CN106248697A - 一种微波探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种微波探测系统。一种微波探测系统，包括控制系统、同轴谐振腔和距离调整装置，同轴谐振腔包括腔体和伸出腔体的探针，探针在同轴谐振腔腔体外形成电磁场,同轴谐振腔对在电磁场内样品进行探测并产生微波输出信号；控制系统能提供同轴谐振腔的微波输入信号并接收以及分析同轴谐振腔的微波输出信号，距离调整装置用于控制待测样品移动至电磁场内，待测样品对该电磁场形成干扰从而改变同轴谐振腔的微波输出信号；控制系统通过对放置待测样品前后的同轴谐振腔的微波输出信号进行分析完成待测样品的探测。通过设置距离调整装置能保证待测样品对电磁场形成有效干扰，提高该微波探测系统的探测准确度。

Description

一种微波探测系统
【技术领域】
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种微波探测系统。
【背景技术】
微波是指频率处在300MHz至300GHz的范围，相应波长的范围从1m至1mm的电磁波。微波具有良好的穿透能力、较好的方向性且环境污染小，因此微波技术得到迅猛发展，同时也要求微波电路更加集成化和小型化，这大大促进了微波价值材料和元器件的发展。
微波介质材料作为电磁波传输煤质已广泛地应用于微信通信、微波通信、雷达导航等领域中，而微波介质材料本身的特性对于微波介质材料的应用具有重要的指导意义。因此对于微波介质材料的检测是一项重要的基础研究工作。然而目前微波介质材料的测试系统测试准确度仍有待提高。
【发明内容】
为克服现有测试系统测试准确度不足的技术问题，本发明提供了一种能提高探测准确度的微波探测系统。
本发明解决技术问题的方案是提供一种微波探测系统，包括控制系统、同轴谐振腔和距离调整装置，所述同轴谐振腔包括腔体和伸出腔体的探针，所述探针在所述同轴谐振腔腔体外形成电磁场,同轴谐振腔对在电磁场内样品进行探测并产生微波输出信号，所述控制系统连接并控制距离调整装置；所述控制系统能提供同轴谐振腔的微波输入信号并接收以及分析同轴谐振腔的微波输出信号，所述距离调整装置用于控制所述待测样品移动至所述电磁场内，待测样品对该电磁场形成干扰从而改变所述同轴谐振腔的微波输出信号；所述控制系统通过对放置待测样品前后的同轴谐振腔的微波输出信号进行分析完成待测样品的探测。
优选地，所述距离调整装置包括距离检测器和距离调节器；所述距离检测器用于测量所述探针与待测样品之间的距离，所述距离调节器用于根据距离检测器测量的结果调节所述探针与待测样品之间的距离。
优选地，所述距离检测器包括音叉测距模块，所述音叉测距模块包括与所述探针固定连接的音叉。
优选地，所述音叉测距模块进一步包括与所述音叉相连的音叉激谐振扫描模块、锁相环模块和音叉数据采集模块；所述音叉激谐振扫描模块用于对所述音叉进行扫频以确定所述音叉的谐振频率；所述锁相环模块用于对所述谐振频率进行锁定；所述音叉数据采集模块用于收集所述音叉的检测数据。
优选地，所述距离检测器还包括激光三角测距模块，在所述激光三角测距模块测量所述探针与待测样品表面之间的距离之后，再利用所述音叉测距模块进行测量；所述激光三角测距模块包括一激光发生器、一激光检测器及一激光数据采集及处理模块；所述激光数据采集及处理模块分别与所述激光发生器、所述激光检测器连接；所述激光发生器与所述激光检测器分别位于所述探针的两侧。
优选地，所述微波探测系统还包括用于放置样品的样品放置台；所述距离调节器包括调节组件，所述调节组件通过调节所述样品放置台和所述同轴谐振腔的位置，从而调节所述探针和待测样品之间的距离。
优选地，所述同轴谐振腔可更换，所述同轴谐振腔为λ/2同轴谐振腔或λ/4同轴谐振腔。
优选地，所述同轴谐振腔为λ/4同轴谐振腔，同轴谐振腔的腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。
优选地，所述腔体的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和。
优选地，所述腔体内靠近所述探针的一端设置介质层，介质层的形状与腔体相匹配；所述介质层由无机材料制得，其介电常数大于1。
与现有技术相比，本发明提供的一种微波探测系统，通过设置距离调整装置控制所述待测样品移动至探针所形成的电磁场内，能保证待测样品对所述电磁场形成有效干扰，可以提高该微波探测系统的探测准确度；并且能保证即使更换样品后，使得待测样品与探针之间为相同的距离，保证探测的重复性，以及对于不同样品探测结果进行对比的可靠性。并且探针位于同轴谐振腔的腔体外，便于更换待测样品，提高探测速度。此外，通过探针对待测样品进行扫描，不仅能得到样品上不同点相对应的电磁参数，如介电常数、介电损耗及磁导率等，还能对待测样品的内部结构进行探测，得到待测样品内部的清晰图像。
【附图说明】
图1是本发明微波探测系统的结构示意图。
图2是本发明微波探测系统的同轴谐振腔以及距离调整装置的结构示意图。
图3是图2中A部的放大示意图。
图4是本发明微波探测系统的距离调整装置的框架示意图。
图5是本发明微波探测系统的距离调整装置靠近探针部分的结构示意图。
图6是本发明微波探测系统的音叉幅值变化量的检测原理图。
图7是本发明微波探测系统的音叉相位变化量的检测原理图。
图8是本发明微波探测系统的同轴谐振腔的结构示意图。
图9是图8中B-B的剖视示意图。
图10是图9中C部的放大示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种微波探测系统，包括控制系统60、同轴谐振腔10以及距离调整装置80。结合图2所示，所述同轴谐振腔10包括腔体19和伸出腔体19的探针113。探针113位于同轴谐振腔10的腔体19外，便于更换待测样品31，提高探测速度。此外，通过探针113对待测样品31进行扫描，不仅能得到样品31上不同点相对应的电磁参数，如介电常数、介电损耗及磁导率等，还能对待测样品31的内部结构进行探测，得到待测样品31内部的清晰图像。
所述控制系统60连接并控制距离调整装置80，所述控制系统60能提供同轴谐振腔10的微波输入信号并接受以及分析同轴谐振腔10的微波输出信号，请参阅图3，所述探针113在所述腔体19外形成电磁场，该电磁场的电场线115即如图3中所示分布。所述距离调整装置80用于控制所述待测样品31移动至所述电磁场内，待测样品31对该电磁场形成干扰从而改变所述同轴谐振腔10的微波输出信号。控制系统60通过对放置待测样品31前后的同轴谐振腔10的微波输出信号进行分析完成待测样品31的探测。
通过设置距离调整装置80控制所述待测样品31移动至探针113所形成的电磁场内，能保证待测样品31对所述电磁场形成有效干扰，可以提高该微波探测系统的探测准确度。利用所述微波探测系统进行探测时，所述探针113与待测样品31之间的距离较大或较小时，待测样品31对探针113所形成的电磁场的干扰较弱或较强，从而使得同轴谐振腔10的微波输出信号不准确，进而影响所述微波探测系统的探测结果的准确度。一般来说，进行探测时所述探针113和待测样品31之间的距离为2-3μm，能保证待测样品对探针所形成的电磁场形成有效干扰，得到准确的探测结果。并且能保证即使更换样品31后，使得待测样品31与探针113之间为相同的距离，保证探测的重复性，以及对于不同样品31探测结果进行对比的可靠性。
在一些优选的实施例中，如图1中所示，所述控制系统60包括网络分析仪40和计算机50，所述网络分析仪40可用于提供同轴谐振腔10的微波输入信号、接收同轴谐振腔10的微波输出信号，并对微波输出信号进行分析；所述计算机50可用于提供人机操作界面及控制网络分析仪40，并对网络分析仪40得到的分析数据进行进一步计算或分析得到探测结果。具体的，所述同轴谐振腔10与网络分析仪40相连，所述网络分析仪40与计算机50相连，通过计算机50控制网络分析仪40，并且得到网络分析仪40所分析的数据及结果后，进行分析得到待测样品31的探测结果。所述计算机50还与所述距离调整装置80相连，通过计算机50控制距离调整装置80，并能与所述距离调整装置80之间进行数据传输。
优选地，所述距离调整装置80包括距离检测器70和距离调节器20；所述距离检测器70用于测量所述探针113与待测样品31之间的距离，所述距离调节器20用于根据距离检测器70测量的结果调节所述探针113与待测样品31之间的距离。这样通过距离检测器70测量得到所述探针113与待测样品31之间的距离后，再通过距离调节器20进行调节，并且在调节过程中实时得到测量数据，能快速准确的调节所述探针113与待测样品31之间的距离。
优选地，如图2和图4所示，所述距离检测器70包括音叉测距模块71，所述音叉测距模块71包括与所述探针113固定连接的音叉711。通过与探针113固定连接的音叉711能快速准确的测得探针113与待测样品31之间的距离。在本发明一些较优的实施例中，所述音叉711优选为石英音叉，所述音叉711由32.768KHz的圆柱形晶振去掉外壳而得到，其中，所述圆柱形晶振的尺寸为3mm*8mm。所述音叉测距模块71具有一音叉测距范围，所述音叉测距范围即为所述音叉711的可进行测距的范围。所述音叉测距模块71的音叉测距范围由所述音叉711决定。根据所选用的所述音叉711的不同，所述音叉测距模块71的可测距范围也不相同。
所述音叉测距模块71进一步包括与所述音叉相连的音叉激谐振扫描模块712、锁相环模块713和音叉数据采集模块714。所述音叉激谐振扫描模块712用于对所述音叉711进行扫频以确定所述音叉711谐振频率。所述锁相环模块713用于对由所述音叉激谐振扫描模块712所确定的所述音叉711的谐振频率进行锁定。而所述音叉数据采集模块则用于收集所述音叉711的振幅和相位。
所述音叉测距模块71进行测距的过程为：首先给所述音叉711一正弦信号激励使音叉711达到谐振状态，当所述音叉711及与其固定连接的所述探针113以谐振状态靠近待测样品时，由于所述探针113与待测样品31表面原子间的剪切力作用，从而使所述音叉711的振幅和相位发生变化，通过感测所述音叉711的振幅和相位的变化量，从而可对所述探针113与待测样品31表面之间的距离进行检测。
请一并参阅图4和图5，在一些优选的实施例中，所述距离检测器70还包括激光三角测距模块72，在所述激光三角测距模块72测量所述探针113与待测样品31表面之间的距离之后，再利用所述音叉测距模块71进行测量。与所述音叉测距模块71相比，所述激光三角测距模块72测量速度较快而测量精度较差，因此先通过激光三角测距模块72测量所述探针113与待测样品31表面之间的距离，能得到一初步的距离测量值，然后再通过所述音叉测距模块71进行精确测量。通过所述激光三角测距模块72的初步测量及采用音叉测距模块71进行精确测量，可以实现所述探针113与待测样品31之间的快速距离检测。
进一步的是，结合图4和图5中所示，所述激光三角测距模块72包括一激光发生器721、一激光检测器722及一激光数据采集及处理模块723，所述激光数据采集及处理模块133分别与所述激光发生器721、所述激光检测器722连接。所述激光发生器721用于发射激光信号，所述激光检测器722用于接收激光发生器721发出的激光信号，所述激光数据采集及处理模块723用于采集及处理所述激光发生器721、所述激光检测器722的发射信号与接收信号。这样可以实现激光检测信号的快速及准确的采集与处理。
进一步的是，如图5中所示，所述激光发生器721与所述激光检测器722之间呈角度分别设置在所述同轴谐振腔10的底部，分别位于探针113的两侧。所述激光发生器721与所述激光检测器722之间具体设置的角度与所述探针113与待测样品31表面之间距离的远近相关，其角度可为15°-75°。通过这样的设置，将所述激光三角测距模块72与所述音叉测距模块71有效结合，以实现更快速的距离检测。
优选地，请再参阅图1，所述微波探测系统还包括用于放置样品31的样品放置台30；所述距离调节器20包括调节组件24，所述调节组件24通过调节所述样品放置台30和所述同轴谐振腔10的位置，从而调节所述探针113和待测样品31之间的距离。通过调节组件24快速确定探针113与待测样品31的位置，缩短调节时间，从而能提高微波探测系统的探测速度。所述调节组件24由计算机50控制，调节组件24与计算机50可以通过电缆线相连，也可以采用无线连接方式，如无线网络连接或蓝牙连接。
所述调节组件24控制所述同轴谐振腔10沿轴向移动，所述样品放置台30在与轴向垂直的平面上移动。这样能准确快速的调节同轴谐振腔10与样品31之间的位置，保证所述微波探测系统的对样品进行探测的快速性和准确性。
具体的，所述距离调节器20还包括第一移动模块21和第二移动模块22；所述调节组件24与第一移动模块21和第二移动模块22相连；所述第一移动模块21能带动同轴谐振腔10沿轴向移动，也就是如图1中所示z轴移动；所述第二移动模块22能带动样品放置台30在与轴向垂直的平面上移动，即在xy平面上沿x轴、y轴移动。优选地，所述同轴谐振腔10上设置纳米定位台23，所述纳米定位台23与第一移动模块21相连，通过精确定位保证同轴谐振腔10沿轴向移动的准确性。
因此所述音叉测距模块71与调节组件24相结合使用，从而确定探针113与待测样品31之间距离的原理如图6和图7所示，计算机50通过调节组件24改变探针113与待测样品31之间的距离，通过音叉711的振幅和相位变化测量该距离，能实时掌握并调节探针113与待测样品31之间的距离。具体的，所述音叉激谐振扫描模块712包括直接数字式频率合成器715(Direct Digital Synthesizer，DDS)，所述音叉数据采集模块714包括前置放大器716，所述锁相环模块713包括鉴相器717。
因此如图6中所示，所述直接数字式频率合成器715，给所述音叉711一个正弦信号激励使所述音叉711达到谐振状态，音叉711的输出信号通过所述前置放大器716放大后并通过有效值转换得到改变后音叉711的幅值，通过与输入信号即DDS给予的信号进行比较既可得到幅值变化量，并将该幅值变化量传输给计算机50。如图7中所示，所述直接数字式频率合成器715即DDS，给所述音叉711一个正弦信号激励使所述音叉711达到谐振状态，音叉711的输出信号通过所述前置放大器716放大后传输至鉴相器717，所述鉴相器717将放大后的输出信号与输入信号即DDS给予的信号进行比较既可得到相位变化量，并将该相位变化量传输给计算机50。计算机50通过分析幅值变化量和相位变化量得到探针113与待测样品31之间的距离，并通过调节组件24进行调节。所述计算机50可以是PID(Proportional-Integral-Differential，比例-积分-微分)控制来控制所述调节组件24。
如图8和图9所示，所述同轴谐振腔10的探针113与所述腔体19同轴设置并从谐振腔10腔体19的底部伸出腔体19外，所述同轴谐振腔10还包括用于腔体19内微波激励及耦合的耦合机构14，即向腔体19内输入微波形成腔体19的激荡，以及对腔体19内微波信号进出耦合并输出。所述耦合机构14可以是耦合探针、耦合环或者耦合孔。其中，耦合探针为电耦合；耦合环为磁耦合；耦合孔为绕射耦合，根据耦合孔位置不同，耦合孔的耦合方式可以是单一的电耦合或磁耦合，也可以是电、磁耦合同时存在。优选地，所述耦合机构14为耦合环，耦合方式为单一的磁耦合，微波在同轴谐振腔10内传输的分析较简单。
优选地，如图9中所示，所述耦合环设置在所述同轴谐振腔10内远离探针113的一端上，所述同轴谐振腔10相对耦合环的外表面上设置接头15，所述接头15用于连接网络分析仪50。可以理解，所述耦合环位于所述腔体19内，所述接头15位于所述腔体19外。也就是说网络分析仪50通过接头15向耦合环输入第一微波信号，利用耦合环的磁耦合作用转换为第二微波信号并在腔体19内传输，最后通过耦合环进行耦合形成第三微波信号输出至网络分析仪50。其中，所述第一微波信号和第三微波信号即为前文所述的同轴谐振腔10的微波输入信号和微波输出信号，而第二微波信号为同轴谐振腔10内传输的微波信号。单个耦合环可完成所述第一微波信号向所述第二微波信号的转换与传输及所述第二微波信号到所述第三微波信号的转换及传输，因此所述耦合环可以是一个，也可以是多个。
优选地，所述耦合环包括沿所述同轴谐振腔10轴线对称设置的第一耦合环141和第二耦合环142，分别用于微波信号的输入和输出，即通过第一耦合环141输入同轴谐振腔10，同轴谐振腔10所产生的谐振微波信号通过第二耦合环142输出。这样能有效提高同轴谐振腔10内激荡和耦合效果。图9中所示c即为所述耦合环半径。
关于待测样品31的探测，本发明所提供的微波探测系统可以测得待测样品31的电磁参数，如介电常数、介电损耗及磁导率，其原理是放置样品31前，通过分析同轴谐振腔10的微波输出信号，得到同轴谐振腔10的谐振频率f0和品质因数Q0；放置样品31后，通过分析同轴谐振腔10的微波输出信号，得到同轴谐振腔10的谐振频率f1和品质因数Q1。通过f0、Q0、f1、Q1即可计算得到样品31的介电常数、介电损耗及磁导率。因此谐振频率的范围即为电磁参数的测试范围，而品质因数越高时，谐振频率点处所形成的峰形越尖锐，减少谐振频率取值的误差，测试的精度高。此外通过探针113对待测样品31进行扫描，能得到样品31上不同点相对应的电磁参数。
本发明所提供的微波探测系统还可以对待测样品31的内部结构进行探测，得到待测样品31内部的清晰图像。其原理是利用探针113对样品31进行扫描，通过探测放置样品31前后谐振频率点处的幅值和相位的变化，即可重构样品31的空间分布图像。由于品质因数越高时，谐振频率点处所形成的峰形越尖锐，从而使得谐振频率点处的幅值和相位的变化敏感，所得扫描图像清晰分辨率高。
优选地，所述同轴谐振腔10可更换，所述同轴谐振腔10为λ/2同轴谐振腔或λ/4同轴谐振腔。这样可以根据探测项目，更换同轴谐振腔10以保证探测准确度。具体的，所述λ/2同轴谐振腔和λ/4同轴谐振腔的区别在于，腔体19内电磁场的磁场和电场强弱程度不同，因此探针113处形成的电磁场的磁场和电场强弱程度也不同。当所述耦合机构14为耦合方式为磁耦合的耦合环，耦合机构14处磁场最强，电场最弱，而如果同轴谐振腔10为λ/2同轴谐振腔，同轴谐振腔10的腔体19内从靠近耦合环的一端到远离耦合环的一端，其磁场先变弱后变强，而电场则是先变强后变弱，探针113处所形成的电磁场的磁场最强，电场最弱。而如果同轴谐振腔10为λ/4同轴谐振腔，同轴谐振腔10的腔体19内从靠近耦合环的一端到远离耦合环的一端，其磁场逐渐变弱，电场逐渐变强，探针113处所形成的电磁场的电场最强，磁场最弱。当然如果耦合机构14选用耦合方式为电耦合的耦合探针，耦合机构14处电场最强，磁场最弱，同轴谐振腔10腔体19内电磁场与上述选用耦合环时相反。
因此，当所述微波探测系统用于探测待测样品31的内部结构时，优选λ/4同轴谐振腔，探针113处所形成的电磁场的电场最强，能很好的穿透待测样品31的表面从而得到内部结构的准确信息。当所述微波探测系统用于测试电磁参数时，λ/2同轴谐振腔的测试准确度较高，测试范围较窄，而λ/4同轴谐振腔的测试准确度较低，测试范围较宽，因此可以根据测试需求进行选择。
在本发明的一些实施例中，所述同轴谐振腔10为λ/4同轴谐振腔，如图8和图9所示，所述腔体19呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。此时所述同轴谐振腔10的高阶谐波，如三阶谐波和五阶谐波的附近杂波少，且高阶谐波具有较高的品质因数。而高阶谐波的谐振频率明显高于基波，如三阶谐波和五阶谐波的谐振频率约为基波的谐振频率的三倍和五倍，因此在不需要减小同轴谐振腔尺寸的基础上，通过控制所述腔体19的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，可有效提高谐振频率。其中，最优的是所述腔体19圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为4：1，在保证高品质因数的前提下，得到高谐振频率的同轴谐振腔10。并且为避免微波信号中杂波的出现，并保证较高的品质因数，所述耦合环半径c与腔体19的圆环柱体内圆半径之比为(0.5-1):1。最优的是，所述耦合环的半径与内导体半径之比为0.5。
优选地，所述同轴谐振腔10进一步包括同轴套设的内导体11和外导体12，所述内导体11包括呈圆柱体的内导体主体111，其靠近腔体19底部的一端面形成一个尖端，如图10所示，所述腔体19底部开设一孔125，所述尖端从该孔125伸出腔体19外即形成探针113。在一些优选的实施例中，外导体12底端在孔125处嵌设有屏蔽环126，所述屏蔽环126环绕探针113。优选的，所述屏蔽环126由白宝石制成，屏蔽效果好。
所述内导体11的外壁即形成所述腔体19圆环柱体的内圆表面。所述外导体12为中空体，其内壁即形成所述腔体19圆环柱体的外圆表面。也即所述内导体11的外壁和外导体12的内壁之间形成所述腔体19。通过设置独立且同轴设置的内导体11与外导体12，能方便快捷地对内导体11和外导体12分别进行更换，从而改变所述腔体19圆环柱体的外圆半径与内圆半径。所述内导体主体111的半径即为内导体11的半径a，而内导体11的半径a即为所述腔体19的圆环柱体内圆半径。所述外导体12的形状可以是正方体、长方体或圆柱体等形状中的任一种，在此不受限制。只需满足其中空部分为圆柱体，使得外导体12的内壁与内导体11外壁之间形成圆环柱体的腔体19即可。优选地，如图8中所示，所述外导体12呈中空圆柱体，外导体12的半径b即为所述腔体19的圆环柱体外圆半径。
如图8和图9中所示，所述腔体19的高度即为h，当h太小时，输出的微波信号中杂波多，对高阶谐波的干扰大，因此使所述腔体19的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和，能避免高阶谐波附近出现杂波，保证探测准确度。所述腔体19内靠近所述探针的一端设置介质层16，介质层16的形状与腔体19相匹配；所述介质层16由无机材料制得，其介电常数大于1。通过填充介质层16能降低同轴谐振腔10的谐振频率，进一步扩宽同轴谐振腔10的谐振频率范围。进一步的是，所述介质层由白宝石制得，白宝石的介电损耗小，可以保证得到较高品质因数的同轴谐振腔10。进一步的是，所述介质层16的高度与腔体19的圆环柱体内圆半径，也就是介质层16的高度与内导体11半径的之比为(1.5-2.5):1，即d/a为1.5-2.5，这样能有效降低谐振频率的同时，保证较高的品质因数。其中，最优的是介质层16的高度与腔体19的圆环柱体内圆半径的之比为2，即d/a＝2。
与现有技术相比，本发明所提供的一种微波探测系统，包括控制系统、同轴谐振腔和距离调整装置，所述同轴谐振腔包括腔体和伸出腔体的探针，所述探针在所述同轴谐振腔腔体外形成电磁场,同轴谐振腔对在电磁场内样品进行探测并产生微波输出信号，所述控制系统连接并控制距离调整装置；所述控制系统能提供同轴谐振腔的微波输入信号并接收以及分析同轴谐振腔的微波输出信号，所述距离调整装置用于控制所述待测样品移动至所述电磁场内，待测样品对该电磁场形成干扰从而改变所述同轴谐振腔的微波输出信号；所述控制系统通过对放置待测样品前后的同轴谐振腔的微波输出信号进行分析完成待测样品的探测。通过设置距离调整装置控制所述待测样品移动至探针所形成的电磁场内，能保证待测样品对所述电磁场形成有效干扰，可以提高该微波探测系统的探测准确度；并且能保证即使更换样品后，使得待测样品与探针之间为相同的距离，保证探测的重复性，以及对于不同样品探测结果进行对比的可靠性。并且探针位于同轴谐振腔的腔体外，便于更换待测样品，提高探测速度。此外，通过探针对待测样品进行扫描，不仅能得到样品上不同点相对应的电磁参数，如介电常数、介电损耗及磁导率等，还能对待测样品的内部结构进行探测，得到待测样品内部的清晰图像。
进一步的是，所述距离调整装置包括距离检测器和距离调节器；所述距离检测器用于测量所述探针与待测样品之间的距离，所述距离调节器用于根据距离检测器测量的结果调节所述探针与待测样品之间的距离。这样通过距离检测器测量得到所述探针与待测样品之间的距离后，再通过距离调节器进行调节，并且在调节过程中实时得到测量数据，能快速准确的调节所述探针与待测样品之间的距离。
进一步的是，所述距离检测器包括音叉测距模块，所述音叉测距模块包括与所述探针固定连接的音叉。能快速准确的测得探针与待测样品之间的距离。
进一步的是，所述音叉测距模块进一步包括与所述音叉相连的音叉激谐振扫描模块、锁相环模块和音叉数据采集模块。；所述音叉激谐振扫描模块用于对所述音叉进行扫频以确定所述音叉的谐振频率；所述锁相环模块用于对所述谐振频率进行锁定；所述音叉数据采集模块用于收集所述音叉的检测数据。本发明中进一步对所述音叉激谐振扫描模块、所述锁相环模块与所述音叉数据采集模块的功能进行了进一步的限定。通过对所述音叉测距模块的具体限定，可实现通过检测音叉的谐振频率和振幅的变化来实现对原子剪切力的实时反馈，并可进一步快速地获得所述探针与待测样品表面距离参数的测量。
进一步的是，所述距离检测器还包括激光三角测距模块，在所述激光三角测距模块测量所述探针与待测样品表面之间的距离之后，再利用所述音叉测距模块进行测量；所述激光三角测距模块包括一激光发生器、一激光检测器及一激光数据采集及处理模块；所述激光数据采集及处理模块分别与所述激光发生器、所述激光检测器连接；所述激光发生器与所述激光检测器分别位于所述探针的两侧。通过所述激光三角测距模块的初步测量及采用音叉测距模块进行精确测量，可以实现所述探针与待测样品之间的快速距离检测。
进一步的是，所述微波探测系统还包括用于放置样品的样品放置台；所述距离调节器包括调节组件，所述调节组件通过调节所述样品放置台和所述同轴谐振腔的位置，从而调节所述探针和待测样品之间的距离。通过调节组件快速确定探针与待测样品的位置，从而能提高微波探测系统的探测速度。
进一步的是，所述同轴谐振腔可更换，所述同轴谐振腔为λ/2同轴谐振腔或λ/4同轴谐振腔。这样可以根据探测项目更换同轴谐振腔，改变探针所形成的电磁场的磁场和电场强度，以适合不同的探测项目，从而保证探测准确度。
进一步的是，所述同轴谐振腔为λ/4同轴谐振腔，同轴谐振腔的腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。此时所述同轴谐振腔的高阶谐波，如三阶谐波和五阶谐波的附近杂波少，且高阶谐波具有较高的品质因数。而高阶谐波的谐振频率明显高于基波，如三阶谐波和五阶谐波的谐振频率约为基波的谐振频率的三倍和五倍，因此在不需要减小同轴谐振腔尺寸的基础上，通过控制所述腔体的圆环柱体的外圆半径与圆环柱体的内圆半径之比为(3-5)：1，可有效提高谐振频率。
进一步的是，所述腔体的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和。这样能避免高阶谐波附近出现杂波，保证探测准确度。
进一步的是，所述腔体内靠近所述探针的一端设置介质层，介质层的形状与腔体相匹配；所述介质层由无机材料制得，其介电常数大于1。通过填充介质层能降低同轴谐振腔的谐振频率，进一步扩宽同轴谐振腔10的谐振频率范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波探测系统，其特征在于：包括控制系统、同轴谐振腔和距离调整装置，所述同轴谐振腔包括腔体和伸出腔体的探针，所述探针在所述同轴谐振腔腔体外形成电磁场,同轴谐振腔对在电磁场内样品进行探测并产生微波输出信号，所述控制系统连接并控制距离调整装置；所述控制系统能提供同轴谐振腔的微波输入信号并接收以及分析同轴谐振腔的微波输出信号，所述距离调整装置用于控制所述待测样品移动至所述电磁场内，待测样品对该电磁场形成干扰从而改变所述同轴谐振腔的微波输出信号；所述控制系统通过对放置待测样品前后的同轴谐振腔的微波输出信号进行分析完成待测样品的探测。
2.如权利要求1所述微波探测系统，其特征在于：所述距离调整装置包括距离检测器和距离调节器；所述距离检测器用于测量所述探针与待测样品之间的距离，所述距离调节器用于根据距离检测器测量的结果调节所述探针与待测样品之间的距离。
3.如权利要求2所述微波探测系统，其特征在于：所述距离检测器包括音叉测距模块，所述音叉测距模块包括与所述探针固定连接的音叉。
4.如权利要求3所述微波探测系统，其特征在于：所述音叉测距模块进一步包括与所述音叉相连的音叉激谐振扫描模块、锁相环模块和音叉数据采集模块；所述音叉激谐振扫描模块用于对所述音叉进行扫频以确定所述音叉的谐振频率；所述锁相环模块用于对所述谐振频率进行锁定；所述音叉数据采集模块用于收集所述音叉的检测数据。
5.如权利要求3所述微波探测系统，其特征在于：所述距离检测器还包括激光三角测距模块，在所述激光三角测距模块测量所述探针与待测样品表面之间的距离之后，再利用所述音叉测距模块进行测量；所述激光三角测距模块包括一激光发生器、一激光检测器及一激光数据采集及处理模块；所述激光数据采集及处理模块分别与所述激光发生器、所述激光检测器连接；所述激光发生器与所述激光检测器分别位于所述探针的两侧。
6.如权利要求2所述微波探测系统，其特征在于：所述微波探测系统还包括用于放置样品的样品放置台；所述距离调节器包括调节组件，所述调节组件通过调节所述样品放置台和所述同轴谐振腔的位置，从而调节所述探针和待测样品之间的距离。
7.如权利要求1-6中任一项所述微波探测系统，其特征在于：所述同轴谐振腔可更换，所述同轴谐振腔为λ/2同轴谐振腔或λ/4同轴谐振腔。
8.如权利要求7所述微波探测系统，其特征在于：所述同轴谐振腔为λ/4同轴谐振腔，同轴谐振腔的腔体呈圆环柱体，该圆环柱体的外圆半径与内圆半径之比为(3-5)：1。
9.如权利要求8所述微波探测系统，其特征在于：所述腔体的高度大于圆环柱体外圆半径与圆环柱体内圆半径之和。
10.如权利要求8所述微波探测系统，其特征在于：所述腔体内靠近所述探针的一端设置介质层，介质层的形状与腔体相匹配；所述介质层由无机材料制得，其介电常数大于1。
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