CN101078692A - 液体或固体粉末物质介电系数测试装置及其测试与计算方法 - Google Patents

Abstract

液体或固体粉末物质介电系数测试装置及其测试与计算方法，其特征在于该装置由微波信号源(1)，通过环行器(2)、双定向耦合器(3)到开槽同轴测量段(4)的输入端，经被测物质后产生反射波Pr与透射波Pt，反射波Pr由双定向耦合器(3)和环行器(2)传输到匹配负载(6)，透射波Pt经定向耦合器(5)，接匹配负载(6)，在开槽同轴测量段(4)两端由双定向耦合器(3)耦合出的入射波Pi、反射波Pr和由定向耦合器(5)耦合出的透射波Pt分别接入双通道功率计(7)送至计算机(8)构成整体。并按下述方法测试与计算：将待测物质放入测量容器(12)中，在计算机(8)中读取反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅值作为测量值待用；基于测试结果，利用有限元等数值算法结合遗传算法搜索被测物质介电系数。

Description

液体或固体粉末物质介电系数测试装置及其测试与计算方法

技术领域

本发明涉及一种液体或固体粉末物质介电系数测量装置及其测试与计算方法，特别适用于大功率微波下的液体或固体粉末物质介电系数的测试，属于物质介电系数的测试领域。

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一个基础而重要的问题。了解各种物质的介电系数，可以进一步了解其对微波吸收和反射的情况。传统的谐振腔方法由于单个谐振腔测量频带较窄，很难满足宽带在线测量的要求；传统的传输线法使用标准的同轴线或波导，对被测物质样品的形状要求较高，很难实时测量(董树义，微波测量.北京：北京理工大学出版社，1991.)。

终端开路同轴线法作为一种无损测量方法，适用于宽带测量，且对物质样本形状要求不高，从提出以来就备受关注。但是，由于测量前需要用已知介电系数的物质如甲醇、水等作为校准物，所选用的模型不同会造成校准和测量的不确定性，影响了该方法的适用范围。同时，测量中需要测量得到反射系数的幅值和相位。但是，要同时测量反射系数的幅值和相位，就必须用到价格昂贵的微波矢量网络分析仪，并且在研究大功率微波作用下物质的介电特性时，常常难于准确测量反射系数的相位。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术上的不足而提供一种用于液体或固体粉末介电系数测试装置及其测试与方法，其特点是采用同轴开槽式测试装置和相应的方法，可以避免价格昂贵的微波矢量网络分析仪的使用，同时避免了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，具有不需要校准物、宽频、实时的特点。

本发明的目的由以下技术措施实现：

液体或固体粉末物质介电系数测试装置由微波信号源，通过环行器、双定向耦合器到开槽同轴测量段的输入端，经被测物质后产生反射波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，在开槽同轴测量段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分别接入双通道功率计送至计算机构成整体。

开槽同轴测量段设有测量容器，测量容器设有开槽同轴线，开槽同轴线穿过测量容器，测量容器与测量同轴线之间的缝隙用环氧树脂胶封住，测量容器内盛被测液体或固体粉末物质。

开槽同轴线设有同轴外导体和内导体，同轴外导体与内导体之间用聚四氟乙烯填充。

液体或固体粉末物质介电系数测试装置的测试与计算方法：

1)测试方法：

将待测物质放入开槽同轴测量段的测量容器中，开动微波信号源，调节信号源功率，在计算机中读取反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅值作为测量值待用。

2)计算方法：

建立与实测系统相同的计算模型，其中待测物质的介电系数作为变量，初始值由遗传算法初始化任意给定，利用有限元等数值算法计算物质在该介电系数时引起的反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅值，并与测量值比较，在遗传算法中对适应度函数进行优化，搜索适应度函数最优解，即介电系数的最优解，其原理为：(1)假设一个被测物质介电系数的值，利用有限元等数值计算方法得到开槽同轴线开槽处有被测物质时的反射系数的幅值；(2)将计算值与测量值相比较，若二者差值未达到给定的误差范围(即适应度函数未达到给定的误差范围)，则利用遗传算法对假设的介电系数进行优化(交叉、变异)，再计算反射系数与传输系数模值，与实测值相比；若二者差值不满足给定的误差范围，重复(2)，直到二者差值满足给定的误差范围。

步骤1：初始化参数，主要包括定义程序所需变量、设定种群个数，种群中个体的基因长度和取值范围。

步骤2：定义适应度函数f，f＝exp{-C(||S₁₁|-|S₁₁′||+||S₂₁|-|S₂₁′||)}

式中|S₁₁′|、|S₂₁′|为反射系数模值的计算值，|S₁₁|、|S₂₁|为反射系数的测量值，C为任意常数。

步骤3：随机生成初始种群，即假设物质的介电系数，随机函数由程序设计软件提供。

步骤4：计算种群中各个体的适应度，首先使用种群中各个体提供的假设介电系数通过有限元法计算反射系数和传输系数的模值，然后将计算值和计算机接口采集的测量值代入适应度函数进行计算，判断适应度函数的结果是否达到设定误差范围。

步骤5：淘汰适应度低的个体，遗传适应度高的个体。

步骤6：交叉配对和变异操作，在实例中设定对需要进行变化的一对基因，仅对一个基因14位二进制数的一位进行交叉和变异操作。

步骤7：迭代次数或结果是否满足要求，若不满足要求，则重新进行步骤4至步骤7，直到满足要求为止。

步骤8：输出适应度最高的的个体，即被测物质的介电系数。

发明的优点

本发明测量系统简单，不需导出测量值与所求值之间的公式，可利用遗传算法对开槽同轴线测量结果进行优化迭代，直接得到介电系数及相关参数，并且可用于大功率条件下物质的介电特性测量，同时具有宽带测量的特点。

附图说明

图1为测试系统方框示意图

1、微波信号源，2、环行器，3、双定向耦合器，4、开槽同轴测量段，5、定向耦合器、6、匹配负载，7、双通道功率计，8、计算机。

图2为开槽同轴测量段

9、开槽同轴线，10、同轴外导体，11、同轴内导体，12、测量容器，13、被测物质，14、聚四氟乙烯。

图3为开槽同轴线剖面图

(a)纵截面剖视图(b)横截面剖视图

图4为计算步骤流程图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本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本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例

液体或固体粉末物质介电系数测试装置由微波信号源1，通过环行器2、双定向耦合器3到开槽同轴测量段4的输入端，经被测物质后产生反射波Pr与透射波Pt，反射波Pr由双定向耦合器3和环行器2传输到匹配负载6，透射波Pt经定向耦合器5，接匹配负载6，在开槽同轴测量段4两端由双定向耦合器3耦合出的入射波Pi、反射波Pr和由定向耦合器5耦合出的透射波Pt分别接入双通道功率计7送至计算机8构成整体。

开槽同轴测量段4设有测量容器12，测量容器设有开槽同轴线9，开槽同轴线穿过测量容器，测量容器与测量同轴线之间的缝隙用环氧树脂胶封住，测量容器内盛被测液体或固体粉末物质13。

开槽同轴线9设有同轴外导体10和内导体11，同轴外导体与内导体之间用聚四氟乙烯14填充。

测试方法：

将待测物质放入开槽同轴测量段4中，开动微波信号源1，调节信号源功率，在计算机8中读取反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅值作为测量值待用。

放入待测的去离子水或甲醇-乙醇混合溶液，在频率为2450MHz时，对25℃的去离子水和一组20℃时不同体积比的甲醇-乙醇混合物进行了测量，开动微波信号源，调节入射功率分别为10W和1mW，从计算机8中分别读取相应测量的|S₁₁|和|S₂₁|结果，详见表1。

计算方法：

在遗传算法中，初始群体为在复介电系数实部从1到200，损耗角正切从0到1范围内随机产生的5个个体，每个个体包括实部和损耗角正切，各用两个长度15位的二进制数表示。将表1中测量出的S11，S12带入适应度函数，即：

                 f＝exp{-C(||S₁₁|-|S₁₁′||+||S₂₁|-|S₂₁′||)}

其中，C为任意常数，计算中取C＝100，|S₁₁|和|S₂₁|为测量值，|S₁₁′|和|S₂₁′|为有限元法计算值，取这样的适应度函数是为了放大计算值和测量值之间的误差，保证更好的计算精度。计算中每一代包括5个个体，计算每一个个体的适应度，通过复制、交叉、变异算子生成下一代群体，其中复制算子采用轮赌盘选择，交叉算子采用一点交叉，交叉概率为0.5，变异概率为0.02。适应度要求为适应度函数大于0.9，最大迭代次数为200代。计算结果与相关文献数据进行比较，其结果见表2和表3：

               表1测量得到的S参数的模值

被测物质		|S11|	|S21|
				去离子水(25℃)		0.456	0.333
甲醇-乙醇混合物体积比(乙醇∶甲醇)20℃	100％	0.264	0.640
				90％	0.287	0.618
	80％	0.316	0.598
				70％	0.342	0.570
	60％	0.379	0.546
				50％	0.412	0.522
	40％	0.438	0.508
				30％	0.475	0.491
	20％	0.500	0.480
				10％	0.512	0.466
	0％	0.540	0.449

      表2去离子水测量值与文献值的比较(2450MHz，25℃，10W)

实部			虚部
						计算值	文献值	相对误差(％)	计算值	文献值	相对误差(％)
75.60	76.96	1.8	8.95	9.22	2.9

             表3甲醇-乙醇混合物测量值与文献值的比较(2450MHz，20℃，1mW)

体积比(乙醇∶甲醇)(％)	实部			虚部
							计算值	文献值	相对误差(％)	计算值	文献值	相对误差(％)
	100	6.90	6.72	2.7	6.55	6.43							2.0
90							7.63	7.70	0.9	7.23	7.30	1.0
	80	8.67	8.50	2.0	7.72	7.83							1.4
70							9.15	9.25	1.1	8.80	8.72	0.9
	60	10.78	11.07	2.6	9.48	9.60							1.2
50							12.18	12.65	3.7	10.30	10.02	2.8.
	40	13.54	13.94	2.9	10.72	10.97							2.3
30							15.90	16.26	2.2	11.06	11.40	3.0
	20	17.50	18.06	3.1	11.22	11.65							3.7
10							18.36	19.01	3.4	11.82	12.20	3.1
	0	20.59	21.25	3.1	12.18	12.51							2.6

Claims (4)

1.液体或固体粉末物质介电系数测试装置，其特征在于该装置由微波信号源(1)，通过环行器(2)、双定向耦合器(3)到开槽同轴测量段(4)的输入端，经被测物质后产生反射波Pr与透射波Pt，反射波Pr由双定向耦合器(3)和环行器(2)传输到匹配负载(6)，透射波Pt经定向耦合器(5)，接匹配负载(6)，在开槽同轴测量段(4)两端由双定向耦合器(3)耦合出的入射波Pi、反射波Pr和由定向耦合器(5)耦合出的透射波Pt分别接入双通道功率计(7)送至计算机(8)构成整体。

2.如权利要求1所述液体或固体粉末物质介电系数测试装置，其特征在于开槽同轴测量段(4)设有测量容器(12)，测量容器设有开槽同轴线(9)，开槽同轴线穿过测量容器，测量容器与测量同轴线之间的缝隙用环氧树脂胶封住，测量容器内盛被测液体或固体粉末物质(13)。

3.如权利要求1所述液体或固体粉末物质介电系数测试装置，其特征在于开槽同轴线(9)设有同轴外导体(10)和内导体(11)，同轴外导体与内导体之间用聚四氟乙烯(14)填充。

4.如权利要求1-3所述液体或固体粉末物质介电系数测试装置的测试与计算方法，其特征在于：

1)测试方法：

将待测物质放入开槽同轴测量段(4)的测量容器(12)中，开动微波信号源(1)，调节信号源功率，在计算机(8)中读取反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅值作为测量值待用；

2)计算方法：

建立与实测系统相同的计算模型，其中待测物质的介电系数作为变量，初始值由遗传算法初始化任意给定，利用有限元等数值算法计算物质在该介电系数时引起的反射系数S₁₁和传输系数S₂₁的幅值，并与测量值比较，在遗传算法中对适应度函数进行优化，搜索适应度函数最优解，即介电系数的最优解：

步骤1：初始化参数，主要包括定义程序所需变量、设定种群个数，种群中个体的基因长度和取值范围；

步骤2：定义适应度函数f，f＝exp{-C(||S₁₁|-|S₁₁′||+||S₂₁|-|S₂₁′||)}

式中|S₁₁′|、|S₂₁′|为反射系数模值的计算值，|S₁₁|、|S₂₁|为反射系数的测量值，C为任意常数；

步骤3：随机生成初始种群，即假设物质的介电系数，随机函数由程序设计软件提供。

步骤4：计算种群中各个体的适应度，首先使用种群中各个体提供的假设介电系数通过有限元法计算反射系数和传输系数的模值，然后将计算值和计算机接口采集的测量值代入适应度函数进行计算，判断适应度函数的结果是否达到设定误差范围；

步骤5：淘汰适应度低的个体，遗传适应度高的个体；

步骤6：交叉配对和变异操作，在实例中设定对需要进行变化的一对基因，仅对一个基因14位二进制数的一位进行交叉和变异操作；

步骤7：迭代次数或结果是否满足要求，若不满足要求，则重新进行步骤4至步骤7，直到满足要求为止；

步骤8：输出适应度最高的的个体，即被测物质的介电系数。

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