.5mm时，曲线衰减最大，此时，谐振腔和矩形波导的耦合效果最好，谐振腔的品质因数最高。

谐振腔的激励采用矩形波导TE₁₀波作为激励源，圆柱形谐振腔和矩形波导在波导终端通过小孔耦合，使矩形波导的宽边与谐振腔的轴线方向相平行，耦合小孔开在谐振腔的侧壁中心位置。在矩形波导的终端只有Hx分量，Hx分量与TE₀₁₁模圆柱形谐振腔的Hz分量一致，所以这种耦合方式可以激励起TE011模。TE₀₁₁模式与TM₁₁₁模式是简并波型，在激励端口TM₁₁₁模的Hz分量为零，不能被激励。所以，采用这种激励方式抑制了TM₁₁₁模的产生。

由于电磁波在液体中的损耗使谐振腔的品质因数下降，为使品质因数值达到设计要求，必须尽可能的减小电磁波辐射损耗和腔体内表面损耗。一方面以铜作为谐振腔的材料，两端封闭减小电磁波的泄露；另一方面要在谐振腔表面镀银，且使内表面光滑，减小导体的损耗。

本发明是通过测量不同浓度的溶液所引起的谐振频率的变化来测定溶液浓度的。以葡萄糖溶液为测量样品，结合图2所示，从图中可以看出，不同介电常数的溶液所引起的谐振频率的偏移是不同的，由于当温度不变时，一定浓度的葡萄糖溶液的介电常数是一定的，因此，确定溶液的介电常数后就可得到溶液的浓度。

Claims

1.一种用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，包括一个两端封闭的圆柱形金属腔体，在圆柱形金属腔体内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道，检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线方向一致，在圆柱形金属腔体的侧壁上开始有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的矩形波导，矩形波导的宽边与圆柱形金属腔体的轴线方向相同，所述的检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，其特征在于，所述的耦合孔开设在圆柱形金属腔体的侧壁沿轴线方向上的中心位置处。

3.根据权利要求1所述的用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，其特征在于，所述的耦合孔半径为3.5mm 。

4.根据权利要求1所述的用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，其特征在于，所述的检测通道为玻璃管，所述的圆柱形金属腔体由黄铜制成。

5.根据权利要求1所述的用于测量溶液浓度的微波谐振腔传感器，其特征在于，在圆柱形金属腔体的内表面覆盖有银薄膜。

6.一种用于测量溶液浓度的微波谐振测量系统，包括谐振腔传感器、微波源、环形器、检波器、计算中心，其中，微波谐振腔传感器，包括一个两端封闭的圆柱形金属腔体，在圆柱形金属腔体内部设置有一个用于容纳待测溶液的检测通道，检测通道的轴线与圆柱形金属腔体的轴线方向一致，在圆柱形金属腔体的侧壁上开始有耦合孔，在耦合孔处设置一用于传输微波信号的矩形波导，矩形波导的宽边与圆柱形金属腔体的轴线方向相同；由微波源产生的微波信号经环形器导入矩形波导，经波导传输耦合到谐振腔，谐振腔的反射信号经环形器导入检波器，检波器输出的信号被送入计算中心，由计算中心根据谐振频率的测量数据，得到谐振频率和介电常数的关系，进而获取待测溶液的浓度。

7.根据权利要求6所述的用于测量溶液浓度的微波谐振测量系统，其特征在于，所述的耦合孔开设在圆柱形金属腔体的侧壁沿轴线方向上的中心位置处。

8.根据权利要求6或7任意一项所述的用于测量溶液浓度的微波谐振测量系统，其特征在于，所述的耦合孔半径为3.5mm。

9.根据权利要求6或7任意一项所述的用于测量溶液浓度的微波谐振测量系统，其特征在于，所述的检测通道为玻璃管，所述的圆柱形金属腔体由黄铜制成。

10.根据权利要求6至9任意一项所述的用于测量溶液浓度的微波谐振测量系统，其特征在于，在圆柱形金属腔体的内表面覆盖有银薄膜。