CN110988492A - 一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置 - Google Patents

一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，包括测试结构，所述测试结构包括谐振腔体，所述谐振腔体的外部包覆设有加热壳，所述加热壳及谐振腔体的下侧壁设有开口，所述开口用于通过试样。所述试样的底端通过托起结构的上端支撑，所述托起结构的上端能够沿竖直方向上下移动以完成试样在谐振腔体内部和谐振腔体外部的位置转移。所述谐振腔体的一侧安装有高温波导转换器，高温波导转换器与矢量网络分析仪信号连接，所述矢量网络分析仪与计算机信号连接。

Description

一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置
技术领域
本发明属于测试设备技术领域，具体涉及一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置。
背景技术
微波介质材料普遍应用于通信、军事、医疗以及航空航天等各个领域。对介质材料性能指标的准确测试能够评判材料性能的优劣，对材料的生产和研发具有重要指导意义。微波材料的介电性能主要用复介电常数来表征，其测试方法分网络参数法和谐振腔体法两大类。
目前关于复介电常数的测试大多是在常温条件下，针对变温测试的系统还不是很多，而复介电常数与温度之间表征出的是非线性的关系，这会对电磁波的传输产生很大的影响。另外，随着微波加热、催化、干馏等微波处理技术的发展，了解材料的介电性能，尤其是损耗随温度的变化规律，对微波处理过程的控制技术至关重要。因此，建立一套能够在变温条件下准确表征材料介电性能的测试系统，获得复介电常数随温度的变化关系，对于相关领域的研究具有重要意义。
虽然高温下任何方法的测量原理都与室温相同，但当样品温度升高时会出现许多技术难题。高温环境增加了参数的不确定性，使得测量精度随着温度的增加而降低。高温测试在系统稳定性，集成性和操作性上要求更高，不仅需要改进校准技术，更需要提供一个安全、可靠和自动化的测试环境。
谐振腔体法测量介电常数的基本原理是：将待测介质放入某种工作模式的空腔，测量引入介质材料前后谐振腔体的谐振频率偏移和品质因数变化，计算出样品的复介电常数。谐振腔体法在测量不同状态的介质材料的介电常数都有很好的实用性，并且测量过程便捷，测量精度较高。对于高温材料复介电常数的测量，需要在原测量系统基础上添加加热装置和测温装置。
发明人了解到，微扰法是精确测量低损耗材料复介电常数的常用方法，但在高温测量时，则需将测量系统和高温样品相隔离，以避免系统热膨胀造成误差。因此，现有用于测量高温状态下微波介质材料的复介电常数时，一般在独立的加热腔体中加热微波介质材料，然后将微波介质材料伸入谐振腔体中。
在加热过程中，需要采用冷却措施确保测量系统不受高温影响，采用不同频率微波同时加热和测量，使测量系统变得复杂。同时，对于无加载样品时，这两种方法都是测量常温下谐振腔体的谐振频率和品质因数，没有考虑到在高温对谐振腔体的影响。对于在高温环境下瞬时提取加载及非加载被测样品的数据准确获取更没有涉及。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，能够实现谐振腔体与试样的同步加热，实现高温环境下瞬时提取加载及非加载被测样品的数据准确获取。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，包括测试结构，所述测试结构包括谐振腔体，所述谐振腔体的外部包覆设有加热壳，所述加热壳及谐振腔体的下侧壁设有开口，所述开口用于通过试样。
所述试样的底端通过托起结构的上端支撑，所述托起结构的上端能够沿竖直方向上下移动以完成试样在谐振腔体内部和谐振腔体外部的位置转移。
所述谐振腔体的一侧安装有高温波导转换器，高温波导转换器与矢量网络分析仪信号连接，所述矢量网络分析仪与计算机信号连接。
进一步，所述托起结构包括套筒，所述套筒固定设置在加热壳的下表面，所述套筒正对于开口设置，所述套筒的轴线竖直设置，所述套筒中设有连杆，所述连杆能够沿套套筒往复移动。
进一步，所述连杆的中部固定设有压板，所述套筒的内径小于压板的外径，所述压板设置于套筒内腔的上端中，所述套筒的下端设有端盖，所述连杆从端盖上的通孔向下穿出。
所述连杆的外部套设有弹簧，所述弹簧设置于压板与套筒的下端盖之间。
进一步，所述加热壳的外部设有温控装置，所述温控装置的测量探头伸入谐振腔体中，所述温控装置判断测量探头的测量结果是否满足预设阈值范围，并控制加热壳继续加热或停止加热。
进一步，所述加热壳的侧壁设有安装孔，所述安装孔用于通过高温波导转换器，所述高温波导转换器依次穿过加热壳和谐振腔体后伸入谐振腔体的内腔中。
进一步，所述加热壳中设有加热电阻丝，所述加热电阻丝用于实现加热壳的加热。
进一步，所述开口的内径与压板的外径相同。
本发明的有益效果：
(1)采用谐振腔体与待测试样同时加热，然后将待测试样从谐振腔体中取出的方法，避免了高温试样放入常温谐振腔时发生热交换以及试样高的温度使谐振腔产生形变从而影响测量结果；
(2)高温下试样介电常数的测量是用高温加载样品时的谐振频率减去高温下空腔的谐振频率，加载和非加载待测试样时的谐振频率都受到温度影响，二者的差值可以相互抵消，在高温对谐振腔的腔体本身谐振频率测量产生影响的情况下，保证待测试样谐振频率测量的准确性。
(3)本方案采用在谐振腔体的外部设置加热壳的方式，能够同步实现谐振腔体与试样的加热，可以统筹考虑高温对谐振腔体的影响，能够在高温环境下瞬时提取加载及非加载被测样品的数据准确获取。
(4)用托起装置可以先测量加载被测样品时的谐振频率和品质因数，通过调节托起装置使被测样品迅速从谐振腔体中脱离，就可以立即测量空腔的谐振频率和品质因数；可以避免上述方法中将加热被测样品插入常温谐振腔体而由温度抖动带来的误差；通过托起装置调整测量顺序，减少了测量时间。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例中整体结构示意图；
图2为本发明实施例中谐振腔体及加热壳等部分结构示意图；
图3为本发明实施例中托起结构的结构示意图；
图4为本发明实施例中整体结构流程图；
图5为现有技术中TM010圆柱腔微扰法高温测量系统的示意图；
图6为现有技术中谐振腔体微扰法高温测量系统的示意图。
图中：1、托板；2、连杆；3、第一螺钉；4、压板；5、第二螺钉；6、套筒；7、弹簧；8、手柄球；9、温控装置；10、加热装置；11、高温波导转换器；12、托起装置；13、计算机；14、导线；15、试样；16、矢量网络分析仪。
1A、谐振腔体；2A、流水冷却通道；3A、第一热隔离层；4A、加热电阻丝；5A、第二热隔离层；6A、支撑器；7A、试样；8A、RF电缆；
1B、加热炉；2B、试样；3B、绝热层；4B、水套；5B、支撑器；6B、腔体；7B、纤维塞；8B、陶瓷纤维。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征；步骤；操作；器件；组件和/或它们的组合。
常用的谐振腔体有矩形谐振腔体、圆柱形谐振腔体和环行谐振腔体。谐振腔体与波导管的耦合是在腔体与波导公共壁上开小孔(叫耦合孔)作为耦合元件。通过谐振腔体前后都开孔(有两个耦合孔)，反射式腔开一个孔(有一个耦合孔)。该法通常先将被测介质材料置入谐振腔体，腔体内场分布因此而受到微小扰动，通过对谐振频率的偏移和品质因数变化的测量，从而计算得到材料的复介电常数。
正如背景技术中所述，现有的在进行微波介质加热后复介电常数的测量装置，需要进行谐振腔体的冷却，以下为举例：
Hutcheon等人设计了一个测量系统(如图5所示)，所用腔体为TM010圆柱腔，使用电阻丝4A加热(见图1)。谐振腔体1A位于加热装置上方。为防止腔体的热膨胀，腔体周围设置流水冷却通道2A，采用流动水冷却，利用热电偶温度计测温。样品7A为圆柱形，位于一薄壁低损耗支撑管中，先被加热然后向上送入谐振腔体中。在加热装置的上方设置第一热隔离层5A，在其下方设置第二热隔离层6A。试样通过支撑器设置在加热装置中，谐振腔体的一侧设置RF电缆8A。
Arai等人也利用TM010圆柱腔设计了一高温测量系统(如图6所示)。所不同的是，为了避免热空气进入腔内，导致腔体尺寸变化引起额外误差，该系统中TM010腔提6B位于加热炉1B下面,并通过绝热层3B进行隔离。绝热层中设置有水套4B，水套用于通冷却水。样品位于硅样品支撑器5B中，两端由硅陶瓷纤维塞7B紧。加热到一定温度后，样品2B迅速从炉中移至腔内进行测量。所述硅样品支撑器的上端设有陶瓷纤维。
需要指出的是，本申请中高温的温度范围可以本领域技术人员自行设置，其是一个相对的概念，此处不再给出具体的温度范围。
本发明的一种典型实施方式中，如图1-4所示，一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，包括测试结构，所述测试结构包括谐振腔体，所述谐振腔体的外部包覆设有加热壳，所述加热壳及谐振腔体的下侧壁设有开口，所述开口用于通过试样15。
所述试样15的底端通过托起结构的上端支撑，所述托起结构的上端能够沿竖直方向上下移动以完成试样15在谐振腔体内部和谐振腔体外部的位置转移。
所述谐振腔体的一侧安装有高温波导转换器11，高温波导转换器11与矢量网络分析仪16信号连接，所述矢量网络分析仪16与计算机13信号连接。
所述托起结构包括固定设置在加热壳下表面的套筒6，所述套筒6正对于开口设置，所述套筒6的轴线竖直设置，所述套筒6中设有连杆2，所述连杆2能够沿套套筒6往复移动。
所述连杆2的中部固定设有压板4，所述套筒6的内径小于压板4的外径，所述压板4设置于套筒6内腔的上端中，所述套筒6的下端设有端盖，所述连杆2从端盖上的通孔向下穿出。
所述连杆2的外部套设有弹簧7，所述弹簧7设置于压板4与套筒6的下端盖之间。所述连杆2的上端面设有托板1，所述托板1用于实现试样15的支撑。所述连杆2穿出端盖的一端与手柄球8固定连接。所述加热壳的外部设有温控装置9，所述温控装置9的测量探头伸入谐振腔体中，所述温控装置9判断测量探头的测量结果是否满足预设阈值范围，并控制加热壳继续加热或停止加热。
所述加热壳的侧壁设有安装孔，所述安装孔用于通过高温波导转换器11，所述高温波导转换器11依次穿过加热壳和谐振腔体后伸入谐振腔体的内腔中。
所述加热壳中设有加热电阻丝，所述加热电阻丝用于实现加热壳的加热。所述套筒6的上端通过第一螺钉3与加热壳固定连接，所述压板4通过第二螺钉5与拉杆固定连接。所述开口的内径与压板4的外径相同。
工作原理:选取适当的矩形腔(或圆柱腔使用TM0n0模式)尺寸使TE10n(n为奇数)模式的谐振频点为所需的测试频点，将被测样品插入谐振腔体，调节温控装置9对谐振腔体及被测样品进行加热，在高温条件下测量谐振频率fs和品质因数Qs；调节托起装置12，使得被测样品从谐振腔体“脱落”，测量无加载样品时谐振腔体的频率f0和品质因数Q0。通过腔体和样品的尺寸以及所测的频率和品质因数，可以推得被测样品的介电常数和损耗角正切。
操作的基本过程如下：
(1)正确连接测试仪器设备及电缆，确保各连接设备工作正常；
(2)调节托起装置12，将被测样品插入谐振腔体中；
(3)打开加热装置10对谐振腔体及被测样品进行加热，通过温控系统调节谐振腔体达到设定温度；
(4)通过测量装置测量此温度下谐振腔体的谐振频率及品质因数，并存储；
(5)调节托起装置12，使得被测样品从谐振腔体中脱离；
(6)保持温度恒定，通过测量装置再次测量无加载样品时腔体的谐振频率和品质因数，并储存；
(7)通过腔体和样品的尺寸以及所测的频率和品质因数，推导出被测样品的介电常数和损耗角正切。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，包括，
测试结构，所述测试结构包括谐振腔体，所述谐振腔体的外部包覆设有加热壳，所述加热壳及谐振腔体的下侧壁设有开口，所述开口用于通过试样；
所述试样的底端通过托起结构的上端支撑，所述托起结构的上端能够沿竖直方向上下移动以完成试样在谐振腔体内部和谐振腔体外部的位置转移；
所述谐振腔体的一侧安装有高温波导转换器，高温波导转换器与矢量网络分析仪信号连接，所述矢量网络分析仪与计算机信号连接。
2.根据权利要求1所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述托起结构包括套筒，所述套筒固定设置在加热壳下表面，所述套筒正对于开口设置，所述套筒的轴线竖直设置，所述套筒中设有连杆，所述连杆能够沿套套筒往复移动。
3.根据权利要求2所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述连杆的中部固定设有压板，所述套筒的内径小于压板的外径，所述压板设置于套筒内腔的上端中，所述套筒的下端设有端盖，所述连杆从端盖上的通孔向下穿出；
所述连杆的外部套设有弹簧，所述弹簧设置于压板与套筒的下端盖之间。
4.根据权利要求2所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述连杆的上端面设有托板，所述托板用于实现试样的支撑。
5.根据权利要求2所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述连杆穿出端盖的一端与手柄球固定连接。
6.根据权利要求2所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述加热壳的外部设有温控装置，所述温控装置的测量探头伸入谐振腔体中，所述温控装置判断测量探头的测量结果是否满足预设阈值范围，并控制加热壳继续加热或停止加热。
7.根据权利要求1所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述加热壳的侧壁设有安装孔，所述安装孔用于通过高温波导转换器，所述高温波导转换器依次穿过加热壳和谐振腔体后伸入谐振腔体的内腔中。
8.根据权利要求6所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述加热壳中设有加热电阻丝，所述加热电阻丝用于实现加热壳的加热。
9.根据权利要求3所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述套筒的上端通过第一螺钉与加热壳固定连接，所述压板通过第二螺钉与拉杆固定连接。
10.根据权利要求2所述的适用于高温环境下材料电磁参数快速测试装置，其特征在于，所述开口的内径与压板的外径相同。
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