CN111983319B - 一种金属材料微波表面电阻率高温测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属材料微波表面电阻率高温测试装置及方法，属于微波毫米波测试技术领域。该装置采用分离式圆柱腔，通过将谐振腔和待测金属板进行可分离设置，可以实现在高温条件下不同金属材料在微波工作下的电阻率测试；并且在测试过程中，可将待测金属板加热到所需温度后再将谐振腔放置上去进行测试，使得测量结果更加精确；整个测试装置简单易实现。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波测试技术领域，涉及一种金属材料微波表面电阻率高温测试装置及测试方法，具体涉及一种基于分离式圆柱腔的谐振法测试装置及方法。
背景技术
随着我国军事装备技术的快速发展，热透波材料已经被广泛应用于导弹制导、航天航空、电子对抗等各个领域之中，主要用于制备天线罩和天线窗。当武器装备在高速行进时，由于气动加热，天线罩(窗)表面温度将达到500℃～3000℃，所以需要测试高温下热透波材料的微波复介电常数来衡量热透波材料性能好坏。因此，热透波材料的微波复介电常数的高温测试任务也逐渐增多，使得高温测试设备长期处于满负荷使用状态。当复介电常数高温测试设备长时或频繁工作在高温环境下时，设备腔体金属材料由于自身寿命、氧化反应及热疲劳等因素，使其电学性能将加速恶化，体现为该腔体材料的微波表面电阻率下降。当微波表面电阻率恶化到一定程度时便会造成设备测试精度和重复性严重下降，导致设备出现不可逆的损坏，无法满足测试要求。由此可见，在设计和加工复介电常数高温测试设备时，对候选金属材料微波表面电阻率预先进行高温测试，获取金属材料微波表面电阻率热电行为规律，对复介电常数高温测试设备材料的选型，以及设备长期频繁使用下的稳定性评估、具有重要指导作用。
在公告号为CN 103913635 B的“一种高温条件下材料表面电阻率测试系统”的专利中，提出将待测材料放在高温加热炉内加热至一定的温度后，迅速取出材料，利用电极和静电电阻测试仪监测材料在高温条件下的表面电阻率。该方法针对的是低频，无法测试出金属材料在微波频段的表面电阻率。在公告号为CN 105486926 A的“条状绝缘材料表面电阻率测试三电极系统”的专利中，公开了一种由高压极、测量极、保护极、静电计和高压直流电源组成的三电极系统，该系统适用于条状绝缘材料在低频、常温条件下的表面电阻率测试，不适于金属材料微波表面电阻率高温测试。在文献《聚合物表面电阻率测试方法研究》(工程塑料应用，07，2002)中提出一种利用同轴圆柱装置来测试聚合物薄膜的表面电阻率的方法，该方法针对的是低频和常温，适用于对薄而均匀的聚合物试样进行表面电阻率的测试，不适于金属材料微波表面电阻率高温测试。
因此，如何实现金属材料微波表面电阻率高温测试就成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种金属材料微波表面的高温电阻率测试装置和方法。该装置采用分离式圆柱腔，通过将谐振腔和待测金属板进行可分离设置，可以实现在高温条件下不同金属材料在微波工作下的电阻率测试；并且在测试过程中，可将待测金属板加热到所需温度后再将谐振腔放置上去进行测试，使得测量结果更加精确；整个测试装置简单易实现。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种金属材料微波表面的高温电阻率测试装置，包括分离式圆柱腔1、加热装置2、矢量网络分析仪3、微波电缆4、分离式圆柱腔的耦合装置5和待测金属平板7，所述矢量网络分析仪3通过微波电缆4与分离式圆柱腔的耦合装置5相连，所述分离式圆柱腔1包括主谐振腔6和待测金属平板7，所述主谐振腔6和待测金属平板7可分离，主谐振腔6为底部开口的圆筒形腔体，顶部设置分离式圆柱腔的耦合装置5，所述主谐振腔6包括设置于腔壁内部的冷却循环结构8和底部的隔热环9；所述待测金属平板7放置于隔热环9下方并与其接触，所述加热装置2位于待测金属平板7下方。
进一步地，所述主谐振腔所用材料为黄铜，其内壁做导电抗氧化处理，内壁半径a和高度l根据所需微波频点的工作模式的谐振频率进行设计；主谐振腔横向尺寸小于待测金属平板横向尺寸。
进一步地，所述隔热环由隔热材料制成，用于降低测试时待测金属平板对主谐振腔的热传导。
进一步地，所述加热装置采用感应加热，其感应线圈为平面螺旋形线圈。
进一步地，所述冷却循环结构沿主谐振腔腔壁均匀分布，以使主谐振腔放置于加热后的待测金属平板上方后腔体温度基本保持不变。
一种金属材料微波表面的高温电阻率测试方法，包括以下步骤：
步骤1.获取主谐振腔内壁的微波表面电阻率Rs，具体过程为：常温下，将金属平板放置于隔热环9下方并与其接触，通过矢量网络分析仪测得品质因数Q1，代入公式：
其中，ω为角频率，W为分离式谐振腔腔体体积V内的储能，Pc1、Pc2和Pc3分别为主谐振腔内壁侧面S1、内壁上顶面S2以及待测金属平板上表面S3的导体功率损耗，具体公式为：
其中，ε0为空气的介电常数，
Hz和Hρ为TE011谐振模式的场分布，Rs1是主谐振腔内壁侧面S1的表面电阻率，Rs2是内壁上顶面S2的表面电阻率，Rs3是待测金属平板的上表面S3的表面电阻率；a和l分别是主谐振腔的半径和高；ρ就是表示径向距离的变量，s就是表示面的变量；
具体公式为：
其中，H0为系数常数，u'01为0阶贝塞尔函数导数的第一个根，μ0为真空磁导率，J0为0阶贝塞尔函数；
联立公式(1)～(3)即可求得Rs；
步骤2.将主谐振腔与待测金属平板分离，然后将待测金属平板放置于加热装置上方，加热待测金属平板至所需温度，将主谐振腔放置于待测金属平板表面，使隔热环与待测金属平板接触，通过矢量网络分析仪测量得到品质因数Q2；
步骤3.再次联立公式(1)～(3)便可计算得到待测金属平板在高温下的微波表面电阻率Rs3。
进一步地，步骤1所述金属平板采用与主谐振腔相同的材料及表面处理工艺制成，有Rs1＝Rs2＝Rs3＝Rs。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明装置采用平面感应加热线圈对单独的待测金属平板进行加热，当加热至所需温度时，将主谐振腔设置于待测金属平板表面，同时，主谐振腔和高温金属平板之间装有隔热环，使得热量不会马上传导至主谐振腔上，并且在主谐振腔腔壁通水冷，使主谐振腔的温度基本保持稳定，从而能够保证测试结果的准确性。
2.本发明提供的分离式圆柱腔测试装置，由于主谐振腔与待测金属平板的可分离设置方式，使得本装置能够针对不同金属材料进行微波表面在高温条件下的电阻率测试，适用范围更广，使用方式更为简便。
附图说明
图1为本发明金属材料微波表面高温电阻率测试装置的结构示意图。
图2为本发明电阻率测试装置中分离式圆柱腔的结构示意图。
其中，1为分离式圆柱腔，2为加热装置，3为矢量网络分析仪，4为微波电缆，5为耦合装置，6为主谐振腔，7为待测金属平板，8为水冷循环结构，9为隔热环。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种金属材料微波表面的高温电阻率测试装置，其结构示意图如图1所示，包括分离式圆柱腔1、加热装置2、矢量网络分析仪3、微波电缆4、分离式圆柱腔的耦合装置5和待测金属平板7；所述矢量网络分析仪3通过微波电缆4与耦合装置5相连，所述分离式圆柱腔1包括主谐振腔6和待测金属平板7，所述加热装置2位于待测金属平板7下方；
分离式圆柱腔的结构示意图如图2所示，所述主谐振腔包括设置于腔壁内部的水冷循环结构8和底部的隔热环9，主谐振腔为底部开口的圆筒形腔体。测试时，先将主谐振腔与待测金属平板分离，然后通过加热装置将待测金属平板加热至所需温度时，将主谐振腔放置于待测金属平板表面并使隔热环与其接触。
优选的，所述隔热环9由氧化锆制成，其嵌入主谐振腔底部的腔壁中，并高出腔壁底面约1mm，以降低高温测试时待测金属平板对主谐振腔的热传导。
所述加热装置2采用感应加热，其感应线圈为平面螺旋形。
所述水冷循环结构8沿主谐振腔腔壁均匀分布，以使主谐振腔设置于高温下的待测金属平板表面后温度基本保持不变。
所述主谐振腔6采用黄铜加工，内壁先镀5μm厚度银，再镀2μm厚度金，其内壁半径a和高度l根据所需微波频点按TE011谐振模式进行设计，当l＝2a时，谐振腔的品质因子Q最大。在X波段测试，测试频率为9.37GHz时，根据公式：
其中，ε0为空气的介电常数，u′01为0阶贝塞尔函数导数的第一个根，μ0为真空磁导率；计算得出，a和l可分别设置为21.1mm和42.2mm；主谐振腔横向尺寸小于待测金属平板横向尺寸。
利用上述装置进行金属材料微波表面高温电阻率测试的方法，包括如下步骤：
步骤1.获取主谐振腔内壁的微波表面电阻率Rs：金属平板采用与主谐振腔相同的材料及表面处理工艺制成，常温下，将主谐振腔倒扣于金属平板表面上，通过矢量网络分析仪测量得到品质因数Q1，代入公式：
其中，ω为角频率，W为分离式谐振腔腔体体积V内的储能，Pc1、Pc2和Pc3分别为主谐振腔内壁侧壁面S1、内壁上盖面S2以及待测金属平板上表面S3的导体功率损耗，表达式为：
其中，ε为空气的复介电常数，
Hz和Hρ为TE011谐振模式的场分布，表达式为：
其中H0为系数常数，u'01为0阶贝塞尔函数导数的第一个根，μ0为真空磁导率。
由于金属平板与主谐振腔材料及表面处理工艺相同，有Rs1＝Rs2＝Rs3＝Rs，联立公式(1)～(3)即可求得Rs。
步骤2.对实际待测金属平板进行加热，至所需温度点后，将主谐振腔倒扣于待测金属平板上，通过矢量网络分析仪测量得到品质因数Q2。由于隔热环和水冷循环结构，主谐振腔温度变化很小，带来的微波表面电阻率变化可以忽略。已知主谐振腔内壁的微波表面电阻率，再次联立公式(1)～(3)便可计算得到待测金属平板在高温下的微波表面电阻率Rs3。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (6)
1.一种金属材料微波表面电阻率高温测试装置，其特征在于，包括分离式圆柱腔(1)、加热装置(2)、矢量网络分析仪(3)、微波电缆(4)、分离式圆柱腔的耦合装置(5)和待测金属平板(7)，所述矢量网络分析仪(3)通过微波电缆(4)与分离式圆柱腔的耦合装置(5)相连，所述分离式圆柱腔(1)包括主谐振腔(6)和待测金属平板(7)，所述主谐振腔(6)和待测金属平板(7)可分离，主谐振腔(6)为底部开口的圆筒形腔体，顶部设置分离式圆柱腔的耦合装置(5)，所述主谐振腔(6)包括设置于腔壁内部的冷却循环结构(8)和底部的隔热环(9)；所述待测金属平板(7)放置于隔热环(9)下方并与其接触，所述加热装置(2)位于待测金属平板(7)下方；金属平板采用与主谐振腔相同的材料及表面处理工艺制成。
2.如权利要求1所述金属材料微波表面电阻率高温测试装置，其特征在于，所述主谐振腔材料为黄铜，其内壁做导电抗氧化处理，内壁半径a和高度l根据圆柱腔工作模式的谐振频率进行设计。
3.如权利要求1所述金属材料微波表面电阻率高温测试装置，其特征在于，所述隔热环由隔热材料制成。
4.如权利要求1所述金属材料微波表面电阻率高温测试装置，其特征在于，所述加热装置采用感应加热，其感应线圈为平面螺旋形线圈。
5.如权利要求1所述金属材料微波表面电阻率高温测试装置，其特征在于，所述冷却循环结构沿主谐振腔腔壁均匀分布，以使主谐振腔放置于加热后的待测金属平板上方后腔体温度基本保持不变。
6.一种基于权利要求1～5任一所述金属材料微波表面电阻率高温测试装置测试电阻率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.获取主谐振腔内壁的微波表面电阻率Rs，具体过程为：常温下，将金属平板放置于隔热环下方并与其接触，通过矢量网络分析仪测得品质因数Q1，代入公式：
其中，ω为角频率，W为分离式谐振腔腔体体积V内的储能，Pc1、Pc2和Pc3分别为主谐振腔内壁侧面S1、内壁上顶面S2以及待测金属平板上表面S3的导体功率损耗，具体公式为：
其中，ε0为空气的介电常数，Eφ、Hz和Hρ为TE011谐振模式的场分布，Rs1是主谐振腔内壁侧面S1的表面电阻率，Rs2是内壁上顶面S2的表面电阻率，Rs3是待测金属平板的上表面S3的表面电阻率；a和l分别是主谐振腔的半径和高，ρ为径向距离；并且，
其中，H0为系数常数，u'01为0阶贝塞尔函数导数的第一个根，μ0为真空磁导率，J0为0阶贝塞尔函数；
联立公式(1)～(3)即可求得Rs；
步骤2.将主谐振腔与金属平板分离，然后将待测金属平板放置于加热装置上方，加热待测金属平板至所需温度，将主谐振腔放置于待测金属平板表面，使隔热环与待测金属平板接触，通过矢量网络分析仪测量得到此时的品质因数Q2；
步骤3.再次联立公式(1)～(3)，即可计算得到待测金属平板在高温下的微波表面电阻率Rs3。
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