介电系数微波测量装置及其构成的介电系数微波测量系统

一、技术领域

本发明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装置，以及由其构成的介电系数 微波测量系统。

二、背景技术

物质的介电系数一直是物质与微波相互作用研究中的一个基础而重要的问 题。化学反应溶液的介电系数更是研究微波化学的重要参量，因此对化学反应溶 液的介电系数的测量与计算显得非常重要。传统的化学反应溶液介电系数的测量 方法，主要为谐振法和非谐振法。在非谐振法中，常常通过将测试探头与相关的 散射参量测试设备连接，构成一个测量系统，测试时将测量探头直接浸入待测化 学反应溶液中，然后通过测试设备读取散射参量，再由散射参量计算得到待测溶 液的介电系数。而多数化学反应溶液是具有腐蚀性的，因此探头经过多次测量使 用后，探头本身因腐蚀受损，探头的测量精度降低，使用寿命缩短，而且测量探 头材质还会与化学反应溶液发生电化学反应，进而影响测量精度。此外，化学反 应过程中溶液的介电系数会随着微波频率、反应温度及反应时间的变化而变化， 如果采用传统的谐振法进行测量，由于其测量频带较窄，难以满足宽带在线测量 的要求，不易适时跟踪反应中介电系数的变化过程。

鉴于现有化学反应溶液介电系数测量技术存在的问题，实践需要研究开发新 的化学反应溶液介电系数测量技术，以解决现有的化学反应溶液介电系数测量方 法存在的问题。

三、发明的任务

针对现有化学反应溶液介电系数测量技术存在的测量装置使用寿命短、测量 精度低、难以满足宽带在线测量要求的等问题，本发明第一个目的是提供一种能 适用于化学反应溶液介电系数微波测量的装置；本发明的第二个目的是提供一种 能适用于化学反应溶液介电系数微波测量的系统，以解决现有的化学反应溶液介 电系数测量技术存在的上述诸多问题。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的介电系数微波测量装置，其结构主 要包括

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，同轴结构在轴向分 为直圆柱测量段和两侧直径渐变收缩的阻抗匹配过渡段，阻抗匹配过渡段的端口 设计有使本装置接入测量系统的同轴接口，构成同轴测量段的外导体中间直圆柱 段设计有供盛装待测介电系数物质的试管插入的安装孔，内导体于试管插入处断 开，由同轴接口导入的微波辐射试管内待测物质得到其介电系数的测量信号。

为了更好的解决本发明所要解决的技术问题，本发明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。

在本发明的上述技术方案中，最好设计有调整介电系数微波测量边界条件的 调谐机构。所述调谐机构可优先考虑设计成由一对通过螺纹安装在外导体上的销 钉构成，通过调整销钉插入深度，改变介电系数微波测量的边界条件进行调谐。 进一步优先考虑的设计，使位于外导体上的所述销钉的轴线与所述试管安装孔的 轴线相垂直。

在本发明的上述技术方案中，外导体上供试管插入的安装孔，是垂直贯穿外 导体轴线的贯穿性的孔。实际测试过程中，插入安装孔内的试管通过固定结构固 定安装在安装孔内。固定结构的形式很多，如固定卡环、支撑架等。

在本发明的上述技术方案中，内、外导体之间的绝缘介质可以是空气，也可 以是固体绝缘介质，如聚四氟乙烯等。最好为固体绝缘介质，使内导体通过固体 绝缘介质定位设置在外导体腔体的中央。

在本发明的上述技术方案中，所述外导体优先考虑设计为组合结构，由直圆 柱段和与直圆柱段两端通过止口结构联接的两圆锥段构成。组合结构的外导体也 可设计成两段，一段为直圆柱段加圆锥段，另一段为完全圆锥段，或两段均由部 分直圆柱段加圆锥段构成。

在本发明的上述技术方案中，所述内导体优先考虑设计为组合结构，由两直 圆柱段和两圆锥段构成，两直圆柱段与其对应的圆锥段分别通过止口结构联接。 也可设计成两段，两段均为部分直圆柱段加圆锥段构成。所述内导体两直圆柱段 相对插入试管方向的断面最好为平面结构。

针对本发明的第二个目的，由上述本发明提供的介电系数微波测量装置构成 的介电系数微波测量系统，其构成主要包括微波信号源、环行器、双定向耦合器、 本发明特别设计的介电系数微波测量装置、定向耦合器、匹配负载、检波器、放 大器、A/D模数转换器和计算机，微波信号源经环行器、双定向耦合器从介电系 数微波测量装置的输入端进入，辐射待测介电系数的物质后产生反射波Pr与透 射波Pt，反射波Pr由双定向耦合器和环行器传输到匹配负载，透射波Pt经定向 耦合器接匹配负载，在介电系数微波测量装置两端由双定向耦合器耦合出的入射 波Pi、反射波Pr和由定向耦合器耦合出的透射波Pt分别接入检波器，检波出的 信号经放大器、A/D模数转换器送至计算机，通过反射波Pr和入射波Pi计算得 到反射系数S₁₁的幅值，通过透射波Pt和入射波Pi计算得到传输系数S₂₁的幅值， 从而测得待测物质的介电系数。

采用本发明提供的介电系数微波测量系统测量物质介电系数，先将介电系数 微波测量装置接入介电系数微波测量系统，将装有待测液体或粉状物质的试管插 入介电系数微波测量装置安装孔中，通过测量介电系数测量装置两端的反射系数 S₁₁和传输系数S₂₁的幅度值，利用数值算法，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和传输系数S₂₁的幅值的变化，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和传输系数S₂₁的幅值，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和传输系数S₂₁的幅度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。

本发明提出的物质介电系数微波测量装置是一种非接触式的测量装置，采用 本发明提出的介电系数微波测量系统测量物质的介电系数，可以避免价格昂贵的 微波矢量网络分析仪的使用，同时可避免大功率微波作用下相位测试不准确对测 量结果带来的负面影响。本发明可通过特别设置的调整介电系数微波测量边界条 件的调谐机构，使散射参量（反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅度值）在较宽的 测试频带范围内随待测物质介电系数的变化保持灵敏，介电系数测量精度高。本 发明的介电系数微波测量系统简单，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。本发明提出的介电系数微波测量系 统，特别适用于液体、粉状物质的介电系数测量。

采用本发明测量物质介电系数的具体过程步骤，如附图5所示：

步骤1：产生训练的BP神经网络，主要包括定义BP网络创建函数、神经 元上的传递函数，BP网络训练函数及性能函数的选取，在实例中根据需要选择 BP网络创建函数newff、构建了一个三层BP网络，隐神经元上的传递函数为 tansig，输出层神经元传递函数为purelin，BP网络训练函数为trainlm及性能函 数为mse。

步骤2：用FDTD数值仿真在不同待样本条件下，系统的反射系数S₁₁和传 输系数S₂₁幅值。仿真时样本范围实部1-100，虚部0-30，样本空间总样本数为 1200个。

步骤3：将步骤2中仿真计算得到的介电系数的实部、虚部及相应的反射系 数S₁₁的幅值和传输系数S₂₁的幅值带入步骤1所建立的神经网络中进行训练。

步骤4：训练中计算误差判断是否到达收敛条件，即设定的误差范围，如果 没有达到则继续训练，如果达到则将当前网络存储。

步骤5：校准，将几种校准物质放入试管中测量实际的反射系数S₁₁的幅值 和传输系数S₂₁的幅值。根据实测与仿真计算的微小差距，校准实测的反射系数 S₁₁和传输系数S₂₁幅度值。

步骤6：将校准后的实测的反射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值作为输入带入 训练好的神经网络中，由神经网络输出待测物的介电系数实部与虚部。

步骤7：程序结束。

附图说明

附图1是本发明的介电系数微波测量装置沿试管安装孔方向剖视结构示意 图。

附图2是本发明的介电系数微波测量装置沿谐调销钉方向剖视结构示意 图。

附图3是本发明的介电系数微波测量装置的外观结构示意图。

附图4是本发明的介电系数微波测量系统的结构框图。

附图5是本发明测量介电系数的过程示意图。

在上述附图中，各图示标号标识的对象分别为：1-内导体；2-绝缘介质； 3-外导体；4-试管安装孔；5-销钉；6-微波信号源；7-环行器；8-双定向耦合器； 9-本发明提供的介电系数微波测量装置；10-定向耦合器；11-匹配负载；12-检波 器；13-放大器；14-A/D模数转换器；15-计算机。

具体实施方式

下面通过实验实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，实施例 只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域 的技术熟练人员可以根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调 整。

微波测量装置和测量系统实施例

本实施例的介电系数微波测量装置，其结构如附图1、2、3所示，包括同轴 结构的外导体3、内导体1及内外导体间的绝缘介质2。同轴结构在轴向分为中 间的直圆柱测量段和两侧直径尺寸渐变的过渡段，过渡段端口设计有使本测量装 置接入测量系统的标准同轴N型接口；其中所述外导体3由直圆柱段和与直圆 柱段两端通过止口结构联接的两圆锥段构成，直圆柱段中间设计有供盛装待测介 电系数物质的试管插入的垂直贯穿安装孔4，在垂直安装孔的另一个方向设计有 一对通过螺纹安装在外导体上的销钉5，用于调整微波测量边界条件；所述内导 体由两直圆柱段和两圆锥段构成，两直圆柱段与其对应的圆锥段分别通过止口结 构联接，两直圆柱段相对插入试管方向的断面为平面；试管通过聚四氟乙烯材质 的套环定位安装在外导体安装孔4内。

由本发明提供的介电系数微波测量装置构成的介电系数微波测量系统，其 构成如附图4所示，微波信号源6功率可调（0－200W），其输出信号（f=2450MHz） 通过环行器7、双定向耦合器8加载到介电系数微波测量装置9输入端，微波辐 射待测介电系数物质后产生反射波Pr与透射波Pt，反射波Pr由双定向耦合器8 和环行器7传输到匹配负载11。透射波Pt经定向耦合器10接匹配负载11。在 介电系数微波测量装置9两端由双定向耦合器8耦合出的入射波Pi、反射波Pr 和由定向耦合器10耦合出的透射波Pt分别接入检波器12，检波出的信号经放大 器13、A/D模数转换14送至计算机15，通过反射波Pr和入射波Pi计算得到反 射系数S₁₁的幅值，通过透射波Pt和入射波Pi计算得到传输系数S₂₁的幅值。

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和传输系数 S₂₁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 4搭建好测试系统。开启计算机做好数据采集的准备。

测试例1

将待测物质乙醇装入试管中，再将试管插入介电系数微波测量装置外导体上 的安装孔并且固定。开启微波功率源，控制其输出功率为100mW，通过计算机 读取频率为2.45GHz条件下反射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值，校准实测的反 射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值，将校准后反射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值 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

将待测物质乙酸装入试管中，再将试管插入介电系数微波测量装置外导体上 的安装孔并且固定。开启微波功率源，控制其输出功率为100mW，通过计算机 读取频率为2.45GHz条件下反射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值，校准实测的反 射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值，将校准后反射系数S₁₁和传输系数S₂₁幅度值 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乙酸及乙醇测试结果

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。