CN220207750U - 基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置，属于无损检测领域，在电容器上下极板间放置待测样品，通过螺纹导轨的转动带动电容器下极板和空气耦合超声换能器接收端左右移动，双通道信号发生器的一个通道发出的连续正弦波信号连接空气耦合超声换能器发射端，另一个通道发出相同的连续正弦波信号接入数字示波器的一个通道，数字示波器的另一个通道接入空气耦合超声换能器接收端，使得螺纹导轨转动过程中显示对应的李萨如图像，根据李萨如图像的变化特征，利用电容测量仪测量上下极板间的电容变化量，可以根据电容变化量得到待测样品的介质常数。该装置结构简单，易于操作，测量范围广、现象稳定且易于观测。
Description
技术领域
本申请涉及无损检测技术领域，特别涉及一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置。
背景技术
介电常数是反映电介质在电场中极化性质的重要参数。对于电介质介电常数的研究对于材料学与电子学等行业有着重要的意义。介电常数的测量在生产生活中也有着重要的作用，如应用介电常数法测量土壤中的含水量、测量介质的绝缘性能、蔬菜水果的新鲜程度等。传统测量介电常数的方法有谐振腔法和反射法等，这些方法对于测量装置的精度要求较高，操作较为复杂，且对于不同范围介电常数的测量具有一定的局限性。
实用新型内容
本申请提供一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置，结构较为简单、易于操作，可以实现广范围的测量，且测量现象稳定、易于观测。
本申请提供一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置，包括：倒U型支架(1)、上极板调节旋钮(2)、电容器上极板(3)、电容器下极板(4)、螺纹导轨(5)、旋转螺母(6)、数字示波器(7)、电容测量仪(8)、空气耦合超声换能器发射端(9)、空气耦合超声换能器接收端(10)、双通道信号发生器(11)、第一立柱(12)、横杆(13)和第二立柱(14)；
所述电容器上极板(3)与所述电容器下极板(4)平行设置，待测样品设置于所述电容器上极板(3)和电容器下极板(4)之间，所述电容器上极板(3)与所述倒U型支架(1)上端伸缩连接，通过所述电容器上极板(3)的上极板调节旋钮(2)调节与所述电容器下极板(4)间的距离，以夹紧所述待测样品；
所述螺纹导轨(5)与所述倒U型支架(1)的两侧连接，所述螺纹导轨(5)的一端设置所述旋转螺母(6)，所述螺纹导轨(5)上设置有第一立柱(12)和第二立柱(14)，所述第一立柱(12)的底端连接所述空气耦合超声换能器发射端(9)，所述第一立柱(12)的顶端通过横杆(13)固定于所述倒U型支架(1)上，所述第二立柱(14)的底端连接所述空气耦合超声换能器接收端(10)，所述第二立柱(14)的顶端连接所述电容器下极板(4)，通过调节所述旋转螺母(6)带动所述螺纹导轨(5)转动的同时，所述电容器下极板(4)沿着所述螺纹导轨(5)前后移动，进而调整所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)的正对长度和正对宽度，改变所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)间的电容值；
所述双通道信号发生器(11)的第一发生器通道(S1)与所述空气耦合超声换能器发射端(9)相连，将第一发生器通道(S1)生成的连续正弦波信号接到所述空气耦合超声换能器发射端(9)上，利用所述空气耦合超声换能器发射端(9)将所述连续正弦波信号转换为超声波信号，并发射到所述空气耦合超声换能器接收端(10)，通过所述空气耦合超声换能器接收端(10)将超声波信号转换为电信号；
所述数字示波器(7)的第一示波器通道(CH1)与所述空气耦合超声换能器接收端(10)相连，第二示波器通道(CH2)与所述双通道信号发生器(11)的第二发生器通道(S2)相连，所述双通道信号发生器(11)的第二发生器通道(S2)发出与第一发生器通道(S1)相同的连续正弦波信号，所述数字示波器(7)根据所述连续正弦波信号和所述空气耦合超声换能器接收端(10)的电信号生成李萨如图像；
所述电容测量仪(8)的第一端口与所述电容器上极板(3)相连，第二端口与所述电容器下极板(4)相连，根据李萨如图像的变化特征记录所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)间的多个电容值，以通过多个电容值的变化计算介电常数。
在本申请中，所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)的材质包括铝和铜。
在本申请中，所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)的尺寸为20×15cm。
在本申请中，所述螺纹导轨(5)的长度为40cm-60cm。
本申请提出的基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置，具有测量范围广、现象稳定且易于观测，装置结构较为简单、直接测量量少，易于操作等特点。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请提供的一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置的结构示意图；
图2为根据本申请的数字示波器显示的李萨如图变化过程；
图3为根据本申请提供的电容器下极板平移示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
图1为根据本申请实施例提供的一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置的结构示意图。
如图1所示，该基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置包括：倒U型支架1、上极板调节旋钮2、电容器上极板3、电容器下极板4、螺纹导轨5、旋转螺母6、数字示波器7、电容测量仪8、空气耦合超声换能器发射端9、空气耦合超声换能器接收端10、双通道信号发生器11、第一立柱12、横杆13和第二立柱14。
电容器上极板3与电容器下极板4平行设置，待测样品设置于电容器上极板3和电容器下极板4之间，电容器上极板3与倒U型支架1上端伸缩连接，通过电容器上极板3的上极板调节旋钮2调节与电容器下极板4间的距离，以夹紧待测样品；
螺纹导轨5与倒U型支架1的两侧连接，螺纹导轨5的一端设置旋转螺母6，螺纹导轨5上设置有第一立柱12和第二立柱14，第一立柱12的底端连接空气耦合超声换能器发射端9，第一立柱12的顶端通过横杆13固定于倒U型支架1上，第二立柱14的底端连接空气耦合超声换能器接收端10，第二立柱14的顶端连接电容器下极板4，通过调节旋转螺母6带动螺纹导轨5转动的同时，电容器下极板4沿着螺纹导轨5前后移动，进而调整电容器上极板3和电容器下极板4的正对长度和正对宽度，改变电容器上极板3和电容器下极板4间的电容值；
双通道信号发生器11的第一发生器通道S1与空气耦合超声换能器发射端9相连，将第一发生器通道S1生成的连续正弦波信号接到空气耦合超声换能器发射端9上，利用空气耦合超声换能器发射端9将连续正弦波信号转换为超声波信号，并发射到空气耦合超声换能器接收端10，通过空气耦合超声换能器接收端10将超声波信号转换为电信号；
数字示波器7的第一示波器通道CH1与空气耦合超声换能器接收端10相连，第二示波器通道CH2与双通道信号发生器11的第二发生器通道S2相连，双通道信号发生器11的第二发生器通道S2发出与第一发生器通道S1相同的连续正弦波信号，数字示波器7根据连续正弦波信号和空气耦合超声换能器接收端10的电信号生成李萨如图像；
电容测量仪8的第一端口与电容器上极板3相连，第二端口与电容器下极板4相连，根据李萨如图像的变化特征记录电容器上极板3和电容器下极板4间的多个电容值，以通过多个电容值的变化计算介电常数。
介电常数测试仪是样品介电常数测量的主要平台，电容器上极板3和电容器下极板4由两块表面平整、长宽相同的金属制作，质包括铝和铜。
电容器下极板4通过第二立柱14与螺纹导轨5相连，当转动旋转螺母6时，螺纹导轨5转动并带动电容器下极板4向左或向右移动，空气耦合超声换能器发射端9固定在螺纹导轨5的最左端，不随螺纹导轨5转动而运动，并通过信号传输线与双通道信号发生器11的S1通道相连，双通道信号发生器的S1通道输出适合空气耦合超声换能器发射端9最佳工作频率的连续正弦波信号，空气耦合超声换能器发射端9把电信号转化为同频率的超声波发出，并通过空气传输到空气耦合超声换能器接收器端10上，空气耦合超声换能器接收器端10把接收到的超声波再转化成电信号并通过数字示波器7的CH1显示，S2通道输出与S1通道同频率的连续正弦波电信号，并通过信号传输线与数字示波器CH2相连，电容器上极板3、电容器下极板4间电容大小通过电容测量仪8测量。
在本申请中，电容器上极板3和电容器下极板4的尺寸为20×15cm。
在本申请中，螺纹导轨5的长度为40cm-60cm。
按上述过程安装好仪器后，把长度和宽度尺寸大于等于上、下极板的样品平放在上、下极板之间，上下极板长、宽对齐，且样品与上下极板对齐放置，通过调节旋钮2使样品与电容器上极板3和电容器下极板4正对紧密贴合在一起，则电容测量仪测量的电容器的电容为：
其中，x为两极板正对长度，h为两极板正对宽度，d为样品厚度，ε0为真空介电常数的数值，εr为相对介电常数。
通过信号发生器S1通道给超声换能器发射端施加最佳工作频率f的连续正弦波信号，并同时信号发生器S2通道输出与S1通道同频率的连续正弦波电信号，把数字示波器调成X-Y垂直合成模式，通过示波器可以观察到如图2所示的李萨如图像，转动旋转螺母6，使螺纹导轨5带动电容器下极板4和空气耦合超声换能器接收器端10向右缓慢移动，如图3所示。空气耦合超声换能器接收器端10接收到的超声波初相位将发生变化，以至于示波器CH1和CH2接受的电信号相位差随之发生变化，表现为示波器显示的李萨如图发生变化，如图2所示，图2的(a)为图2的(b)为/>图2的(c)为/>图2的(d)为/>图2的(e)为/>当相位差/>时，李萨如图如图2的(a)所示，记录下此时电容器的电容C1，继续缓慢转动旋转螺母6，观察李萨如图从图2的(a)经过图2的(b)直到变化到图2的(e)，此过程中相位差/>变化了π相位，空气耦合超声换能器接收器端10移动了半个波长，电容器下极板4也随之移动了半个波长，记录下此时电容器的电容C2，电容器电容的变化量为：
其中，λ为波长，d为两样品厚度，h为上极板和下极板的正对宽度，ε0为真空介电常数的数值，εr为相对介电常数。
再通过超声波波长、波速、频率的关系：
其中，λ为声波波长，f为声波频率，v为声波速度。
以及1个标准大气压下，声波在空气中的波速与温度的关系：
其中，v为声波波速，t为温度。
可得样品的介电常数为：
其中，ε为样品的介电常数，h为两极板正对宽度，d为样品厚度，f为空气耦合超声换能器发射端的最佳工作频率，t为温度，ε0为真空介电常数的数值。
为了减小测量误差，测量时可采用下极板每次移动n个半波长测量一次电容器的电容，可写成：
还可以向单方向多次测量电容C3、C4......，运用逐差法计算样品介电常数。
本申请实施例的基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置，具有测量范围广、现象稳定且易于观测，装置结构较为简单、直接测量量少，易于操作等特点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
Claims (4)
1.一种基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置，其特征在于，包括：
倒U型支架(1)、上极板调节旋钮(2)、电容器上极板(3)、电容器下极板(4)、螺纹导轨(5)、旋转螺母(6)、数字示波器(7)、电容测量仪(8)、空气耦合超声换能器发射端(9)、空气耦合超声换能器接收端(10)、双通道信号发生器(11)、第一立柱(12)、横杆(13)和第二立柱(14)；
所述电容器上极板(3)与所述电容器下极板(4)平行设置，待测样品设置于所述电容器上极板(3)和电容器下极板(4)之间，所述电容器上极板(3)与所述倒U型支架(1)上端伸缩连接，通过所述电容器上极板(3)的上极板调节旋钮(2)调节与所述电容器下极板(4)间的距离，以夹紧所述待测样品；
所述螺纹导轨(5)与所述倒U型支架(1)的两侧连接，所述螺纹导轨(5)的一端设置所述旋转螺母(6)，所述螺纹导轨(5)上设置有第一立柱(12)和第二立柱(14)，所述第一立柱(12)的底端连接所述空气耦合超声换能器发射端(9)，所述第一立柱(12)的顶端通过横杆(13)固定于所述倒U型支架(1)上，所述第二立柱(14)的底端连接所述空气耦合超声换能器接收端(10)，所述第二立柱(14)的顶端连接所述电容器下极板(4)，通过调节所述旋转螺母(6)带动所述螺纹导轨(5)转动的同时，所述电容器下极板(4)沿着所述螺纹导轨(5)前后移动，进而调整所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)的正对长度和正对宽度，改变所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)间的电容值；
所述双通道信号发生器(11)的第一发生器通道(S1)与所述空气耦合超声换能器发射端(9)相连，将第一发生器通道(S1)生成的连续正弦波信号接到所述空气耦合超声换能器发射端(9)上，利用所述空气耦合超声换能器发射端(9)将所述连续正弦波信号转换为超声波信号，并发射到所述空气耦合超声换能器接收端(10)，通过所述空气耦合超声换能器接收端(10)将超声波信号转换为电信号；
所述数字示波器(7)的第一示波器通道(CH1)与所述空气耦合超声换能器接收端(10)相连，第二示波器通道(CH2)与所述双通道信号发生器(11)的第二发生器通道(S2)相连，所述双通道信号发生器(11)的第二发生器通道(S2)发出与第一发生器通道(S1)相同的连续正弦波信号，所述数字示波器(7)根据所述连续正弦波信号和所述空气耦合超声换能器接收端(10)的电信号生成李萨如图像；
所述电容测量仪(8)的第一端口与所述电容器上极板(3)相连，第二端口与所述电容器下极板(4)相连，根据李萨如图像的变化特征记录所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)间的多个电容值，以通过多个电容值的变化计算介电常数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容器上极板(3)和电容器下极板(4)的材质包括铝和铜。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电容器上极板(3)和所述电容器下极板(4)的尺寸为20×15cm。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述螺纹导轨(5)的长度为40cm-60cm。
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|---|---|---|---|
| CN202321460982.3U CN220207750U (zh) | 2023-06-09 | 2023-06-09 | 基于空气耦合超声检测技术的介电常数测量装置 |
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