[发明专利]应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法

说明书

本发明公开了一种应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法，属于电磁场与微波技术领域。本发明在传统自由空间测量系统的基础上，加入了应力加载机构，改变材料所受应力的大小，材料发生微小形变导致反射波和透射波也会随之变化，这个变化的信号携带着材料的介电信息，通过测量网络反射系数和传输系数随材料所受微应变的变化，可以推导出材料介电常数的相对变化。此外，本发明提出了一种区别于传统自由空间法的测量方法，在材料上加载应力时，材料会发生一定的位移和厚度变化，该变化对S参数的影响远大于材料发生微小形变对S参数的影响，本发明提出的测量方法去除了位移和厚度变化对S参数的影响，能够准确反演材料受力时介电常数的相对变化。

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种介电常数测量技术，具体来说，是一种可以实现应力作用下复合材料介电常数变化规律准确测量的装置与方法。

背景技术

在各种电磁应用中，材料的介电常数是重要的特性参数，通常是材质、频率甚至是温度的函数。事实上，机械载荷(气动力、应力等)对材料介电特性也会存在一定影响。通常情况，这种机械载荷对材料的介电常数影响不大。但是在应力过大或存在局部应力集中时，材料内部结构会有大面积微小破坏，材料介电特性会发生改变，影响应有的电磁效能，例如各种受力的微带电路板，天线罩体，以及飞行器平台上的天线透波结构等等，因此获得材料介电常数随应力变化的规律具有重要的意义。

电磁材料介电常数的测量方法种类很多，按照测量原理，介电常数的测量方法分为网络参数法和谐振腔法两类。其中，网络参数法又分为开口同轴法、单端口传输线法和传输/反射法等。谐振腔法、开口同轴法、传输/反射法等方法均属于闭场域测试，无法测量材料受外力时介电常数的变化规律。传统的自由空间法直接利用测得的S参数(即，散射参数)反演介电常数，但在进行应力作用下复合材料介电常数的测量时，材料受到拉力会发生一定程度的位移且材料厚度会发生变化，此时由于位移和厚度变化对S参数的影响将远大于材料发生微小形变对S参数造成的影响，传统的自由空间反演算法无法准确反演出材料受力时介电常数的相对变化。

发明内容

为了解决传统自由空间法在应力作用下测量材料介电常数的局限性，本发明提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量装置与方法。该装置在传统自由空间测量系统的基础上加入了应力加载机构。所测材料固定在应力加载机构的两个力臂上，通过改变力臂作用力的大小，材料所受应力发生变化，此时材料会发生微小形变致使反射波和透射波也随之变化，这个变化的信号携带着待测材料的介电信息，通过测量网络的反射系数和传输系数随材料所受微应变的变化曲线，可以推导出待测材料的介电常数相对变化。

该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、矢量网络分析仪连接控制计算机，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，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，步进电机连接至控制计算机，控制施加应力的大小；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。

由于对材料施加应力时材料会发生位移且厚度会发生变化，这两部分对S参数的影响远大于材料内部发生微小形变对S参数的影响，因此，基于所述的应力作用下复合材料介电常数测量装置，本发明还提出了一种应力作用下复合材料介电常数测量方法，包括如下步骤：