CN109239104A - 基于宽频带微波谐振腔传感器的溶液介电常数测量方法 - Google Patents

基于宽频带微波谐振腔传感器的溶液介电常数测量方法 Download PDF

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肖夏
李桥
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Abstract

本发明涉及一种基于宽频带微波谐振腔传感器的溶液介电常数测量方法，所采用的宽频带微波谐振腔传感器，包括圆形微波谐振腔腔体、溶液管和波导，波导与腔体通过耦合孔连接，其特征在于，腔体底面半径为16.42mm、高为32.84mm，壁厚2mm；溶液管外径为1.4mm，内径为0.8mm；耦合孔半径为4mm。利用上述传感器实现的溶液介电常数测量方法，包括下列步骤：波导的SMA口接矢量网络分析仪，获取谐振信息圆形谐振腔传感器溶液管为空腔时，测量谐振频率f0为参考频率；将待测溶液放入溶液管后，测量谐振频率f；计算出待测浓度溶液的介电常数εr。

Description

基于宽频带微波谐振腔传感器的溶液介电常数测量方法
技术领域
本发明属于微波测量技术、涉及一种溶液介电常数测量方法。
背景技术
微波技术不断发展，在社会、科技和经济等方面都有着很重要的作用。微波测量日益发展，其高精度、响应快速等特点在军事、工业、医疗等领域大力应用。浓度是介质的重要参量，食品工业安全中成分浓度的配比、添加剂含量的比例，化学工业中粉尘排放量、化学材料含量，大气环境中某种气体的含量和污染物的检测，这些都要用浓度来表征。溶液浓度的在线检测在食品、医药、化工等领域占据着重要的地位，溶液的不同浓度所呈现出的介电常数不同，其介电性能也有所差异。
基于微波扰动技术的圆柱形谐振腔传感器，能够对放入腔内的待测溶液进行快速响应，实现在线测量溶液介电常数。发明专利申请201710741964.5，给出了一种基于TE011模的圆柱形谐振腔传感器溶液浓度测量方法，TE011为圆柱形谐振腔主要模式之一，其优点为场结构稳定，无极化简并模式，损耗小，随频率的升高损耗减小。但TE011模并不是最低次模，在同样工作频率时，腔体较大，干扰模式较多，所以必须精心设计加工，正确选择激励和耦合结构。而对于TM010模，其优点为谐振腔的最低次模，干扰模式较少，频带较宽，调谐范围大，同样频率下尺寸比TE011模的尺寸小得多。
引用文献：
[1]S.Kim,J.Kim,K.Kim et al.“In vitro monitoring of goat-bloodglycemia with a microwave biosensor,”Current Applied Physics,14,pp.563-569,Jan2014.
[2]G.Gennarelli,S.Romeo,M.R.Scarfi and F.Soldovieri,“A microwaveresonant sensor for concentration measurements of liquid solutions,”IEEESensors J.,vol.13,no.5,pp.1857-1864,May2013
[3]S.Kim,H.Melikyan,J.Kim,A.Babajanyan,J.H.Lee,L.Enkhtur,B.Friedmanand K.Lee,“Noninvasive in virto measurement of pig-blood D-glucose by using amicrowave cavity sensor,”Diabetes Res.Clinical Pract.,pp.379-384,Jan.2012.
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种宽频带圆形微波谐振腔传感器，并在此基础上，给出各种溶液，包括混合溶液的介电常数测量方法。技术方案如下：
一种基于宽频带微波谐振腔传感器的溶液介电常数测量方法，所采用的宽频带微波谐振腔传感器，包括圆形微波谐振腔腔体、溶液管和波导，波导与腔体通过耦合孔连接，其特征在于，腔体底面半径为16.42mm、高为32.84mm，壁厚2mm；溶液管外径为1.4mm，内径为0.8mm；耦合孔半径为4mm。利用上述传感器实现的溶液介电常数测量方法，包括下列步骤：
(1)波导的SMA口接矢量网络分析仪，获取谐振信息圆形谐振腔传感器溶液管为空腔时，测量谐振频率f0为参考频率；
(2)将待测溶液放入溶液管后，测量谐振频率f；
(3)谐振腔参数的数学模型为
代入f0和f，计算出待测浓度溶液的介电常数εr。
附图说明
图1圆柱形谐振腔腔体图
图2谐振腔波导长度仿真图
图3谐振腔溶液管内径仿真图
图4耦合孔半径仿真图
图5谐振腔溶液管外径仿真图
图6NaCl溶液测量结果图
具体实施方法
本发明基于微扰理论，提出一种基于TM010模的新型宽频带圆形微波谐振腔，建立起仿真模型进行参数优化，最终推导出适用于溶液介电常数检测的数学模型，在此基础上给出介电常数的测量方法，即使溶液不是单一溶液，而是混合溶液，采用此种方法也能得到混合溶液的介电性能。
如图1所示，在电磁仿真软件中建立TM010模微波谐振腔。利用仿真软件对腔体各项参数进行优化。仿真结果如图2、3、4、5所示，分别对波导长度、溶液管内径、耦合孔半径、溶液管外径进行优化。
尺寸如下：波导长度为10mm，溶液管外径为1.4mm，内径为0.8mm，耦合孔半径为4mm；腔体底面半径为16.42mm、高为32.84mm，壁厚2mm。
根据谐振腔微扰技术，谐振腔传感器谐振频率的变化为：
其中，ε为介电常数，Δε是介电常数的改变量，E0表示初始电场向量。谐振腔谐振频率从参考频率f0变化到f。
当谐振腔工作在TM010模式下的场分量，带入仿真参数：腔体半径16.42mm，溶液管半径0.8mm，得到谐振腔数学模型如下：
放入谐振腔传感器中的待测样品的成分发生改变会导致谐振腔内部电磁场分布发生改变，直观的呈现出的是谐振频率的变化，进而可以根据计算谐振频率的偏移量来确定待测样品的成分。
设计完成的谐振腔与波导通过小孔进行耦合组成溶液测量系统。待测溶液放入谐振腔溶液管中，波导的SMA口接矢量网络分析仪，用来获取谐振频率。圆形谐振腔传感器溶液管为空腔时，测量谐振频率f0为参考频率。将溶液管放入待测溶液后，测量待测溶液的谐振频率f；根据上述谐振腔参数的数学模型，代入f0和f，计算出待测溶液的介电常数。
本系统在温度为298.15K下，对0-500mg/dl的NaCl水溶液进行测量，步长为50mg/dl，测量响应快，精度高。实验结果如图6所示，NaCl水溶液浓度增加引起的混合溶液介电常数的改变，混合溶液介电性能的改变从而引起了谐振频率线性增加，实验结果与数学模型计算的结果非常匹配，具有很高的精度和可信度。
本发明提出基于TM010模的圆柱形谐振腔，与发明专利申请201710741964.5比较可以明显看到，腔体的尺寸大大减小，测量的精度提高，频带也拓宽了。通过对圆柱形谐振腔模型的数学推导，建立明确的溶液介电常数与谐振腔传感器谐振频率的表达式，这个表达式是具有普适性的，再依据优化的谐振腔尺寸，得到具体表达式，从而可以测量各种混合溶液的介电常数确定其介电性能。

Claims (1)

1.一种基于宽频带微波谐振腔传感器的溶液介电常数测量方法，所采用的宽频带微波谐振腔传感器，包括圆形微波谐振腔腔体、溶液管和波导，波导与腔体通过耦合孔连接，其特征在于，腔体底面半径为16.42mm、高为32.84mm，壁厚2mm；溶液管外径为1.4mm，内径为0.8mm；耦合孔半径为4mm。利用上述传感器实现的溶液介电常数测量方法，包括下列步骤：
(1)波导的SMA口接矢量网络分析仪，获取谐振信息圆形谐振腔传感器溶液管为空腔时，测量谐振频率f0为参考频率；
(2)将待测溶液放入溶液管后，测量谐振频率f；
(3)谐振腔参数的数学模型为
代入f0和f，计算出待测浓度溶液的介电常数εr。
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