CN106772175A - 一种模拟人体组织液介电常数测量过程校准方法 - Google Patents

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张康
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Abstract

本发明提供一种模拟人体组织液介电常数测量过程校准方法，包括模拟人体组织液的测量步骤，参考液体的使用方法、测试装置和布置。主要优点为：采用不同可计算介电常数的标准溶液校准探头，可以使用同被测液体较为接近的溶液作为参考值；另外由于无线通信等使用的频率范围逐渐增多，使用这种弹性的方法，适应性较好。能够适用于不同频率的液体测量。

Description

一种模拟人体组织液介电常数测量过程校准方法
技术领域
本发明涉及介电常数测量领域，尤其涉及一种自模拟人体组织液介电常数测量的领域。
背景技术
使用移动电话等无线通信设备，其所产生的电磁场达到一定的强度可能会对人体构成生物危害。通常使用比吸收率为单位来表示电磁场对人体的健康影响，即每千克组织液所吸收的能量(W/kg)。比吸收率测量过程中需要使用模拟人体组织液，其中模拟人体组织液的介电常数测量结果对比吸收率的测量结果影响较大。现有的介电常数测量精度低，且应用的频率范围较窄，不适用无线电磁场的广泛应用。
自从1970年以来，开路同轴探头逐渐用于人体动物体生物组织、有机材料、电解质溶液等有耗媒质的介电特性测量。开路同轴探头在介质测量中通常工作在低频区。在很多实例中，通过确定探头开路结构对应的集总电路模型与参数即可合理地描述反射系数与介电常数之间的数量关系。例如，同轴线开路端的等效导纳在低频表现为容性，且电导主要来自介质损耗，辐射损耗贡献很小，可以被等效为两电容并联电路，一个电容反映同轴内导体和外导体与被测介质之间的电容作用，另一个电容反映它们与同轴填充介质之间的电容作用。四川大学黄卡玛教授等开展的化学溶液介电特性测量，使用同轴探头开路端无导体法兰，外导体内直径(同轴孔径)10mm，内导体直径3mm，测量频率为915MHz和2450MHz。两电容模型可以很好地表达低频物理机理，但无法准确描述依赖于频率的电容效应，对于测量频带宽、被测介电常数值分布区间大(实部：10-100)的情况，同轴探头的电磁场模型是不可缺少的。
目前组织液测量中主要的技术缺点如下：
使用短路块校准，只能校准短路和开路两种状态，导致组织液介电常数测量精度较低。
短路块校准，由于不同频段的同轴波导尺寸不同，需要加工不同的短路块，且短路块易损耗，复现性较差，成本较高。
根据以上问题，本发明实现了液体介电常数测量，应用领域包括比吸收率(SAR)测试用人体组织模拟液相对介电常数与电导率的测量和验证。由于目前广泛使用的无线通信频率不超过6GHz，开路同轴探头孔径尺寸通常远小于被测液的波长，在实验中，忽略高次模式反射波效应得出的测量结果在实际应用中有着更多的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明主要解决模拟人体组织液的介电常数测量的的精度，适应于不同频率下的模拟组织液的测量的问题。为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：接触探头的同轴线一端开口且外导体带有法兰；在测量实验中，模拟人体组织液浸没接触探头，与法兰的开口面充分接触；接触探头的同轴线另一端连接矢量网络分析仪的同轴端口，完成接触探头浸入模拟人体组织液得到的接触探头的系统反射系数的测量与记录；
以浓度10‰，15‰，20‰的标准生理盐水稀溶液分别作为标准被测液，考察在0.3GHz-4.5GHz频段之间介电常数和电导率特性测量数据，环境和液体温度在测量前后保持23摄式度；
将去离子水、标准被测液，以及模拟人体组织液均使用36mm口径，25ml刻度容量的烧杯进行盛装；
从输入导纳值可计算模拟人体组织液的介电常数，通过单端口反射系数测量去嵌入技术，用已知介电常数的标准被测液校准接触探头，置于浸入去离子水和不同的标准被测液，完成接触探头浸入模拟人体组织液得到的接触探头的系统反射系数的标定过程，得出模拟人体组织液相应的输入导纳值；输入导纳值的多项式方程的根代表了模拟人体组织液的复波数，选用最速下降法迭代求解，剔除不符合物理意义的伪解；
输入导纳值计算模拟人体组织液的介电常数测量步骤如下：
步骤1：首先测量去离子水和标准被测液的输入导纳值，并记录；
步骤2：清洗探头，将探头浸入模拟人体组织液；
步骤3：测量模拟人体组织液的输入导纳值，比较步骤1测量结果，并进行线性插值计算；
步骤4：根据步骤3的线性插值计算的结果和标准被测液的介电常数，得到模拟人体组织液的介电常数。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的接触探头法测量液体介电常数实验装置的示意原理图；
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：
实施例一：人体模拟组织液介电常数测量是一个比较的过程，通过被测模拟人体组织液与已知介电常数的去离子水等比较，获得被测模拟人体组织液的介电常数。
本发明使用可计算介电常数的标准溶液进行同轴开口探头校准；装置采用开口同轴波导，利用机械加工的短路块进行校准，提供两个校准点，即开口状态和短路状态。
本发明的基本原理见图2，是接触探头法测量液体介电常数实验装置的示意原理图。同轴线一端开口且外导体带有法兰。在测量实验中，被测液浸没探头，与法兰开口面充分接触。探头另一端连接矢量网络分析仪同轴端口，完成反射系数的测量与记录。
在直流或频率非常低的情况下，电介质材料的相对介电常数和电损耗可以独立地测量，而在频率较高时，以介电常数代表相对介电常数和电导率，描述介电特性对频率的依赖。在射频和微波频段，用波导开口端紧贴被测材料样品的平整表面，通过测量反射系数实现介质传感器功能，是测量介电常数的常用方法之一。相对于需测量两个端口散射参数的传输-反射法，开口波导法也称作反射系数法，其中开路同轴线技术的测量频段在理论上可从直流点至第一高次模截止频率，可覆盖用矩形开口波导不能测量的低于TE10模截止频率的频段。
实施例二：人体模拟组织液介电常数测量是一个比较的过程，通过被测模拟人体组织液与已知介电常数的去离子水等比较，获得被测模拟人体组织液的介电常数。
本发明的基本原理见图二，是接触探头法测量液体介电常数实验装置的示意原理图。同轴线一端开口且外导体带有法兰。在测量实验中，被测液浸没探头，与法兰开口面充分接触。探头另一端连接矢量网络分析仪同轴端口，完成反射系数的测量与记录。
以浓度10‰，15‰，20‰标准生理盐水稀溶液作为标准被测液，考察0.3GHz-4.5GHz频段相对介电常数和电导率特性测量数据。液体和环境温度在测量前后保持23oC。去离子水、标准生理盐水溶液，以及被测液均使用36mm口径25ml刻度容量的烧杯盛装。
测量与校准步骤如图一：
从输入导纳值可计算被测液的介电常数。使用矢量网络分析仪测量探头系统的反射系数，通过单端口反射系数测量去嵌入技术，即用已知介电常数的标准溶液校准测量系统，例如，置于浸入去离子水和不同的标准溶液，完成探头浸入被测液得到的反射系数的标定过程，即可得出被测液相应的输入导纳值。输入导纳多项式方程的根代表了被测液的复波数，可选用最速下降法迭代求解。经过剔除不符合物理意义的伪解，最终获得被测液的介电常数。
式(1)表示，从输入导纳值可计算被测液的介电常数
测量步骤如下：
首先测量去离子水，10‰，15‰，20‰标准生理盐水的导纳值，并记录；
清洗探头，将探头浸入被测模拟人体组织液；
测量被测模拟人体组织液的导纳值，比较步骤1)测量结果，并进行线性插值；最后得到被测模拟人体组织液的介电常数。
本发明设计的一种模拟人体组织液介电常数测量过程校准方法的优点主要有：1、原来进行探头校准时使用开口、短路和去离子水三种状态，其余采用插值算法，精度较低；现有方案，采用不同可计算介电常数的标准溶液校准探头，可以使用同被测液体较为接近的溶液作为参考值；2、由于无线通信等使用的频率范围逐渐增多，使用这种弹性的方法，适应性较好。能够适用于不同频率的液体测量。

Claims (1)

1.一种模拟人体组织液介电常数测量过程校准方法，其特征在于：
接触探头的同轴线一端开口且外导体带有法兰，模拟人体组织液浸没所述接触探头，与所述法兰的开口面充分接触；所述接触探头的同轴线另一端连接矢量网络分析仪的同轴端口，完成所述接触探头浸入所述模拟人体组织液得到的所述接触探头的所述系统反射系数的测量与记录；
以浓度10‰，15‰，20‰的标准生理盐水稀溶液分别作为标准被测液，考察在0.3GHz-4.5GHz频段之间介电常数和电导率特性测量数据，环境和液体温度在测量前后保持23摄式度；
将去离子水、所述标准被测液，以及所述模拟人体组织液均使用36mm口径，25ml刻度容量的烧杯进行盛装；
从输入导纳值可计算所述模拟人体组织液的介电常数，通过单端口反射系数测量去嵌入技术，用已知介电常数的所述标准被测液校准所述接触探头，置于浸入所述去离子水和不同的所述标准被测液，完成所述接触探头浸入所述模拟人体组织液得到的所述接触探头的所述系统反射系数的标定过程，得出所述模拟人体组织液相应的所述输入导纳值；所述输入导纳值的多项式方程的根代表了所述模拟人体组织液的复波数，选用最速下降法迭代求解，剔除不符合物理意义的伪解；
所述输入导纳值计算所述模拟人体组织液的介电常数测量步骤如下：
步骤1：首先测量所述去离子水和所述标准被测液的所述输入导纳值，并记录；
步骤2：清洗探头，将探头浸入所述模拟人体组织液；
步骤3：测量所述模拟人体组织液的所述输入导纳值，比较所述步骤1测量结果，并进行线性插值计算；
步骤4：根据所述步骤3的所述线性插值计算的结果和所述标准被测液的介电常数，得到所述模拟人体组织液的介电常数。
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