[发明专利]基于射频技术的材料微小介电变化实时检测方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于射频技术的材料微小介电变化实时检测方法及装置，微波电路的输入信号被一分四功分器等分成四路幅度相等的信号，该四路信号同时进入四个交指型谐振单元，接着四路信号继续向前传播，同时进入一分四合路器进行混合后输出，输出信号被矢量网络分析仪实时接收处理。交指型谐振单元周围集中大量电磁场，当待测量材料放置于该电磁场集中区域时，会干扰谐振单元周围的电场分布，改变其谐振频率和衰减幅度，上述变化可以通过测量电路的散射参数获取材料的微小介电特性变化。本发明可以实现对材料微小组分变化进行高精度无损伤检测，也可推广应用于其他领域，应用范围广。

技术领域

本发明属于微波电路的设计和应用技术领域，尤其涉及一种基于射频技术的材料微小介电变化实时检测方法及装置。

背景技术

在化工领域，实时调控和检测反应材料组分变化，对于工业产品的性能指标和生产效率起着非常重要的作用。如化学反应过程中，反应溶液的浓度和组分随着化学反应的进行实时变化，需要实时调控和检测。另外，对材料微小介电变化的实时检测在食品、煤炭、建筑材料和针织品等领域应用需求也十分广泛。

常见的材料介电变化检测方法主要有近红外分析法、气象色谱法、核磁共振法、电容法和微波法等。气象色谱法、核磁共振法主要对操作人员及检测材料的制备要求较高，检测预处理时间长，检测费用较高。近红外分析法和电容法虽然检测速度快，但容易受到温度湿度等外部环境的影响，检测精度较低。

微波是指波长介于红外线和无线电波之间的电磁波，当微波与介质相互作用时，介质中的极性分子如水分子便会随着交变电磁场旋转，水分子的电偶极子在无电场是排列混乱，但是在微波场下，水分子在在电场中收到力矩作用，电偶极子将会朝着电场方向排列，当电场方向改变时，水分子的电偶极子将随之改变。这种微波作用下水的宏观表征可以用介电常数来表示。介电常数又称电容率，是表征电介质电性能的一个重要参数。材料的介电常数只跟其组成分子的偶极矩和可极化性有关。由于水的介电损耗较大，其在微波作用下引起的能量衰减也远远显著与其它介质引起的损耗，物质中的含水率将直接影响其介电常数，所以对被测物体介电常数的测量可以直接反应其本质属性。介电常数的测量属于间接测量。它以某种函数关系式包含在可观察的测量参数内。其测量方法一般是建立在传输线理论、特征阻抗和传输常数的基础之上，与实际可测量值形成对应的函数关系。这样，只要测量微波信号通过介质后的传输线参数(如衰减幅度、相位和谐振频率等电参数)，就可以根据函数关系计算出被测物的介电常数，最后反推物质组分的变化。

目前常用的微波检测方法主要有四种，反射法、传输法、自由空间辐射法以及谐振腔法。反射法通常采用同轴线加探头，其优点是带宽较宽，缺点是只测量了反射参数，无法获得传输参数，因此相对于其它方法(传输法、谐振腔法)测量精度不高，而且对被测材料的厚度有要求。自由空间辐射法主要应用在在遥感和高温测量等方面，其缺点是被测样本需要是平板状，且低频需要更多的样本，对低损耗介质的测量精度有限。谐振腔法是只能测量单一频率点，对于高损耗材料要求体积非常小，对于测量结果的分析较为复杂，对固体材料进行测量时对其形状有较高要求，需要刚好放入谐振腔内，所以通常对于固体材料的测量是有损的，该方法对于检测材料的形状和体积等要求较高，制备环节较为复杂。传输法测量系统包括一台矢量网络分析仪和一条可以放置被测介质的传输线，其原理是通过测量该传输线的测量散射参数(如衰减幅度、相位和谐振频率等电参数)，就可以根据函数关系计算出被测物的介电常数，最后反推物质组分变化。

国内外微波材料检测装置主要基于反射法，通过固态微波源、探头，波导和吸收负载等器件组成，这些器件多为波导结构，尺寸较大；同时，为了提高精度，这些装置通常在微波源与检测路径之间加入环形器、隔离器和定向耦合器等将信号源和反射回波隔离，检测。因此整体的装置结构复杂，造价较高，且不易消除噪声干扰引起的误差，限制了其大规模工业应用。最近，国内研究者采用有源电路结构，利用混频技术进行了微波测湿的装置研究。虽然精度得到了部分提升，然而其在整体反射法测量装置基础上进一步加入微波有源电路、信号处理电路和特殊设计的喇叭收发天线，进一步增添了测量装置的电路复杂度，装置的操作复杂，数据处理繁琐及抗干扰能力较弱的缺点使得其无法大规模应用。