CN103308778A - 介电常数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波应用技术领域。本发明公开了一种介电常数测量装置，不仅用于测量固体介质材料的介电常数，也可以用于腐蚀性化学溶液介电常数的测量。本发明的技术方案是，介电常数测量装置，包括槽线结构，所述槽线结构两端设置有信号接口，用于连接测试仪器和传输测试信号，所述槽线结构中设置有孔洞，所述孔洞位于槽线中，用于放置盛装被测材料的容器，所述孔洞尺寸足够大，以使其匹配的容器所盛装的被测材料能够充分影响槽线结构的传输特性。本发明装置结构简单，灵敏度高。双端口测量方式可以减少多解的出现，有利于提高测量精度和测量速度。可以用于腐蚀性化学溶液介电常数的测量，能够实现宽带测量和在线测量，具有广泛的适用性。

Description

介电常数测量装置

技术领域

本发明涉及微波应用技术领域，特别涉及采用槽线结构，通过获取测量装置系统的传输和反射参数并加以反演处理对未知材料的介电常数进行测量的装置。

背景技术

近年来，微波的应用几乎扩展到了化学研究的各个领域，例如石油化工、食品化工、医药化工等，并且取得了巨大的经济效益。但是由于人们对微波同化学物质或者化学反应的相互作用机理研究不足导致微波在上述领域的应用仍然存在很多技术壁垒，所以对微波对化学物质作用的原理研究就成为了当今尤为重要的课题，对物质介电特性的研究就是其中之一。而无论从理论上还是工程应用上来说，化学反应过程中溶液的介电特性都是研究所需的重要参量，因此对化学反应的整个过程中溶液等效复介电常数的在线测量与计算就显得非常重要。目前，对于化学物质介电常数的测量方法大致可以分为接触式和非接触式两大类，接触式如反射法、传输/反射法等因为其结构简单成本低廉等优点，经常被应用于普通物质的介电常数测量，但对于某些具有腐蚀性或强氧化性等特殊性质的化学物质却无法直接进行测量。而非接触式测量方法如谐振腔法、开放式谐振法等，它们的装置通常结构复杂，制作成本高而且对被测样本的形状、位置等条件要求较高，且无法实现宽带测量。

槽线结构是一种具有微带传输线特性的微波传输装置，其典型结构如图1所示，槽线结构100包括介质基板1和附着在介质基板1表面的金属层2，金属层2上制作有槽线11。槽线结构有多种形式，不同的槽线形状有不同的微波参数，如阻抗、传输频率、带宽、反射参数等，主要与槽线宽度C有关。通常为了传输信号和连接测量装置，槽线结构A、B两端分别设置有信号接口。研究表明，槽线结构对附近物体的介电常数十分敏感，其传输特性（主要包括反射特性和散射特性）会随着周围物体介电常数的变化而发生明显的变化。当信号通过槽线结构时，电磁波会在槽线通道中传播，槽线中的场强信号比较集中。如果槽线附近出现不同介电常数的物质，则会影响槽线中电磁波的传播，从而导致AB两端信号接口的散射参数等发生变化。申请号为200610164879.9，公开日为2008.06.11的中国专利申请（以下简称为该专利申请），公开了一种介质材料的介电特性测量装置。该专利申请公开的技术方案采用传输/反射法，利用共面微带传输线特性，测量介质材料的介电常数。该专利申请将微带传输线放置在屏蔽盒（测试盒1）中，被测介质放置在微带传输线上，利用其对微波传输特性的影响测量介质材料的介电常数。该专利申请在测量介电常数时，介质材料需要与微带传输线直接接触，通常只能用于测试没有腐蚀性的固体介质材料，其使用受得了极大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种介电常数测量装置，不仅用于测量固体介质材料的介电常数，也可以用于腐蚀性化学溶液介电常数的测量。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，介电常数测量装置，包括槽线结构，所述槽线结构两端设置有信号接口，用于连接测试仪器和传输测试信号，其特征在于，所述槽线结构中设置有孔洞，所述孔洞位于槽线中，用于放置盛装被测材料的容器，所述孔洞尺寸足够大，以使其匹配的容器所盛装的被测材料能够充分影响槽线结构的传输特性。

本发明的技术方案，在槽线结构中打孔放置容器，测量时将被测介质放入容器中，相当于在槽线结构中嵌入被测介质，利用被测介质对微波传输特性的影响，通过分析放入被测介质前后的传输特性，得到被测介质的介电常数。为了使嵌入的被测介质能够对槽线结构的传输特性产生实质性影响，提高分析测试的精确度，孔洞的大小应使放置的容器具有足够大的容积，其盛装的被测材料充能够分影响槽线结构的传输特性，但孔洞也不能太大，以至于破坏了槽线结构的微带传输线特性。

进一步的，所述孔洞位于槽线中线上。

根据槽线结构的微波传输特点，槽线中线附近场强集中，传输特性对槽线中线附近介质变化反应灵敏，孔洞位于槽线中线上有利于提高测量精度和灵敏度。

更进一步的，所述槽线结构具有对称性，所述孔洞设置在其对称中心。

槽线结构具有对称性，通常槽线中线为其对称轴，槽线中点为对称中心。根据微波传输特性，孔洞设置在槽线结构的对称中心，有利于提高灵敏度和测量精度。

具体的，所述被测材料为液体。

本发明的测量装置，最适合测量液体、粉末等没有固定形状的介质的介电常数，特别适用于测量腐蚀性液体的介电常数。

优选的，所述容器中液面高度至少与槽线结构平齐。

测量液体介质的介电常数时，为了使容器中的介质能够充分影响槽线结构的传输特性，通常要求容器中液面高度略高于槽线结构，或至少与槽线结构平齐。

微带传输线的结构特点是，其厚度尺寸远远小于其横向尺寸和纵向尺寸，当孔洞尺寸与槽线结构的槽线宽度相对应时，与孔洞大小匹配的容器其盛装的液体介质就足以对槽线结构的传输特性产生实质性影响，测量精度就能够得到保证。即容器的横截面积是需要考虑的主要因素，至于容器的深度，只要大于槽线结构的厚度即可。

优选的，所述孔洞截面形状为圆形或正方形。

采用圆形或正方形孔洞及相应的容器形状，可以与槽线结构的对称性匹配，而且圆形孔洞还具有加工方便的特点。

推荐的，所述槽线结构被置于屏蔽盒中，所述信号接口置于所述屏蔽盒侧壁外侧。

微带传输线容易受到外部信号的干扰，将槽线结构被置于屏蔽盒中，可以提高测量系统的抗干扰能力和测量精度。

进一步的，所述信号接口包括同轴线接口和转换器，所述同轴线接口通过转换器与槽线结构连接。

同轴线接口是一种应用普遍，技术非常成熟的信号接口，属于非平衡接口，其与平衡传输的槽线结构连接需要通过转换器进行平衡/非平衡的转换。

具体的，所述转换器为与所述槽线结构共面的巴伦结构。

巴伦结构是一种用于微带线传输系统的平衡/非平衡转换器，是通过刻蚀工艺等，在槽线结构的两端金属层中形成各种形状的微带线制作而成的，是一种与槽线结构共面的结构，可以根据不同结构的槽线，制作不同形状的巴伦结构，完成平衡/非平衡转换和阻抗匹配。这种转换器较之其他的变压器等结构更简单，与槽线结构的工艺兼容性、匹配性更好。

优选的，分布在槽线结构两端的巴伦结构形状相同，分别分布在槽线结构的槽线两边。

这种分布方式是两端的巴伦结构被槽线隔开，有利于降低其间的耦合，提高测量精度。

本发明的有益效果是，装置结构简单，灵敏度高。双端口测量方式可以减少多解的出现，有利于提高测量精度和测量速度。本发明可以用于腐蚀性化学溶液介电常数的测量，能够实现宽带测量和在线测量，具有广泛的适用性。特别需要指出的是，本发明的装置用于在线测量，可以实时检测容器中的化学溶液介电常数的变化，进而可以对化学反应过程进行实时监控，具有特别的实际意义。

附图说明

图1是槽线结构示意图；

图2是实施例1的示意图；

图3是图2的左视图；

图4是容器中液面高度示意图；

图5是实施例2的示意图；

图6是实施例3的示意图；

图7是实施例4的示意图；

图8是实施例5的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

研究表明，槽线结构对附近物体的介电常数十分敏感，特别是其散射参数会随着周围物体介电常数的变化而发生明显的变化。当信号通过槽线结构时，电磁波会在槽线通道中传播，如果槽线附近出现不同介电常数的物质，则会影响槽线中电磁波的传播，从而导致两端口的散射参数发生变化。本发明正是利用了微波传输的上述原理，设计出尺寸与阻抗合适的槽线结构，并在槽线结构中加工孔洞，将被测介质置于匹配容器中并将容器放入该孔洞，使得被测介质填充该孔洞，以至于充分影响电磁波的传播进而影响系统的散射参数。通过测得在被测介质影响前后系统的散射参数再结合神经网络算法来实现对被测介质介电常数的测量。

实施例1

本发明介电常数测量装置，包括槽线结构100，槽线结构100的A、B两端分别设置有信号接口，用于连接测试仪器和传输测试信号。如图2、图3和图4所示，本例槽线结构100中设置有孔洞10，孔洞10位于槽线11中，用于放置盛装被测材料的容器12。槽线结构100具有对称性，孔洞10设置在槽线11的中线上，并位于其对称中心。本例被测介质为液体，容器12就是常用的试管，其截面形状为圆形，孔洞10直径D足够大，以使相同大小的试管所盛装的被测液体介质能够充分影响槽线结构100的传输特性（散射参数）。由图4可见，当液体介质液面高度与槽线结构平齐时，槽线结构100中的孔洞10可以被认为充满液体介质。通常选择孔洞10的直径D与槽线11宽度C相对应，即只要孔洞10直径D与槽线11宽度C的尺寸相差不大就可以满足测试要求。由于槽线11宽度C一般都比较小，并且考虑到试管的壁厚，孔洞10直径D通常都要大于槽线11的宽度C。测试时，实际液面高度H可以略高于槽线结构100表面高度h，通过检测填充液体介质前后的散射参数发现，槽线结构100的散射参数变化明显，完全满足精确测量的要求。本例孔洞10的设置位置，正好处于槽线结构100中场强集中的地方，该处容器中的介质对微波传输特性（散射参数）的影响非常明显，测量精度非常高。试验证明，对于截面形状为圆形的孔洞，只要圆心位于槽线结构的槽线中线上，都能够得到比较好的测量效果。

实施例2

本例槽线结构100与实施例1相同，不同的是本例孔洞10截面形状为正方形，如图5所示。只要孔洞10的边长E大于槽线宽度C，就可以使其放置的匹配容器12中盛装的被测液体介质充分影响槽线结构100的散射参数，满足测试要求。

实施例3

如图6所示，本例槽线结构100被置于屏蔽盒200中，两个信号接口201置于屏蔽盒200两端侧壁外侧。这种结构具有非常强的抗干扰能力，能够有效避免外部杂散电磁波对测试系统的干扰，测量精度进一步提高。本例两个信号接口201包括同轴线接口和转换器，均采用特征阻抗50Ω的同轴线接口，这种同轴线接口是大多数测试仪器及信号发生器的标准接口。由于同轴接口为非平衡传输接口，其与槽线结构的平衡传输特性不匹配，需要在同轴线接口与槽线结构之间采用转换器进行平衡/非平衡转换，才能够保证测试信号正常传输。常用的转换器包括抽头变压器以及微带线形式的各种巴伦结构等。

实施例4

图7示出了本例的转换器的结构。本例槽线结构100与实施例1描述的槽线结构相同，本例槽线结构100两端的金属层中，通过刻蚀工艺制作了与槽线结构100共面的巴伦结构3。这种与槽线结构100共面的巴伦结构3可以根据不同参数的槽线结构，制成各种形状，达到最佳的匹配效果，可以实现较宽频带范围内的阻抗匹配和平衡/非平衡转换。

实施例5

本例巴伦结构3分布在槽线结构两端的两边，槽线结构100两端的巴伦结构3被槽线11隔离，这种巴伦结构和槽线结构一体化的微带传输线，同样具有对称性，其对称中心与孔洞10位置重合，如图8所示。这种分布形式的巴伦结构，相互间的耦合可以降低到最小。

本发明介电常数测量装置，对槽线结构没有特殊要求。孔洞大小、位置一般也没有严格的限制，只要孔洞尺寸大于槽线宽度或至少与槽线宽度相当，容器盛装的被测介质就可以充分影响槽线结构的微波散射参数，满足精确测量的要求。本发明非常适合用于测量无固定形状的液体介质的介电常数，特别是具有腐蚀性的液体介质，只要选用适当的容器就可以进行非接触的测量。需要说明的是，本发明中，置于孔洞中的容器应为非金属材料构成，并且不能对槽线两边的金属形成短路，破坏了槽线结构的微带传输线特性。

Claims (10)

1.介电常数测量装置，包括槽线结构，所述槽线结构两端设置有信号接口，用于连接测试仪器和传输测试信号，其特征在于，所述槽线结构中设置有孔洞，所述孔洞位于槽线中，用于放置盛装被测材料的容器，所述孔洞尺寸足够大，以使其匹配的容器所盛装的被测材料能够充分影响槽线结构的传输特性。

2.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述孔洞位于槽线中线上。

3.根据权利要求2所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述槽线结构具有对称性，所述孔洞设置在其对称中心。

4.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述被测材料为液体。

5.根据权利要求4所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述容器中液面高度至少与槽线结构平齐。

6.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述孔洞截面形状为圆形或正方形。

7.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述槽线结构被置于屏蔽盒中，所述信号接口置于所述屏蔽盒侧壁外侧。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述信号接口包括同轴线接口和转换器，所述同轴线接口通过转换器与槽线结构连接。

9.根据权利要求8所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述转换器为与所述槽线结构共面的巴伦结构。

10.根据权利要求9所述的介电常数测量装置，其特征在于，分布在槽线结构两端的巴伦结构形状相同，分别分布在槽线结构的槽线两边。

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