液体介电常数测量方法及其在安检中的应用

摘要

随着现今科技的发展，液体材料的应用越来越频繁，液体材料的介电常数的测量越来越重要。
　　对液体复介电常数的测量需要扩展到微波频率上，在微波频率中，参数变为分布参数。传输线理论是微波电路的基础，它将传统的电磁场电磁波理论与微波电路理论联系到了一起，分布参数需用微波网络参数来进行分析。
　　对于液体介电常数测量本文选取了同轴探针法和自由空间法两种方法进行了分析。同轴探针法无需制作测试样品，直接将探针插入待测液体中，通过建立液体介电常数与终端反射系数之间关系的模型，来对液体介电常数进行反演，反演过程中，通常用去离子化的水作为标准液体来进行校准。自由空间法可以用于户外和实地的测量，其测量的理论基础是菲涅耳反射定律。自由空间法根据其测量信号的不同，分为自由空间反射法和自由空间透射法。其系统由矢量网络分析仪、喇叭天线组成。通过发射喇叭天线发射信号，接收喇叭天线接收反射或折射信号，根据矢量网络分析仪所测得的S参数来反演计算液体的介电常数。
　　现在大型公共场所的液体安全检测发展并不完善，在各种测量方法中微波法是发展潜力比较大的方法。由于液体材料的介电常数与其危险性存在一定的关系。因此可以用测量液体介电常数的方法来对待测液体进行辨别。液体安全检查系统的构建可以参照自由空间法来进行设计。而影响液体介电常数测量的因素也是影响液体安全检查测量准确度的因素，在设计系统时需要考虑这些因素。测量频率的选择决定了喇叭天线的选择，测量温度的考虑决定系统中需要存在测量温度模块，而容器表面粗糙度影响了系统的测量数据的稳定性，待测液体极性的不同直接影响系统的分辨能力。由于散射的存在，待测容器表面粗糙度对自由空间反射法的影响远大于自由空间透射法。自由空间反射法易于分辨中低极性液体与高极性液体，但对高极性液体之间分辨能力不强。自由空间透射法易于分辨中高极性的液体，低极性液体由于相位参数的不同也能与高极性液体分开，而由于水类的液体是最常见的安全品，是高极性液体，是最需要重点分辨的液体。因此系统选择自由空间透射法作为主要的分辨方法。最终的系统设计由信号采集模块、微波产生模块、信号处理模块组成。信号采集模块包括收发喇叭天线以及测温探头，采集待测液体的透射信号和温度信号，微波产生模块输出指定频率和功率的电微波，并接收信号采集模块采集的透射信号发往信号处理模块，信号处理模块包括对接收信号的处理以及辨别结果的显示。
　　由于将球面波近似成平面波，而且将待测容器的曲面近似成平面来进行计算因此系统不可避免的出现测量误差，同时系统对容器材质厚度，光滑度的要求也限制了系统的分辨能力。因此需要方向性更好的天线来进行测量减小系统误差。

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1 绪论

1.1 本文的研究背景和研究意义

1.2 论文主要内容和章节安排

2 介电常数和微波传播的基本理论

2.1 介电常数的基本概念

2.2 传输线理论

2.3 微波网络理论

2.4 本章小结

3 同轴探针法和自由空间法

3.1 电磁波在电介质中的传播规律

3.2 同轴探针法

3.3 自由空间法

3.4 本章小结

4 自由空间法在液体安全检测中的应用

4.1 测量原理

4.2 影响测量精度的因素分析

4.3 液体安全检测系统的设计

4.4 本章小结

5 系统实测效果及误差分析

5.1 应用效果测试

5.2 实验结果及分析

5.3 误差分析

5.4 改进方法

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录一 攻读硕士期间发表或录用的学术论文