·614* 北京科技大学学报 2005年第5期 12单端同轴微波传感器 和虚部) 对于污染的土壤、建材等样品，测试频率一 对于单端同轴系统，接受的电磁波信号主要 般在50MHz到几个GHz,所以对于这种宽频带 是反射.环状样品放入同轴容器后，接入ANA, 测试来说，最适宜的测量方法是同轴线传输法向， 就可以测出特定频率下电压脉冲信号的幅度与 同轴线传输系统可分为单端与双端系统.对于双 相位角.反射信号用S,表示，它和散射参数有密 端系统来说，要想得知物质的复介电常数就必须 切的关系，其中第一个下标表示接受信号的端 测量S,S2,和S(=S),然后根据经典的N-R法m 口，第二个表示信号源端口.S确定后，即可以计 就可以计算出复介电常数.在该方法中，待测材 算出样品的复介电常数，从而了解其传导特性与 料样品被置于同轴线或矩形波导取样器中，通过 极化特性. 自动矢量网络分析仪ANA测量样品区散射参 本项目选用的网络分析仪为HP8753D,其 数，然后通过散射方程反演，就得到了材料的复 工作频段为0.3MHz到3GHz,内置S参数测试仪， 介电常数.如果样品较多，则需花较多的时间：此 外，样品的容积与尺寸必须完全适合于样品室， 2环保微波传感器的设计 对于粉状和液状样品，样品容器制造也较困难. 相反，若使用单端同轴传输线系统，就比较简单 2.1外形尺寸及模块化设计 且灵活，仅需测量反射系数S:就可以. 为了配合同轴电缆的阻抗一标准同轴传 本项目研究工作是设计一种单端闭合同轴 输线502，所以同轴系统（传感器）的阻抗也应为 传输线系统，这样无论样品是固体，还是粉状和 502.同轴系统（传感器）大体应分为四部分：连接 N型射频同轴连接器的接口、传输腔、样品室和 液状，都可以放入样品容器，而且闭合式结构也 可以使测量结果受到的外界干扰最小：另外，不 短路端.由于样品室要盛放土质样品，所以应该 采取探针或同轴探头的原因主要是考虑到土水 根据地质学标准使其直径足够大，以容纳各种最 系统是高损耗物质，利用探针或探头发出的电 典型的土质类型，如沙粒、岩石粒、淤泥、煤粉、残 磁波信号，仅可以深入被测物表面几个毫米的深 渣、粘土和泥土颗粒，这样就可以在实验室尽量 度；同时，相比于探针，同轴容器有更高的精 真实地模拟实地环境的土质.根据文献[11]，环状 度，并能准确反映非匀质和大容积样品的复介电 样品空间径向至少14.2mm,长度至少35mm. 常数. 根据文献[12]，要想使连接ANA的同轴容器 13复介电常数测试系统 阻抗为502，要求同轴容器内外导体直径满足 测量复介电常数的系统，如图1所示，由以下 60in6) Z=Ve: =50 (3) 几部分组成：自动矢量网络分析仪(ANA)、微波 传感器（同轴样品容器）、一套连接用的同轴电缆 且由上述样品要求知： b-a=14.2×2=28.4mm (4) 和一台用于数据处理的PC机.通过ANA产生特 定频率段的电磁波信号，然后检测样品反射回来 其中，Z为同轴容器阻抗；b为外导体直径；a为内 的信号，将信号送入计算机，经过软件处理，就可 导体直径；ε为样品容器中填充样品的相对介电 以得到待测频率下样品的复介电常数（包括实部 常数，即复介电常数的实部 由此确定内导体直径21.6mm,外导体内径 PC用数据处理 为50mm,外导体外径定为65mm,如图2所示. HP-[B连接电缆 同轴容器的柱状部分应该足够长，以尽量避 免锥状和柱状连接处电磁波的反射影响，根据报 单端同轴 道样品与锥状部分距离至少150mm,为了使影响 传感器 降到最低，将这个长度定为250mm. 被测样品 使用ANA对样品进行复介电常数测量时， HP-8753D网络分析仪同轴电缆 必须保证样品在同轴容器内部的位置确定不变， 并且和内外导体壁良好的紧密接触.为了使测 图1测试系统简图 量产生的误差减到最低，使传感器的柱状部分截 Fig.1 Diagram of the detection system 成三部分，即把样品室分离出来，然后用螺纹联北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 单端 同轴 微 波 传 感 器 对 于 污 染 的土 壤 、 建 材 等样 品 ， 测 试 频 率 一 般 在 到 几 个 ， 所 以对 于 这 种 宽频 带 测试 来 说 ， 最适 宜 的测 量 方法 是 同轴 线 传输法 同轴 线传 输 系 统 可分 为单 端 与双 端 系 统 对 于双 端 系统来 说 ， 要 想 得 知物质 的复介 电常数 就 必 须 测 量 ，，， 及 ， 和 凡 ， 凡 ， 然 后 根 据 经 典 的 一 法〔 ， 就 可 以计 算 出复 介 电常 数 ， 在 该 方 法 中 ， 待 测 材 料 样 品被 置 于 同轴线 或矩 形波 导取 样器 中 ， 通 过 自动 矢 量 网 络 分 析 仪 测 量 样 品 区 散 射 参 数 ， 然 后 通 过 散射 方 程 反演 ， 就得 到 了材 料 的复 介 电常数 如 果样 品较 多 ， 则 需花较 多 的时 间 此 外 ， 样 品 的容积 与尺 寸 必 须 完 全 适 合 于 样 品 室 ， 对 于 粉 状 和 液 状 样 品 ， 样 品容 器 制 造 也 较 困难 相 反 ， 若 使 用 单 端 同轴 传 输 线 系统 ， 就 比较 简 单 且 灵 活 ， 仅 需测 量 反射 系 数及 ，就 可 以 本 项 目研 究 工 作 是 设 计 一 种 单 端 闭合 同轴 传 输 线系 统 ， 这 样无 论 样 品是 固体 ， 还 是 粉 状 和 液状 ， 都 可 以放 入 样 品容 器 ， 而且 闭合 式 结 构 也 可 以使测 量 结 果 受 到 的外 界 干 扰 最 小 另 外 ， 不 采 取 探 针 或 同轴 探 头 的 原 因 主 要 是 考 虑 到 土 水 系 统 是 高损 耗 物 质 ， 利 用 探 针 或 探 头 发 出 的 电 磁 波 信 号 ， 仅 可 以深 入 被测 物表 面几 个 毫 米 的深 度 ‘ 同 时 ， 相 比于 探 针 ， 同轴 容 器 有 更 高 的精 度 ， 并 能准 确 反 映 非匀 质 和 大 容积 样 品 的复介 电 常 数网 复介 电常数 测 试 系统 测 量 复介 电常 数 的系 统 ， 如 图 所 示 ， 由 以下 几 部 分 组 成 自动 矢 量 网络 分 析 仪 、 微 波 传 感 器 同轴 样 品容 器 、 一 套 连 接 用 的 同轴 电缆 和 一 台用 于 数 据 处 理 的 机 通 过 刊 产 生特 定 频 率 段 的 电磁 波 信 号 ， 然 后检 测 样 品 反射 回来 的信 号 ， 将信 号送 入 计 算 机 ， 经 过 软件 处 理 ， 就 可 以得 到待 测 频 率 下 样 品 的复介 电常 数 包 括 实 部 和 虚 部 对 于单 端 同轴 系 统 ， 接受 的 电磁 波 信 号 主 要 是 反射 环 状 样 品放 入 同轴 容器 后 ， 接 入 ， 就 可 以测 出特 定 频 率 下 电压 脉 冲 信 号 的幅度 与 相 位 角 反射信 号用况 表 示 ， 它和 散射 参 数有 密 切 的关 系 「 ， 其 中第 一 个 下 标 表 示 接 受信 号 的端 口 ， 第 二个 表 示信 号源端 口 昌 确 定后 ， 即可 以计 算 出样 品 的复介 电常 数 ， 从而 了解 其 传 导特 性 与 极化 特 性 本 项 目选 用 的 网络 分 析 仪 为 卜 ， 其 工作频 段 为 到 ， 内置 参 数测试 仪 环保微 波传 感器 的设 计 外 形 尺 寸 及模 块 化 设 计 为 了配 合 同轴 电缆 的 阻 抗 — 标 准 同轴 传 输 线 ， 所 以 同轴 系 统 传 感 器 的 阻抗 也 应 为 同轴 系统 传感 器 大体应 分 为 四部 分 连 接 型射 频 同轴 连 接 器 的接 口 、 传 输腔 、 样 品室和 短 路 端 由于样 品 室 要 盛 放 土 质 样 品 ， 所 以应 该 根 据地 质 学 标准 使其 直 径足够 大 ， 以容纳 各种 最 典型 的土质 类 型 ， 如 沙 粒 、 岩 石 粒 、 淤 泥 、 煤粉 、 残 渣 、 粘 土 和 泥 土 颗 粒 ， 这 样 就 可 以在 实验 室 尽 量 真 实地模拟 实地 环 境 的土 质 根据 文献 【 ， 环 状 样 品 空 间径 向至 少 ， 长 度 至 少 根 据 文 献 ， 要 想 使 连 接 的 同轴 容 器 阻抗 为 ， 要 求 同轴 容 器 内外 导体 直径 满足 ， 、 万 蝙 瓦舒 二 一 ” 。 单端同轴 被测样品 口 巨口 传感器 图 测 试 系 统 简 图 卜 ， 且 由上 述 样 品 要 求 知 一 二 其 中 ， 为 同轴 容 器 阻 抗 为外 导 体直 径 为 内 导 体 直 径 己 为样 品容器 中填 充样 品 的相对 介 电 常数 ， 即复介 电常数 的 实 部 由此 确 定 内导 体直 径 ， 外 导体 内径 为 ， 外 导 体外 径 定 为 ， 如 图 所 示 同轴 容器 的柱 状 部 分应 该足够 长 ， 以尽 量 避 免锥状和 柱 状连 接 处 电磁 波 的反射 影 响 根 据 报 道 样 品与锥状 部 分距 离 至 少 ， 为 了使 影 响 降到 最 低 ， 将 这 个 长 度 定 为 使 用 对 样 品进 行 复介 电常 数 测 量 时 ， 必 须保证 样 品在 同轴 容器 内部 的位 置确 定 不变 ， 并 且 和 内外 导 体 壁 良好 的紧 密 接 触‘ 为 了使测 量 产 生 的误 差 减 到最低 ， 使 传 感器 的柱 状 部 分截 成 三 部 分 ， 即把 样 品 室 分 离 出来 ， 然 后 用 螺 纹 联