具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波頻率下電介質(zhì)介電系數(shù)的測量技術(shù)。本發(fā)明公開了一種具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，用于高溫狀態(tài)下介質(zhì)介電常數(shù)的測量。本發(fā)明的技術(shù)方案是，具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，包括測量段、接口段，所述接口段一端與測量段連接，另一端為同軸接頭結(jié)構(gòu)，所述接口段內(nèi)導體和外導體之間的介質(zhì)為耐高溫隔熱固體介質(zhì)，所述測量段外導體內(nèi)徑略小于接口段外導體內(nèi)徑，以阻止所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)脫落并降低微波反射，所述測量段內(nèi)導體和外導體之間為中空結(jié)構(gòu)，所述測量段內(nèi)導體和外導體與接口段內(nèi)導體和外導體共軸。本發(fā)明適合高溫條件下物質(zhì)介電系數(shù)的測量，能在較寬的頻帶范圍內(nèi)取得較高的測量精度。
【專利說明】具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波頻率下電介質(zhì)介電系數(shù)的測量技術(shù)，特別涉及高溫狀態(tài)下電介質(zhì)介電系數(shù)的測量探頭及測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]物質(zhì)的介電系數(shù)一直是物質(zhì)與微波相互作用研究中的一個基礎(chǔ)而重要的問題。人們通過測量物質(zhì)的介電系數(shù)了解物質(zhì)的介電特性，由此，產(chǎn)生了多種微波測量方法用于物質(zhì)介電系數(shù)的測量。
[0003]在測量方法中，非諧振法相對簡單。在非諧振法中，基于同軸線的傳輸-反射法在寬帶測量中得到了廣泛的應(yīng)用，而且對從高損耗到低損耗的物質(zhì)的介電系數(shù)的測量都達到了較高的精度。這種介電常數(shù)測量方法是利用同軸探頭插入裝有待測物質(zhì)的容器中，讓待測物質(zhì)充滿同軸探頭測量段的內(nèi)外導體之間的空間進行測量的。通常用于液態(tài)或粉末狀介質(zhì)的測量。
[0004]近年來，微波加熱已經(jīng)在礦石預處理、鍛造、燒結(jié)、金屬氧化物礦的碳熱還原等方面獲得了應(yīng)用，隨著微波在冶金及其他相關(guān)工業(yè)的應(yīng)用，高溫狀態(tài)下物質(zhì)介電特性受到了極大的關(guān)注，而傳統(tǒng)的同軸線測量結(jié)構(gòu)由于其填充介質(zhì)多數(shù)無法耐受500°C以上的高溫，無法用于高溫條件下的測量。
[0005]近來在微波技術(shù)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模型作為一種非傳統(tǒng)的有效方法已逐漸得到人們的認可。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的是，提供一種具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，用于高溫狀態(tài)下介質(zhì)介電常數(shù)的測量。
[0007]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，包括測量段、接口段，所述接口段一端與測量段連接，另一端為同軸接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述接口段內(nèi)導體和外導體之間的介質(zhì)為耐高溫隔熱固體介質(zhì)，所述測量段外導體內(nèi)徑略小于接口段外導體內(nèi)徑，以阻止所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)脫落并降低微波反射，所述測量段內(nèi)導體和外導體之間為中空結(jié)構(gòu)，所述測量段內(nèi)導體和外導體與接口段內(nèi)導體和外導體共軸。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案，在接口段中采用耐高溫隔熱固體介質(zhì)填充在內(nèi)導體和外導體之間，構(gòu)成接口段同軸線介質(zhì)結(jié)構(gòu)，而測量段內(nèi)導體和外導體之間則為中空結(jié)構(gòu)，以便測量時由被測介質(zhì)填充構(gòu)成測量段同軸線介質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于本發(fā)明探頭工作在高溫狀態(tài)，而且金屬外導體膨脹系數(shù)通常大于耐高溫隔熱固體介質(zhì)，為了防止介質(zhì)脫落，本發(fā)明采用內(nèi)徑略小的測量段外導體，使接口段和測量段外導體連接處形成一個凸臺，將耐高溫隔熱固體介質(zhì)固定在接口段中。該凸臺的高度應(yīng)控制在不影響微波傳輸?shù)某叨葍?nèi)，通常低于微波波長的1/10。由于測量段外導體內(nèi)徑僅略小于接口段外導體內(nèi)徑，該凸臺對于微波傳輸?shù)姆瓷渥饔梅浅Ｐ?，測量時完全可以忽略。這種結(jié)構(gòu)既能夠固定耐高溫隔熱固體介質(zhì)又能夠降低微波反射，非常適合高溫狀態(tài)介電常數(shù)的測量環(huán)境。
[0009]具體的，所述測量段外導體內(nèi)徑小于接口段外導體內(nèi)徑0.5mm。
[0010]在常用微波測試頻率下，測量段和接口段外導體內(nèi)徑相差0.5mm，引起的微波反射通常都非常低，完全不會影響測量，可以忽略。
[0011]進一步的，所述測量段外導體上設(shè)置有排氣孔。
[0012]本發(fā)明的探頭，常用于測量高溫狀態(tài)下的液體介質(zhì)介電常數(shù)，被測介質(zhì)溫度大都超過500°C。而且為了避免探頭長時間承受高溫，也為了避免與被測介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，影響測量準確性，探頭插入液體介質(zhì)的速度都比較快，如果沒有排氣孔，不但液體介質(zhì)不容易充滿測量段的空腔，影響測量精度，而且很容易造成高溫液體飛濺，產(chǎn)生事故隱患。在測量段外導體上設(shè)置有排氣孔，可以在探頭插入液體介質(zhì)時，排除測量段的空氣，避免出現(xiàn)上述情況。通常只要排氣孔孔徑遠遠小于測試微波的波長，就不會對微波傳輸造成實質(zhì)性影響，而這一點又是容易做到的。通常排氣孔孔徑都在毫米量級(一般I?2_)，而對于常用的微波測試頻率，通常在IOGHz以下，相應(yīng)波長大于30mm。根據(jù)微波傳輸理論，同軸線外導體上如此小的排氣孔對微波傳輸?shù)挠绊懲耆梢员缓雎裕@種孔徑作為排氣孔完全可以滿足使用要求。
[0013]具體的，所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)能夠耐受1000°C的高溫。
[0014]更具體的，所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)為陶瓷。
[0015]本發(fā)明為了測量較高溫度的介質(zhì)的介電常數(shù)，通常要求耐高溫隔熱固體介質(zhì)能夠耐受1000°C的高溫，如陶瓷等就能夠達到要求。
[0016]具體的，所述同軸接頭為N型同軸接頭。
[0017]N型同軸接頭是一種標準同軸傳輸線接頭，具有結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠的特點。各種微波測試儀的連接線都有相應(yīng)接口，應(yīng)用范圍非常廣泛。
[0018]進一步的，所述接口段與測量段為可拆卸結(jié)構(gòu)。
[0019]本發(fā)明的測量探頭，由于工作在高溫狀態(tài)下，探頭容易損壞。而經(jīng)常損壞的一般是測量段，接口段與測量段采用可拆卸結(jié)構(gòu)，可以在探頭損壞時僅更換測量段，而接口段可以重復使用，降低更換探頭的成本。本發(fā)明這種結(jié)構(gòu)的探頭，測量段外導體取下來后，可以非常方便的安裝或更換耐高溫隔熱固體介質(zhì)和測量段內(nèi)導體。
[0020]推薦的，所述接口段與測量段外導體通過螺紋或卡扣相連，所述測量段內(nèi)導體插入所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)并與接口段內(nèi)導體電連接。
[0021]螺紋或卡扣結(jié)構(gòu)是一種比較常見的可拆卸結(jié)構(gòu)，非常適合測量段和接口段外導體的連接。測量段內(nèi)導體與接口段內(nèi)導體的連接，可以將測量段內(nèi)導體直接插入耐高溫隔熱固體介質(zhì)的孔中，并與接口段內(nèi)導體緊密接觸就可以了。也可以在耐高溫隔熱固體介質(zhì)中加工螺紋，并在測量段內(nèi)導體前端加工相應(yīng)螺紋。更換測量段時，將舊的內(nèi)導體旋下來，擰上新的內(nèi)導體完成更換。
[0022]本發(fā)明的另一個目的，提供一種具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量系統(tǒng)，包括探頭、傳輸線和測量儀，其特征在于，所述探頭包括測量段、接口段，所述接口段一端與測量段連接，另一端為同軸接頭結(jié)構(gòu)，所述接口段內(nèi)導體和外導體之間填充有耐高溫隔熱固體介質(zhì)，所述測量段外導體內(nèi)徑略小于接口段外導體內(nèi)徑，以阻止所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)脫落并降低微波反射，所述測量段內(nèi)導體和外導體與接口段內(nèi)導和外導體共軸。
[0023]本發(fā)明的測量系統(tǒng)，以本發(fā)明的探頭配合測量儀構(gòu)成，非常適合用于測量高溫狀態(tài)介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0024]進一步的，所述測量儀通過測量待測介質(zhì)的微波反射系數(shù)S11的幅度和相位值，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法得到待測介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0025]該技術(shù)方案，采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合本發(fā)明的探頭對介電系數(shù)進行測量。通過測量待測介質(zhì)的微波反射系數(shù)S11的幅度和相位值，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法得到待測介質(zhì)的介電常數(shù)。本發(fā)明的測量系統(tǒng)，不需要測量諧振參數(shù)，測試樣品準備過程簡單，測量過程快捷方便，計算簡單，測量精度高，可以實現(xiàn)在線測量。
[0026]本發(fā)明的有益效果是，適合高溫條件下物質(zhì)介電系數(shù)的測量，能在較寬的頻帶范圍內(nèi)取得較高的測量精度，樣品的準備過程簡單，測試易于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是實施例的探頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是圖1的左視圖；
[0029]圖3是測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]其中，10為接口段內(nèi)導體；12為接口段N型同軸接頭；13為接口段外導體；14為耐高溫隔熱固體介質(zhì)；30為測量段內(nèi)導體；31為測量段空腔；32為測量段外導體；33為排氣孔；D為接口段外導體內(nèi)徑；d為測量段外導體內(nèi)徑。
【具體實施方式】
[0031 ] 下面結(jié)合附圖及實施例，詳細描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0032]本發(fā)明的技術(shù)方案，在接口段中采用耐高溫隔熱固體介質(zhì)填充在內(nèi)導體和外導體之間，構(gòu)成同軸線介質(zhì)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的整個探頭就是一段帶有同軸接頭的同軸線。
[0033]實施例
[0034]本例測量探頭結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括測量段和接口段。接口段一端與測量段連接，另一端為N型同軸接頭結(jié)構(gòu)。接口段內(nèi)導體10和外導體13之間填充有耐高溫隔熱固體介質(zhì)14，測量段外導體32內(nèi)徑略小于接口段外導體13內(nèi)徑，其連接處形成一個凸臺，能夠阻止耐高溫隔熱固體介質(zhì)14脫落。由于接口段外導體內(nèi)徑D與測量段外導體內(nèi)徑d相差不大，該凸臺造成的微波反射很低，不影響介質(zhì)介電常數(shù)的測量。本例中，D-d=0.5mm,凸臺高度為0.25mm，對于頻率為IOGHz以內(nèi)的微波，凸臺的反射作用完全可以忽略，而對常用的2.45GHz測試頻率，其反射作用更小。由圖1可以看出，本例接口段和測量段是一種可拆卸結(jié)構(gòu)，接口段外導體13和測量段外導體32采用螺紋連接，接口段內(nèi)導體10和測量段內(nèi)導體30都插入陶瓷介質(zhì)14中，接口段內(nèi)導體10和測量段內(nèi)導體30端頭接觸產(chǎn)生電連接傳輸微波信號，測量段內(nèi)導體30和外導體32與接口段內(nèi)10和外導體13共軸，整個探頭就是一段帶有N型同軸接頭的同軸線。本例耐高溫隔熱固體介質(zhì)14采用能夠耐受1000°C高溫的陶瓷介質(zhì)。用于本發(fā)明探頭在測量時需要插入熔融的被測介質(zhì)或高溫液體被測介質(zhì)中，為了使被測介質(zhì)能夠有效填充到測量段的空間31中，本例探頭在測量段外導體32上設(shè)置有排氣孔33，當探頭處于被測介質(zhì)時，能夠排除空間31中的空氣，有利于被測介質(zhì)充分填充空間31，提高測量精度，并能夠避免被測介質(zhì)飛濺出去產(chǎn)生事故。
[0035]本例具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括探頭、傳輸線和測量儀。本例中的探頭采用本發(fā)明的上述探頭，探頭接口段的同軸接頭與同軸傳輸線連接，通過同軸傳輸線到測量儀。測量儀通過測量待測介質(zhì)的微波反射系數(shù)S11的幅度和相位值，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法得到待測介質(zhì)的介電常數(shù)。
[0036]本發(fā)明的測量系統(tǒng)測試之前，通過仿真計算得到大量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練樣本，以反射系數(shù)S11的幅度和相位值為輸入，介電系數(shù)的實部與虛部為輸出訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓練結(jié)束后存儲網(wǎng)絡(luò)。
[0037]測量時，準備好待測樣品探頭測試段插入待測介質(zhì)中，讀取頻率為2.45GHz條件下反射系數(shù)S11的幅度和相位值，校準實測的反射系數(shù)S11的幅度和相位值，將校準后反射系數(shù)S11的幅度和相位值輸入已經(jīng)訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸出數(shù)據(jù)得到待測物質(zhì)介電系數(shù)的實部與虛部。
[0038]測量高溫狀態(tài)下介電系數(shù)時，將裝有待測液體或固體粉狀介質(zhì)放入加熱裝置中，溫度達到設(shè)定溫度后，將探頭測量段插入介質(zhì)，讀取反射系數(shù)S11的幅度和相位值，然后拔出探頭。由于讀取數(shù)據(jù)的時間很短，由測量儀器完成，一般從插入探頭到拔出探頭總時間可控制在5秒以內(nèi)，測量電纜和儀器基本不會受到高溫的影響。最后，利用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出物質(zhì)的介電系數(shù)，完成待測物質(zhì)介電系數(shù)的測量。
[0039]本發(fā)明的介電系數(shù)微波測量系統(tǒng)簡單，測量不需導出測量值與所求值之間的公式，可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對微波測量儀的測量數(shù)據(jù)進行反演，直接得到待測物的介電系數(shù)及相關(guān)參數(shù)，測試具有實時、準確的特點。本發(fā)明測量系統(tǒng)，特別適用液體、粉狀介質(zhì)高溫狀態(tài)下介電系數(shù)的測量。
【權(quán)利要求】
1.具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，包括測量段、接口段，所述接口段一端與測量段連接，另一端為同軸接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述接口段內(nèi)導體和外導體之間的介質(zhì)為耐高溫隔熱固體介質(zhì)，所述測量段外導體內(nèi)徑略小于接口段外導體內(nèi)徑，以阻止所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)脫落并降低微波反射，所述測量段內(nèi)導體和外導體之間為中空結(jié)構(gòu)，所述測量段內(nèi)導體和外導體與接口段內(nèi)導體和外導體共軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述測量段外導體內(nèi)徑小于接口段外導體內(nèi)徑0.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述測量段外導體上設(shè)置有排氣孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)能夠耐受1000°C的高溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)為陶瓷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述同軸接頭為N型同軸接頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1?6任意一項所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述接口段與測量段為可拆卸結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量探頭，其特征在于，所述接口段與測量段外導體通過螺紋或卡扣相連，所述測量段內(nèi)導體插入所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)并與接口段內(nèi)導體電連接。
9.具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量系統(tǒng)，包括探頭、傳輸線和測量儀，其特征在于，所述探頭包括測量段、接口段，所述接口段一端與測量段連接，另一端為同軸接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述接口段內(nèi)導體和外導體之間填充有耐高溫隔熱固體介質(zhì)，所述測量段外導體內(nèi)徑略小于接口段外導體內(nèi)徑，以阻止所述耐高溫隔熱固體介質(zhì)脫落并降低微波反射，所述測量段內(nèi)導體和外導體與接口段內(nèi)導和外導體共軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有同軸線結(jié)構(gòu)的高溫狀態(tài)介質(zhì)介電系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量儀通過測量待測介質(zhì)的微波反射系數(shù)S11的幅度和相位值，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法得到待測介質(zhì)的介電常數(shù)。
【文檔編號】G01R27/26GK103884919SQ201410093290
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】黃卡瑪, 陳倩, 楊陽, 閆麗萍, 趙翔, 陳星 , 劉長軍, 楊曉慶, 郭慶功 申請人:四川大學