CN115290678B - 一种微波谐振腔装置及溶液浓度变化的测量方法 - Google Patents

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CN115290678B CN202210717956.8A CN202210717956A CN115290678B CN 115290678 B CN115290678 B CN 115290678B CN 202210717956 A CN202210717956 A CN 202210717956A CN 115290678 B CN115290678 B CN 115290678B
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Abstract

本发明公开了一种微波谐振腔装置及溶液浓度变化的测量方法，该装置包括溶液管、第一耦合端口和第二耦合端口和金属实心柱体，利用插入的金属实心柱体使得微波谐振腔体溶液管位置处的电场强度得到增强，同时金属实心柱体以溶液管和第一耦合端口、第二耦合端口的圆心所在直线为中心线，左右对称布设在所述溶液管两侧，以保证电场的均匀强化，加强了电场与待测溶液的相互作用，从而提高了检测灵敏度，保证在浓度变化很小时，仍具有较高的检测灵敏度，同时金属实心柱体通过抽拉式插入谐振腔体中，结构灵活易实施。

Description

一种微波谐振腔装置及溶液浓度变化的测量方法
技术领域
本发明涉及溶液浓度测量技术，特别是涉及一种微波谐振腔装置及溶液浓度变化的测量方法。
背景技术
随着现代工艺的不断进步，对于各种数据的检测要求也在不断提高，浓度、密度、温度、湿度等于产品有关的参数都需要严格监控，而针对于各种液体材料，其溶液浓度的检测是必不可少的，对于溶液浓度的控制也是产品制造及科学研究中十分关键的因素。
浓度的测量方法有很多种，电导率法、色谱法等，虽然能够满足基本测量要求，但仍存在很多不足，为保证检测的准确性，采用微扰法原理测量溶液浓度，采用微波谐振腔的谐振特性，通过测量谐振频率的偏移来测量溶液的浓度，这种微波谐振腔传感器具有测量准确、结构简单、制作成本低的优点，能够快速地实现对待测溶液浓度的测量。现有技术利用微波谐振腔来检测溶液浓度主要集中在追踪S曲线的谐振频率点和幅值、反射系数的相位、Q因子以及3dB带宽等参数的变化，将溶液溶度的改变转化为可视的参数信息，建立浓度与参数信息之间的关系，从而利用参数的变化确定待测溶液的浓度。
上述微波谐振装置可以快速地实现对待测溶液浓度的测量，但是当待测溶液浓度变化范围很小时，微波谐振腔并不能展现出其突出的测量优势，在微小变化过程中微波谐振腔的检测灵敏度有待提高，因为在实验过程配备特定浓度溶液时，需要不断更改配比并不断测试，此时溶液浓度的变化也就十分微小，微波谐振腔的灵敏度决定了其是否可以检测到这种微小变化，对溶液配比的准确性起决定性作用。
综上所述，现有的微波谐振腔无法满足微小浓度变化时的检测灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波谐振腔装置及溶液浓度变化的测量方法，以解决现有的微波谐振腔的在微小浓度变化的检测中灵敏度较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种微波谐振腔装置，包括：
溶液管：用于装载待测溶液，所述溶液管为一个贯穿谐振腔体的圆环空心圆柱，并与谐振腔体同轴；
第一耦合端口和第二耦合端口：用于使谐振腔体和外部电路耦合向谐振腔体馈入电磁波，所述第一耦合端口和所述第二耦合端口均位于圆柱谐振腔体的上表面外层，分别布设在溶液管的两侧，所述第一耦合端口、所述第二耦合端口与所述溶液管的圆心共线；
金属实心柱体：用于增强溶液管附近电场，通过抽拉式插入谐振腔体中，所述金属实心柱体以溶液管和第一耦合端口、第二耦合端口的圆心所在直线为中心线，左右对称布设在所述溶液管两侧。
优选地，在所述溶液管两侧对称布置金属实心柱体的个数均不大于3个。
优选地，相邻金属实心柱体的最小距离为0.5mm-1mm。
优选地，所述溶液管与其相邻金属实心柱体的最小距离为0.5mm- 0.9mm。
优选地，所述金属实心柱体的高度与所述谐振腔体的高度一致。
优选地，所述金属实心柱体的半径为0.5mm-0.8mm，当谐振腔体的半径越大时，所述金属实心柱体的半径越大。
优选地，所述金属实心柱体和所述谐振腔体采用同一种金属导电材料，所述溶液管采用聚四氟乙烯树脂材料。
优选地，所述第一耦合端口和所述第二耦合端口为SMA端口。
本发明还提供一种溶液浓度变化的测量方法，利用上述的微波圆柱谐振腔装置进行溶液浓度变化测量，包括：
所述溶液管连接待测溶液的进出装置；
当所述溶液管完全充满所述待测溶液时，对第一耦合端口和第二耦合端口连接外部电路并通电；
利用微扰原理检测所述待测溶液引起的微波谐振腔中谐振频率的偏移值，确定待测溶液浓度变化。
优选地，所述利用微扰原理检测待测溶液引起的微波谐振腔中谐振频率的偏移值，确定待测溶液浓度变化为：
式中，ω0是原始微波谐振腔的谐振频率，ω是微扰后微波谐振腔的谐振频率，是原始微波谐振腔的场，/>是微扰后微波谐振的场，ε、μ是原始微波谐振腔内的介电常数和磁导率，△ε、△μ是微扰带来的部分介电常数和磁导率的改变量，V1表示流过微波谐振腔中的溶液体积，V2表示微波谐振腔的体积。
本发明提出的一种微波圆柱谐振腔装置，包括溶液管、第一耦合端口和第二耦合端口和金属实心柱体，在进行溶液浓度变化测量，根据微扰原理通过谐振频率的变化来表示溶液浓度的变化，当溶液浓度变化时会导致介电常数发生改变变化，根据微扰原理的计算公式，可以知道谐振频率变化受制于电场强度的影响，当电场较小的时候，谐振频率变化较小，只有提高电场才能使谐振频率变化明显，检测谐振频率的变化程度即代表了检测的灵敏度，本发明利用插入的金属实心柱体使得微波谐振腔体中心区域即溶液管位置处，让电场更多的束缚在溶液周围，增强溶液附近的电场强度，同时金属实心柱体以溶液管和第一耦合端口、第二耦合端口的圆心所在直线为中心线，左右对称布设在所述溶液管两侧，以保证电场的均匀强化，加强了电场与待测溶液的相互作用，从而提高了检测灵敏度，保证在浓度变化很小时，仍具有较高的检测灵敏度，同时金属实心柱体通过抽拉式插入谐振腔体中，结构灵活易实施。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明所提供的一种微波谐振腔装置的一种具体实施例的三维立体结构图；
图2为本发明所提供的一种微波谐振腔装置的一种具体实施例的正视结构图；
图3为本发明所提供的一种微波谐振腔装置的一种具体实施例的俯视结构图；
图4为本发明所提供的一种微波谐振腔装置的一种具体实施例中各个结构参数的示例图；
图5为本发明实施例试验1中1个金属实心圆柱体布设在溶液管单侧的结构示例图；
图6为本发明实施例试验1中采用1个金属实心圆柱体布设在溶液管单侧结构装置进行检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11变化曲线图；
图7为本发明实施例试验1中采用1个金属实心圆柱体布设在溶液管单侧结构装置进行检测时的得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11谐振点变化曲线图；
图8为本发明实施例试验1中采用1个金属实心圆柱体布设在溶液管单侧结构装置进行检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21变化曲线图；
图9为本发明实施例试验1中采用1个金属实心圆柱体布设在溶液管单侧结构装置进行检测时的得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21谐振点变化曲线图；
图10为本发明实施例试验1和试验2中金属实心柱体左右各一个布设在溶液管两侧的结构示例图；
图11为本发明实施例试验1和试验2中采用金属实心柱体左右各一个布设在溶液管两侧结构装置进行检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11变化曲线图；
图12为本发明实施例试验1和试验2中采用金属实心柱体左右各一个布设在溶液管两侧结构装置进行检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11谐振点变化曲线图；
图13为本发明实施例试验1和试验2中采用金属实心柱体左右各一个布设在溶液管两侧结构装置进行检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21变化曲线图；
图14为本发明实施例试验1和试验2中采用金属实心柱体左右各一个布设在溶液管两侧结构装置进行检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21谐振点变化曲线图；
图15为本发明实施例试验2中金属实心柱体左右各两个布设在溶液管两侧的结构示例图；
图16为本发明实施例试验2中采用属实心柱体左右各两个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11变化曲线图；
图17为本发明实施例试验2中采用属实心柱体左右各两个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11谐振点变化曲线图；
图18为本发明实施例试验2中采用属实心柱体左右各两个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21变化曲线图；
图19为本发明实施例试验2中采用属实心柱体左右各两个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21谐振点变化曲线图；
图20为本发明实施例试验2中金属实心柱体左右各三个布设在溶液管两侧的结构示例图；
图21为本发明实施例试验2中采用金属实心柱体左右各三个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11 变化曲线图；
图22为本发明实施例试验2中采用金属实心柱体左右各三个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S11 谐振点变化曲线图；
图23为本发明实施例试验2中采用金属实心柱体左右各三个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21 变化曲线图；
图24为本发明实施例试验2中采用金属实心柱体左右各三个布设在溶液管两侧的结构装置检测时得到的不同浓度葡萄糖溶液的S21 谐振点变化曲线图；
图25为本发明实施例试验3中金属实心柱体与溶液管之间不同圆心距和S11曲线测量灵敏度的关系图；
图26为本发明实施例试验3中金属实心柱体与溶液管之间不同圆心距和S21曲线测量灵敏度的关系图；
图27为本发明实施例试验4中不同金属实心柱体高度与S11曲线测量灵敏度的关系图；
图28为本发明实施例试验4中不同金属实心柱体高度与S21曲线测量灵敏度的关系图；
图29为本发明实施例试验5中不同金属实心柱体半径与S11曲线测量灵敏度的关系图；
图30为本发明实施例试验5中不同金属实心柱体半径与S21曲线测量灵敏度的关系图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种用于溶液浓度变化检测的微波谐振腔装置及测量方法。利用金属实心圆柱使得溶液管位置处的电场强度增强，并且将金属实心圆柱对称布置在溶液管两侧，保证了电场的均匀强化，以提高检测灵敏度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的用于溶液浓度检测的微波圆柱谐振腔装置的一种具体实施例的三维立体结构图，本实施例提供的是一种微波圆柱谐振腔装置，具体包括：
溶液管：用来装载待测溶液，该溶液管的轴线与微波圆柱谐振腔体的轴线一致；该溶液管为一个圆环空心圆柱，贯穿整个微波谐振腔；在进行溶液浓度变化检测时，该圆环空心圆柱上下可连接一个导管，实现溶液的流进和流出；
第一耦合端口(端口1)和第二耦合端口(端口2)：用于使圆柱谐振腔和外部电路耦合，两个耦合端口均位于圆柱谐振腔的上表面，分别布设在溶液管的两侧，并且第一耦合端口、第二耦合端口与溶液管的圆心共线；本实施例采用馈入电磁波的端口均为SMA端口(端口1和端口2)；
金属实心柱体：用于增强溶液管附近电场，通过抽拉式插入圆柱谐振腔体中，该金属实心圆柱以溶液管和第一耦合端口、第二耦合端口的圆心所在直线为中心线，左右对称布设在溶液管两侧；本实施例中插入的金属实心柱体为圆柱体，作为其他实施方式，也可采用其他类型棱柱，金属实心圆柱由于其对称性，使得电场可以更均匀束缚在溶液管周围，相比其他形状其对电场束缚效果更好。
参考图2和图3，图2和图3分别展示了本实施例中微波圆柱谐振腔装置的正视图和俯视图，从图2和图3中的俯视图也可以看到，两个耦合端口圆心与溶液管圆心处于同一直线，溶液管圆心与所有金属实心圆柱的圆心处于同一直线，这两条直线相互垂直交于溶液管圆心处。利用金属实心圆柱使得圆柱谐振腔体中心区域即溶液管位置处的电场强度得到增强，同时通过对称布置，保证电场的均匀强化，加强电场与待测溶液的相互作用，以提高检测灵敏度，保证在浓度变化很小时，仍具有较高的灵敏度。
本实施例中，溶液管由聚四氟乙烯树脂材料制成，这种材料对微波的损耗低，更有利与溶液浓度变化的检测。圆柱谐振腔体及金属实心圆柱的材质为同一种金属导电材料。待测溶液从溶液管的上端(即圆柱谐振腔的上表面)流进，只需少量溶液就能实现浓度测量。
请参考图4，图4展示了本实施例提供的微波圆柱谐振腔体中各个结构参数的具体含义，R表示金属实心柱体的半径，L1表示相邻金属实心柱体间的最小距离，L2表示溶液管与其相邻金属实心柱体的最小距离。
本实施例中，溶液管左右两侧各布置两个金属实心柱体；作为其他实施方式，考虑到检测的灵敏度，左右两侧金属实心柱体的个数可以为1-3个；提供的金属实心柱体的半径R为0.5mm，金属实心柱体的高度与圆柱谐振腔体的高度一致，作为其他实施方式，金属实心柱体的半径和高度受圆柱谐振腔体半径与高度的影响，金属实心柱体的半径R为0.5mm-0.8mm，当圆柱谐振腔体的半径越大时，金属实心柱体的半径越大；溶液管距离左右相邻金属实心柱体的最小距离L2为 0.5mm-0.9mm，当圆柱谐振腔体的半径越大时，距离越远；当左右两侧金属实心柱体的个数为2-3个时，相邻金属实心柱体的最小距离L1 为0.5mm-1mm，当实心柱体距离越小时，可以更好地将电场束缚在溶液管附近。
以溶液管为对称中心，放置在腔体内部的金属实心柱体使得腔体中心区域(即溶液管所在位置)的电场强度得到增强，加强了电场和待测溶液之间的相互作用，由此实现高灵敏度下的溶液浓度检测。同时金属实心柱体是通过抽拉方式插入谐振腔体中，结构灵活容易实施。
测量溶液浓度的理论基础是微波圆柱谐振腔的介质微扰原理，下式为由微扰引起的谐振频率改变的公式：
式中，ω0是原始腔的谐振频率，ω是微扰后腔体的谐振频率， 是原始腔的场，/>是微扰后的场，ε、μ是原始腔体内的介电常数和磁导率，△ε、△μ是微扰带来的部分介电常数和磁导率的改变量， B1表示流过微波谐振腔中的溶液体积，B2表示微波谐振腔的体积。但通常，由于很难得知微扰后腔体内的精确场分布，因此用原始场近似代替微扰后的场以方便使用。此时，将公式简化为：
当溶液的浓度变化时，其所对应的介电常数ε也发生变化，由上式可知腔体的谐振频率在μ点会发生偏移，溶液浓度的检测即通过测定频率偏移值来实现。
参考上述公式，可以看到，为了检测出谐振频率的变化，在介电常数的变化时，决定检测灵敏度的便是介电常数的系数，也就是电场的强度，当电场的强度越强时，越能检测到谐振频率的变化，也就是说随着电场强度的增强，微波谐振腔的检测灵敏度越高。
为了进一步验证本发明提出的圆柱谐振腔在低浓度溶液上的检测灵敏度，同时验证金属实心圆柱的不同参数对灵敏度的影响，本实施例在谐振腔的TMnml单模模式下进行测量，该模式下的工作频率由下式求得：
式中，下标n、m、l分别表示场分量沿圆周、半径、腔长度方向分布的驻波数，a为腔体的半径，d为腔体的长度，pnm是n阶贝塞尔函数的第m个根值，μr和εr分别是腔体内填充材料的相对磁导率和相对介电常数，c0表示真空中的光速。
本实施例验证试验中，计谐振腔体的半径为10mm，腔体长度为 20mm，壁厚为1mm，结合上式可计算出单模模式下TM010的谐振频率值约为13.7GHz。通过下述几个试验对本发明实施例提出的微波谐振腔装置在检测溶液浓度变化的灵敏度方面进行阐述。
试验1、金属实心柱体的布设对检测灵敏度的影响；
请参考图5，图5中将金属实心柱体布设在溶液管一侧，然后对不同浓度的葡萄糖溶液进行检测，其中金属实心柱体的为0.5mm，高度为20mm，金属实心柱体距离溶液管的最小距离为0.5mm。经检测得到不同浓度葡萄糖溶液S11和S12曲线，如图6-图9所示，图6和图8中分别展示了S11和S21曲线随着葡萄糖溶液浓度改变的变化情况，图7和图9分别展示了不同溶液浓度与S11和S21曲线谐振频率点的对应情况；可以看出，随着着葡萄糖溶液浓度的提高，谐振频率点的变化呈现线性增长的趋势，且对于S11曲线其测量灵敏度平均达到17.86MHz/(1000mg/dL)，对于S21曲线其测量灵敏度平均达到 15.76MHz/(1000mg/dL)；
请参考图10，图10中将金属实心柱体左右各一个布设在溶液管两侧，然后对不同浓度的葡萄糖溶液进行检测，其中金属实心柱体的半径为0.5mm，高度为20mm，金属实心柱体距离溶液管的最小距离为0.5mm。经检测得到不同浓度葡萄糖溶液S11和S12曲线，如图11- 图14所示，图11和图13中分别展示了S11和S21曲线随着葡萄糖溶液浓度改变的变化情况，图12和图14分别展示了不同溶液浓度与 S11和S21曲线谐振频率点的对应情况；对于S11曲线其测量灵敏度平均达到41.24MHz/(1000mg/dL)，对于S21曲线其测量灵敏度平均达到35MHz/(1000mg/dL)。
对比这两组数据，可以看出，对称布设金属实心柱体在测量灵敏度上是单侧布设的2倍多，有效说明了本发明采用对称布置在提高装置灵敏度中的重要性。采用对称布置金属实心圆柱的方式，使电场均匀束缚在溶液管附近。
试验2、金属实心柱体个数对灵敏度的影响；
通过在溶液管左右各布设一个、两个、三个(请参考图10、图15、图20)进行对比，其中金属实心柱体的半径为0.5mm，高度为20mm，金属实心柱体距离溶液管的最小距离为0.5mm，相邻实心柱体的最小距离为0.6mm。针对这三种布设方式对不同浓度的葡萄糖溶液进行检测。
当左右各布设一个时，检测得到不同浓度葡萄糖溶液S11和S12 曲线，如图11-图14所示，图11和图14分别展示了S11和S21曲线随着葡萄糖溶液浓度改变的变化情况，图12和图14分别展示了不同溶液浓度与S11和S21曲线谐振频率点的对应情况；对于S11曲线其测量灵敏度平均达到41.24MHz/(1000mg/dL)，对于S21曲线其测量灵敏度平均达到35MHz/(1000mg/dL)。
当左右各布设两个时，检测得到不同浓度葡萄糖溶液S11和S12 曲线，如图16-图19所示，图16和图18分别展示了S11和S21曲线随着葡萄糖溶液浓度改变的变化情况，图17和图19分别展示了不同溶液浓度与S11和S21曲线谐振频率点的对应情况；对于S11曲线其测量灵敏度平均达到57.5MHz/(1000mg/dL)，对于S21曲线其测量灵敏度平均达到48.74MHz/(1000mg/dL)。
当左右各布设三个时，检测得到不同浓度葡萄糖溶液S11和S12 曲线，如图21-图24所示，图21和图23分别展示了S11和S21曲线随着葡萄糖溶液浓度改变的变化情况，图22和图24分别展示了不同溶液浓度与S11和S21曲线谐振频率点的对应情况；对于S11曲线其测量灵敏度平均达到61.26MHz/(1000mg/dL)，对于S21曲线其测量灵敏度平均达到55MHz/(1000mg/dL)。
从中可以看出当布设个数越多时，其检测灵敏度越高，左右各3 个时灵敏度最好，但此时S曲线过于平缓、影响测量的准确性。因此认为左右各2个的情形为最优状态。布设个数可以根据检测中所需的灵敏度来设置，也就浓度变化程度。
试验3、金属实心柱体与溶液管距离对灵敏度的影响；
本实施例试验以在溶液管左右各布设两个金属实心柱体为前提下，金属实心柱体的半径为0.5mm，高度为20mm，相邻实心柱体的最小距离为0.6mm，金属实心柱体距离溶液管的最小距离设置为 0.5mm-2.5mm，以每0.4mm递增。
通过检测得到实心柱体与溶液管之间不同距离和S11曲线、S21 曲线测量灵敏度的关系，如图25和图26所示，可以看出在0.5mm处的灵敏度最高，同时在S11曲线上当距离为0.9mm时，灵敏度为30 MHz/(1000mg/dL)，之后趋于平缓，直至更低；在S21曲线上当距离为0.9mm时灵敏度为43MHz/(1000mg/dL)，因此综合考虑在圆柱谐振腔体的半径为100mm时，金属实心柱体与溶液管的最小距离为0.5mm。
试验4、金属实心柱体高度对灵敏度的影响；
本实施例试验以在溶液管左右各布设两个金属实心柱体为前提下，金属实心柱体的半径为0.5mm，相邻实心柱体的最小距离为0.6mm，金属实心柱体距离溶液管的最小距离设置为0.5mm，金属实心柱体的高度为4-20mm，以每4mm递增进行测验。
通过检测得到不同金属实心柱体高度与S11曲线、S21曲线测量灵敏度的关系，如图27-图28所示。可以看出当金属实心柱体的高度为20mm，也就是与微波圆柱谐振腔体的高度一致时，其检测灵敏度最高。
试验5、金属实心圆柱半径对灵敏度影响；
本实施例试验以在溶液管左右各布设两个金属实心柱体为前提下，金属实心柱体的高度为20mm，相邻实心柱体的最小距离为0.6mm，金属实心柱体距离溶液管的最小距离设置为0.5mm，金属实心柱体的半径设置为0.5-0.8mm，以每0.1mm递增进行测验。
通过测验得到不同金属实心柱体半径与S11曲线、S21曲线测量灵敏度的关系，如图29和图30所示。可以看出在金属实心柱体的半径设置在0.5-0.8mm之间时，其整体S11曲线测量灵敏度均在50 MHz/(1000mg/dL)以上，在0.5-0.7mm时呈上升趋势，在0.7-0.8mm时呈下降趋势；整体S21曲线测量灵敏度均在45MHz/(1000mg/dL)以上，在0.5-0.8mm呈上升趋势，因此将金属实心柱体的半径设置为0.5- 0.8mm之间，其检测灵敏度基本均可以满足要求，若是检测中，溶液浓度过低，对灵敏度的要求过高时，可以选择半径更大的金属实心柱体。
本发明还提出一种溶液浓度变化的测量方法，利用如上所述的微波谐振腔装置进行溶液浓度变化测量，包括：
溶液管连接待测溶液的进出装置；
当溶液管完全充满所述待测溶液时，对第一耦合端口和第二耦合端口连接外部电路并通电；以向谐振腔体馈入电磁波；
利用微扰原理检测所述待测溶液引起的微波谐振腔中谐振频率的偏移值，确定待测溶液浓度变化。
本实施例在经典微波圆柱谐振腔结构的基础上引入了金属实心柱体部件，以此装置来检测溶液浓度的变化，测量灵敏度较高，检测结果较准确。引入的金属实心柱体可采用抽拉的方式，将其插入圆柱谐振腔中，结构灵活易实施。该发明在保证测量灵敏度较高的前提下，装置尺寸制作的小，使得仅需微量溶液即可进行检测，避免了溶液的浪费，溶液进样也方式简单。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种微波谐振腔装置及溶液浓度变化的测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微波谐振腔装置，其特征在于，包括：
溶液管：用于装载待测溶液，所述溶液管为一个贯穿谐振腔体的圆环空心圆柱，并与谐振腔体同轴；
第一耦合端口和第二耦合端口：用于使谐振腔体和外部电路耦合向谐振腔体馈入电磁波，所述第一耦合端口和所述第二耦合端口均位于圆柱谐振腔体的上表面外层，分别布设在溶液管的两侧，第一耦合端口的圆心、第二耦合端口的圆心与溶液管的圆心共线；
金属实心柱体：用于增强溶液管附近电场，通过抽拉式插入谐振腔体中，所述金属实心柱体以溶液管的圆心和第一耦合端口的圆心、第二耦合端口的圆心所在直线为中心线，左右对称布设在所述溶液管两侧。
2.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，在所述溶液管两侧对称布置金属实心柱体的个数均不大于3个。
3.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，相邻金属实心柱体的最小距离为0.5mm-1mm。
4.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，所述溶液管与其相邻金属实心柱体的最小距离为0.5mm-0.9mm。
5.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，所述金属实心柱体的高度与所述谐振腔体的高度一致。
6.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，所述金属实心柱体的半径为0.5mm-0.8mm，当所述谐振腔体的半径越大时，所述金属实心柱体的半径越大。
7.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，所述金属实心柱体和所述谐振腔体采用同一种金属导电材料，所述溶液管采用聚四氟乙烯树脂材料。
8.根据权利要求1所述的微波谐振腔装置，其特征在于，所述第一耦合端口和所述第二耦合端口为SMA端口。
9.一种利用上述权利要求1-8任一项所述的微波谐振腔装置对溶液浓度变化的测量方法，其特征在于，包括：
所述溶液管连接待测溶液的进出装置；
当所述溶液管完全充满所述待测溶液时，对第一耦合端口和第二耦合端口连接外部电路并通电；
利用微扰原理检测所述待测溶液引起的微波谐振腔中谐振频率的偏移值，确定待测溶液浓度变化。
10.根据权利要求9所述的溶液浓度变化的测量方法，其特征在于，所述利用微扰原理检测待测溶液引起的微波谐振腔中谐振频率的偏移值，确定待测溶液浓度变化为：
式中，ω0是原始微波谐振腔的谐振频率，ω是微扰后微波谐振腔的谐振频率，分别是原始微波谐振腔内的电场和磁场，/>分别是微扰后微波谐振腔内的电场和磁场，ε、μ分别是原始微波谐振腔内的介电常数和磁导率，△ε、△μ分别是微扰给腔内带来的相较于原始微波谐振腔内的介电常数ε和磁导率μ产生的介电常数改变量和磁导率改变量，V1表示流过微波谐振腔中的溶液体积，V2表示微波谐振腔的体积。/>
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