CN203732632U - 电介物质介电系数微波测量探头及由其构成的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电介物质介电系数微波测量探头及由其构成的测量装置，所述电介物质介电系数微波测量探头包括同轴结构的外导体、内导体及位于内外导体之间的绝缘介质，探头插入待测介电系数物质的测试终端为斜切口结构，另一端设计有使探头接入测量系统的同轴接口。所述物质介电系数微波测量装置，包括以上所述结构的探头和盛装待测介电系数物质的密闭金属容器，所述密闭金属容器由容器罐体和容器罐盖构成，容器罐盖上设计有与探头外导体外柱面相匹配的插入孔。采用由本实用新型构成的微波测量系统测量物质介电系数，解决了现有技术微波测量装置测量物质介电系数精度不高，难以满足宽带在线测量要求的等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波频率下电介质物质介电系数的测量技术，更为具体地说，是涉及一种用于以微波测量电介质物质介电系数的探头，以及由其构成的物质介电系数微波测量装置。
背景技术
物质介电特性的测量在微波工程、微波物质处理过程、微波化学及生物医学工程中都有着非常重要的作用。人们通过测量物质的介电系数了解物质的介电特性，由此，产生了多种微波测量方法用于物质介电系数的测量。
在测量方法中，非谐振法相对简单。在非谐振法中，基于同轴线的传输-反射法在宽带测量中得到了广泛的应用，而且对从高损耗到低损耗的物质的介电系数的测量都达到了较高的精度。
在一些微波化学反应中，因为反应物是复杂的混合物，且随时间变化，通常用等效介电系数描述反应中分子极化特性。通过测量介电系数推知反应进行的情况，但介电系数随微波频率、温度及反应时间改变而改变。因而，需要由在线测量装置来反演反应物的介电系数。但是，在多数情况下，如果采用传统的测量和反演方法，反应物的介电系数难以实现在线测量。近来在微波技术中，人工神经网络计算模型作为一种非传统的有效方法已逐渐得到人们的认可，采用人工神经网络计算模型反演反应物的介电系数成为可能。目前采用人工神经网络计算模型反演反应物的介电系数，是直接用探头与待测介电系数的物质直接接触进行微波测量。微波测量所使用的探头为由外导体、内导体和位于它们之间的绝缘体构成的同轴探头，其测试终端通常为平端面，有的为内导体外凸的平端面，或为内导体内缩的平端面。现有技术使用的微波测量同轴探头存在的不足，一是同轴探头不便于插入到待测介电系数物质内，二是没有考虑同轴探头测试端面与待测介电系数物质的接触面积对介电系数测量灵敏度的影响，致使现有技术通过人工神经网络计算模型反演反应物的介电系数的精度还不够高，还难以满足电介物质介电系数测量精度的要求。
实用新型内容
针对现有电介物质介电系数微波测量的技术现状，本实用新型的目的旨在提供一种新结构的电介物质介电系数微波测量探头及由其构成的微波测量装置，以克服现有技术的存在的测量精度不高、难以满足宽带在线测量要求的等问题。
本实用新型提供的电介物质介电系数微波测量探头，包括同轴结构的外导体、内导体及位于内外导体之间的绝缘介质，探头插入待测介电系数物质的测试终端为斜切口结构，另一端设计有使探头接入测量系统的同轴接口。
为了更好的解决本实用新型所要解决的技术问题，本实用新型还可进一步采取以下技术措施。下述各项技术措施可单独采取，也可组合采取，甚至一并采取。
在本实用新型的上述技术方案中，所述绝缘介质可以为空气，也可以为固体绝缘介质；优选固体绝缘介质；进一步优选聚四氟乙烯。
在本实用新型的上述技术方案中，所述探头测试终端斜切口的斜切角一般在20°～60°的范围；所述外导体的外柱面优先考虑由不同直径柱面构成的阶梯结构柱面；所述使探头接入测量系统的同轴接口最好采用标准的“N”型接口。
由上述电介物质介电系数微波测量探头构成的物质介电系数微波测量装置，包括所述结构的探头和盛装待测介电系数物质的密闭金属容器，所述密闭金属容器由容器罐体和容器罐盖构成，容器罐盖上设计有与探头外导体外柱面相匹配的插入孔。
在上述物质介电系数测量装置中，所述插入孔最好位于容器罐盖的中央；位于容器罐盖中央的插入孔直径最好介于探头外导体构成阶梯柱面的两外径之间，以保证测试时探头只能插入半径较小的部分，而半径较大的部分不能插入，探头插入的深度保持不变；所述容器罐体和容器罐盖最好采用螺纹盖配联接，以便于容器罐盖和容器罐体之间拆装。当然也可采用其他联接结构，如止口联接结构。
采用本实用新型提供的介电系数微波测量装置测量物质介电系数，先将介电系数微波测量装置接入介电系数微波测量系统，将待测液体或粉状物质装入测量装置的金属容器中，待测物质装至充满金属容器罐体后旋紧罐盖，将连接好的斜切口同轴探头通过罐盖上的插入孔插入装满待测物的容器中，由探头导入的微波辐射金属容器内待测物质，通过测量金属容器的反射系数S11的幅度和相位值测量待测物质介电系数。利用数值计算方法，采用有限时域差分计算不同待测介质介电系数引起的反射系数S11幅值和相位的变化，构成BP神经网络的训练样本，利用BP神经网络对仿真计算产生的样本进行训练，通过选择适当的训练函数等参数，训练神经网络，当网络误差范围小于预设值时就停止训练，存储网络结构，实测几种校准物质的反射系数S11的幅度和相位值，校准测量与仿真计算值之间的误差，将校准后测量所得的反射系数S11的幅度和相位值作为输入值赋给训练好的神经网络，神经网络输出物质的介电系数，完成待测物质介电系数的测量。
采用由本实用新型的介电系数微波测量装置构成的测量系统进行电介物质介电系数测量，方法十分简单，测量不需导出测量值与所求值之间的公式，可利用神经网络对微波测量装置的测量数据进行反演，直接得到待测物的介电系数及相关参数，测试具有实时、准确的特点。本实用新型提出的介电系数微波测量装置，适用于固体粉末、液体及气体介电系数的测量，尤其适用于化学反应溶液介电系数微波测量，解决了现有技术的化学反应溶液介电系数测量技术存在的诸多问题。
本实用新型是基于非谐振法中的同轴线传输-反射法测量物质的介电系数，利用设计的同轴探头插入装有待测物质的金属容器，测得反射系数进而反演物质的介电系数。该装置能在较宽的频带范围内取得较高的测量精度，样品的准备过程简单，测试易于实现。
附图说明
附图1是本实用新型的介电系数微波测量探头沿插入方向剖视结构示意图。
附图2是本实用新型的介电系数微波测量装置探头及金属容器外观结构示意图。
附图3是本实用新型的介电系数微波测量装置使用状态的示意图。
在上述附图中，各图示标号标识的对象分别为：1-空气；2-内导体；3-绝缘介质；4-外导体；5-探头；6-容器罐盖；7-容器罐体。
具体实施方式
下面通过实验实施例对本实用新型进行具体描述，有必要在此指出的是，实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整。
微波测量装置实施例
实施例1
本实施例的介电系数微波测量装置，其结构如附图1、2所示，包括斜切口同轴探头5及盛装待测介电系数物质的密闭金属容器。所述斜切口同轴探头包括外导体4、位于外导体圆柱形管腔内的圆柱形内导体2及位于内与外导体间的绝缘介质3，探头的测试终端为斜切口结构，斜切口的斜切角约为30°，另一端为使本测量装置接入测量系统的标准同轴N型接口。所述外导体的外柱面为两个不同直径的柱面构成的阶梯柱面，外导体在轴向分为直圆柱传输段和斜切口测量段。位于内与外导体间的所述绝缘介质为聚四氟乙烯，内导体通过聚四氟乙烯绝缘介质层同轴安置在外导体圆柱形管腔内。所述密闭金属容器由容器罐体7和容器罐盖6构成，容器罐盖与容器罐体通过螺纹结构盖配，容器罐盖中央设计有与同轴探头外导体相匹配的插入孔，插入孔的直径介于同轴探头外导体两直径之间。
实施例2
本实施例的介电系数微波测量装置，其结构也如附图1、2所示，与实施例1中的介电系数微波测量装置的结构基本相同，所不同的地方是同轴探头测试终端的斜切口斜切角约为30°，容器罐盖与容器罐体盖配结构为卡扣结构。
介电系数测试实施例
测试之前，通过仿真计算得到大量的训练样本，以反射系数S11幅度值为输入，介电系数的实部与虚部为输出训练神经网络，训练结束后存储网络。
微波辐射下物质介电特性的测量是通过如下测试过程完成的，首先按照附图3搭建好测试系统。
测试例1
将待测物质乙二醇装入金属容器中，旋上罐盖，再将斜切口同轴探头接入介电系数微波测量装置插入金属容器中。读取频率为2.45GHz条件下反射系数S11的幅度和相位值，校准实测的反射系数S11的幅度和相位值，将校准后反射系数S11的幅度和相位值输入已经训练好的神经网络，由输出数据得到待测物质介电系数的实部与虚部，测试结果如表1所示。
测试例2
将待测物质甲酸装入金属容器中，旋上罐盖，再将斜切口同轴探头接入介电系数微波测量装置插入金属容器中。读取频率为2.45GHz条件下反射系数S11的幅度和相位值，校准实测的反射系数S11的幅度和相位值，将校准后反射系数S11的幅度和相位值输入已经训练好的神经网络，由输出数据得到待测物质介电系数的实部与虚部，测试结果如表1所示。
表1频率为2.45GHz、20℃时物质等效介电系数的测量结果
经过上述测量及反演计算过程就可得到待测物质的介电系数。
Claims (10)
1.一种电介物质介电系数微波测量探头，包括同轴结构的外导体（4）、内导体（2）及位于内外导体之间的绝缘介质（3），其特征在于，探头插入待测介电系数物质的测试终端为斜切口结构，另一端设计有使探头接入测量系统的同轴接口。
2.根据权利要求1所述的电介物质介电系数微波测量探头，其特征在于，所述绝缘介质为空气或固体绝缘介质。
3.根据权利要求2所述的电介物质介电系数微波测量探头，其特征在于，所述绝缘介质为聚四氟乙烯。
4.根据权利要求1或2或3所述的电介物质介电系数微波测量探头，其特征在于，所述斜切口的斜切角为20°～60°。
5.根据权利要求4所述的电介物质介电系数微波测量探头，其特征在于，所述外导体的外柱面为由不同直径柱面构成的阶梯结构。
6.根据权利要求5所述的电介物质介电系数微波测量探头，其特征在于，所述使探头接入测量系统的同轴接口为标准的“N”型接口。
7.权利要求1至6之一所述电介物质介电系数微波测量探头构成的测量装置，其特征在于，包括所述探头（5）和盛装待测介电系数物质的密闭金属容器，所述密闭金属容器由容器罐体（7）和容器罐盖（6）构成，容器罐盖上设计有与探头外导体相匹配的插入孔。
8.权利要求7所述用于物质介电系数微波测量装置，其特征在于，所述插入孔位于容器罐盖的中央。
9.权利要求8所述用于微波测量电介物质介电系数测量装置，其特征在于，位于容器罐盖中央的插入孔直径介于探头外导体构成阶梯外柱面的两外径之间。
10.权利要求7或8或9所述用于微波测量物质介电系数测量装置，其特征在于，所述容器罐体和容器罐盖通过螺纹盖配联接。
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