CN109212320A

CN109212320A - 应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法

Info

Publication number: CN109212320A
Application number: CN201710523829.3A
Authority: CN
Inventors: 刘大伟; 李洪亮; 李强强
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-15
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: CN109212320B

Abstract

本发明公开了一种应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法，属于电磁场与微波技术领域。本发明在传统自由空间测量系统的基础上，加入了应力加载机构，改变材料所受应力的大小，材料发生微小形变导致反射波和透射波也会随之变化，这个变化的信号携带着材料的介电信息，通过测量网络反射系数和传输系数随材料所受微应变的变化，可以推导出材料介电常数的相对变化。此外，本发明提出了一种区别于传统自由空间法的测量方法，在材料上加载应力时，材料会发生一定的位移和厚度变化，该变化对S参数的影响远大于材料发生微小形变对S参数的影响，本发明提出的测量方法去除了位移和厚度变化对S参数的影响，能够准确反演材料受力时介电常数的相对变化。

Description

应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种介电常数测量技术，具体来说，是一种可以实现应力作用下复合材料介电常数变化规律准确测量的装置与方法。

背景技术

在各种电磁应用中，材料的介电常数是重要的特性参数，通常是材质、频率甚至是温度的函数。事实上，机械载荷(气动力、应力等)对材料介电特性也会存在一定影响。通常情况，这种机械载荷对材料的介电常数影响不大。但是在应力过大或存在局部应力集中时，材料内部结构会有大面积微小破坏，材料介电特性会发生改变，影响应有的电磁效能，例如各种受力的微带电路板，天线罩体，以及飞行器平台上的天线透波结构等等，因此获得材料介电常数随应力变化的规律具有重要的意义。

电磁材料介电常数的测量方法种类很多，按照测量原理，介电常数的测量方法分为网络参数法和谐振腔法两类。其中，网络参数法又分为开口同轴法、单端口传输线法和传输/反射法等。谐振腔法、开口同轴法、传输/反射法等方法均属于闭场域测试，无法测量材料受外力时介电常数的变化规律。传统的自由空间法直接利用测得的S参数(即，散射参数)反演介电常数，但在进行应力作用下复合材料介电常数的测量时，材料受到拉力会发生一定程度的位移且材料厚度会发生变化，此时由于位移和厚度变化对S参数的影响将远大于材料发生微小形变对S参数造成的影响，传统的自由空间反演算法无法准确反演出材料受力时介电常数的相对变化。

发明内容

为了解决传统自由空间法在应力作用下测量材料介电常数的局限性，本发明提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法。该装置在传统自由空间测量系统的基础上加入了应力加载机构。所测材料固定在应力加载机构的两个力臂上，通过改变力臂作用力的大小，材料所受应力发生变化，此时材料会发生微小形变致使反射波和透射波也随之变化，这个变化的信号携带着待测材料的介电信息，通过测量网络的反射系数和传输系数随材料所受微应变的变化曲线，可以推导出待测材料的介电常数相对变化。

该应力作用下复合材料介电常数测量装置，包括发射天线、接收天线、应力加载机构、步进电机、第一位移传感器、第二位移传感器、第一矩圆模式转换器、第二矩圆模式转换器、控制计算机以及矢量网络分析仪；所述发射天线通过第一矩圆模式转换器与矢量网络分析仪的第一端口连接，所述接收天线通过第二矩圆模式转换器与矢量网络分析仪的第二端口连接，所述步进电机、第一位移传感器、第二位移传感器、矢量网络分析仪连接控制计算机，控制计算机控制步进电机以改变施加到待测材料上应力的大小，位移传感器和矢量网络分析仪分别将待测材料所发生的微应变以及随加载应力实时变化的S参数传至控制计算机，控制计算机对S参数进行修正，计算出待测材料受应力时介电常数的相对变化；其特征在于：待测材料由应力加载机构夹持，应力加载机构连接步进电机，步进电机连接至控制计算机，控制施加应力的大小；所述待测材料与应力加载机构位处同一中心，发射天线、待测材料、接收天线的中心依次从左到右同轴分布。

由于对材料施加应力时材料会发生位移且厚度会发生变化，这两部分对S参数的影响远大于材料内部发生微小形变对S参数的影响，因此，基于所述的应力作用下复合材料介电常数测量装置，本发明还提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量方法，包括如下步骤：

第一步，控制计算机驱动步进电机控制应力加载机构上力臂对材料进行拉伸至产生3000微应变，矢量网络分析仪测得网络的传输系数S12、S21和反射系数S11、S22随应力变化的实时数据。其中，传输系数S12、S21分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的传输系数，反射系数S11、S22分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的反射系数。

第二步，根据反射系数S11、S22的相位变化求得材料拉伸过程中产生的前后位移变化。

第三步，去除前后位移影响，根据此时S11、S22相位变化得到材料测量厚度随微应变的变化。

第四步，假设S21、S12相位变化仅由材料厚度变化造成，得到此时等效厚度随微应变的变化。

第五步，采用线性回归拟合的方法，根据第三、四步得到两条斜率不同的厚度变化曲线，通过理论推导，得到应力作用下介电常数相对变化。

本发明的优点在于：

1、本发明提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量装置，能够对材料受应力时网络参数的变化进行测量。

2、本发明提出了一种区别于传统自由空间测量系统的测量方法，能够准确反应材料受应力时介电常数的变化规律。

附图说明

图1为本发明应力作用下复合材料介电常数测量装置整体结构示意图；

图2为本发明应力环境设备结构示意图；

图3为材料应变测量结构示意图；

图4为测量厚度和等效厚度随微应变变化曲线。

图中：

1.发射天线；2.接收天线；3.应力加载机构；4.步进电机；5.位移传感器A；6.位移传感器B；7.矩圆模式转换器A；8.矩圆模式转换器B；9.控制计算机；10.矢量网络分析仪；11.待测材料；12.精密滑动导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量装置，如图1所示，所述的测量装置包括一对聚焦透镜天线(发射天线1和接收天线2)、应力加载机构3、步进电机4、位移传感器A 5、位移传感器B 6、矩圆模式转换器A 7、矩圆模式转换器B 8、控制计算机9以及矢量网络分析仪10。所述的发射天线1、待测材料11和接收天线2依次从左到右同轴布置。所述的发射天线1通过矩圆模式转换器A 7与矢量网络分析仪10的端口A连接，所述的接收天线2通过矩圆模式转换器B 8与矢量网络分析仪10的端口B连接。所述的矢量网络分析仪10、步进电机4、位移传感器A 5、位移传感器B 6连接到控制计算机9。

所述的一对聚焦透镜天线完全相同，发射天线1作为电磁能量的辐射装置，接收天线2作为电磁能量的接收装置。此类天线是依据几何光学原理，采用透镜将传输到喇叭天线中的电磁波会聚在焦点附近的一定范围内，焦斑内相位稳定。透镜材料选择聚四氟乙烯材料。

所述的发射天线1和接收天线2相对放置于精密滑动导轨12上，可精确调节位置。所述的发射天线1的输入端口和接收天线2的输出端口为圆端口，分别通过矩圆模式变换器A 7、矩圆模式变换器B 8接至矢量网络分析仪10的两端口(如图1中的端口A和端口B)，用于测量网络的参数，并上传到控制计算机9。控制计算机9将根据接收到的数据进行处理得出待测材料11在外加应力的作用下介电常数的相对变化。

待测材料11固定在发射天线1与接收天线2之间的应力加载机构3上，步进电机4根据控制计算机9的指令控制应力加载机构3加载在待测材料11上的应力大小。精确调节发射天线1与接收天线2在导轨12上的位置使得所述天线的焦平面分别位于待测材料11的前后两个表面上。为了减小边缘绕射的影响，待测材料11的大小应该至少为所述天线焦斑尺寸的3倍。

本发明的应力作用下复合材料介电常数测量装置，在现有自由空间测量系统的基础上，将传统的样品支撑架改为应力加载机构，如图2所示。通过应力加载机构上下两个力臂夹持待测材料，所述的应力加载机构下力臂固定不动，上力臂由步进电机4控制，步进电机4连接至控制计算机9，用以改变作用在待测材料11上的应力大小。待测材料11由于所加应力而发生的微小形变由材料两侧的位移传感器5，6测量，如图3所示。位移传感器连接到控制计算机上，用以实时观测材料在应力作用下微应变的大小。

基于所述的应力作用下复合材料介电常数测量装置，本发明还提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量方法，所述方法具体步骤如下：

第一步，控制计算机9驱动步进电机4控制应力加载机构3对待测材料11进行拉伸直至产生3000微应变(1个微应变即1με，1με＝1×10^-6m)，矢量网络分析仪10测得网络的传输系数S12、S21和反射系数S11、S22随应力变化的实时数据，其中，传输系数S12、S21分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的传输系数，反射系数S11、S22分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的反射系数。

第二步，根据反射系数S11、S22的相位变化求得材料拉伸过程中产生的位移变化。

第三步，去除位移影响，根据此时S11、S22的相位变化得到待测材料11测量厚度随微应变的变化。

第四步，假设S21、S12相位变化仅由待测材料11厚度变化造成，得到此时等效厚度随微应变的变化。

第五步，采用线性回归拟合的方法，根据第三、四步得到两条斜率不同的厚度变化曲线，如图4，通过理论推导，得到应力作用下介电常数相对变化。

应力加载机构3对待测材料11施加应力时待测材料11会发生位置上的移动，此移动会明显影响S参量的相对变化，利用S11和S22相位的变化可以得到所述待测材料11位移量的大小：

其中，Δl₁是施加应力前后发射天线与材料之间的距离变化，Δl₂是施加应力前后接收天线与材料之间的距离变化，和是不加应力时反射系数S11和S22的相位，和是施加应力后反射系数S11和S22的相位，λ为自由空间中的波长。

去除位移的影响后，S11的相位可以表示为：

其中，是去除位移影响后受力情况下反射系数S11的相位。

去除位移影响后的S11与S22相位变化仅与待测材料11的厚度变化有关，S21与S12相位变化则与待测材料11的厚度变化和介电常数变化都有关，去除位移后的S11及S22相位的变化，得到所述待测材料11厚度随微应变的变化：

其中，Δd₁为施加应力时待测材料厚度的变化。

将S12及S21相位的变化，看作全由厚度变化造成，得到所述待测材料11等效厚度随微应变的变化：

其中，Δd₂为施加应力时待测材料等效厚度的变化，ε_r为待测材料的介电常数。

这样就可以用下面两个式子得到介电常数的相对变化：

其中，φ_T为施加应力时传输系数S21的相位，Δε_r为施加应力时待测材料介电常数的变化，d为不加应力时待测材料的厚度，k是自由空间波数。

根据上述两式即可得到应力作用下复合材料介电常数的相对变化。相比于传统自由空间法直接利用测得的S参数反演介电常数，本发明提出的应力作用下复合材料介电常数测量方法消除了应力作用下材料所发生的位移和厚度变化对结果的影响，能够更为精确的反演出应力作用下材料发生微小形变时介电常数的相对变化。

本领域的技术人员容易理解，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应力作用下复合材料介电常数测量装置，包括发射天线、接收天线、应力加载机构、步进电机、第一位移传感器、第二位移传感器、第一矩圆模式转换器、第二矩圆模式转换器、控制计算机以及矢量网络分析仪；所述发射天线通过第一矩圆模式转换器与矢量网络分析仪的第一端口连接，所述接收天线通过第二矩圆模式转换器与矢量网络分析仪的第二端口连接，所述步进电机、第一位移传感器、第二位移传感器、矢量网络分析仪连接控制计算机，控制计算机控制步进电机以改变施加到待测材料上应力的大小，位移传感器和矢量网络分析仪分别将待测材料所发生的微应变以及随加载应力实时变化的S参数传至控制计算机，控制计算机对S参数进行修正，计算出待测材料受应力时介电常数的相对变化；其特征在于：待测材料由应力加载机构夹持，应力加载机构连接步进电机，步进电机连接至控制计算机，控制施加应力的大小；所述待测材料与应力加载机构位处同一中心，发射天线、待测材料、接收天线的中心依次从左到右同轴分布。

2.如权利要求1所述的测量装置，其中发射天线和接收天线是聚焦透镜天线。

3.一种采用如权利要求1所述应力作用下复合材料介电常数测量装置测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，所述方法包括如下几个步骤：

第一步，控制计算机驱动步进电机控制应力加载机构上力臂对材料进行拉伸至产生3000微应变，矢量网络分析仪测得网络的传输系数S12、S21和反射系数S11、S22随应力变化的实时数据，其中，传输系数S12、S21分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的传输系数，反射系数S11、S22分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的反射系数；

第二步，根据反射系数S11、S22的相位变化求得待测材料在拉伸过程中产生的前后位移；

第三步，去除前后位移影响，根据此时反射系数S11、S22的相位变化得到待测材料测量厚度随微应变的变化；

第四步，假设传输系数S21、S12相位变化仅由待测材料厚度变化造成，得到此时等效厚度随微应变的变化；

第五步，采用线性回归拟合的方法，根据第三、四步得到两条斜率不同的厚度变化曲线，并由此得到应力作用下介电常数相对变化。

4.根据权利要求3所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，第二步所述前后位移的求解过程具体如下：

利用反射系数S11和S22的相位变化得到所述待测材料的位移：

其中，Δl₁是施加应力前后发射天线与材料之间的距离变化，Δl₂是施加应力前后接收天线与材料之间的距离变化，和是不加应力时反射系数S11和S22的相位，和是施加应力后反射系数S11和S22的相位，λ为自由空间中的波长；

去除位移的影响后，反射系数S11的相位可以表示为：

其中，是去除位移影响后受力情况下反射系数S11的相位。

5.根据权利要求4所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，第三步所述的待测材料测量厚度随微应变的变化具体求解过程如下：

去除位移影响后的反射系数S11与S22相位变化仅与待测材料的厚度变化有关，去除位移后的反射系数S11及S22相位的变化，得到待测材料厚度随微应变的变化：

其中，Δd₁为施加应力时待测材料厚度的变化。

6.根据权利要求5所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，第四步所述的等效厚度随微应变的变化的具体求解过程如下：

传输系数S21与S12相位变化与待测材料的厚度变化和介电常数变化都有关，将传输系数S12及S21相位的变化，看作全由厚度变化造成，得到所述待测材料等效厚度随微应变的变化：

7.根据权利要求6所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于：第五步所述的理论推导，具体过程如下：

其中，φ_T为施加应力时传输系数S21的相位，Δε_r为施加应力时待测材料介电常数的变化，d为不加应力时待测材料的厚度，k为自由空间波数；

根据上述两式得到应力作用下复合材料介电常数的相对变化。