CN103675465A - 基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置及测量方法。包括矢量网络分析仪、源线圈和负载线圈；源线圈连接矢量网络分析仪，源线圈与负载线圈通过电磁耦合共振无线连接，负载线圈后面放置被测样品。本发明实现了对于小体积物体复介电常数的非接触测量；通过采用高Q值磁共振耦合线圈同时实现了50欧姆的阻抗匹配和高测量灵敏度；通过瑞利散射的原理得到了测量较小体积被测样品时的线性计算公式。本发明装置简便，适用于固体以及液体的非接触测量，具有很大的灵活性和实用性。

Description

基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及复介电常数的非接触测量装置及测量方法，尤其是涉及一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置及测量方法。

背景技术

传统的复介电常数测量装置很多需要和被测样品接触测量，对于测量条件要求严格，测量装置和方法一般非常复杂，不具有操作的简便性和灵活性。

早先的高效率的耦合磁共振主要用于无线能量传输，而没有涉及到复介电常数的测量。

很多复介电常数的测量装置都需要用到矢量网络分析仪，但是很多都没有考虑阻抗匹配、或者不能达到理想的阻抗匹配。

发明内容

为克服目前大多数复介电常数测量装置要求和被测样品紧密接触的测量条件，本发明的目的在于提供一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置及测量方法，采用了无线能量传输的原理，磁耦合线圈既实现了对矢量网络分析仪阻抗匹配，提高了测量精度，又实现了对于物体的非接触介电常数的测量，具有很好的灵活性和实用性。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置

本发明包括矢量网络分析仪、源线圈和负载线圈；源线圈连接矢量网络分析仪，源线圈与负载线圈通过电磁耦合共振无线连接，负载线圈后面放置被测样品。

所述源线圈为一个单匝线圈，单匝线圈上的SMA头与矢量网络分析仪连接；所述负载线圈为一个1匝或多匝线圈。

所述源线圈和负载线圈之间的相对位置要调节到50欧姆的阻抗匹配要求。

所述被测样品为体积满足瑞利散射条件的液体或固体。

二、一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量方法

1）首先通过调节源线圈和负载线圈的相对位置，实现50欧姆的阻抗匹配；然后在负载线圈后面放上介电常数已知的校准样品，当校准样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式：

${\mathrm{\ΔZ}}_{L,\mathrm{Rayleigh}}/{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2\≈[\mathrm{\β}/{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]\·[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)]$

其中，ΔZ_L,Rayleigh为瑞利散射条件下、放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差，为被测样品的复介电常数，

为常虚数，

为被测样品所占据的自由空间的场分布，ω为测量装置的谐振的角频率；

通过矢量网络分析仪的测量数据得到ΔZ_L,Rayleigh/(ωM)²的数值，由于校准样品的复介电常数是已知的，通过上述公式算出β/(ωM)²的值；

2）在负载线圈后面放上相同体积的被测样品后，通过矢量网络分析仪的测量数据以及校准得到的β/(ωM)²的值，从而反演得到被测样品的复介电常数。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过使用无线能量传输原理，实现了对于小体积物体复介电常数的非接触测量；通过采用高Q值磁共振耦合线圈同时实现了50欧姆的阻抗匹配和高测量灵敏度；通过瑞利散射的原理得到了测量较小体积被测样品时的线性计算公式。本发明装置简便，适用于固体以及液体的非接触测量，具有很大的灵活性和实用性。

附图说明

图1是基于无线能量传输的非接触测量装置的等效电路。

图2是基于无线能量传输的非接触测量装置的测量示意图。

图中：1、矢量网络分析仪，2、源线圈，3、负载线圈，4、被测样品。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括矢量网络分析仪1、源线圈2和负载线圈3；源线圈2连接矢量网络分析仪（可在市面选购）1，源线圈2与负载线圈3通过电磁耦合共振无线连接，负载线圈3后面放置被测样品4。

所述源线圈2为一个直径35mm的单匝线圈，单匝线圈上的SMA(Sub-Miniature-A)头与矢量网络分析仪1连接；所述负载线圈3为一个1匝或多匝线圈，图2中为一个直径60mm的8匝线圈。

所述源线圈2和负载线圈3之间的相对位置要调节到50欧姆的阻抗匹配要求。

所述被测样品4为体积满足瑞利散射条件的液体或固体。

本发明的测量方法如下：

如图1所示，未放置被测样品时，装置的阻抗为：

Z＝R_S+jωL_S+(ωM)²/(R_L+jωL_L+1/jωC_L)         (1)

其中，M为源线圈2和负载线圈3的互感，R_S为源线圈2的电阻，L_S为源线圈2的电感，ω为装置的谐振角频率，R_L为负载线圈3的电阻，L_L为负载线圈3的电感，C_L为负载线圈3的电容。通过调节源线圈2和负载线圈3的距离，可以改变2个线圈之间的M值，从而实现50欧姆的阻抗匹配。

放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差ΔZ_L可以表示为：

${\mathrm{\ΔZ}}_L=[\left(\mathrm{j\ω}\right)/I^2]\·{\∫\∫\∫}_V{\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{inc}}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)\·[({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·{\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{tot}}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)]\mathrm{dV}---\left(2\right)$

其中，

为不放被测样品时的电场，

为放上被测样品后的电场；

I为线圈中的电流，

为被测样品所占据的自由空间的场分布。

当被测样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式：

${\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{tot}}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)\≈[3/({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)]\·{\stackrel{\‾}{E}}_{\mathrm{inc}}\left(\stackrel{\‾}{r}\right)---\left(3\right)$

将公式(3)代入公式(2)可以得到下列公式：

${\mathrm{\ΔZ}}_{L,\mathrm{Rayleigh}}/{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2\≈[\mathrm{\β}/{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]\·[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)]---\left(4\right)$

其中，ΔZ_L,Rayleigh为瑞利散射条件下、放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差，为被测样品的复介电常数，

对于特定的测量环境为常虚数。

测量装置如图2构建好后，首先通过调节源线圈2和负载线圈3的相对位置实现50欧姆的阻抗匹配，然后在负载线圈3后面放上介电常数已知的校准样品，通过矢量网络分析仪的测量数据得到ΔZ_L,Rayleigh/(ωM)²的数值，由于校准样品的复介电常数是已知的，通过公式(4)可以算出β/(ωM)²的值；然后在负载线圈后面放上相同体积的被测样品，通过矢量网络分析仪的测量数据以及校准得到的β/(ωM)²的值，从而反演得到被测样品的复介电常数。

Claims (5)

1.一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置，其特征在于：包括矢量网络分析仪(1)、源线圈(2)和负载线圈(3)；源线圈(2)连接矢量网络分析仪(1)，源线圈(2)与负载线圈(3)通过电磁耦合共振无线连接，负载线圈(3)后面放置被测样品(4)。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置，其特征在于：所述源线圈(2)为一个单匝线圈，单匝线圈上的SMA头与矢量网络分析仪(1)连接；所述负载线圈(3)为一个1匝或多匝线圈。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置，其特征在于：所述源线圈(2)和负载线圈(3)之间的相对位置要调节到50欧姆的阻抗匹配要求。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量装置，其特征在于：所述被测样品(4)为体积满足瑞利散射条件的液体或固体。

5.根据权利要求1所述装置的一种基于无线能量传输原理的复介电常数测量方法，其特征在于：

1）首先通过调节源线圈和负载线圈的相对位置，实现50欧姆的阻抗匹配；然后在负载线圈后面放上介电常数已知的校准样品，当校准样品相对于波长足够小、满足瑞利散射条件时，满足公式：

${\mathrm{\ΔZ}}_{L,\mathrm{Rayleigh}}/{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2\≈[\mathrm{\β}/{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2]\·[({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r-1)\·({\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_r+2)]$

其中，ΔZ_L,Rayleigh为瑞利散射条件下、放上被测样品后的系统阻抗和不放被测样品后的系统阻抗之差，

为被测样品的复介电常数，为常虚数，

为被测样品所占据的自由空间的场分布，ω为测量装置的谐振的角频率；

通过矢量网络分析仪的测量数据得到ΔZ_L,Rayleigh/(ωM)²的数值，由于校准样品的复介电常数是已知的，通过上述公式算出β/(ωM)²的值；

2）在负载线圈后面放上相同体积的被测样品后，通过矢量网络分析仪的测量数据以及校准得到的β/(ωM)²的值，从而反演得到被测样品的复介电常数。

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