CN103969510B - 介电常数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波测量技术。本发明公开了一种介电常数测量装置，包括测试腔和测量仪，所述测试腔为具有轴对称结构的封闭金属腔体，所述金属腔体由上下两部分对接构成，上部分为锥台，用于安装探针，下部分为柱体或锥台，用于盛放被测介质，上下两部分的对称轴重合，所述探针安装在上部分顶端并置于金属腔体对称轴上，所述探针伸入金属腔体，所述探针具有同轴线结构，所述探针为同轴线结构的内导体，所述同轴线结构的外导体与金属腔体相连，所述探针通过传输线与测量仪连接，用于传输微波测试信号，所述测量仪为矢量网络分析仪，通过S参数计算被测介质的介电常数。本发明采用非接触式测量方法，能有效消除高温带来的测量误差。

Description

介电常数测量装置

技术领域

本发明涉及微波测量技术，特别涉及一种利用微波辐射测量介电常数的装置。

背景技术

随着微波技术的发展，微波在化学、冶金、医学等学科领域中的应用越来越广泛。复介电常数作为电磁场中描述材料的重要宏观参数，决定并影响着微波与材料的相互作用，因此，在新形式交叉学科的挑战下，对物质复介电常数进行测量也提出了更高的要求。常温材料的复介电常数测量方法比较常见，主要有传输线法和谐振法，但目前对高温材料的复介电常数测量还少有研究，给一些科学研究和工业生产带了极大的瓶颈。例如，由于缺乏各种陶瓷材料在高温下的介电常数，微波烧结陶瓷过程中经常出现热失控现象，目前是采用微波加热和传统加热相结合的方式来解决这个问题，这给实际生产中带来了不便。虽然可以采用数值模拟计算来预测并控制陶瓷的微波烧结过程，但由于缺乏高温陶瓷复介电常数的了解，在材料功率吸收和温度分布的计算机模拟中很难建模分析。

高温材料复介电常数测量与常温测量相比有以下四个主要问题：(1)在高温条件下，复介电常数的变化范围大，传统的测量系统难于匹配和调谐；(2)高温引起的热膨胀及测量容器尺寸发生变化引入测量误差；(3)高温状态下，需要解决传感器耐高温问题或使用绝热测量系统；(4)温度升高，不确定参数增加，测量精度降低。一些研究人员采用谐振法或微扰法进行复介电常数测量测量，都有一定的局限性。为了得到高温效果，Baysar等人谐振法采用腔体内直接对介质加热，由于腔体热膨胀的结果，在650℃高温状态下不可避免的影响了腔体的谐振频率，测量结果对复介电常数实部影响较大。Hutcheon等人采用腔体为TM010圆柱腔实现微扰法测量，设计了一套高温测量系统避免了腔体热膨胀，测量较为方便，缺点是测量频带窄，只适合测量低损耗介质材料。Arai、David、Bringhurst等人各自设计了一些终端开路同轴线探头，通过复杂的装置一定程度上解决了热膨胀问题，缺点是只能测量一些粉末状的材料，一些坚硬块状材料如矿石等无法测量，而且这类方法需要接触被测材料，对被测材料样品有一定的限制，如要求接触面必须光滑等。综上看出，对于大于1000℃的高温材料复介电常数测量较为困难，以上介绍的测量方法，既要考虑加热设备，又要考虑耐热的测量探头以及谐振腔的热膨胀，使测量变得复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对材料介电常数测量，特别是高温状态材料介电常数测量的问题，提出了一种非接触式测量介电常数的装置。

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，包括测试腔和测量仪，所述测试腔为具有轴对称结构的封闭金属腔体，所述金属腔体由上下两部分对接构成，上部分为锥台，用于安装探针，下部分为柱体或锥台，用于盛放被测介质，上下两部分的对称轴重合，所述探针安装在上部分顶端并置于金属腔体对称轴上，所述探针伸入金属腔体，所述探针具有同轴线结构，所述探针为同轴线结构的内导体，所述同轴线结构的外导体与金属腔体相连，所述探针通过传输线与测量仪连接，用于传输微波测试信号，所述测量仪为矢量网络分析仪，通过S参数计算被测介质的介电常数。

本发明的介电常数测量装置，采用非接触测量方法，特别适合高温状态物质的介电常数测量。由于探针不接触被测介质，不需要采用特别的耐高温材料，也不需要采取特别的绝热措施。本发明采用微波测试信号，轴对称结构的测试腔，可以提高微波汇聚效果和电场分布的均匀性，有利于提高测量灵敏度。特别是安装探针的金属腔体上部分设计成锥台结构，可以使测试信号向金属腔体下部分集中，有利于盛放于金属腔体下部分的被测介质介电常数的测量，提高测量精度和灵敏度。

具体的，所述锥台为圆锥台，所述柱体为圆柱体。

或者，所述锥台棱锥台，所述柱体为棱柱体。

采用形状规则的圆锥台加圆柱体或多边形棱锥台加多边形柱体测试腔，不但便于加工成型，降低制造成本，也便于测量时上下部分快速扣合。柱状结构的测试腔，特别是圆柱状或棱柱状结构，具有结构简单，加工方便的特点，并且容易与盛放被测介质的容器形状和尺寸匹配，提高测量精度。锥台和柱体对接构成的测试腔，兼顾了汇聚性能和测量精度要求，可以采用冲压工艺或焊接工艺制作测试腔，是本发明优选的测试腔形状结构。

进一步的，所述被测介质处于高温状态并置于容器中，所述容器置于金属腔体内，其形状和大小与金属腔体匹配，使容器与金属腔体之间间隙最小。

本方案是用于测量高温状态介质材料介电常数的装置，可以将介质材料置于耐高温容器如坩埚内，加热到高温状态对其介电常数进行测量。容器形状和大小与金属腔体匹配，使容器与金属腔体之间缝隙最小，有利于提高测量精度。

具体的，所述高温状态温度高于1000℃。

本发明的测量装置，采用非接触测量方法，可以测量温度高于1000℃的介质材料介电常数，通常对于温度1200℃以下的材料，只要选择合适的容器，本发明的测量装置就可以胜任，而且不需要特别昂贵的耐高温金属探针和金属腔体。

进一步的，所述金属腔体设置有排气孔。

更进一步的，所述排气孔孔径远远小于微波测试信号波长。

对于高温状态的介质材料，在测试腔上设置排气孔，可以提高密闭金属腔体的安全性，只要排气孔孔径远远小于微波测试信号波长，就不会对微波测试产生影响，也不会产生微波泄漏。

本发明的有益效果是，采用非接触式测量方法，能有效消除高温带来的传感器热膨胀，降低热膨胀造成的测量误差。本发明不需要特别的耐高温材料和绝热措施，测量装置成本低。本发明探针采用同轴线结构，对被测材料介电常数变化敏感，能有效的通过数值计算得到被测材料的高温介电常数。本发明能够测量块状、粉末状和液态材料的介电常数，特别是高温状态的介电常数。

附图说明

图1是实施例1的测试腔结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是实施例2的测试腔俯视图；

图4是实施例3的测试腔俯视图；

图5是实施例4的测试腔结构示意图；

图6是图5的俯视图。

图中，1为测试腔；11为金属腔体上部分；12为金属腔体下部分；20为排气孔；3为同轴线结构的外导体；30为探针，也是同轴线结构的内导体；31为同轴线结构介质；40为被测介质；41为坩埚。

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。

本发明的介电常数测量装置，采用非接触测量方法，特别适合高温状态物质的介电常数测量，由于探针不接触被测介质，不需要采用特别的耐高温材料，也不需要采取特别的绝热措施。本发明的测量装置采用矢量网络分析仪，介电常数的反演算法是对S参数进行反演，而非对Q值进行反演，并不要求测试腔处于谐振状态，因此一套系统可以覆盖相对较宽的频率，而且对测试腔的具体尺寸要求也不严格。

实施例1

本例介电常数测量装置，如图1和图2所述，包括测试腔1和矢量网络分析仪(图中未示出)，矢量网络分析仪能够根据检测到的S参数计算被测介质的介电常数。本例测试腔1为具有对称结构的封闭金属腔体，金属腔体上部分11为圆锥台，用于安装探针30，下部分12为圆柱体，用于盛放被测介质。圆锥台11和圆柱体12对接构成封闭的金属腔体，圆锥台11和圆柱体12的对称轴重合。圆锥台11顶部安装有同轴线结构的探针30，探针30为同轴线结构的内导体，探针30安装在圆锥台11和金属圆柱体12的对称轴上，并伸入圆锥台11。同轴线结构的外导体3做成标准N型同轴线接头，并与测试腔1相连，探针30与同轴传输线(图中未示出)的芯线相连，同轴线的另一端连接测量仪。本例测量仪采用矢量网络分析仪，测试时，探针30向测试腔中辐射微波测试信号并向测量仪传输S参数，测量仪接收到该S参数，通过神经网络算法反演得到被测材料的介电常数。本例采用形状规则的圆锥台和圆柱体结合构成测试腔，有利于提高微波汇聚效果，使电场分布比较均匀和集中。本例测量装置非常适合材料高温状态介质的介电常数。对于温度比较高的被测介质，测量时，将被测介质置于坩埚等容器中，加热到预订温度后连同坩埚一起放置到测试腔1中进行测试。为了提高测量精度，要求容器形状和大小与金属腔体匹配，使容器与金属腔体之间缝隙最小。由于测试腔下半部分为圆柱体，容易做到与坩埚形状和尺寸的匹配，有利于提高测量精度。而测试腔1上半部分的圆锥台11，则可以将微波测试信号汇聚到测试腔1下半部分的被测介质上，有利于提高测试灵敏度。

实施例2

本例介电常数测量装置，测试腔1结构如图3所示，采用金属材料的四棱锥台和四棱柱对接构成封闭的金属腔体，探针30安装在四棱锥台顶部，并与测试腔1对称轴重合，四棱锥台底部与四棱柱对接，被测介质放置在四棱柱中。这种结构的测试腔，具有结构简单，加工方便的特点，并且容易与盛放被测介质的容器形状和尺寸匹配，提高测量精度。本例其他结构参见实施例1的描述

实施例3

如图4所示，本例介电常数测量装置，测试腔1由金属材料的六棱锥台和六棱柱对接构成。本例其他结构参见实施例1的描述。

上述锥台和柱体对接构成的测试腔，兼顾了汇聚性能和测量精度要求，是本发明优选的测试腔形状结构。

实施例4

如图5和图6所示，本例测试腔1由圆锥台11与圆锥台12对接构成，圆锥台11的底部与圆锥台12的顶部对接，探针安装在圆锥台11顶部并与测试腔对称轴重合。这种测试腔具汇聚性能好的特点，适合与上大下小的坩埚41配合，用于测量高温状态的介质40的参数。

本发明的测量装置，采用非接触测量方法，可以测量温度高于1000℃的介质材料介电常数。通常对于温度在1200℃以下的介质材料，只要选择合适的容器，一般金属材料如钢材、铜材或铝材等构成的测试腔和探针都能够胜任，不需要特别昂贵的耐高温金属探针和金属腔体。

本发明的测量装置中，测试腔1内壁应是光滑的，特别是上下两部分对接处以及安装探针的金属腔体顶部，都应当做得光滑平整，上下两部分对接处不应有凸台或凹陷。如果采用螺钉固定探针，应当对突出金属腔体内的螺钉进行打磨，使金属腔体内表面光滑平整，以免影响微波的传输。对于高温状态的介质材料，由于金属腔体的密闭性，测试腔内的空气受热膨胀，产生压力的变化，给测量工作带来危险。特别是对于盛放于坩埚内的高温液体介质，可能飞溅出来污染测试腔，或者发生烫伤事故。在测试腔上设置排气孔20，可以及时排除受热膨胀的空气，提高密闭的测试腔的安全性。只要排气孔孔径远远小于微波测试信号波长，就不会对微波传输产生影响，也不会产生微波泄漏。这种设置有排气孔的的测试腔，对于微波来说可以认为是封闭的，而对于空气来说则是非密闭的。

本发明测量步骤如下：

1、测量前先将矢量网络分析仪校准，用同轴电缆连接矢量网络分析仪和探针。

2、当测量温度较低时(如600℃以下)，直接使用金属腔体下部分盛装被测材料，在电炉中加热到所需温度，取出后迅速盖上金属腔体上部分，记录矢量网络分析仪上的测量数据，当数据记录完毕既可取下上部金属腔体。由于测量时间较短，而且探针不与被测介质接触，可以忽略下部金属腔体和被测介质取出电炉后的降温，测量电缆和仪器也基本不会受到高温的影响。当测量温度较高时(如高于800℃，由于金属腔体一般采用不锈钢，温度太高容易氧化，如果采用比较耐高温的金属，可以提高这个温度)，需要将待测物料装入坩埚中，再将坩埚放入电炉中加热到所需温度，取出后迅速放入下部金属腔体中，并盖上上部金属腔体，记录网络分析仪上的测量数据，当数据记录完毕既可取下上部金属腔体。

3、将网络分析仪上记录的S参数数据用解析或者数值方法进行反演，得到被测物料的介电常数。

Claims (5)

1.介电常数测量装置，包括测试腔和测量仪，所述测试腔为具有轴对称结构的封闭金属腔体，所述金属腔体由上下两部分对接构成，上部分为锥台，用于安装探针，下部分为柱体或锥台，用于盛放被测介质，上下两部分的对称轴重合，所述探针安装在上部分顶端并置于金属腔体对称轴上，所述探针伸入金属腔体，所述探针具有同轴线结构，所述探针为同轴线结构的内导体，所述同轴线结构的外导体与金属腔体相连，所述探针通过传输线与测量仪连接，用于传输微波测试信号，所述测量仪为矢量网络分析仪，通过S参数计算被测介质的介电常数。

2.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，上部分锥台为圆锥台，所述柱体为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，上部分锥台为棱锥台，所述柱体为棱柱体。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述被测介质处于高温状态并置于容器中，所述容器置于金属腔体内，其形状和大小与金属腔体匹配。

5.根据权利要求4所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述高温状态温度高于1000℃。