一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法及装置

本发明属于传感，涉及微波传感器的设计与使用，具体涉及一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法及装置。

背景技术：

1、微量液体介电常数的准确测量在科学研究和工业应用中具有重要意义。介电常数是物质对电场响应的物理量，其值受到物质分子结构和组成的影响，因此可用于不同物质的识别和分析。在微波频段，介电常数的变化对微波信号的传播和反射产生显著影响，因此微波技术成为研究微量液体介电常数的关键工具。通过利用微波在介质中传播时与介电常数相关的特性，结合微波传感器和信号处理技术，实现了对微量液体介电常数的高精度测量。这种技术不仅适用于工业应用如液体成分分析、品质检测，还可在生物医学领域进行生物样本分析、药物检测等方面应用。

2、传统的液体介电常数检测方法，如同轴探头检测法，存在需要的样品量大的缺点。而基于保角变换法或仿真参数校准法的介电谱提取算法，其测量结果会受到频率限制或仿真模型精度不佳的影响，无法保证测试结果的准确性和可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法及装置，设计了一种结构简单的微波传感器，通过所提出的介电谱提取算法，实现了1～60ghz的微波频段的微量液体介电常数测试，同时保证测试结果的高精度和测试步骤的简洁明了。

2、一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，包括介质基板、金属传感器和样品容器。所述金属传感器通过微纳加工在介质基板表面，为共面波导结构，传输tem模式电磁波，在微波频段具有良好的传输特性。所述样品容器的底面为矩形，位于金属传感器的中心位置，长边垂直于金属传感器的信号传输方向，且长度大于金属传感器的宽度。

3、作为优选，所述介质基板采用rogers4350b材料，厚度为0.508mm。

4、作为优选，所述金属传感器采用pcb工艺制作，包括中间芯线与两侧的金属地线，特征阻抗为50ω。

5、作为优选，所述样品容器的材料为树脂，采用3d打印的方式固定在金属传感器上方。

6、作为优选，所述测量装置采用同轴-共面波导转接头连接的形式输出测量信号，所述转接头的特征阻抗为50ω。

7、一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法，具体步骤如下：

8、步骤1、对去嵌入器件进行散射参数测量，计算获得除样品段外的传输线参数。包括同轴-共面波导转接头的散射参数sad，空气介质段传输线的γa、za参数，和样品容器材料介质段传输线的γp、zp参数。

9、步骤2、记录步骤1所获得的sad、γa、za、γp、zp参数，测试加载样品后同轴-共面波导转接头端面的散射参数，拟合计算样品端面的散射参数ssamp。

10、步骤3、对两种已知介电常数的参考样品和待测样品，分别执行步骤2，得到样品端面的散射参数后，拟合获得加载不同样品时样品段传输线的等效介电常数

11、步骤4、根据已知参考样品的介电常数与步骤3计算得到的样品段传输线的等效介电常数计算该传感器样品介电常数与样品段传输线的等效介电常数之间的系数m和c：

12、

13、再根据步骤3获得的计算出待测样品在各频率下的介电常数εsut：

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15、本发明具有以下有益效果：

16、1、通过吸取少量液体样本放入样品容器，可以测试获得传感器的散射参数；使用介电常数已知的参考样品对传感器进行校准，便可获得传感器的校准系数，进而计算未知样品的介电常数。

17、2、具有频带范围宽、快速、高灵敏度等优势，扩展了传统的毫米波传感器技术的应用范围，有望在更多领域发挥重要作用，为科学研究和工业生产提供更可靠的分析手段。

技术特征：

1.一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法，其特征在于：具体步骤如下：

2.如权利要求1所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法，其特征在于：所述样品段外传输线参数包括：同轴-共面波导转接头的散射参数sad，空气介质段传输线的γa、za参数，和样品容器材料介质段传输线的γp、zp参数。

3.如权利要求2所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法，其特征在于：针对所述测量装置，加载样品后，将同轴-共面波导转接头端面测量的散射参数转换为矩阵，矩阵与传输线的参数关系为：

4.如权利要求1所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法，其特征在于：使用最小二乘法拟合各传输线的参数，具体步骤如下：

5.一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，包括介质基板、金属传感器和样品容器，其特征在于：用于实现如权利要求1～4任意所述的测量方法；

6.如权利要求5所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，其特征在于：所述介质基板采用rogers4350b材料，厚度为0.508mm。

7.如权利要求5所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，其特征在于：所述金属传感器采用pcb工艺制作，包括中间芯线与两侧的金属地线，特征阻抗为50ω。

8.如权利要求5所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，其特征在于：所述样品容器的材料为树脂，采用3d打印的方式固定在金属传感器上方。

9.如权利要求5或8所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，其特征在于：所述样品容器的内部尺寸为12mm×5mm×7mm，壁厚为1mm。

10.如权利要求5所述一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的装置，其特征在于：所述测量装置采用同轴-共面波导转接头连接的形式输出测量信号，所述转接头的特征阻抗为50ω。

技术总结本发明公开了一种基于微波传感器测量微量液体介电常数的方法及装置。所述测量装置包括介质基板、金属传感器和开口容器。所述金属传感器为共面波导结构，所述开口容器的底面为矩形，位于金属传感器的中心位置，长边垂直于金属传感器的信号传输方向，且长度大于金属传感器的宽度。所述测量方法通过对去嵌入器件进行散射参数测量，拟合获得除样品段外的传输线参数。将所属装置进行散射参数测量后，计算样品端面的散射参数。然后测量和计算不同参考样品下的样品段传输线的等效介电常数，得到样品段传输线的等效介电常数与样品介电常数间的系数矩阵。最后对于未知样品，测量其散射参数，并使用测量装置的传输线参数与系数矩阵，计算其介电常数。技术研发人员：王健华,孙文,孙玲玲受保护的技术使用者：杭州电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20