CN104360172B - 贫氧环境复介电常数高温测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种贫氧环境复介电常数高温测试系统及测试方法，测试系统包括：测试部分、气动部分、样品导向部分、加热冷却温控部分、浓度压力及温控部分，测试方法的步骤包括测试空腔的谐振频率和品质因数，放入杆状样品，对储气缸先抽真空，抽真空后充入氮气和氧气；开启感应加热设备；当加热到所需温度时，立即开启气动装置通过金属支撑杆快速把加热样品顶至圆柱谐振腔内，进行测试；利用矢量网络分析仪测出谐振腔的谐振频率和品质因数，测出样品的介电常数和损耗角正切值；本发明能在贫氧环境下对材料的介电性能进行变温测试；可以通过外部感应加热设备对加热功率进行控制，实现测试温度1500℃以上，测试压强在0.02～0.1MPa。
Description
技术领域
本发明涉及微波、毫米波材料介电性能测试技术领域，特别是一种贫氧环境复介电常数高温测试系统及测试方法。
背景技术
随着通讯系统、武器精确制导和电子对抗技术的发展与应用，准确了解电路介质基片材料、天线罩材料的介电性能越来越重要。当这些材料的工作温度和环境发生变化时，它们的介电性能也会发生相应的变化。
此外，临近空间作为科技与军事应用的新空间，是指距离地面20～100km的空域，在这一空间中，空气含量相当稀薄，对应的压强也相对很低，因此本系统中贫氧环境是模拟临近空间相应压强的环境进行考虑的。军事专家们普遍认为，开发和利用临近空间必将成为作战能力新的增长点，特别是临近空间飞行器加入陆、海、空、天信息网络系统后，必将对各国安全提出新的挑战。目前，国内外对临近空间的研究主要集中在临近空间飞行器的研究上，因此，准确测量贫氧环境下材料的介电常数及损耗正切值对临近空间飞行器材料的研究在军事应用中具有非常重要的价值，同时了解材料在贫氧环境不同工作温度下的介电性能，对材料的应用与设计也具有重大意义。
当微波电介质为低损耗材料时，通常采用的方法为谐振腔法。所用谐振腔可为带状线谐振器、圆柱形谐振腔、矩形谐振腔、准光腔、螺旋线谐振腔等。对于要求电场极化方向平行于微波电介质样品表面的复介电常数的测试，常采用圆柱形谐振腔。根据工作模式的不同又可分为高Q谐振腔和TM0n0模圆柱腔等。针对透波材料在微波波段的介电性能测试，应用比较广泛的测量方法是圆柱谐振腔法和准光腔法。本发明采用的就是TM0n0模圆柱腔。
Hutcheon.R.M利用圆柱形谐振腔的TM0n0模式实现了对杆状固体材料常温到1500℃的复介电常数测试。临近空间的气温、气压、气象等环境与地面和航空航天空间都有所不同，这一空间对于飞机而言太高，对卫星来说又太低。临近空间飞艇蒙皮材料属于高分子材料，在外力作用下表现出明显的非线性黏弹性行为。它的本构方程本身就很复杂，国内外在此方面的研究不多。为此哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所的谭惠丰等人提出一种蒙皮材料非线性黏弹性本构方程的幂函数叠加方法，可表示为：由此可见，其非线性黏弹性与材料的介电常数密切相关。
圆柱谐振腔可以被激励起TEmnp和TMmnp谐振模式。对于圆柱谐振腔，TM0n0模式的电场和磁场分别集中于圆柱谐振腔的中心轴附近和圆柱腔内壁附近，因此TM0n0模式适合测试杆状材料复介电常数。谐振腔微扰法的基本概念是通过小样品加载到谐振腔后造成谐振腔谐振频率的偏移和Q值的减小。其中被测材料复介电常数的实部可以由谐振频率变化求得，虚部可以由谐振腔Q值的改变求得。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种贫氧环境复介电常数高温测试系统及测试方法，以实现微波介质材料在贫氧环境下圆柱腔微扰法介电性能的高温测试。为实现上述发明目的，本发明提供一种贫氧环境复介电常数高温测试系统，用于使用圆柱腔微扰法进行复介电常数测试，包括：
测试部分，包括圆柱谐振腔，圆柱谐振腔上方的储气缸、与储气缸连接的压力检测表和真空泵，圆柱谐振腔上设有未延伸到腔体中心的缝隙、与矢量网络分析仪相连接的耦合孔、用于放置样品的中心通孔；
气动部分，包括气动装置、由气动装置的执行端支撑的金属支撑杆；
样品导向部分，包括和储气缸连接、穿过圆柱振腔中心通孔并延伸到石墨管内部的刚玉管加热冷却温控部分，包括感应加热设备、刚玉管下方同轴设置的石墨管、石墨管外部的氧化铝陶瓷砖套筒、热电偶、与热电偶连接的温控表、金属支撑杆和热电偶从石墨管下方插入石墨管内部，缠绕在氧化铝陶瓷砖套筒外部的感应圈、水冷系统，感应圈通过连接孔与感应加热设备连接，水冷系统通过水冷孔与感应圈连接，感应加热设备和水冷系统连接；
浓度压力及温控部分，包括储气缸、连接于储气缸上的氧气浓度检测仪和氮气浓度检测仪、与储气缸连通的气体发生器。
作为优选方式，所述圆柱谐振腔，由上下两个端盖组成，圆柱腔上端盖开了八条未延伸到腔体中心的贯穿上端盖的缝隙，并且上端盖上具有两个贯穿上端盖的耦合孔、一个用于放置样品的中心通孔，两个耦合孔通过电缆与矢量网络分析仪相连接。此结构能很好的抑制高次模，提高谐振腔的Q值从而使测试结果更准确。开缝过少，干扰模式抑制不掉，开缝过多可能会对工作模式的影响过大。
作为优选方式，所述氧化铝陶瓷砖套筒与储气缸之间设有隔热砖。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述系统在贫氧环境下对材料的复介电常数进行高温测试的方法，包括如下步骤：
(1)按照上述方式连接好装置，矢量网络分析仪通过电缆经耦合孔与圆柱谐振腔进行连接，测试空腔的谐振频率和品质因数；
(2)从刚玉管上方放入杆状样品，样品经刚玉管下落至石墨管内部的金属支撑杆上方；
(3)对储气缸先抽真空，抽真空后充入氮气和氧气，通过储气缸上连接的氧气浓度检测仪和氮气浓度检测仪来控制充入的气体比例；
(4)开启感应加热设备，与此同时，水冷系统开启运转，为感应圈和感应加热设备提供循环冷却液；
(5)当加热到所需温度时，立即开启气动装置通过金属支撑杆快速把加热样品顶至圆柱谐振腔内，进行测试；
(6)利用矢量网络分析仪测出谐振腔的谐振频率和品质因数，并记录数据，同时通过程控计算机中事先编写好的TM0n0圆柱谐振腔高温测试软件测出样品的介电常数和损耗角正切值。
作为优选方式，所述步骤(3)进一步为：
(3)对储气缸先抽真空，抽真空后按照4:1的体积比充入氮气和氧气，通过储气缸上连接的氧气浓度检测仪和氮气浓度检测仪来控制充入的气体比例。体积比4:1能创造较好的贫氧环境。
作为优选方式，上述方法还包括步骤：
(7)继续加热，分别在500℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1500℃重复步骤(3)到步骤(6)的内容。
本系统和方法的测试工作原理如下：
为了进行介质材料复介电常数的点频测试，本系统圆柱腔采用TM0n0模式，圆柱谐振腔结构示意图如附图2所示。谐振腔微扰法频率变化的基本公式为：
其中，ε＝ε0+Δε，μ＝μ0+Δμ
ω为被微扰腔的谐振频率，ω0为原始腔的谐振频率，ε0、μ0分别为空气的介电常数和磁导率，Δε、Δμ分别为填充材料部分介电常数和磁导率的改变，ε、μ分别为被测样品的介电常数和磁导率，分别为原始腔中的电场和磁场的共扼，E、H分别为微扰后的腔的电场和磁场，ΔV为微扰样品的体积。
根据微扰理论及TM0n0模的场方程，可以得到介质复介电常数的表达式：
其中，
δf＝f0-fs
δ(1/Q)＝1/Qε-1/Q0
f0为空腔谐振频率；fs为腔体加载介质后的谐振频率；Q0为空腔品质因数；Qε为加载样品后的腔体品质因数；c为谐振腔的直径；a为被测样品的直径；μ01为J0(x)＝0的第一个根；ε′r与ε″r为由微扰理论计算得到的介质复介电常数的实部与虚部，进而可求得介质复介电常数的损耗正切tanδ值。
如上所述，本发明的复介电常数高温测试系统及测试方法，具有以下有益效果：
一、利用本系统和方法能控制氧气和氮气的比例从而创造最优的贫氧环境，从而可在贫氧环境下对材料的介电性能进行高温测试；
二、系统采用感应加热的方式，选择性地进行局部加热，加热升温比较快，可以通过外部感应加热设备对加热功率进行控制，进而控制升温速度。
四、由于该系统的稳定性以及温控部分的设计，可实现测试温度1500℃以上，测试压强在0.02～0.1MPa。
附图说明
图1是本系统的结构示意图。
图2是圆柱谐振腔示意图。
零件标号说明
1为圆柱谐振腔，2为感应加热设备，3为感应圈，4为储气缸，5为气动装置，6为水冷系统，7为矢量网络分析仪，8为气体发生器，9为氧化铝陶瓷砖套筒，10为储气缸，11为氧气浓度检测仪，12为氮气浓度检测仪，13为刚玉管，15为压力检测表，16为真空泵，17 为石墨管，18为样品，19为隔热砖，20为金属支撑杆，21为温控表，22为热电偶,111、 112为耦合孔，113为未延伸到腔体中心的缝隙，114为放置样品的中心通孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本实施例提供一种贫氧环境复介电常数高温测试系统，用于使用圆柱腔微扰法进行复介电常数测试，包括：
测试部分，包括圆柱谐振腔1、圆柱谐振腔1上方的储气缸10、与储气缸连接的压力检测表15和真空泵16，所述圆柱谐振腔1由上下两个端盖组成，圆柱腔1上端盖开了八条未延伸到腔体中心的贯穿上端盖的缝隙113，并且上端盖上具有两个贯穿上端盖的耦合孔111和112、一个用于放置样品的中心通孔114，两个耦合孔111、112通过电缆与矢量网络分析仪7相连接。此结构能很好的抑制高次模，提高谐振腔的Q值从而使测试结果更准确。开缝过少，干扰模式抑制不掉，开缝过多可能会对工作模式的影响过大。
气动部分，包括气动装置5、由气动装置5的执行端支撑的金属支撑杆20；
样品导向部分，包括和储气缸10连接、穿过圆柱谐振腔中心通孔114并延伸到石墨管 17内部的刚玉管13；
加热冷却温控部分，包括感应加热设备2、刚玉管13下方同轴设置的石墨管17、石墨管 17外部的氧化铝陶瓷砖套筒9、热电偶22、与热电偶22连接的温控表21、金属支撑杆20和热电偶22从石墨管17下方插入石墨管17内部，缠绕在氧化铝陶瓷砖套筒9外部的感应圈3、水冷系统6，感应圈3通过连接孔与感应加热设备2连接，水冷系统6通过水冷孔与感应圈3连接，感应加热设备2和水冷系统6连接；
浓度压力及温控部分，包括储气缸4、连接于储气缸4上的氧气浓度检测仪11和氮气浓度检测仪12、与储气缸4连通的气体发生器8。所述氧化铝陶瓷砖套筒9与储气缸4之间设有隔热砖19以便隔热。
系统采用感应加热的方式，选择性地进行局部加热，加热升温比较快，可以通过外部感应加热设备对加热功率进行控制，进而控制升温速度。
由于该系统的稳定性以及温控部分的设计，可实现测试温度1500℃以上，测试压强在 0.02～0.1MPa。
本实施例还提供一种利用上述系统在贫氧环境下对材料的复介电常数进行高温测试的方法，包括如下步骤：
(1)按照上述方式连接好装置，矢量网络分析仪7通过电缆经耦合孔111、112与圆柱谐振腔1进行连接，测试空腔的谐振频率和品质因数；
(2)从刚玉管13上方放入杆状样品，样品经刚玉管13下落至石墨管17内部的金属支撑杆20上方；
(3)对储气缸4先抽真空，抽真空后按照4:1的体积比充入氮气和氧气，通过储气缸4 上连接的氧气浓度检测仪11和氮气浓度检测仪12来控制充入的气体比例。体积比4:1能创造较好的贫氧环境。利用本系统和方法能控制氧气和氮气的比例从而创造最优的贫氧环境，从而可在贫氧环境下对材料的介电性能进行高温测试；
(4)开启感应加热设备2，与此同时，水冷系统6开启运转，为感应圈3和感应加热设备提供循环冷却液；
(5)当加热到所需温度时，立即开启气动装置5通过金属支撑杆20快速把加热样品顶至圆柱谐振腔1内，进行测试；
(6)利用矢量网络分析仪测出谐振腔的谐振频率和品质因数，并记录数据，同时通过程控计算机中事先编写好的TM0n0圆柱谐振腔高温测试软件测出样品的介电常数和损耗角正切值。
(7)继续加热，分别在500℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1500℃重复步骤(3)到步骤(6)的内容。
本系统和方法的测试工作原理如下：
为了进行介质材料复介电常数的点频测试，本系统圆柱腔采用TM0n0模式，圆柱腔结构示意图如附图2所示。谐振腔微扰法频率变化的基本公式为：
(1)，其中，ε＝ε0+Δε，μ＝μ0+Δμ
ω为被微扰腔的谐振频率，ω0为原始腔的谐振频率，ε0、μ0分别为空气的介电常数和磁导率，Δε、Δμ分别为填充材料部分介电常数和磁导率的改变，ε、μ分别为被测样品的介电常数和磁导率，分别为原始腔中的电场和磁场的共扼，E、H分别为微扰后的腔的电场和磁场，ΔV为微扰样品的体积。
，；根据微扰理论及TM0n0模的场方程，可以得到介质复介电常数的表达式：
其中，
δf＝f0-fs
δ(1/Q)＝1/Qε-1/Q0
f0为空腔谐振频率；fs为腔体加载介质后的谐振频率；Q0为空腔品质因数；Qε为加载样品后的腔体品质因数；c为谐振腔的直径；a为被测样品的直径；μ01为J0(x)＝0的第一个根；ε′r与ε″r为由微扰理论计算得到的介质复介电常数的实部与虚部，进而可求得介质复介电常数的损耗正切tanδ值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种在贫氧环境下对材料的复介电常数进行高温测试的方法，通过贫氧环境复介电常数高温测试系统使用圆柱腔微扰法进行复介电常数测试，其特征在于，所述贫氧环境复介电常数高温测试系统包括：
测试部分，包括圆柱谐振腔(1)，圆柱谐振腔(1)上方的储气缸(10)、与储气缸连接的压力检测表(15)和真空泵(16)，圆柱谐振腔(1)上设有未延伸到腔体中心的缝隙(113)、与矢量网络分析仪(7)相连接的耦合孔(111、112)、用于放置样品的中心通孔(114)；
气动部分，包括气动装置(5)、由气动装置(5)的执行端支撑的金属支撑杆(20)；
样品导向部分，包括和储气缸(10)连接、穿过圆柱谐振腔中心通孔(114)并延伸到石墨管(17)内部的刚玉管(13)；
加热冷却温控部分，包括感应加热设备(2)、刚玉管(13)下方同轴设置的石墨管(17)、石墨管(17)外部的氧化铝陶瓷砖套筒(9)、热电偶(22)、与热电偶(22)连接的温控表(21)、金属支撑杆(20)和热电偶(22)从石墨管(17)下方插入石墨管(17)内部，缠绕在氧化铝陶瓷砖套筒(9)外部的感应圈(3)、水冷系统(6)，感应圈(3)通过连接孔与感应加热设备(2)连接，水冷系统(6)通过水冷孔与感应圈(3)连接，感应加热设备(2)和水冷系统(6)连接；
浓度压力及温控部分，包括储气缸(4)、连接于储气缸(4)上的氧气浓度检测仪(11)和氮气浓度检测仪(12)、与储气缸(4)连通的气体发生器(8)；
所述测试的方法包括如下步骤：
(1)按照上述方式连接好装置，矢量网络分析仪通过电缆经耦合孔与圆柱谐振腔进行连接，测试空腔的谐振频率和品质因数；
(2)从刚玉管上方放入杆状样品，样品经刚玉管下落至石墨管内部的金属支撑杆上方；
(3)对储气缸(4)先抽真空，抽真空后充入氮气和氧气，通过储气缸上连接的氧气浓度检测仪和氮气浓度检测仪来控制充入的气体比例；
(4)开启感应加热设备，与此同时，水冷系统开启运转，为感应圈和感应加热设备提供循环冷却液；
(5)当加热到所需温度时，立即开启气动装置通过金属支撑杆快速把加热样品顶至圆柱谐振腔内，进行测试；
(6)利用矢量网络分析仪测出谐振腔的谐振频率和品质因数，并记录数据，同时通过程控计算机中事先编写好的TM0n0圆柱谐振腔高温测试软件测出样品的介电常数和损耗角正切值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步为：(3)对储气缸先抽真空，抽真空后按照4:1的体积比充入氮气和氧气，通过储气缸上连接的氧气浓度检测仪和氮气浓度检测仪来控制充入的气体比例。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括步骤(7)继续加热，分别在500℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1500℃重复步骤(3)到步骤(6)的内容。
4.权利要求1所述的测试方法中使用的贫氧环境复介电常数高温测试系统，其特征在于：所述圆柱谐振腔(1)，由上下两个端盖组成，圆柱腔(1)上端盖开了八条未延伸到腔体中心的贯穿上端盖的缝隙(113)，并且上端盖上具有两个贯穿上端盖的耦合孔(111、112)、一个用于放置样品的中心通孔(114)，两个耦合孔(111、112)通过电缆与矢量网络分析仪(7)相连接。
5.根据权利要求4所述的贫氧环境复介电常数高温测试系统，其特征在于：所述氧化铝陶瓷砖套筒(9)与储气缸(4)之间设有隔热砖(19)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170825 Termination date: 20181126 |
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