CN110082606A - 基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法，该系统包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、反应釜、多路温度记录仪和开口同轴探头；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内。该方法包括（1）设置与初始化校准；（2）多路数据的采集与补偿误差的计算；（3）反射系数的修正与介电常数的反演的步骤。本发明在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价。

Description

基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法

技术领域

本发明属于介电常数测量技术领域，特别涉及一种针对水合物的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及其测量方法。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)又称可燃冰，是由甲烷等小分子天然气体和水在特定的低温高压条件下形成的类冰状结晶物质，其广泛分布于海底沉积物和陆域永久冻土带中。天然气水合物因全球分布广、能源储量大、能量密度高、资源价值高，因而成为21世纪以来资源勘探与开发的重点与热点。

介电常数是表征材料电学性能的重要参数之一，随着水合物勘探技术与水合物沉积物特性研究的不断深入，介电常数成为水合物特性研究的重要参数。目前对于介电常数的检测方法有平行板电容法、谐振腔法、短路波导法、自由空间法、传输反射法和开口同轴探头法等。相较于其他测量方法，开口同轴探头法样品制备简单、使用频带宽，可在不破坏样品组分前提下对介质进行精确测量，是目前广泛应用的一种介电常数检测方法。该方法使用前需对矢量网络分析仪进行校准，例如，文献《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)明确给出了校准的方法及步骤。

CN108089062A公开了一种多孔介质介电常数检测方法，其步骤包括，将含水率较低的样品研磨成粉，并使用自制的圆柱形不锈钢测量单元对不同质量下的粉末状样品进行压实；使用与网络分析仪相连的末端开路同轴探头对压实后的样品进行介电常数测量；运用回归分析方法得出样品介电常数与频率的关系，将样品介电常数实际测量值与预先选用的介电混合方程理论值进行拟合得到一定频率下适用于多孔介质介电常数测量的数学模型。

上述方法配合介电常数测量装置使用与矢量网络分析仪相连的末端开口同轴探头对多孔介质进行测量，然后运用回归分析的方法得到多孔介质的介电常数与频率的关系。该方法获取的介电常数仅仅为多孔介质中单一位置点的介电常数，而多孔介质中水合物分布是不均匀的，仅仅获取单一位置点的介电常数无法全面反映多孔介质的介电特性，且目前应用该方法对水合物的研究相对较少，对含水合物多孔介质的介电常数空间分布检测尚未开展。

发明内容

本发明针对现有介电常数测量技术存在的不足，提供一种能够实现介电常数空间分布测量的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及其测量方法，在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价。

本发明的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，采用以下技术方案：

该装置：包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、切换开关控制器、上位机、反应釜、多路温度记录仪、开口同轴探头和恒温水槽；反应釜置于恒温水槽内；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内。

切换开关控制器实现对射频多路切换开关的控制及供电。上位机实现对矢量网络分析仪、射频多路切换控制器和多路温度记录仪的自动控制。多路温度记录仪通过外接热电阻对反应釜内被测介质的温度实现实时采集与记录。

上述系统对介电常数的测量方法，包括以下步骤：

(1)设置测试参数与初始化校准：

①设置测试参数；

②选择校准类型并将测量的参考面设置在射频多路切换开关的动端处；

③对矢量网络分析仪进行初始化校准；

(2)多路数据的采集与补偿误差的计算：

①测量参考介质各支路的反射系数并记录温度信息；

②判断是否将参考介质各支路的反射系数与温度均已获得，若否，则切换下一支路继续测量未获取支路的反射系数与温度(返回步骤(2)中的①)，重复进行(步骤(2)中的①)，直至所有支路的反射系数均已获取；

③计算参考介质各支路补偿后的反射系数；

④判断参考介质各支路补偿后的反射系数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续计算未获取支路的反射系数(返回步骤(2)中的③)，重复进行(步骤(2)中的③)，直至所有支路补偿后的反射系数均已获取；

⑤计算各支路的补偿误差；由于系统初始化校准后参考面位于射频多路切换开关的动端处，实际测量面在开口同轴探头的终端开口处，同轴探头、稳相线缆和接口处均存在插入损耗，且“国家标准GB/T 35680-2017液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法”明确要求其需要补偿。

所述参考介质为空气、短路负载和去离子水。

所述步骤①的具体过程是：上位机控制切换开关控制器与矢量网络分析仪采集各支路的反射系数，上位机控制多路温度记录仪测量去离子水的温度、记录所有信息并上传回上位机。

所述步骤②中当所有信息均已获取后，则进行步骤③，否则重复进行步骤①直至获取各支路的所需信息。

所述步骤③是计算空气、短路负载和去离子水补偿后的反射系数；其中，空气的理论介电常数为1，去离子水的介电常数为温度的函数，介电常数通过cole-cole方程求出，即其中ε_s、ε_∞、ω₀、α、ω与j分别为零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫角频率、cole-cole因子、测试角频率和虚数符号，ω＝2πf，f为测试频率。连接短路负载补偿后的反射系数为Γ_а，基于准静态模型反推得到空气和去离子水的补偿后的反射系数，即其中Γ、d、k_c、ε₀、ε₁、μ₀、μ₁、ε_s、μ_s和J₀分别为补偿后的反射系数、样品有效厚度、连续特征值、真空介电常数、同轴探头填充介质的相对介电常数、真空磁导率、同轴探头填充介质的相对磁导率、测试样品的相对介电常数、测试样品的相对磁导率和零阶贝塞尔函数。

所述步骤④中的反射系数为各支路补偿后的反射系数，当所有补偿后的反射系数均已获取后，则进行步骤⑤，否则重复进行步骤③直至计算出各支路补偿后的反射系数。

所述步骤⑤的具体过程如下：

根据各支路空气、短路负载和去离子水测量的反射系数与补偿后的反射系数，构建出各支路的的补偿方程组，即其中Γ_am(i)、Γ_sm(i)、Γ_wm(i)、Γ_aa、Γ_sa、Γ_wa、e_d(i)、e_r(i)与e_s(i)分别为各支路空气反射系数测量值、各支路短路负载反射系数测量值、各支路去离子水反射系数测量值、空气补偿后的反射系数、短路负载补偿后的反射系数、去离子水补偿后的反射系数、各支路有限方向误差、各支路频率跟踪误差、各支路等效源失配误差；

计算出各支路的有限方向误差、频率跟踪误差和等效源失配误差后，构建补偿关系式，即

(3)反射系数的修正与介电常数的反演：

①测量被测介质反射系数；

②计算各支路补偿后的反射系数；

③反演被测介质各支路的介电常数；

④判断各支路介电常数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续反演未获取支路的介电常数(返回步骤(3)中的①)，重复进行(重复进行步骤(3)中的①-③)，直至所有支路介电常数均已获取。

所述步骤①中的被测介质为含水合物多孔介质。通过上位机向射频多路切换开关控制器与矢量网络分析仪发出数据采集指令，采集含水合物多孔介质中各支路的反射系数，记录信息并上传回上位机。

所述步骤②中是利用步骤(2)中③的公式求解出含水合物多孔介质补偿后的反射系数。

所述步骤③为利用步骤(2)中③的准静态模型迭代反演出含水合物多孔介质各支路的介电常数。

所述步骤④为判断含水合物多孔介质中各支路介电常数是否均已获得，当各支路介电常数均已获取，则完成整个测试，否则重复④进行步骤直至反演出出各支路的介电常数。

本发明基于多路开口同轴探头测量介电常数，利用射频多路切换开关实现多探头分时工作，在获取多路反射系数的基础上分别对其进行误差补偿，最终反演得到空间不同位置处的介电常数，实现了对水合物空间多点的介电常数分布的精确测量，可以高效的开展对含水合物多孔介质电学参数测量的实验，获取丰富的电学性质信息，扩展了开口同轴探头法在多孔介质中的适用范围，从而为水合物空间分布的研究提供了技术手段。

附图说明

图1是本发明中基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统的结构原理示意图。

图2是本发明系统中所用探头的结构示意图。

图3是本发明中基于多路开口同轴探头的介电常数测试方法的流程图。

图4是含水合物多孔介质测量的反射系数幅值图。

图5是含水合物多孔介质测量的反射系数相位图。

图6是含水合物多孔介质补偿后的反射系数幅值图。

图7是含水合物多孔介质补偿后的反射系数相位图。

图8是含水合物多孔介质反演的介电常数实部图。

图9是含水合物多孔介质反演的介电常数虚部图。

图中：1.上位机，2.射频多路切换开关，3.矢量网络分析仪，4.反应釜，5.切换开关控制器，6.多路温度记录仪，7.开口同轴探头，8.被测介质，9.恒温水槽。

具体实施方式

本发明基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及其测量方法，用于对含水合物多孔介质进行空间多位置点介电常数的空间分布检测，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，包括上位机1、射频多路切换开关2、矢量网络分析仪3、反应釜4、切换开关控制器5、多路温度记录仪6、开口同轴探头7和恒温水槽9。矢量网络分析仪4通过稳相线缆与射频多路切换开关2的动端(端口0)进行相连。射频多路切换开关2的六路不动端(端口1-6)分别通过稳相线缆与开口同轴探头7相连，探头7终端插入到反应釜4内的被测介质8中，与被测介质8接触进行测量，反应釜4设置于恒温水槽9中，为测试提供恒定的测试温度。。射频多路切换开关的控制器5通过排线实现对射频多路切换开关2的控制，并为其供电。多路温度记录仪6通过外接热电阻实现对被测介质8温度的实时采集与记录。上位机1通过串口分别与矢量网络分析仪3、切换开关控制器5和多路温度记录仪6进行相连，通过上位机1实现对矢量网络分析仪3、切换开关控制器5和多路温度记录仪6的自动控制。开口同轴探头7的结构如图2所示，为现有技术。射频多路切换开关2、矢量网络分析仪3、反应釜4、射频多路切换开关控制器5、多路温度记录仪6、开口同轴探头7和恒温水槽9也均采用现有技术。

上述系统进行介电常数测试的流程如图3所述，具体包括以下步骤。

一.系统的设置与初始化校准

1.设置系统的测试频率为300MHz-3GHz，测试的激励功率为0dBm，设置恒温水槽9的温度为20℃。

2.选择单端口校准类型，将测量的参考面设置在射频多路切换开关2的动端端口0处。

3.上位机1向矢量网络分析仪3发出初始化校准的指令，进入初始化校准程序，准备进行初始化校准。

4.对矢量网络分析仪3进行初始化校准。按现有初始化校准方法，分别连接开路校准件、短路校准件和负载匹配件实现对系统的初始化校准，具体参见《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)

二.多路数据的采集与补偿误差的计算

1.由上位机1向矢量网络分析仪3发出采集数据指令，分别测量各支路空气、短路负载和去离子水的反射系数并记录温度信息。

2.判断是否将参考介质(空气、短路负载和去离子水)各支路的反射系数与温度均已获得，若所有支路反射系数均已获得，则进行步骤二中的3步骤，否则返回步骤二中的1步骤重复。

3.计算空气、短路负载和去离子水补偿后的反射系数。其中，空气的理论介电常数为1，去离子水的介电常数为温度的函数，测量的去离子水的温度为20℃，介电常数通过cole-cole方程求出，即其中零频介电常数ε_s＝80.40，光频介电常数ε_∞＝5.2，德拜弛豫角频率ω₀＝34π，cole-cole因子α＝0，测试角频率ω＝2πf，f为测试频率。连接短路负载补偿后的反射系数为Γ_а＝-1，基于准静态模型反推得到空气和去离子水补偿后的反射系数，即其中Γ、d、k_c、ε₀、ε₁、μ₀、μ₁、ε_s、μ_s、a、b和J₀分别为补偿后的反射系数、样品有效厚度、连续特征值、真空介电常数、同轴探头填充介质的相对介电常数、真空磁导率、同轴探头填充介质的相对磁导率、测试样品的相对介电常数、测试样品的相对磁导率、内导体外半径、外导体内半径和零阶贝塞尔函数。如图2，系统中所用开口同轴探头7中，2a＝0.51mm，2b＝1.67mm，L＝200mm。

准静态模型可参见文献《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)。

4.判断参考介质各支路补偿后的反射系数是否均已获得，若所有支路补偿后的反射系数均已获得，则进行以下步骤(步骤二中的5步骤)，否则返回以上步骤(步骤二中的3步骤)重复。

5.由于系统初始化校准后参考面位于射频多路切换开关2的动端端口0处，实际测量面在开口同轴探头7的终端开口处，同轴探头7、稳相线缆和接口处均存在插入损耗，且“国家标准GB/T 35680-2017液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法”明确要求其需要补偿，具体过程如下：

根据各支路空气、短路负载和去离子水测量的反射系数与补偿后的反射系数，构建出各支路的的补偿方程组，即：

其中Γ_am(i)、Γ_sm(i)、Γ_wm(i)、Γ_aa、Γ_sa、Γ_wa、e_d(i)、e_r(i)与e_s(i)分别为各支路空气反射系数测量值、各支路短路负载反射系数测量值、各支路去离子水反射系数测量值、空气补偿后的反射系数、短路负载补偿后的反射系数、去离子水补偿后的反射系数、各支路有限方向误差、各支路频率跟踪误差、各支路等效源失配误差。

计算出各支路的有限方向误差、频率跟踪误差和等效源失配误差后，即可构建补偿关系式，即

三.反射系数的修正与介电常数的反演

1.通过上位机1向射频多路切换开关控制器5和矢量网络分析仪3发出数据采集指令，采集含水合物多孔介质中各支路的反射系数，记录所有信息并上传回上位机1。图4与图5分别给出了含水合物多孔介质测量的反射系数幅值与相位。

2.利用步骤二的3步骤中的公式求解出含水合物多孔介质反射系数。图6与图7分别给出了含水合物多孔介质补偿后的反射系数幅值与相位。

3.利用步骤二的3步骤中的准静态模型迭代反演出含水合物多孔介质各支路的介电常数。图8与图9给出了含水合物多孔介质反演的介电常数实部与虚部。

4.判断判断含水合物多孔介质中各支路介电常数是否均已获得，若所有支路介电常数均已获得，则完成整个测试，否则返回步骤三中的1-3步骤重复。

Claims (8)

1.一种基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统，其特征是：包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、切换开关控制器、上位机、反应釜、多路温度记录仪、开口同轴探头和恒温水槽；反应釜置于恒温水槽内；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内。

2.一种权利要求1所述系统测量介电常数的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)设置测试参数与初始化校准：

①设置测试参数；

②选择校准类型并将测量的参考面设置在射频多路切换开关的动端处；

③对矢量网络分析仪进行初始化校准；

(2)多路数据的采集与补偿误差的计算：

①测量参考介质各支路的反射系数并记录温度信息；

②判断是否将参考介质各支路的反射系数与温度均已获得，若否，则切换下一支路继续测量未获取支路的反射系数与温度，重复进行，直至所有支路的反射系数均已获取；

③计算参考介质各支路补偿后的反射系数；

④判断参考介质各支路补偿后的反射系数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续计算未获取支路的反射系数，重复进行，直至所有支路补偿后的反射系数均已获取；

⑤计算各支路的补偿误差；

(3)反射系数的修正与介电常数的反演：

①测量被测介质反射系数；

②计算各支路补偿后的反射系数；

③反演被测介质各支路的介电常数；

④判断各支路介电常数是否均已获得，若否，则切换下一支路继续反演未获取支路的介电常数，重复进行，直至所有支路介电常数均已获取。

3.根据权利要求2所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(1)①中的测试参数包括测试频率、测试的激励功率和恒温水槽的温度。

4.根据权利要求2所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)①中的参考介质为空气、短路负载和去离子水。

5.根据权利要求2所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)①的具体过程是：上位机控制切换开关控制器与矢量网络分析仪采集各支路的反射系数，上位机控制多路温度记录仪测量去离子水的温度、记录所有信息并上传回上位机。

6.根据权利要求2所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)③是计算空气、短路负载和去离子水补偿后的反射系数；其中：空气的理论介电常数为1，去离子水的介电常数为温度的函数，介电常数通过cole-cole方程求出，即其中ε_s、ε_∞、ω₀、α、ω与j分别为零频介电常数、光频介电常数、德拜弛豫角频率、cole-cole因子、测试角频率和虚数符号；连接短路负载补偿后的反射系数为Γ_а，基于准静态模型反推得到空气和去离子水的补偿后的反射系数，即其中Γ、d、k_c、ε₀、ε₁、μ₀、μ₁、ε_s、μ_s和J₀分别为补偿后的反射系数、样品有效厚度、连续特征值、真空介电常数、同轴探头填充介质的相对介电常数、真空磁导率、同轴探头填充介质的相对磁导率、测试样品的相对介电常数、测试样品的相对磁导率和零阶贝塞尔函数。

7.根据权利要求2所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(2)⑤的具体过程如下：根据各支路空气、短路负载和去离子水测量的反射系数与补偿后的反射系数，构建出各支路的的补偿方程组，即其中Γ_am(i)、Γ_sm(i)、Γ_wm(i)、Γ_aa、Γ_sa、Γ_wa、e_d(i)、e_r(i)与e_s(i)分别为各支路空气反射系数测量值、各支路短路负载反射系数测量值、各支路去离子水反射系数测量值、空气补偿后的反射系数、短路负载补偿后的反射系数、去离子水补偿后的反射系数、各支路有限方向误差、各支路频率跟踪误差、各支路等效源失配误差；

计算出各支路的有限方向误差、频率跟踪误差和等效源失配误差后，构建补偿关系式，即

8.根据权利要求2所述测量介电常数的方法，其特征是：所述步骤(3)①的具体过程是，通过上位机向射频多路切换开关控制器与矢量网络分析仪发出数据采集指令，采集含水合物多孔介质中各支路的反射系数，记录信息并上传回上位机。