專利名稱：用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器及測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量溶液濃度的傳感器，可對(duì)溶液濃度進(jìn)行精確地測(cè)量，屬測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、化工、食品等各領(lǐng)域，對(duì)于液體濃度寬范圍的檢測(cè)有著迫切的需要，希望出現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)傳感可靠，易于工業(yè)生產(chǎn)加工，成本較低的新型液體濃度檢測(cè)的傳感器。溶液濃度是根據(jù)溶質(zhì)在溶液中的含量來(lái)計(jì)算的，在實(shí)際應(yīng)用中由于溶質(zhì)量的變化溶液濃度也發(fā)生改變。溶液濃度的測(cè)量方式分為直接測(cè)量和間接測(cè)量方式。直接提取溶液測(cè)定溶液中溶劑和溶質(zhì)含量是最基本的方法，但由于提取溶液會(huì)影響到溶液的狀態(tài)，不適宜應(yīng)用于需要嚴(yán)格控制溶液狀態(tài)的環(huán)境中；另一種是采用比重計(jì)測(cè)量溶液濃度的方法，主要依靠人工完成。這兩種方法屬于溶液濃度的直接測(cè)量方式。間接測(cè)量方式則是以溶液的特性為依據(jù)，如溶液的電導(dǎo)率大小來(lái)衡量溶液中溶質(zhì)量的多少，但該方法只能應(yīng)用于電解質(zhì)溶液，限制了其測(cè)量范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量誤差小的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，包括一個(gè)兩端封閉的圓柱形金屬腔體，在圓柱形金屬腔體內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)用于容納待測(cè)溶液的檢測(cè)通道，檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線方向一致，在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁上開始有耦合孔，在耦合孔處設(shè)置一用于傳輸微波信號(hào)的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的寬邊與圓柱形金屬腔體的軸線方向相同，所述的檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線重合。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的耦合孔開設(shè)在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁沿軸線方向上的中心位置處，耦合孔半徑為3. 5mm ;所述的檢測(cè)通道為玻璃管，所述的圓柱形金屬腔體由黃銅制成；在圓柱形金屬腔體的內(nèi)表面覆蓋有銀薄膜。本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述傳感器實(shí)現(xiàn)的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振測(cè)量系統(tǒng)，包括諧振腔傳感器、微波源、環(huán)形器、檢波器、計(jì)算中心，其中，微波諧振腔傳感器，包括一個(gè)兩端封閉的圓柱形金屬腔體，在圓柱形金屬腔體內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)用于容納待測(cè)溶液的檢測(cè)通道，檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線方向一致，在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁上開始有耦合孔，在耦合孔處設(shè)置一用于傳輸微波信號(hào)的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的寬邊與圓柱形金屬腔體的軸線方向相同；由微波源產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入矩形波導(dǎo)，經(jīng)波導(dǎo)傳輸耦合到諧振腔，諧振腔的反射信號(hào)經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入檢波器，檢波器輸出的信號(hào)被送入計(jì)算中心，由計(jì)算中心根據(jù)諧振頻率的測(cè)量數(shù)據(jù)，得到諧振頻率和介電常數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而獲取待測(cè)溶液的濃度。本發(fā)明提供一種用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器及測(cè)量系統(tǒng)，由于采用了上述的技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果I、本發(fā)明由于通過對(duì)溶液濃度變化前后的諧振腔諧振頻率偏移的分析及處理，可以對(duì)被測(cè)溶液的濃度進(jìn)行寬范圍的檢測(cè)。2、本發(fā)明由于傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)功率非常小,不超過500 μ W,遠(yuǎn)低于手機(jī)的福射功率，因此對(duì)被測(cè)物質(zhì)及周圍環(huán)境不會(huì)造成任何損害。3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，對(duì)環(huán)境的要求低，通過耦合波導(dǎo)與外部處理電路配合，可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的右視圖。圖3是圖I的上視圖。圖4是不同耦合孔半徑的S參數(shù)。圖5是本發(fā)明測(cè)量不同介電常數(shù)的葡萄糖溶液時(shí)得到的諧振曲線圖。圖中各標(biāo)號(hào)為1、耦合孔，2、波導(dǎo)，3、諧振腔體，4、定位螺釘，5、玻璃管，6、檢測(cè)區(qū)域。
具體實(shí)施例方式微波諧振腔內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)的變化將引起諧振腔諧振頻率的改變，通過測(cè)量諧振腔諧振頻率的變化，就可以測(cè)量諧振腔內(nèi)介質(zhì)介電常數(shù)或其變化量。一定壓力(溫度)下， 溶液的濃度不同其介電常數(shù)也就不同，而且兩者一一對(duì)應(yīng)，因此，可以通過測(cè)量微波諧振腔內(nèi)溶液的介電常數(shù)來(lái)測(cè)量溶液的濃度。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明參見圖1，該微波諧振腔包括腔體3，制作腔體3的材料為黃銅；在腔體3中部設(shè)置一玻璃管5，該玻璃管內(nèi)部區(qū)域6用以放置被測(cè)溶液；在腔體3側(cè)壁中心位置開有一圓孔1， 諧振腔通過該圓孔與矩形波導(dǎo)耦合，進(jìn)行微波信號(hào)的傳輸；定位螺釘4用于頂蓋與腔體3固定。由微波源產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入波導(dǎo)，經(jīng)波導(dǎo)傳輸耦合到諧振腔，諧振腔的反射信號(hào)經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入檢波器，經(jīng)過外部的處理電路對(duì)諧振頻率的跟蹤和測(cè)量，就可以得到諧振頻率和介電常數(shù)的關(guān)系。在選擇微波諧振腔結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，要考慮無(wú)載時(shí)品質(zhì)因子Qtl的大小。Qtl的計(jì)算公式如下Q0 = O. 610Χ (λ0/ δ ) X {[1+0. 168X (2a/l)2]3/2/[1+(2a/l)3]}式中λ ^為微波諧振腔空載時(shí)的諧振波長(zhǎng)，δ為諧振時(shí)腔體材料的趨膚深度。a為微波諧振腔腔體半徑，I為微波諧振腔腔體長(zhǎng)度。Q0越大，測(cè)量溶液濃度的分辨率越高，因此選擇品質(zhì)因數(shù)最高的工作模式TEtlll模式，在此模式下當(dāng)2a/l = I時(shí)，Qtl最大。選取諧振腔的工作頻率為9. 6GHz,當(dāng)諧振腔內(nèi)的介質(zhì)為空氣時(shí)，由2a/l = I可以計(jì)算出諧振腔的半徑a為20. 5mm,高度I為41mm。在諧振腔的諧振頻率點(diǎn)處，諧振器吸收了大部分功率，S11曲線的衰減最大。結(jié)合圖4所示，當(dāng)耦合小孔的半徑變化時(shí)，諧振曲線也發(fā)生變化。當(dāng)耦合孔半徑為3. 5mm時(shí)，曲線衰減最大，此時(shí)，諧振腔和矩形波導(dǎo)的耦合效果最好，諧振腔的品質(zhì)因數(shù)最高。諧振腔的激勵(lì)采用矩形波導(dǎo)TEltl波作為激勵(lì)源，圓柱形諧振腔和矩形波導(dǎo)在波導(dǎo)終端通過小孔耦合，使矩形波導(dǎo)的寬邊與諧振腔的軸線方向相平行，耦合小孔開在諧振腔的側(cè)壁中心位置。在矩形波導(dǎo)的終端只有Hx分量，Hx分量與TEtlll模圓柱形諧振腔的Hz分量一致，所以這種耦合方式可以激勵(lì)起TEOll模。TEtlll模式與TM111模式是簡(jiǎn)并波型，在激勵(lì)端口 TM111模的Hz分量為零，不能被激勵(lì)。所以，采用這種激勵(lì)方式抑制了 TM111模的產(chǎn)生。由于電磁波在液體中的損耗使諧振腔的品質(zhì)因數(shù)下降，為使品質(zhì)因數(shù)值達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須盡可能的減小電磁波輻射損耗和腔體內(nèi)表面損耗。一方面以銅作為諧振腔的材料，兩端封閉減小電磁波的泄露；另一方面要在諧振腔表面鍍銀，且使內(nèi)表面光滑，減小導(dǎo)體的損耗。本發(fā)明是通過測(cè)量不同濃度的溶液所引起的諧振頻率的變化來(lái)測(cè)定溶液濃度的。 以葡萄糖溶液為測(cè)量樣品，結(jié)合圖2所示，從圖中可以看出，不同介電常數(shù)的溶液所引起的諧振頻率的偏移是不同的，由于當(dāng)溫度不變時(shí)，一定濃度的葡萄糖溶液的介電常數(shù)是一定的，因此，確定溶液的介電常數(shù)后就可得到溶液的濃度。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，包括一個(gè)兩端封閉的圓柱形金屬腔體，在圓柱形金屬腔體內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)用于容納待測(cè)溶液的檢測(cè)通道，檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線方向一致，在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁上開始有耦合孔，在耦合孔處設(shè)置一用于傳輸微波信號(hào)的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的寬邊與圓柱形金屬腔體的軸線方向相同，所述的檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，其特征在于，所述的耦合孔開設(shè)在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁沿軸線方向上的中心位置處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，其特征在于，所述的率禹合孔半徑為3. 5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，其特征在于，所述的檢測(cè)通道為玻璃管，所述的圓柱形金屬腔體由黃銅制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，其特征在于，在圓柱形金屬腔體的內(nèi)表面覆蓋有銀薄膜。
6.一種用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振測(cè)量系統(tǒng)，包括諧振腔傳感器、微波源、環(huán)形器、 檢波器、計(jì)算中心，其中，微波諧振腔傳感器，包括一個(gè)兩端封閉的圓柱形金屬腔體，在圓柱形金屬腔體內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)用于容納待測(cè)溶液的檢測(cè)通道，檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線方向一致，在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁上開始有耦合孔，在耦合孔處設(shè)置一用于傳輸微波信號(hào)的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的寬邊與圓柱形金屬腔體的軸線方向相同；由微波源產(chǎn)生的微波信號(hào)經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入矩形波導(dǎo)，經(jīng)波導(dǎo)傳輸耦合到諧振腔，諧振腔的反射信號(hào)經(jīng)環(huán)形器導(dǎo)入檢波器，檢波器輸出的信號(hào)被送入計(jì)算中心，由計(jì)算中心根據(jù)諧振頻率的測(cè)量數(shù)據(jù)，得到諧振頻率和介電常數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而獲取待測(cè)溶液的濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的耦合孔開設(shè)在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁沿軸線方向上的中心位置處。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7任意一項(xiàng)所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的稱合孔半徑為3. 5_。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7任意一項(xiàng)所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測(cè)通道為玻璃管，所述的圓柱形金屬腔體由黃銅制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9任意一項(xiàng)所述的用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，在圓柱形金屬腔體的內(nèi)表面覆蓋有銀薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于測(cè)量溶液濃度的微波諧振腔傳感器，包括一個(gè)兩端封閉的圓柱形金屬腔體，在圓柱形金屬腔體內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)用于容納待測(cè)溶液的檢測(cè)通道，檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線方向一致，在圓柱形金屬腔體的側(cè)壁上開始有耦合孔，在耦合孔處設(shè)置一用于傳輸微波信號(hào)的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的寬邊與圓柱形金屬腔體的軸線方向相同，所述的檢測(cè)通道的軸線與圓柱形金屬腔體的軸線重合。本發(fā)明同時(shí)涉及一種采用此種傳感器的溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，對(duì)環(huán)境的要求低，可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N22/00GK102590230SQ201210009379
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者王洪軍, 肖夏 申請(qǐng)人:天津大學(xué)