CN1147725C - 反射式介电常数直接测量方法及测量探头 - Google Patents

Abstract

反射式介电常数直接测量方法及测量探头是向松散介质发射微波，对采集的反射波进行进行遗传算法计算机处理，直接得到介电常数和相关参数。包括微波信号源、微波测量探头、适当的接口电路和计算机。专用微波测量探头是内导体比外导体长的终端开口同轴线，探头外涂敷防腐保护层。

Description

反射式介电常数直接测量方法及测量探头

本发明涉及一种介电常数及相关参数的测量方法，还涉及一种可在该方法中使用的的测量探头。

测量介质的介电常数及其它相关参数的常用方法，是通过先测量反射系数，再通过数值计算或等效电路求出反射系数与介电常数之间的关系，然后通过查表等方法间接确定介电常数及其它相关系数，因而在时间和精度上存在较大的缺陷。其中的等效电路中因包含多个等效参数，对不同的介质和不同的测量系统，其等效参数的数值也不同，确定不同情况下的介电常数及相关参数，就许针对具体情况分别取不同的等效参数进行计算，使用时非常不方便，也必然限制其应用范围。在苏联专利RU2134425“Pickup measuring dielectric characteristics ofliquids”中，曾介绍过一种测量不同组分液体流速的方法，测量结果采用了遗传算法进行计算处理。

在微波测量中，一般以终端开口的同轴线或波导管作为微波测量探头，但它不能工作于腐蚀性介质环境中。

本方法发明的目的是，在向松散介质发射微波后，对采集到的反射波采用遗传算法进行计算机处理，直接在线测量被测介质的介电常数及相关参数。因本方法发明针对的待测介质可能是腐蚀性介质，发明人还对微波测量探头进行了适当的改进，使其更灵敏且耐腐蚀，以有利于本方法发明的更好实施。

本方法发明包括微波信号源1、反射特性分析电路2、微波频率范围内样品附近的微波测量探头3、适当的接口电路5和计算机6。微波信号源输出的功率信号Pi经反射特性分析电路2与微波测量探头3相连；微波测量探头3在液体、粉状等松散介质4中产生的反射信号Pr₂馈入反射特性分析电路2，在Pi及Pr₂的共同作用下，反射特性分析电路2输出直流幅度信号Vda、直流相位信号Vdp，经适当的接口电路5变换为数据信号输入计算机6；在计算机中进行遗传算法运算后，显示或打印计算结果，即测定的介电常数与相关参数。

可用于上述方法发明的微波测量探头的是一终端开口的同轴线，由内导体(7)、外导体(8)及内外导体间的介质(9)构成，内导体(7)比外导体(8)长h，微波测量探头外整体涂有防腐保护层d(10)。

下面结合附图和实施例，对上述技术方案进行详细描述，但所涉发明的实施方案并不局限于此实施例。

图1：方法发明原理图；

图2：方法发明中进行遗传算法的计算机软件流程图；

图3：微波测量探头结构图；

图4：一个具体实施例。

图中，1.微波信号源，2.反射特性分析电路，3.微波测量探头，4.待测介质，5.接口电路，6.计算机，7.微波测量探头的内导体，8.微波测量探头的外导体，9.位于内外导体间的介质，10.防腐保护层，11.标准信号源，12.环行器，13.负载，14.双定向耦合器，15.分频器，16.混频器，17.放大器，18.I/Q正交检波器。

在微波频率范围内的微波测量探头(可采用终端开口的同轴线或波导管)，插入待测液体或粉状介质中，产生了微波功率信号Pi的反射信号Pr₂，共同输入反射特性分析电路2，2的输出信号是直流幅值信号Vda和直流相位信号Vdp，经适当的接口电路5(如A/D数模转换器)，Vda与Vdp数据被采集送入计算机，利用数值算法计算介质反射系数的幅值和相位，利用遗传算法进行优化处理，搜索得到最优解，即被测介质的介电常数及相关系数。其原理为：(1)假设被测物质介电常数的值，利用数值计算方法计算同轴线终端开口处有被测物质时的反射系数的幅值和相位；(2)将计算值与实测值相比较，若二者差值不满足给定的误差范围，则利用遗传算法对假设的介电常数进行优化，再计算反射系数，与实测值相比；若二者差值不满足给定的误差范围，重复步骤(2)，直到二者差值满足给定的误差范围。软件流程图如图2所示。图中随意生成初始种群即假设介质的介电常数，适应度函数则根据反射系数的测量结果和计算结果来定义；计算种群中各个体的适应度即计算反射系数并与测量结果相比较。

测量时，将开口同轴线或波导系统插入液体或粉状介质中，测量其反射系数，由软件通过优化迭代，直接得到准确的介电常数及相关参数。进行优化迭代的计算机软件流程步骤为：

步骤1：以计算机接口或A/D数模转换器采集的幅值数据信号及相位数据信号为初始化参数。主要包括定义程序所需变量、设定种群个数，种群中个体的基因长度和取值范围。

步骤2：定义适应度函数，例如

$f=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|\mathrm{\Γie}-\mathrm{\Γim}{|}^2}{|\mathrm{\Γim}{|}^2}}$

式中Γie为第i个体的反射系数计算值，Γim为反射系数的第i次测量值，N为种群中个体数量。

步骤3：随机生成初试种群，即假设介质的介电常数，随机函数由所使用的程序设计软件提供。

步骤4：计算种群中各个体的适应度。首先使用种群中各个体提供的假设介电常数通过FDTD法计算反射系数(幅值和相位)，然后将计算值和计算机接口采集的测量值代入适应度函数。

步骤5：淘汰适应度低的个体，遗传适应度高的个体。

步骤6：交叉配对和变异操作。

步骤6.FDTD法计算反射系数的模值与相位；

步骤7：迭代次数或结果是否满足要求，若不满足要求，则重新进行步骤4至步骤7，直到满足要求为止。

步骤8：输出适应度最高的的个体，即输出被测介质的介电常数。

步骤9：显示或打印结果，程序结束。

标准信号源11、环行器12、负载13、双定向耦合器14、分频器15、混频器16、放大器17、I/Q正交检波器18共同构成能够同时输出相位信号与幅度信号的反射特性分析电路2，采用的集成电路元件型号分别为：微波信号源DF1631，接口电路PS-2112，环行器GT11-15，混频器HSP42A，I/Q正交检波器I/QJ-140。

接口电路5可采用A/D转换器19PS-2112。

微波测量探头是终端开口的同轴线或波导管，其内导体比外导体长h4mm，内外导体间介质为聚四氟乙烯，为保护探头不受被测物的腐蚀，整个探头外涂敷0.025mm厚度的聚四氟乙烯作为防腐保护层。

该探头与普通终端开口同轴线探头相比有结构简单，实现容易，高灵敏性、可测量腐蚀性液体而不会受损等特点。

采用上述方法发明的优点在于利用计算机，实现了介电常数的再线测量，且系统简单，仅需通过简单操作，即可直接得出高精密度的、准确的介电常数及相关参数。

Claims (6)

1、一种反射式介电常数直接测量方法，包括微波信号源(1)，其特征在于还包括：反射特性分析电路(2)、微波频率范围内样品附近的微波测量探头(3)、接口电路(5)和计算机(6)；

微波信号源输出的功率信号Pi经反射特性分析电路(2)与微波测量探头(3)相连；

微波信号源输出的功率信号Pi与微波测量探头(3)在液体、粉状等松散介质中产生的反射信号Pr₂为反射特性分析电路(2)的输入信号，反射特性分析电路(2)则输出测量直流幅度信号Vda及直流相位信号Vdp，经适当的接口电路(5)后变换为数据信号输入计算机(6)；

计算机对采集的数据信号进行优化迭代遗传算法运算后，直接输出测得的介电常数及相关参数。

2、如权利要求1所述的一种反射式介电常数直接测量方法，其特征在于所述的微波测量探头(3)是终端开口的同轴线。

3、一种用于反射式介电常数直接测量方法的测量探头，由内导体(7)、外导体(8)及内外导体间的介质(9)构成，其特征在于所述的内导体(7)比外导体长h，探头外涂有防腐保护层d(10)。

4、一种用于反射式介电常数直接测重方法的测量探头，其特征在于所述内外导体间的介质(9)为聚四氟乙烯。

5、一种用于反射式介电常数直接测量方法的测量探头，其特征在于所述的测量探头外涂覆的防腐保护层(10)的材料为聚四氟乙烯。

6、一种对微波测量探头在液体、粉状等松散介质中产生的反射信号进行计算机处理的方法，其特征在于计算机软件流程步骤为：

步骤1.以计算机接口或A/D模数转换器采集的幅值数据信号及相位数据信号为初始化参数；

步骤2.定义适应度函数；

步骤3.随机生成初试种群；

步骤4.计算种群中各个体的适应度淘汰低适应度的个体，遗传高适应度个体；

步骤5.交叉配对和变异操作；

步骤6.FDTD法计算反射系数的模值与相位；

步骤7.与测量结果比较是否满足要求：若不满足要求，则重新进行步骤4至步骤7的运算，直至与测量结果比较满足要求为止；若满足要求，则进行下一步骤运算

步骤8.输出适应度最高的个体；

步骤9.打印或显示测量结果。

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