一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统
阅读说明：本技术 一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统 (Microwave resonance structure and system for measuring concentration of solutions such as rubber latex ) 是由 谢晓鹏 崔耀中 郭建涛 郭晋川 赵阳 于 2021-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统,包括圆柱型腔体,所述圆柱型腔体顶部为开口设置,所述圆柱型腔体底部开设有圆孔,所述圆孔内腔设有同轴探针,所述同轴探针外侧边缘套设有绝缘介质,将橡胶乳胶充满圆柱型腔体的整个空间,相比于谐振腔微扰法测量被测液体,被测液体对谐振腔谐振频率的影响大,因此可以更加灵敏更加准确的测量被测液体的介电常数变化；通过圆柱型腔体顶面的开口设置,方便倒入和倒出被测量液体,测量过程方便快捷；通过使用金属探针与金属圆柱体形成的同轴结构对谐振腔体进行馈电,可采用SMA接头、N型接头、BNC结构等常用同轴结构进行馈电,实现方便、连接方便、成本低。(The invention discloses a microwave resonance structure and a microwave resonance system for measuring the concentration of solutions such as rubber latex and the like, and the microwave resonance structure and the microwave resonance system comprise a cylindrical cavity, wherein the top of the cylindrical cavity is provided with an opening, the bottom of the cylindrical cavity is provided with a round hole, the inner cavity of the round hole is provided with a coaxial probe, the outer edge of the coaxial probe is sleeved with an insulating medium, the rubber latex is filled in the whole space of the cylindrical cavity, and compared with a resonant cavity perturbation method for measuring the measured liquid, the influence of the measured liquid on the resonance frequency of a resonant cavity is large, so that the dielectric constant change of the measured liquid can be measured more sensitively and more accurately; the opening on the top surface of the cylindrical cavity is arranged, so that the measured liquid is convenient to pour and pour, and the measuring process is convenient and quick; the coaxial structure formed by the metal probe and the metal cylinder is used for feeding the resonant cavity, common coaxial structures such as an SMA connector, an N-type connector and a BNC structure can be used for feeding, and the coaxial structure is convenient to realize and connect and low in cost.)
技术领域
本发明涉及一种使用微波谐振
技术领域
，具体为一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统。背景技术
对于液体混合物浓度的测量，在农业生产、化工、医药、生活等领域，都有着广泛的需求。测量浓度的方法也有很多中，比如干燥、蒸发固化测量法、密度法、粘稠度测量法、电导率法、光学、微波透射系数法、光学折射率法等等各种方式。每种方式，都有自己的优缺点，有的测量时间长、测量复杂、测量成本高、适用范围受限等。
用微波谐振的方法进行液体介电常数测量的原理在科学测量仪器中也有早有应用，由于液体的介电常数跟物质的浓度（质量或体积百分比）有关系，因此使用微波进行液体浓度测量的方法也有各种方式，现有的微波谐振结构在进行测量时，其体是封闭结构以构建高品质因子；同时是将小部分被测溶液放在封闭的容器中，再放入腔体内部，以满足微扰法条件要求，再通过谐振频率改变的物质浓度测量，这种结构不便于溶液的倒入和倒出，且溶液对谐振腔谐振频率的影响小，使得测量被测液体的介电常数变化不够灵敏准确，还有就是，现有的馈电方式必须要规定的接头型号才可使用，所以这里提出一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的不便于溶液进入、测量不够灵敏准确和使用单一接头等缺陷，提供一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统。所述一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统具有便于溶液进入、测量更加灵敏准确和可采用SMA接头、N型接头、BNC结构等常用同轴结构进行馈电的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统，包括圆柱型腔体，所述圆柱型腔体顶部为开口设置，且其为半敞开设置，所述圆柱型腔体底部开设有圆孔，所述圆孔内腔设有同轴探针，所述同轴探针外侧边缘套设有绝缘介质，所述绝缘介质外侧与圆孔内部贴合，所述圆柱型腔体之底部设有同轴信号馈入结构。
优选的，所述圆孔与绝缘介质相匹配设置。
优选的，所述同轴信号馈入结构由同轴探针和圆柱型腔体共同组成。
优选的，所述同轴探针与绝缘介质顶端共同延伸至圆柱型腔体内腔。
优选的，所述绝缘介质为圆柱型设置，且所述绝缘介质与同轴探针相匹配设置。
优选的，所述圆柱型腔体的横截面不限于圆柱型，可以是长方形、球形和梯形等结构。
优选的，所述圆柱型腔体上圆孔的位置不限于圆柱型腔体的中心位置。
一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振系统，包括以下步骤：
S1：向圆柱型腔体中倒入不同浓度的橡胶乳胶；
S2：然后通过扫频频率源模块测量谐振腔体的回波信号；
S3：谐振腔的回波信号经过同轴馈电端，反射回来到达定向耦合器的C2端口，经过C3端口耦合到检波放大电路；
S4：通过定向耦合器模块和模拟放大模块获得谐振频率和橡胶乳胶浓度对应关系的拟合曲线；
S5：然后查询拟合曲线，即可快速测得橡胶乳胶的浓度；
S6：现有科学原理表明，本测量的原理式是通过不同介质的介电常数不同，谐振频率会不同的测量原理来进行测量橡胶乳胶浓度的。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在使用时，由于柱型腔体为半敞开设置，可将橡胶乳胶充满圆柱型腔体的整个空间，相比于谐振腔微扰法测量被测液体，被测液体对谐振腔谐振频率的影响大，因此可以更加灵敏更加准确的测量被测液体的介电常数变化；
2、本发明在使用时，通过圆柱型腔体顶面的开口设置，方便倒入和倒出被测量液体，测量过程方便快捷；
3、本发明在使用时，通过使用金属探针与金属圆柱体形成的同轴结构对谐振腔体进行馈电，可采用SMA接头、N型接头、BNC结构等常用同轴结构进行馈电，实现方便、连接方便、成本低。
附图说明
图1为本发明圆柱型腔体的结构示意图；
图2为本发明的系统组成图；
图3为本发明扫频谐振频率曲线图；
图4为本发明谐振频率与浓度对应关系的函数曲线图。
图中标号：1、同轴探针；2、绝缘介质；3、圆柱型腔体；4、同轴信号馈入结构；5、橡胶乳胶容器；6、扫频频率源模块；7、定向耦合器模块；8、模拟放大模块；9、信息处理器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振结构和系统，包括圆柱型腔体3，圆柱型腔体3的横截面不限于圆柱型，可以是长方形、球形和梯形等结构，圆柱型腔体3顶部为开口设置，且其为半敞开设置，圆柱型腔体3底部开设有圆孔，圆柱型腔体3上圆孔的位置不限于圆柱型腔体3的中心位置，圆孔内腔设有同轴探针1，同轴探针1外侧边缘套设有绝缘介质2，绝缘介质2外侧与圆孔内部贴合，同轴探针1与绝缘介质2顶端共同延伸至圆柱型腔体3内腔，圆孔与绝缘介质2相匹配设置，通过此设置使得绝缘介质2与圆孔的安装更加稳定，绝缘介质2为圆柱型设置，且绝缘介质2与同轴探针1相匹配设置，圆柱型腔体3之底部设有同轴信号馈入结构4，同轴信号馈入结构4由同轴探针1和圆柱型腔体3共同组成。
一种用于测量橡胶乳胶等溶液浓度的微波谐振系统，包括以下步骤：
S1：向圆柱型腔体3中倒入不同浓度的橡胶乳胶；
S2：然后通过扫频频率源模块6测量谐振腔体的回波信号；
S3：谐振腔的回波信号经过同轴馈电端，反射回来到达定向耦合器7的C2端口，经过C3端口耦合到检波放大电路；
S4：通过定向耦合器模块7和模拟放大模块8获得谐振频率和橡胶乳胶浓度对应关系的拟合曲线；
S5：然后查询拟合曲线，即可快速测得橡胶乳胶的浓度；
S6：现有科学原理表明，本测量的原理式是通过不同介质的介电常数不同，谐振频率会不同的测量原理来进行测量橡胶乳胶浓度的。
根据图1和图2所示：设计谐振腔体结构，其结构参数如下，Dc=40mm，Hc=30mm，Lp=10mm，La=12mm，Dp=1.3mm， Df=4.2mm的谐振腔体结构；其中圆柱型腔体的材质为铝，金属探针的材质为铜，绝缘介电材料为teflon；谐振腔体的同轴连接器采用SMA接头，将圆柱型腔体3浸入橡胶乳胶容器5中，使得橡胶乳胶浸入圆柱型腔体3内部的掏空空间；图2中定向耦合器模块7采用经典的微带4端口定向耦合器，其中C1和C2为定向耦合器的输入输出端，C3为C2端口的耦合端、C1端口的隔离端，C4为C1端口的耦合端、C2端口的隔离端，在此处C4端口接50欧姆负载；图2中扫频频率源模块6，通过同轴电缆连接到定向耦合器模块7的输入端口C1，SMA接头上连接到定向耦合器的C2端口，通过C2端口实现微波信号的馈入。扫频源的扫频范围覆盖不同浓度橡胶乳胶所对应的频率范围。扫频源可使用DDS，VCO等多种芯片或结构实现，本方案使用带PLL的VCO芯片实现，如图2所示。扫描的频率范围为1GHz-3GHz，扫频间隔为1MHz。扫频功率无需太高，其目标是回波功率要在检波器的功率检测灵敏度至上。考虑谐振频率处谐振峰可能在-40dB，检波器的灵敏度在-60dBm，定向耦合器的耦合度在-20dB，考虑一定的系统裕量，扫频源的发射功率在0dBm以上，上述过程介绍了某单一频率的馈入、检测方式。在系统实现上，则通过ARM单片机，控制VCO实现频率扫描，逐一改变扫频芯片的输出频率，检波器获取回波信号的幅度。
根据图3所示：谐振频率通常是功率低值点和极值点。由于测量数据具有噪声和波动，首先对测量曲线进行滤波，平滑滤除噪声。然后利用功率判据，找到低于设定功率的点，然后判断该点左右两侧的点是否都高于该点，如果是则判断为有效点。当不在多个点是，取多点的平均值，作为谐振点频率值，在图3中找到的谐振点在1.49GHz左右。
根据图4所示：通过测量一系列已知浓度橡胶乳胶的谐振频率曲线，可以形成一系列橡胶乳胶浓度与谐振频率对应关系数据。通过二次多项式拟合该曲线，即可获得谐振频率与浓度对应关系的函数曲线。
工作原理：本发明在使用时，向圆柱型腔体3中倒入不同浓度的橡胶乳胶，使得圆柱型腔体3内部被溶液填满，然后通过扫频频率源模块6测量谐振腔体的回波信号，可以获得不同浓度的乳胶的谐振频率，在从中挑选出标准浓度的橡胶乳胶测量腔体的谐振频率，通过定向耦合器模块7和模拟放大模块8获得谐振频率和橡胶乳胶浓度对应关系的拟合曲线，这样，对于未知浓度的橡胶乳胶，通过测量获得谐振频率，然后查询拟合曲线，即可快速测得橡胶乳胶的浓度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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