CN109917193B - 一种介电常数测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及测量技术领域，提供一种介电常数测量装置。该装置包括运算控制模块、激励谐振天线以及检测谐振天线，运算控制模块分别与激励谐振天线以及检测谐振天线连接。运算控制模块生成多个频率的激励信号；激励谐振天线基于激励信号产生磁场；检测谐振天线基于磁场感应出检测信号；运算控制模块还根据激励信号以及检测信号计算被测物体在多个频率处的介电常数。激励谐振天线以及检测谐振天线均包括串联的多个谐振电路，其中包括至少一个并联谐振电路以及一个串联谐振电路，多个谐振电路形成的多个谐振频率与激励信号的频率相对应。上述装置在测量不同频点的介电常数时无需调节谐振电路中的电容容量，有利于降低测量装置的复杂性。

Description

一种介电常数测量装置

技术领域

本申请涉及测量技术领域，具体而言，涉及一种介电常数测量装置。

背景技术

采用磁感应测量物体的介电常数是目前测量介电常数的一种常用方法，在磁感应断层成像(Magnetic Induction Tomography，MIT)、流体成分分析等领域都有应用。其基本原理是：当被测物体接近通有激励信号(为交流电信号)的激励线圈时，被测物体内将由于电磁感应而产生涡流，该涡流进一步产生次级磁场，其中，被测物体的介电常数分布不同，涡流的强度和分布也会不同，产生的次级磁场也会不同。次级磁场将改变本来由激励线圈产生的激励磁场的空间分布，磁场分布的改变将引起测量线圈上电压和电流的变化，通过检测测量线圈上电压或电流的变化就可以计算被测物体的介电常数。

由于被测物体往往并不能视为纯电阻，也具有电感和电容的特性，因此其介电常数是和频率相关的，在实践中一般采用多个不同频率的激励信号，以测量被测物体在多个频点处的介电常数，进而分析介电常数随频率变化的特性。上述激励线圈和测量线圈一般采用谐振电路中的电感，在进行测量时，该谐振电路应当处于谐振状态，或者说谐振电路的谐振点(即谐振频率)应当与希望测量介电常数的频点保持一致，因此在测量过程中必然涉及谐振点的调节。在现有技术中，一般是通过改变谐振电路中的电容的方式改变其谐振点，但在较大范围内进行电容容量的调节存在很多困难。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种介电常数测量装置，该装置无需进行电容容量的调节就可以实现对被测物体在多个频点处的介电常数的测量。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种介电常数测量装置，包括：运算控制模块、激励谐振天线以及检测谐振天线，所述运算控制模块分别与所述激励谐振天线以及所述检测谐振天线连接；所述运算控制模块用于生成多个频率的激励信号，并将不同频率的所述激励信号分别输出至所述激励谐振天线；所述激励谐振天线用于基于所述激励信号产生覆盖被测物体的磁场；所述检测谐振天线用于基于所述激励信号产生的磁场以及所述被测物体内的涡流产生的磁场，感应生成检测信号，并将所述检测信号输出至所述运算控制模块；所述运算控制模块还用于根据所述激励信号以及所述检测信号计算所述被测物体在所述多个频率处的介电常数；其中，所述激励谐振天线以及所述检测谐振天线均包括串联的多个谐振电路，所述多个谐振电路包括至少一个并联谐振电路以及一个串联谐振电路，在所述激励谐振天线中所述串联谐振电路中的线圈用于基于所述激励信号产生磁场，在所述检测谐振天线中所述串联谐振电路中的线圈用于感应生成所述检测信号，所述多个谐振电路形成的多个谐振频率中的每个谐振频率与一个所述激励信号的频率相对应。

上述装置的激励谐振天线以及检测谐振天线均包括串联的多个谐振电路，这些谐振电路能够形成多个谐振点(谐振点个数和谐振电路个数相同)，从而通过运算控制模块生成频率与多个谐振点一致的多个激励信号，就可以测量被测物体在这多个谐振点处的介电常数。在本装置中，谐振点是根据谐振电路本身的电容以及电感的取值确定的，在天线包含的谐振电路设计好后，天线具有的谐振点已经固定下来，无需像现有技术中一样通过调节谐振电路中的电容容量来获得不同的谐振点，从而也不会出现电容容量调节不便的问题，有利于降低测量装置的复杂性。

在一些实现方式中，所述运算控制模块包括处理器、信号激励单元以及信号检测单元；所述信号激励单元分别与所述处理器以及所述激励谐振天线连接，用于在所述处理器的控制下生成所述激励信号，并将所述激励信号输出至所述激励谐振天线；所述信号检测单元分别与所述处理器以及所述检测谐振天线连接，用于将所述检测谐振天线感应生成的所述检测信号从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器；所述处理器用于根据所述激励信号以及所述检测信号计算所述被测物体的介电常数。

在一些实现方式中，所述信号激励单元包括信号发生器以及激励放大器，所述信号发生器分别与所述处理器以及所述激励放大器连接，所述激励放大器还与所述激励谐振天线连接；所述信号发生器用于在所述处理器的控制下生成所述激励信号，所述激励放大器用于将所述激励信号放大后输出至所述激励谐振天线。

信号发生器可以在处理器的控制下输出具有预设频率和幅度的激励信号，以便满足测量介电常数的需求，而激励放大器可以对信号发生器输出的激励信号的进行放大，以便更好地驱动串联谐振电路中的线圈对被测物体进行激励信号的辐射。

在一些实现方式中，所述信号检测单元包括模数转换器以及检测放大器，所述模数转换器分别与所述处理器以及所述检测放大器连接，所述检测放大器还与所述检测谐振天线连接；所述检测放大器用于将所述检测谐振天线感应生成的所述检测信号放大后输出至所述模数转换器，所述模数转换器用于将所述检测信号从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器。

检测放大器可以对检测信号进行放大，以使其能够被模数转换器所量化，模数转换器可以完成信号的模数转换，以便处理器进行介电常数的数学计算。

在一些实现方式中，所述运算控制模块还包括电流测量单元，所述电流测量单元分别与所述激励谐振天线中的所述串联谐振电路以及所述处理器连接，用于将所述串联谐振电路输出的激励电流从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器；所述处理器用于根据所述激励电流以及所述检测信号计算所述被测物体的介电常数。

由于串联谐振电路中的线圈直接负责向被测物体辐射激励信号，因此直接利用将串联谐振电路中流过的激励电流进行介电常数的计算，可能会获得更精确的计算结果。电流测量单元可以和信号检测单元具有类似的结构，例如包括一个模数转换器和一个信号放大器。此外，在构成激励谐振天线的多个谐振电路中包含一个串联谐振电路，更有利于精确地测量激励电流，确保谐振电路具有电性能对称性。

在一些实现方式中，所述介电常数测量装置还包括切换模块，所述切换模块分别与所述信号激励单元、所述信号检测单元以及所述介电常数测量装置的多个谐振天线连接；所述切换模块用于控制所述信号激励单元与所述多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与所述信号激励单元导通的谐振天线为所述激励谐振天线，所述切换模块还用于控制所述信号检测单元与所述多个谐振天线中除所述激励谐振天线外的谐振天线导通，与所述信号检测单元导通的谐振天线为所述检测谐振天线。

当激励谐振天线、检测谐振天线相对于被测物体的位置关系不同时，介电常数的测量结果也可能不同，为了全面反映被测物体介电常数的分布，可以通过设置切换模块控制电路的导通性，使多个谐振天线中的每个谐振天线依次作为激励谐振天线，其余谐振天线作为检测谐振天线进行介电常数测量，以获得多组测量结果。

在一些实现方式中，所述切换模块包括第一切换开关以及第二切换开关；所述第一切换开关分别与所述信号激励单元以及所述多个谐振天线连接，用于控制所述信号激励单元与所述多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与所述信号激励单元导通的谐振天线为所述激励谐振天线；所述第二切换开关分别与所述信号检测单元以及所述多个谐振天线连接，用于控制所述信号检测单元依次与所述多个谐振天线中除所述激励谐振天线外的谐振天线导通，与所述信号检测单元导通的谐振天线为所述检测谐振天线。

在这些实现方式中，对于某个激励谐振天线，各检测谐振天线依次处于工作状态完成介电常数的测量。

在一些实现方式中，所述运算控制模块还包括电流测量单元，所述电流测量单元与所述处理器连接，所述切换模块还包括第三切换开关，所述第三切换开关分别与所述电流测量单元以及所述多个谐振天线中的所述串联谐振电路连接，用于控制所述电流测量单元与所述激励谐振天线的所述串联谐振电路导通，以使所述电流测量单元能够将所述串联谐振电路输出的激励电流从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器。

由于每次测量时，只有一个谐振天线作为激励谐振天线，因此通过设置第三切换开关，使得各个谐振天线在作为激励谐振天线时，均可以使用同一个电流测量单元进行激励电流的测量，有利于简化电路设计，节约实施成本。

在一些实现方式中，所述切换模块包括多个第四切换开关，每个第四切换开关均分别与所述信号激励单元、信号检测单元以及所述多个谐振天线中的一个谐振天线连接；所述多个第四切换开关中的一个第四切换开关用于控制所述信号激励单元与所述多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与所述信号激励单元导通的谐振天线为所述激励谐振天线，所述多个第四切换开关中其余的第四切换开关用于控制所述信号检测单元与所述多个谐振天线中除所述激励谐振天线外的谐振天线导通，与所述信号检测单元导通的谐振天线为所述检测谐振天线。

在这些实现方式中，对于某个激励谐振天线，各检测谐振天线可以同时处于工作状态完成介电常数的测量。

在一些实现方式中，构成所述串联谐振电路的电容包括可变电容。

串联谐振电路的电容值变化后，整个谐振天线的谐振点也会随之变化，从而可以根据需求对谐振天线的谐振点进行适当调整。

为使本申请的上述目的、技术方案和有益效果能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的第一种介电常数测量装置的示意图；

图2示出了本申请实施例提供的第二种介电常数测量装置的示意图；

图3示出了本申请实施例提供的第三种介电常数测量装置的示意图；

图4示出了本申请实施例提供的第四种介电常数测量装置的示意图；

图5示出了本申请实施例提供的第五种介电常数测量装置的示意图；

图6示出了本申请实施例提供的一种激励谐振天线的示意图。

图中，10－介电常数测量装置；100－运算控制模块；110－处理器；120－信号激励单元；122－信号发生器；124－激励放大器；130－信号检测单元；132－模数转换器；134－检测放大器；140－电流测量单元；142－模数转换器；144－测量放大器；200－激励谐振天线；300－检测谐振天线；400－切换模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

图1示出了本申请实施例提供的第一种介电常数测量装置10的示意图。参照图1，该介电常数测量装置10包括：运算控制模块100、激励谐振天线200以及检测谐振天线300，运算控制模块100分别与激励谐振天线200以及检测谐振天线300连接，被测物体放置于激励谐振天线200和检测谐振天线300之间。

在测量介电常数时，运算控制模块100生成激励信号并将激励信号输出至激励谐振天线200，激励信号为交流信号，例如可以是正弦波信号。激励谐振天线200在激励信号的作用下产生覆盖被测物体的磁场，或者说向被测物体以电磁波的形式辐射激励信号，位于磁场内的被测物体内将由于电磁感应而产生涡流，该涡流进一步产生次级磁场，次级磁场与激励信号产生的激励磁场叠加在一起。检测谐振天线300在叠加的磁场中将感应出检测信号，产生的检测信号被输出至运算控制模块100，运算控制模块100根据检测信号的幅值以及相位、激励信号的幅值以及相位就能够计算被测物体的介电常数。其中，激励信号以及检测信号既可以是电流信号，也可以是电压信号。

由于被测物体的介电常数是和频率相关的，因此需要测量多个频点处的介电常数，才能全面地反映被测物体的介电常数所具有的频率特性。从而，运算控制模块100需要生成多个激励信号，每个激励信号具有不同的频率(即希望测量介电常数的频点)，以分别进行测量。

激励谐振天线200以及检测谐振天线300具有相同的结构，都包括串联的多个谐振电路，其中具体包括至少一个并联谐振电路以及一个串联谐振电路，每个谐振电路可以由一个电容和一个电感(即线圈)构成。在激励谐振天线200中串联谐振电路中的线圈(后文简称激励线圈)用于基于激励信号产生磁场，即作为辐射源；在检测谐振天线300中串联谐振电路中的线圈(后文简称检测线圈)用于感应生成检测信号。为便于辐射和检测电磁波，在一些实现方式中，串联谐振电路中的线圈可以选择易于驱动，直径较大的线圈，线圈中还可以嵌入铁氧体磁芯。

以图1为例，谐振天线包括三个谐振电路，其中两个是并联谐振电路，一个是串联谐振电路，具体地，激励谐振天线200包括由电容C1以及电感L1构成的并联谐振电路、电容C2以及电感L2构成的并联谐振电路、电容C3以及电感L3构成的串联谐振电路，上述三个谐振电路依次串联，电容C3的一端接地，L3为激励线圈，在设计激励谐振天线200时还可以使激励线圈更加靠近被测物体，以改善辐射效果，如图1所示。检测谐振天线300包括由电容C4以及电感L4构成的并联谐振电路、电容C5以及电感L5构成的并联谐振电路、电容C6以及电感L6构成的串联谐振电路，上述三个谐振电路依次串联，电容C6的一端接地，L6为检测线圈，在设计检测谐振天线300时还可以使检测线圈更加靠近被测物体，以改善检测效果，如图1所示。之前已经提到，激励谐振天线200和检测谐振天线300的结构是相同的，因此有C1＝C4，L1＝L4，C2＝C5，L2＝L5，C3＝C6，L3＝L6。

串联的多个谐振电路能够形成与谐振电路的数量相同的谐振点，在进行测量时，谐振天线应当工作于这些谐振点中的一个，或者说激励信号的频率应当和谐振点一致。例如在一种可能的测量过程中，可以生成具有某个谐振频率的激励信号，测量被测物体在该谐振点处的介电常数，然后再生成具有另一个谐振频率的激励信号，测量被测物体该谐振点处的介电常数，以此类推，直至激励信号的频率遍历完全部的谐振点。

在各个谐振电路的电容以及电感的取值确定后，天线具有的谐振点已经固定下来。以激励谐振天线200为例说明谐振点的计算过程。设激励谐振天线200的总阻抗：

其中，R表示谐振天线中的电阻(图1未示出，可以参考图2)，设：

在分析Z的零点(谐振点)时可以忽略R，另Z的分子部分N为0，则有：

令x＝ω²，则N可以表示为一个一元三次方程：

ax³+bx²+cx+d＝0

其中：

d＝-1

求解该方程就可以获得x的三个解，进一步可以计算对应的三个ω，即激励谐振天线200的三个谐振点，由于检测谐振天线300和激励谐振天线200具有相同的结构，因此谐振点的确定方式是相同的，不再重复说明。

反过来，如果希望测量被测物体在三个预设频点处的介电常数，可以通过适当地设计激励谐振天线200以及检测谐振天线300中的电容以及电感的取值，使谐振天线的谐振点恰好为上述三个预设频点。如果需要测量更多或更少的频点处的介电常数，只需增加或减少谐振天线中包括的并联谐振电路的数量即可，例如，要测量五个频点处的介电常数，就采用四个并联谐振电路和一个串联谐振电路串联构成谐振天线。

在现有技术中，激励和检测一般只使用一个谐振电路，通过调节该谐振电路中电容的大小来实现谐振点的改变，从而完成不同频点处介电常数的测量。常见的一种做法是采用可调电容或者变容二极管，但这种方式的不足之处在于：第一，电容容量调节范围有限；第二，一般只适合在谐振点为较高的频率时使用；第三，需要额外的变容元件以及驱动电路，导致测量系统复杂性增加。另一种常见的做法是设置多个具有预设容量的电容，并设置切换开关，根据测量需求进行电容容量的切换，此种方式开关的切换逻辑比较复杂，同样导致测量系统的复杂性增加。

另一方面，磁感应测量介电常数的频率通常低于甚高频(Very High Frequency，VHF)频段，基本需要集总参数电抗元件来实现磁感应的激励和检测。这个频段介于集总参数和分布参数元件的过度区，大范围调整频率会存在一些困难，其中之一是因为集总参数元件中的分布参数对谐振频率的影响已经不可忽视，容性较大的电感线圈自谐振频率就成了谐振电路的最高频率；另外，如果单纯使用分布参数元件，由于频率相对于电感又太低，这样分布电感就需要较大体积。

综上所述，现有技术中通过调节电感容量来改变谐振点，从而实现测量被测物体在不同频点的方式存在诸多局限性，并且可能导致测量系统复杂性增加。而本申请提供的介电常数测量装置10，在天线设计好后，谐振点是固定的，无需进行电容容量的调节，因此不存在上述问题，同时还有利于降低测量装置的复杂性。可以理解的，本申请提供的装置虽然用于测量被测物体的介电常数，但不排除被测物体的其他一些电特性参数在获得介电常数的数值之后也能够根据介电常数进行计算，因此该装置实际上也可以间接地测量这些电特性参数。

继续参考图1，在上述实施例的一些实现方式中，运算控制模块100进一步包括处理器110、信号激励单元120以及信号检测单元130，信号激励单元120分别与处理器110以及激励谐振天线200连接，信号检测单元130分别与处理器110以及检测谐振天线300连接。

其中，处理器110是一种具有运算处理能力和/或指令执行能力的处理单元。例如，可以是通用处理器110，包括中央处理器110(Central Processing Unit，CPU)、微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)、网络处理器110(Network Processor，NP)或者其他常规处理器110；还可以是专用处理器110，包括数字信号处理器110(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。处理器110中可以运行介电常数计算算法，根据激励信号以及检测信号进行被测物体介电常数的计算。当然处理器110也可以实现其他功能，例如，控制信号发生器122生成相应波形的激励信号，等等。

信号激励单元120能够在处理器110的控制下生成激励信号，并将激励信号输出至激励谐振天线200。作为一种可选的方案，信号激励单元120可以进一步包括信号发生器122以及激励放大器124，信号发生器122分别与处理器110以及激励放大器124连接，激励放大器124还与激励谐振天线200连接。信号发生器122在处理器110的控制下生成具有预设频率和幅度激励信号，以便满足测量介电常数的需求。激励放大器124将激励信号进行幅度或功率放大后输出至激励谐振天线200，以便更好地驱动激励线圈对被测物体进行激励信号的辐射。可以理解的，如果激励信号本身已经能够满足测量需求，信号激励单元120中也可以不设置激励放大器124。

信号检测单元130能够将检测谐振天线300感应生成的检测信号从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至处理器110，即实现信号采集的功能。作为一种可选的方案，信号检测单元130可以包括模数转换器132以及检测放大器134，模数转换器132分别与处理器110以及检测放大器134连接，检测放大器134还与检测谐振天线300连接。检测放大器134将检测谐振天线300感应生成的检测信号进行幅度或功率放大后输出至模数转换器132，模数转换器132进一步将检测信号从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至处理器110，便于处理器110进行介电常数的计算。可以理解的，如果检测信号本身已经能够满足测量需求，信号检测单元130中也可以不设置检测放大器134。此外，在一些处理器110的实现方式中，芯片内置了模数装换功能，此时信号检测单元130也可以不包括模数转换器132。

进一步的，图1示出的仅仅是运算控制模块100的一种实现方式，运算控制模块100也可以采取其他的实现方式，例如，在图1中，由于是处理器110控制信号发生器122产生激励信号，因此处理器110可以获知激励信号的幅值以及相位，从而用于计算介电常数。

在另一些实现方式中，信号发生器122也可以根据预置的逻辑自行生成激励信号，同时将信号发生器122的输出连接到处理器110，以使处理器110获知激励信号的幅值以及相位。

在另一些实现方式中，运算控制模块100还可以包括电流测量单元140，电流测量单元140分别与激励谐振天线200中的串联谐振电路以及处理器110连接，用于将串联谐振电路输出的电流信号(以下称为激励电流)从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至处理器110，即实现测量激励电流的功能，电流测量单元140可以和信号检测单元130具有类似的结构，例如包括一个模数转换器132和一个测量放大器144，如图2所示，其中测量放大器144用于放大激励电流信号，模数转换器132用于将激励电流信号转化为数字信号的形式。

在图2中，激励谐振天线200的电容C3下方串联有电阻R，电阻R一端接地，电流测量点设置在C3与R之间。在这种实现方式中，处理器110并不是直接根据信号发生器122输出的激励信号，而是根据由激励信号产生的激励电流计算被测物体的介电常数的，由于激励信号可能会流经多个元件才会到达激励线圈，直接根据激励信号计算介电常数可能会使计算精度降低，而激励电流就是流经激励线圈的电流，因此使用激励电流计算被测物体的介电常数有利于提高介电常数测量结果的精度。

此外，在串联谐振电路的输出端进行激励电流的测量，不会破坏谐振电路的电性能对称性，关于电性能对称性，在后文再进行阐述。

还需要指出，在阐述图2时，着重描述其与图1的区别，即电流测量单元140，对图1已经出现并阐述的部分，例如处理器110，可参照对图1的描述，不再重复。后文中的各附图也采用此种递进式的方式进行阐述，不再特别说明。

当激励谐振天线200、检测谐振天线300相对于被测物体的位置关系不同时，介电常数的测量结果也可能不同，因为构成被测物体的材料的分布可能并不均匀，从而被测物体内部的介电常数分布也可能并不均匀，为了全面反映被测物体介电常数的分布，可以将激励谐振天线200以及检测谐振天线300设置于被测物体四周的不同位置，获得多组测量结果。当然，在实践中，并不方便在测量时不断移动谐振天线的位置，因此可以在被测物体四周设置多个谐振天线(例如，使多个谐振天线环绕被测物体设置)，并通过在介电常数测量装置10中设置切换模块400控制电路的导通性，使多个谐振天线中的每个谐振天线依次作为激励谐振天线200，其余谐振天线作为检测谐振天线300进行介电常数测量，以获得多组介电常数值。其中，切换模块400可以由处理器110进行控制，也可由其他元件进行控制。

参照图3，图3中的介电常数测量装置10包括切换模块400，切换模块400分别与信号激励单元120、信号检测单元130以及介电常数测量装置10的多个谐振天线(图3示出了四个谐振天线，并编号1、2、3、4)连接。在一次测量中，切换模块400能够控制信号激励单元120与多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与信号激励单元120导通的谐振天线即为本次测量中的激励谐振天线200，同时，切换模块400还能够控制信号检测单元130与多个谐振天线中除激励谐振天线200外的谐振天线导通，与信号检测单元130导通的谐振天线即为本次测量中的检测谐振天线300，利用选择的激励谐振天线200和检测谐振天线300可以进行本次介电常数的测量(可以测量多个频点)，其过程在上面已经阐述，不再重复。经过多次这样的测量，每次测量时都改变选取的激励谐振天线200(选取的检测谐振天线300也相应地改变)，就可以获得被测物体介电常数的空间分布情况。

切换模块400可以有不同的实现方式，在一些实现方式中，切换模块400包括第一切换开关以及第二切换开关，第一切换开关分别与信号激励单元120以及多个谐振天线连接，第二切换开关分别与信号检测单元130以及多个谐振天线连接。在一次测量中，第一切换开关能够控制信号激励单元120与多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与信号激励单元120导通的谐振天线即为本次测量中的激励谐振天线200；第二切换开关能够控制信号检测单元130依次与多个谐振天线中除激励谐振天线200外的谐振天线导通，与信号检测单元130导通的谐振天线即为本次测量中的检测谐振天线300。

以图3为例进行说明，K1为第一切换开关，K2为第二切换开关。在一次测量中，K1控制激励单元与1号谐振天线导通，K2控制信号检测单元130依次与2、3、4号谐振天线导通测量一组介电常数，共包含三份数据(1号激励、2号检测；1号激励、3号检测；1号激励、4号检测)，每份数据又包括三个频点的数据(因为谐振天线包含三个谐振电路)。然后，K1控制激励单元与2号谐振天线导通，K2控制信号检测单元130依次与1、3、4号谐振天线导通测量一组介电常数，以此类推，共测量四次，获得四组介电常数(1、2、3、4号谐振天线分别在一次测量中作为激励谐振天线200)。

在一些实现方式中，切换模块400包括多个第四切换开关，每个第四切换开关均分别与信号激励单元120、信号检测单元130以及多个谐振天线中的一个谐振天线连接。在一次测量中，多个第四切换开关中的一个第四切换开关能够控制信号激励单元120与多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与信号激励单元120导通的谐振天线为本次测量中的激励谐振天线200，多个第四切换开关中其余的第四切换开关能够控制信号检测单元130与多个谐振天线中除激励谐振天线200外的谐振天线导通，与信号检测单元130导通的谐振天线为本次测量中的检测谐振天线300。

以图4为例进行说明，K41、K42、K43、K44为四个第四切换开关。在一次测量中，K41控制激励单元与1号谐振天线导通，K42、K43、K44控制信号检测单元130同时(当然也可以依次导通)与2、3、4号谐振天线导通测量一组介电常数。同时，图4中的信号检测单元130包括四个支路(每个支路包括一个模数转换器132和一个检测放大器134)，因此可以同时采集2、3、4号谐振天线上感应生成的检测信号。然后，K42控制激励单元与2号谐振天线导通，K41、K43、K44控制信号检测单元130同时(当然也可以依次导通)与1、3、4号谐振天线导通测量一组介电常数，以此类推，共测量四次，获得四组介电常数(1、2、3、4号谐振天线分别在一次测量中作为激励谐振天线200)。

相较而言，图3中检测谐振天线300依次导通的实现方式控制逻辑要复杂一些，但电路结构较为简单，信号检测单元130也只需要一个支路；图4中检测谐振天线300同时导通的实现方式控制逻辑要简单一些，但电路结构较复杂，信号检测单元130也需要多个支路。具体实施时可以根据实际需求选择相应的实施方式。

在阐述图2时已经提到，运算控制模块100中可以包括电流测量单元140，对于介电常数测量装置10设置有切换模块400的情况，切换模块400还要负责控制电流测量单元140与谐振天线的导通。参照图5，图5和图3比较类似，但其中的介电常数测量装置10设置有电流测量单元140，同时在切换模块400中设置对应的第三切换开关(K3)，第三切换开关分别与电流测量单元140以及多个谐振天线中的串联谐振电路连接，第三切换开关控制电流测量单元140与激励谐振天线200的串联谐振电路导通，以使电流测量单元140能够将串联谐振电路输出的激励电流从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至处理器110。可以理解的，在图5中，第三切换开关与第一切换开关是同步工作的，比如第一切换开关选择了1号谐振天线与信号激励单元120导通，第三切换开关也会选择1号谐振天线的串联谐振电路与电流测量单元140导通，因为电流测量单元140本来就是要测量激励电流。在图5的实现方式中，由于设置了第三切换开关，各个谐振天线在作为激励谐振天线200时，均可以使用同一个电流测量单元140进行激励电流的测量，有利于简化电路设计，节约实施成本。当然，对于图4的实现方式，也可以类似地加入电流测量单元140及对应的切换开关，不再进一步阐述。

下面阐述在谐振天线中采用一个串联谐振电路对于电性能对称性的意义。如果要精确地测量激励电流，需要测量的是通过谐振电路的电感的电流，这就需要串联谐振电路的形式。因为如果使用并联谐振电路，要想获得精确的电感支路的电流，就需要把测量电路串联在电感支路，否则就不能排除电容支路的电流。但如果只将测量电路连接到电感支路，将造成谐振电路的两个支路的电性能不对称，而采用串联谐振则不存在此问题，既能精确地测量激励电流，又能保证谐振电路的电性能对称性，而电性能的对称性有利于谐振电路在激励和检测功能之间的转换。

上面介绍的谐振天线，其电阻与电容都是固定的，谐振点也是固定的。在一些实现方式中，构成谐振天线的串联谐振电路中的电容包括可变电容，串联谐振电路的电容容量改变时，谐振天线的谐振点也会发生改变，即可以根据需求对谐振天线的谐振点进行适当调整，当然这种调整可以在测量前进行，用以确定谐振天线的谐振点，调整范围也不会很大，这与现有技术中在测量时调整电容容量是不同的。图6示出了本申请实施例提供的一种激励谐振天线200的示意图，对比图6和图1，在激励谐振天线200的串联谐振电路中，电容C3两端并联了可变电容C3’，通过调节C3’就可以调节激励谐振天线200的谐振点。

显然，本申请的上述实施例仅仅是为了清楚说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种介电常数测量装置，包括：运算控制模块、激励谐振天线以及检测谐振天线，所述运算控制模块分别与所述激励谐振天线以及所述检测谐振天线连接；

所述运算控制模块用于生成多个频率的激励信号，并将不同频率的所述激励信号分别输出至所述激励谐振天线；所述激励谐振天线用于基于所述激励信号产生覆盖被测物体的磁场；所述检测谐振天线用于基于所述激励信号产生的磁场以及所述被测物体内的涡流产生的磁场，感应生成检测信号，并将所述检测信号输出至所述运算控制模块；所述运算控制模块还用于根据所述激励信号以及所述检测信号计算所述被测物体在所述多个频率处的介电常数；

其中，所述激励谐振天线以及所述检测谐振天线均包括串联的多个谐振电路，所述多个谐振电路包括多个并联谐振电路以及一个串联谐振电路，在所述激励谐振天线中所述串联谐振电路中的线圈用于基于所述激励信号产生磁场，在所述检测谐振天线中所述串联谐振电路中的线圈用于感应生成所述检测信号，所述多个谐振电路形成的多个谐振频率中的每个谐振频率与一个所述激励信号的频率相对应。

2.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述运算控制模块包括处理器、信号激励单元以及信号检测单元；

所述信号激励单元分别与所述处理器以及所述激励谐振天线连接，用于在所述处理器的控制下生成所述激励信号，并将所述激励信号输出至所述激励谐振天线；

所述信号检测单元分别与所述处理器以及所述检测谐振天线连接，用于将所述检测谐振天线感应生成的所述检测信号从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器；

所述处理器用于根据所述激励信号以及所述检测信号计算所述被测物体的介电常数。

3.根据权利要求2所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述信号激励单元包括信号发生器以及激励放大器，所述信号发生器分别与所述处理器以及所述激励放大器连接，所述激励放大器还与所述激励谐振天线连接；

所述信号发生器用于在所述处理器的控制下生成所述激励信号，所述激励放大器用于将所述激励信号放大后输出至所述激励谐振天线。

4.根据权利要求2所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述信号检测单元包括模数转换器以及检测放大器，所述模数转换器分别与所述处理器以及所述检测放大器连接，所述检测放大器还与所述检测谐振天线连接；

所述检测放大器用于将所述检测谐振天线感应生成的所述检测信号放大后输出至所述模数转换器，所述模数转换器用于将所述检测信号从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器。

5.根据权利要求2所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述运算控制模块还包括电流测量单元，所述电流测量单元分别与所述激励谐振天线中的所述串联谐振电路以及所述处理器连接，用于将所述串联谐振电路输出的激励电流从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器；

所述处理器用于根据所述激励电流以及所述检测信号计算所述被测物体的介电常数。

6.根据权利要求2－4中任一项所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述介电常数测量装置还包括切换模块，所述切换模块分别与所述信号激励单元、所述信号检测单元以及所述介电常数测量装置的多个谐振天线连接；

所述切换模块用于控制所述信号激励单元与所述多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与所述信号激励单元导通的谐振天线为所述激励谐振天线，所述切换模块还用于控制所述信号检测单元与所述多个谐振天线中除所述激励谐振天线外的谐振天线导通，与所述信号检测单元导通的谐振天线为所述检测谐振天线。

7.根据权利要求6所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述切换模块包括第一切换开关以及第二切换开关；

所述第一切换开关分别与所述信号激励单元以及所述多个谐振天线连接，用于控制所述信号激励单元与所述多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与所述信号激励单元导通的谐振天线为所述激励谐振天线；

所述第二切换开关分别与所述信号检测单元以及所述多个谐振天线连接，用于控制所述信号检测单元依次与所述多个谐振天线中除所述激励谐振天线外的谐振天线导通，与所述信号检测单元导通的谐振天线为所述检测谐振天线。

8.根据权利要求7所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述运算控制模块还包括电流测量单元，所述电流测量单元与所述处理器连接，所述切换模块还包括第三切换开关，所述第三切换开关分别与所述电流测量单元以及所述多个谐振天线中的所述串联谐振电路连接，用于控制所述电流测量单元与所述激励谐振天线的所述串联谐振电路导通，以使所述电流测量单元能够将所述串联谐振电路输出的激励电流从模拟信号转化为数字信号的形式后输出至所述处理器。

9.根据权利要求6所述的介电常数测量装置，其特征在于，所述切换模块包括多个第四切换开关，每个第四切换开关均分别与所述信号激励单元、信号检测单元以及所述多个谐振天线中的一个谐振天线连接；

所述多个第四切换开关中的一个第四切换开关用于控制所述信号激励单元与所述多个谐振天线中的一个谐振天线导通，与所述信号激励单元导通的谐振天线为所述激励谐振天线，所述多个第四切换开关中其余的第四切换开关用于控制所述信号检测单元与所述多个谐振天线中除所述激励谐振天线外的谐振天线导通，与所述信号检测单元导通的谐振天线为所述检测谐振天线。

10.根据权利要求1所述的介电常数测量装置，其特征在于，构成所述串联谐振电路的电容包括可变电容。

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