介电系数的测量系统以及介电系数的测量方法

摘要

本发明公开了介电系数的测量系统以及介电系数的测量方法，解决了现有技术中微波加热通路和测量通路同时运行时造成测量通路上测量设备损坏的技术问题。介电系数的测量系统，包括脊波导、微波加热通路和测量通路，待测物被放置于脊波导内，微波加热通路用于对脊波导内的待测物进行微波加热，测量通路用于测量脊波导内的待测物的介电系数，测量系统还包括信号隔离装置，所述信号隔离装置用于隔离微波加热通路和测量通路的信号，从而使微波加热通路和测量通路可以同时运行。

说明书

技术领域

本发明涉及测量物质的介电系数的技术领域，具体而言，涉及介电系数的测量系统以及介电系数的测量方法。

背景技术

微波加热已经在矿石预处理、锻造、烧结、金属氧化物矿的碳热还原等方面获得了应用。物质的介电系数一直是物质与微波相互作用研究中的一个基础而重要的问题，随着微波在冶金及其他相关工业的应用，使得高温状态下物质介电特性受到了极大的关注。

人们通过测量物质的介电系数来了解物质的介电特性，由此，产生了多种微波测量方法用于物质介电系数的测量。目前的测量方法主要有谐振法和非谐振法。非谐振法相对简单，其中，基于脊波导的传输-反射法是一种应用广泛的非谐振法，对物质的介电系数的测量达到了较高的精度。

通常，基于脊波导的传输-反射法的测量装置包括脊波导、微波加热通路和测量通路，待测物被放置于脊波导内，微波加热通路用于对脊波导内的待测物进行微波加热，测量通路用于测量脊波导内的待测物的介电系数。由于微波加热与传统热传导加热的温升的机理及速率会有所不同，将影响待测物在温升过程中的介电系数，因此，理想测量过程是在微波加热的温升过程中实时测量待测物的介电系数。但是，由于微波加热通路通常采用大功率的微波源，而测量通路通常采用小功率灵敏测量设备，两种同时运行时，微波源的信号容易进入测量通量造成测量设备损坏。例如，中国发明专利CN108828380B公开了微波加热过程中材料电磁参数测量装置与方法，通过“波导开关”实现微波加热通路和测量通路的切换，虽然微波源难以再损坏测量通路上的测量设备，但是由于微波加热通路和测量通路不是同时进行的，因此，所得介电系数与温升过程下实际的介电系数具有一定差别。

发明内容

本发明的主要目的在于提供介电系数的测量系统以及介电系数的测量方法，以解决现有技术中微波加热通路和测量通路同时运行时造成测量通路上测量设备损坏的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了介电系数的测量系统，技术方案如下：

介电系数的测量系统，包括脊波导、微波加热通路和测量通路，待测物被放置于脊波导内，微波加热通路用于对脊波导内的待测物进行微波加热，测量通路用于测量脊波导内的待测物的介电系数，测量系统还包括信号隔离装置，所述信号隔离装置用于隔离微波加热通路和测量通路的信号，从而使微波加热通路和测量通路可以同时运行。

作为本发明第一方面的进一步改进，所述信号隔离装置包括频分设备，所述频分设备使微波加热通路在第一工作频率下对脊波导内的待测物进行微波加热，使测量通路在第二工作频率下测量脊波导内待测物的介电系数；所述微波加热通路包括微波源、环形器和短路器，所述脊波导设于环形器和短路器之间；所述测量通路包括测量待测物的散射参数的矢量网络分析仪。

作为本发明第一方面的进一步改进，所述频分设备包括两个双工器，所述脊波导设于两个双工器之间，所述环形器和短路器分别与双工器连接，所述矢量网络分析仪的两个端口分别与双工器连接。

作为本发明第一方面的进一步改进，所述双工器的发射端与微波加热通路连接，接收端与矢量网络分析仪连接。

作为本发明第一方面的进一步改进，所述微波加热通路还包括与环形器连接的水负载。

作为本发明第一方面的进一步改进，所述第一工作频率和第二工作频率的差值≤200MHz。

作为本发明第一方面的进一步改进，测量通路还包括测量脊波导内待测物的温度的温度测量设备。

作为本发明第一方面的进一步改进，所述温度测量设备包括光纤温度计或红外温度计。

作为本发明第一方面的进一步改进，测量系统还包括数据处理装置，所述数据处理装置包括利用人工神经网络处理待测物的散射参数数据和温度数据并计算得到待测物的介电系数的处理器。

为了实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供了介电系数的测量方法，技术方案如下：

介电系数的测量方法，采用上述第一方面所述的介电系数的测量系统。

本发明的介电系数的测量系统通过信号隔离装置对微波加热通路和测量通路的信号进行隔离，使得微波加热通路和测量通路可以同时运行，互不影响，从而同时完成物质加热和介电系数测量，所得数据更加真实有效。

优选地是，采用频分设备使微波加热通路和测量通路在不同的工作频率下工作即可实现信号的隔离。经验证，在工业常用微波频段，大多数物质的介电系数在频偏200MHz以内时，随频率变化不大，因此，当频分设备采用双工器时，不仅成本低，而且微波加热通路和测量通路可以在不同但是较为接近的工作频率下(第一工作频率和第二工作频率的差值≤200MHz)工作运行，使得测量得到的介电系数的正确性不会因测试频率和加热频率的不同而受到影响。

特别是当采用矢量网络分析仪测量待测物的散射参数时，不仅矢量网络分析仪的使用寿命长，而且能够获得较高的测量精度。

可见，本发明的介电系数的测量系统的结构简单，使用方便，成本低，测量精度高，有效解决了现有技术中微波加热通路和测量通路同时运行时造成测量通路上测量设备损坏的技术问题，具有极强的实用性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的介电系数的测量系统的实施例的结构示意图。

上述附图中的有关标记为：

100-脊波导，210-微波源，220-环形器，230-水负载，240-短路器，310-矢量网络分析仪，320-温度测量设备，400-双工器，500-数据处理装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1为本发明的介电系数的测量系统的实施例的结构示意图。

如图1所示，介电系数的测量系统的实施例为包括脊波导100、微波加热通路、测量通路、信号隔离装置和数据处理装置500。待测物被放置于脊波导100内。

微波加热通路用于对脊波导100内的待测物进行微波加热。所述微波加热通路包括微波源210、环形器220、水负载230和短路器240，所述脊波导100设于环形器220和短路器240之间。其中，所述微波源210用于产生加热脊波导100内待测物的微波功率；所述环形器220用于使微波单向环形传输；所述水负载230用于吸收未被完全传输的微波；所述短路器240用于调节微波脊波导100内驻波分布的情况，通过调节短路器240中短路面的位置，能使待测物处于场强最大处，在微波源210输入相同功率的条件下，实现更快的温升速率，所述短路器240优选为滑动短路器240。

测量通路用于测量脊波导100内的待测物的介电系数。所述测量通路包括测量待测物的散射参数(Scatteringparameter，S参数)的矢量网络分析仪310和测量脊波导100内待测物的温度的温度测量设备320。所述温度测量设备320包括光纤温度计或红外温度计。

所述信号隔离装置用于隔离微波加热通路和测量通路的信号，从而使微波加热通路和测量通路可以同时运行。所述信号隔离装置包括频分设备，所述频分设备使微波加热通路在第一工作频率下对脊波导100内的待测物进行微波加热，使测量通路在第二工作频率下测量脊波导100内待测物的介电系数。优选地，所述频分设备包括两个双工器400，所述脊波导100设于两个双工器400之间，所述环形器220和短路器240分别与双工器400连接，所述矢量网络分析仪310的两个端口分别与双工器400连接。所述双工器400具有三个端口，其中，发射端与微波加热通路(环形器220或短路器240)连接，接收端与矢量网络分析仪310连接，余下端口与脊波导100连接。

可以根据所述第一工作频率和第二工作频率的差值来对双工器400进行选型，所述第一工作频率和第二工作频率的差值≤200MHz，具体可以取值但是不限于取值为10MHz、50MHz、100MHz、150MHz、200MHz中任意一个。

所述数据处理装置500包括利用人工神经网络处理待测物的散射参数数据和温度数据并计算得到待测物的介电系数的处理器。所述的处理待测物的散射参数数据和温度数据并计算得到待测物的介电系数的人工神经网络可以参考文献《一种斜孔脊波导100的介电常数测量装置》(应用科技，苟明艺，陈倩，黄卡玛，董鹏昊)中记载的神经网络。

本发明的介电系数的测量方法的实施例为采用上述的介电系数的测量系统。

经验证，上述实施例的介电系数的测量系统在长期使用后，矢量网络分析仪310仍能正常使用。

其中，设备的选型可以但是不限于是：

脊波导100采用《一种斜孔脊波导的介电常数测量装置》(应用科技，苟明艺，陈倩，黄卡玛，董鹏昊)中记载的脊波导；

微波源210常用的工作频率为2.45GHz或915MHz，采用中国电子科技集团公司第十三研究所生产的PA2425-250；

环形器220采用成都承新机械设备有限公司生产的CIWG22EA10P2KW；

水负载230采用成都承新机械设备有限公司生产的TMWG22EWA10P2KW；

短路器240采用成都承新机械设备有限公司生产的SSWG22EA10；

矢量网络分析仪310采用安捷伦科技有限公司生产的E8363A；

温度测量设备320采用RuggedMonitoringQuebecInc.生产的L201FIBEROPTICTEMPERATURESYSTOEM；

双工器400采用优译有限公司生产的UIYDX107107A；

数据处理装置500采用普通的台式电脑或笔记本电脑即可。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。