CN103884919B - 具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波频率下电介质介电系数的测量技术。本发明公开了一种具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,用于高温状态下介质介电常数的测量。本发明的技术方案是,具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,包括测量段、接口段,所述接口段一端与测量段连接,另一端为同轴接头结构,所述接口段内导体和外导体之间的介质为耐高温隔热固体介质,所述测量段外导体内径略小于接口段外导体内径,以阻止所述耐高温隔热固体介质脱落并降低微波反射,所述测量段内导体和外导体之间为中空结构,所述测量段内导体和外导体与接口段内导体和外导体共轴。本发明适合高温条件下物质介电系数的测量,能在较宽的频带范围内取得较高的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及微波频率下电介质介电系数的测量技术,特别涉及高温状态下电介质介电系数的测量探头及测量系统。
背景技术
物质的介电系数一直是物质与微波相互作用研究中的一个基础而重要的问题。人们通过测量物质的介电系数了解物质的介电特性,由此,产生了多种微波测量方法用于物质介电系数的测量。
在测量方法中,非谐振法相对简单。在非谐振法中,基于同轴线的传输-反射法在宽带测量中得到了广泛的应用,而且对从高损耗到低损耗的物质的介电系数的测量都达到了较高的精度。这种介电常数测量方法是利用同轴探头插入装有待测物质的容器中,让待测物质充满同轴探头测量段的内外导体之间的空间进行测量的。通常用于液态或粉末状介质的测量。
近年来,微波加热已经在矿石预处理、锻造、烧结、金属氧化物矿的碳热还原等方面获得了应用,随着微波在冶金及其他相关工业的应用,高温状态下物质介电特性受到了极大的关注,而传统的同轴线测量结构由于其填充介质多数无法耐受500℃以上的高温,无法用于高温条件下的测量。
近来在微波技术中,人工神经网络计算模型作为一种非传统的有效方法已逐渐得到人们的认可。
发明内容
针对上述现有技术的问题,本发明的目的是,提供一种具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,用于高温状态下介质介电常数的测量。
本发明解决所述技术问题,采用的技术方案是,具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,包括测量段、接口段,所述接口段一端与测量段连接,另一端为同轴接头结构,其特征在于,所述接口段内导体和外导体之间的介质为耐高温隔热固体介质,所述测量段外导体内径略小于接口段外导体内径,以阻止所述耐高温隔热固体介质脱落并降低微波反射,所述测量段内导体和外导体之间为中空结构,所述测量段内导体和外导体与接口段内导体和外导体共轴。
本发明的技术方案,在接口段中采用耐高温隔热固体介质填充在内导体和外导体之间,构成接口段同轴线介质结构,而测量段内导体和外导体之间则为中空结构,以便测量时由被测介质填充构成测量段同轴线介质结构。由于本发明探头工作在高温状态,而且金属外导体膨胀系数通常大于耐高温隔热固体介质,为了防止介质脱落,本发明采用内径略小的测量段外导体,使接口段和测量段外导体连接处形成一个凸台,将耐高温隔热固体介质固定在接口段中。该凸台的高度应控制在不影响微波传输的尺度内,通常低于微波波长的1/10。由于测量段外导体内径仅略小于接口段外导体内径,该凸台对于微波传输的反射作用非常小,测量时完全可以忽略。这种结构既能够固定耐高温隔热固体介质又能够降低微波反射,非常适合高温状态介电常数的测量环境。
具体的,所述测量段外导体内径小于接口段外导体内径0.5mm。
在常用微波测试频率下,测量段和接口段外导体内径相差0.5mm,引起的微波反射通常都非常低,完全不会影响测量,可以忽略。
进一步的,所述测量段外导体上设置有排气孔。
本发明的探头,常用于测量高温状态下的液体介质介电常数,被测介质温度大都超过500℃。而且为了避免探头长时间承受高温,也为了避免与被测介质发生化学反应,影响测量准确性,探头插入液体介质的速度都比较快,如果没有排气孔,不但液体介质不容易充满测量段的空腔,影响测量精度,而且很容易造成高温液体飞溅,产生事故隐患。在测量段外导体上设置有排气孔,可以在探头插入液体介质时,排除测量段的空气,避免出现上述情况。通常只要排气孔孔径远远小于测试微波的波长,就不会对微波传输造成实质性影响,而这一点又是容易做到的。通常排气孔孔径都在毫米量级(一般1~2mm),而对于常用的微波测试频率,通常在10GHz以下,相应波长大于30mm。根据微波传输理论,同轴线外导体上如此小的排气孔对微波传输的影响完全可以被忽略,而这种孔径作为排气孔完全可以满足使用要求。
具体的,所述耐高温隔热固体介质能够耐受1000℃的高温。
更具体的,所述耐高温隔热固体介质为陶瓷。
本发明为了测量较高温度的介质的介电常数,通常要求耐高温隔热固体介质能够耐受1000℃的高温,如陶瓷等就能够达到要求。
具体的,所述同轴接头为N型同轴接头。
N型同轴接头是一种标准同轴传输线接头,具有结构简单,连接可靠的特点。各种微波测试仪的连接线都有相应接口,应用范围非常广泛。
进一步的,所述接口段与测量段为可拆卸结构。
本发明的测量探头,由于工作在高温状态下,探头容易损坏。而经常损坏的一般是测量段,接口段与测量段采用可拆卸结构,可以在探头损坏时仅更换测量段,而接口段可以重复使用,降低更换探头的成本。本发明这种结构的探头,测量段外导体取下来后,可以非常方便的安装或更换耐高温隔热固体介质和测量段内导体。
推荐的,所述接口段与测量段外导体通过螺纹或卡扣相连,所述测量段内导体插入所述耐高温隔热固体介质并与接口段内导体电连接。
螺纹或卡扣结构是一种比较常见的可拆卸结构,非常适合测量段和接口段外导体的连接。测量段内导体与接口段内导体的连接,可以将测量段内导体直接插入耐高温隔热固体介质的孔中,并与接口段内导体紧密接触就可以了。也可以在耐高温隔热固体介质中加工螺纹,并在测量段内导体前端加工相应螺纹。更换测量段时,将旧的内导体旋下来,拧上新的内导体完成更换。
本发明的另一个目的,提供一种具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量系统,包括探头、传输线和测量仪,其特征在于,所述探头包括测量段、接口段,所述接口段一端与测量段连接,另一端为同轴接头结构,所述接口段内导体和外导体之间填充有耐高温隔热固体介质,所述测量段外导体内径略小于接口段外导体内径,以阻止所述耐高温隔热固体介质脱落并降低微波反射,所述测量段内导体和外导体与接口段内导和外导体共轴。
本发明的测量系统,以本发明的探头配合测量仪构成,非常适合用于测量高温状态介质的介电常数。
进一步的,所述测量仪通过测量待测介质的微波反射系数S11的幅度和相位值,经过神经网络反演算法得到待测介质的介电常数。
该技术方案,采用了人工神经网络结合本发明的探头对介电系数进行测量。通过测量待测介质的微波反射系数S11的幅度和相位值,经过神经网络反演算法得到待测介质的介电常数。本发明的测量系统,不需要测量谐振参数,测试样品准备过程简单,测量过程快捷方便,计算简单,测量精度高,可以实现在线测量。
本发明的有益效果是,适合高温条件下物质介电系数的测量,能在较宽的频带范围内取得较高的测量精度,样品的准备过程简单,测试易于实现。
附图说明
图1是实施例的探头结构示意图;
图2是图1的左视图;
图3是测量系统结构示意图。
其中,10为接口段内导体;12为接口段N型同轴接头;13为接口段外导体;14为耐高温隔热固体介质;30为测量段内导体;31为测量段空腔;32为测量段外导体;33为排气孔;D为接口段外导体内径;d为测量段外导体内径。
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。
本发明的技术方案,在接口段中采用耐高温隔热固体介质填充在内导体和外导体之间,构成同轴线介质结构,本发明的整个探头就是一段带有同轴接头的同轴线。
实施例
本例测量探头结构如图1和图2所示,包括测量段和接口段。接口段一端与测量段连接,另一端为N型同轴接头结构。接口段内导体10和外导体13之间填充有耐高温隔热固体介质14,测量段外导体32内径略小于接口段外导体13内径,其连接处形成一个凸台,能够阻止耐高温隔热固体介质14脱落。由于接口段外导体内径D与测量段外导体内径d相差不大,该凸台造成的微波反射很低,不影响介质介电常数的测量。本例中,D-d=0.5mm,凸台高度为0.25mm,对于频率为10GHz以内的微波,凸台的反射作用完全可以忽略,而对常用的2.45GHz测试频率,其反射作用更小。由图1可以看出,本例接口段和测量段是一种可拆卸结构,接口段外导体13和测量段外导体32采用螺纹连接,接口段内导体10和测量段内导体30都插入陶瓷介质14中,接口段内导体10和测量段内导体30端头接触产生电连接传输微波信号,测量段内导体30和外导体32与接口段内10和外导体13共轴,整个探头就是一段带有N型同轴接头的同轴线。本例耐高温隔热固体介质14采用能够耐受1000℃高温的陶瓷介质。用于本发明探头在测量时需要插入熔融的被测介质或高温液体被测介质中,为了使被测介质能够有效填充到测量段的空间31中,本例探头在测量段外导体32上设置有排气孔33,当探头处于被测介质时,能够排除空间31中的空气,有利于被测介质充分填充空间31,提高测量精度,并能够避免被测介质飞溅出去产生事故。
本例具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量系统结构如图3所示,包括探头、传输线和测量仪。本例中的探头采用本发明的上述探头,探头接口段的同轴接头与同轴传输线连接,通过同轴传输线到测量仪。测量仪通过测量待测介质的微波反射系数S11的幅度和相位值,经过神经网络反演算法得到待测介质的介电常数。
本发明的测量系统测试之前,通过仿真计算得到大量的神经网络训练样本,以反射系数S11的幅度和相位值为输入,介电系数的实部与虚部为输出训练神经网络,训练结束后存储网络。
测量时,准备好待测样品探头测试段插入待测介质中,读取频率为2.45GHz条件下反射系数S11的幅度和相位值,校准实测的反射系数S11的幅度和相位值,将校准后反射系数S11的幅度和相位值输入已经训练好的神经网络,由输出数据得到待测物质介电系数的实部与虚部。
测量高温状态下介电系数时,将装有待测液体或固体粉状介质放入加热装置中,温度达到设定温度后,将探头测量段插入介质,读取反射系数S11的幅度和相位值,然后拔出探头。由于读取数据的时间很短,由测量仪器完成,一般从插入探头到拔出探头总时间可控制在5秒以内,测量电缆和仪器基本不会受到高温的影响。最后,利用训练好的神经网络输出物质的介电系数,完成待测物质介电系数的测量。
本发明的介电系数微波测量系统简单,测量不需导出测量值与所求值之间的公式,可利用神经网络对微波测量仪的测量数据进行反演,直接得到待测物的介电系数及相关参数,测试具有实时、准确的特点。本发明测量系统,特别适用液体、粉状介质高温状态下介电系数的测量。
Claims (10)
1.具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,包括测量段、接口段,所述接口段一端与测量段连接,另一端为同轴接头结构,其特征在于,所述接口段内导体和外导体之间的介质为耐高温隔热固体介质,所述测量段外导体内径略小于接口段外导体内径,以阻止所述耐高温隔热固体介质脱落并降低微波反射,所述测量段内导体和外导体之间为中空结构,所述测量段内导体和外导体与接口段内导体和外导体共轴。
2.根据权利要求1所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述测量段外导体内径小于接口段外导体内径0.5mm。
3.根据权利要求1所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述测量段外导体上设置有排气孔。
4.根据权利要求1所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述耐高温隔热固体介质能够耐受1000℃的高温。
5.根据权利要求4所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述耐高温隔热固体介质为陶瓷。
6.根据权利要求1所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述同轴接头为N型同轴接头。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述接口段与测量段为可拆卸结构。
8.根据权利要求7所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量探头,其特征在于,所述接口段与测量段外导体通过螺纹或卡扣相连,所述测量段内导体插入所述耐高温隔热固体介质并与接口段内导体电连接。
9.具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量系统,包括探头、传输线和测量仪,其特征在于,所述探头包括测量段、接口段,所述接口段一端与测量段连接,另一端为同轴接头结构,其特征在于,所述接口段内导体和外导体之间填充有耐高温隔热固体介质,所述测量段外导体内径略小于接口段外导体内径,以阻止所述耐高温隔热固体介质脱落并降低微波反射,所述测量段内导体和外导体与接口段内导和外导体共轴。
10.根据权利要求9所述的具有同轴线结构的高温状态介质介电系数测量系统,其特征在于,所述测量仪通过测量待测介质的微波反射系数S11的幅度和相位值,经过神经网络反演算法得到待测介质的介电常数。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
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