[发明专利]应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法

权利要求书

1.一种采用应力作用下复合材料介电常数测量装置测量应力作用下复合材料介电常数的方法，所述应力作用下复合材料介电常数测量装置包括发射天线、接收天线、应力加载机构、步进电机、第一位移传感器、第二位移传感器、第一矩圆模式转换器、第二矩圆模式转换器、控制计算机以及矢量网络分析仪；所述发射天线通过第一矩圆模式转换器与矢量网络分析仪的第一端口连接，所述接收天线通过第二矩圆模式转换器与矢量网络分析仪的第二端口连接，所述步进电机、第一位移传感器、第二位移传感器和矢量网络分析仪分别连接控制计算机，控制计算机控制步进电机以改变施加到待测材料上应力的大小，第一位移传感器、第二位移传感器和矢量网络分析仪分别将待测材料所发生的微应变以及随加载应力实时变化的S参数传至控制计算机，控制计算机对S参数进行修正，计算出待测材料受应力时介电常数的相对变化；其特征在于：待测材料由应力加载机构夹持，应力加载机构连接步进电机；所述待测材料与应力加载机构位处同一中心，发射天线、待测材料、接收天线的中心依次从左到右同轴分布；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步，控制计算机驱动步进电机控制应力加载机构上力臂对材料进行拉伸至产生3000微应变，矢量网络分析仪测得网络的传输系数S12、S21和反射系数S11、S22随应力变化的实时数据，其中，传输系数S12、S21分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的传输系数，反射系数S11、S22分别是矢量网络分析仪的第一端口和第二端口测量得到的反射系数；

第二步，根据反射系数S11、S22的相位变化求得待测材料在拉伸过程中产生的前后位移；

第三步，去除前后位移影响，根据此时反射系数S11、S22的相位变化得到待测材料测量厚度随微应变的变化；

第四步，假设传输系数S21、S12相位变化仅由待测材料厚度变化造成，得到此时等效厚度随微应变的变化；

第五步，采用线性回归拟合的方法，根据第三、四步得到两条斜率不同的厚度变化曲线，并由此得到应力作用下介电常数相对变化。

2.根据权利要求1所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，第二步所述前后位移的求解过程具体如下：

利用反射系数S11和S22的相位变化得到所述待测材料的位移：

其中，Δl₁是施加应力前后发射天线与材料之间的距离变化，Δl₂是施加应力前后接收天线与材料之间的距离变化，和是不加应力时反射系数S11和S22的相位，和是施加应力后反射系数S11和S22的相位，λ为自由空间中的波长；

去除位移的影响后，反射系数S11的相位可以表示为：

其中，是去除位移影响后受力情况下反射系数S11的相位。

3.根据权利要求2所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，第三步所述的待测材料测量厚度随微应变的变化具体求解过程如下：

去除位移影响后的反射系数S11与S22相位变化仅与待测材料的厚度变化有关，去除位移后的反射系数S11及S22相位的变化，得到待测材料厚度随微应变的变化：

其中，Δd₁为施加应力时待测材料厚度的变化。

4.根据权利要求3所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于，第四步所述的等效厚度随微应变的变化的具体求解过程如下：

传输系数S21与S12相位变化与待测材料的厚度变化和介电常数变化都有关，将传输系数S12及S21相位的变化，看作全由厚度变化造成，得到所述待测材料等效厚度随微应变的变化：

其中，Δd₂为施加应力时待测材料等效厚度的变化，ε_r为待测材料的介电常数。

5.根据权利要求4所述的测量应力作用下复合材料介电常数的方法，其特征在于：第五步中所述根据第三、四步得到两条斜率不同的厚度变化曲线，并由此得到应力作用下介电常数相对变化具体过程如下：根据下述两式得到应力作用下复合材料介电常数的相对变化：

其中，φ_T为施加应力时传输系数S21的相位，Δε_r为施加应力时待测材料介电常数的变化，d为不加应力时待测材料的厚度，k为自由空间波数。