太赫兹波段流体复介电常数的测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及智能感知技术领域，尤其涉及一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置及测量方法。


背景技术：

2.复介电常数作为物质本身固有属性参数，在表征物质与电磁场相互作用关系时非常重要，在很多科学研究和实际生产中起着重要的作用。比如化学领域中，复介电常数是溶剂的一个重要物理特性，表征溶剂对溶质分子溶剂化及其隔开离子的能力。生物医疗领域中，复介电常数能够反应生物组织与器官的电特性及其变化规律，可以提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息。食品安全检测中，食用油介电常数的变化可以用来判定油是否变质；对于一些等离子体气体，复介电常数的有效测量可以表征其离子的一些特殊意义。不同的材料具有不同的介电常数，因而测定介质材料的介电常数在各学科之中就有非常重要的意义。
3.目前，常用的流体(大部分都是液体)复介电常数测量方法有开口同轴探头法、谐振腔法、平板电容法、基于液体池的传输反射法。开口同轴探头法通过将探头放入液体溶液中，通过检测探头加入溶液前后的变化，反推待测液体的介电常数，不足在于测量必须使探头完全浸没在流体内，会对液体造成污染，同时也会对探头造成破坏，不能测量腐蚀性的液体，且随着频段的升高，相应的同轴线及探头设计制作难以实现，不能测量高频段流体的复介电常数；谐振腔法虽然测量精度很高，但其测量只是一个单一频点，不具有宽谱特质，而且对于样品的形状分布也非常敏感；平行板电容法，利用真空电容与介质电容之间的关系来获取介质的介电常数，但对于液体介质由于其在平板内不能规范化放置导致其难以测量；液体池的传输法虽然测量的频段较宽，但其液体池的多界面会导致其复介电常数提取及其复杂，且对最终结果有较大的干扰。针对以上问题，本发明提供了一种操作简单，同时具备非接触、高精度、易于实现、高频且宽带特点的液体复介电常数的测量装置及测量方法。


技术实现要素：

4.本发明旨在提出一种同时具备非接触、高精度、易于实现、高频且宽带特点的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置及测量方法。根据本发明的第一方面，提供了一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，包括：介质基底、准光组件、喇叭天线和太赫兹波收发组件。
5.其中，所述介质基底位于所述准光组件的上方，待测流体处于所述介质基底的上表面。所述喇叭天线与所述太赫兹波收发组件连接。所述准光组件位于所述喇叭天线与所述介质基底之间，并用于将所述太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波自下而上垂直入射至所述介质基底，以与所述待测流体发生相互作用，或者，将与所述待测流体发生作用并返回后的太赫兹波收集至所述太赫兹波收发组件内。
6.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述准光组件包括透射组件。所述透射组件位于所述喇叭天线与所述介质基底之间，并用于将所述太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经所述喇叭天线发射并经所述透射组件后自下而上入射至所述介质基底，以与所述待测流体发生相互作用，或者，将与所述待测流体发生作用并返回后的太赫兹波返回至所述太赫兹波收发组件内。
7.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述准光组件包括反射组件。所述反射组件位于所述喇叭天线与所述介质基底之间，并用于将所述太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经所述喇叭天线发射并经所述反射组件的反射作用后自下而上垂直入射至所述介质基底，以与所述待测流体发生相互作用，或者，将与所述待测流体发生作用并返回后的太赫兹波经返回至所述太赫兹波收发组件内。
8.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述透射组件包括透镜，所述反射组件包括抛物面镜。
9.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述介质基底包括待测流体放置部和校准部。其中，所述待测流体放置部与所述校准部邻接于同一平面内，所述校准部的上表面包括有高反射部件。
10.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述介质基底的厚度大于0.5cm。
11.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述喇叭天线的相位位于所述准光组件的下侧焦点位置处，以使所述太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经所述准光组件后自下而上垂直入射至所述介质基底上。
12.根据本发明提供的一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置，所述太赫兹波收发组件包括变频模块和矢量网络分析仪。
13.根据本发明的第二方面，提供了一种复介电常数的测量方法，包括：
14.将待测流体滴落至介质基底的上表面，并保证太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波未穿透待测流体的上表面；
15.使太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经喇叭天线和准光组件后自下而上垂直入射至介质基底上；
16.与待测流体发生相互作用后的太赫兹波原路返回至太赫兹波收发组件内；
17.太赫兹波收发组件接收返回的太赫兹波，并记录分析得出s参数。
18.根据本发明提供的一种复介电常数的测量方法，在所述将待测流体滴落至介质基底的上表面，并保证太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波不能穿透待测流体的上表面的步骤之前，还包括：校准过程，
19.所述校准过程包括：将校准部平移至准光组件的上方，并进行短路状态下的校准；
20.将待测流体放置部平移至准光组件的上方，且以空气作为待测流体，进行匹配状态下的校准；
21.使得校准面定位至介质基底的上表面。
22.根据嗯发明提供的一种复介电常数的测量方法，还包括基于上述步骤所测量的s参数，求解待测流体的复介电常数，
23.具体地，由传输线理论可知，反射系数可以表示为：
[0024][0025]
可解得复介电常数ε
r
为：
[0026][0027]
其中，c(f)是在所述将待测流体放置部平移至准光组件的上方，且待测流体为空气，进行匹配状态下的校准的步骤中所得出的校准参数；
[0028]
c0是在所述将校准部平移至准光组件的上方，并进行短路状态下的校准的步骤中所得出的校准参数；
[0029]
z0是真空中的特性阻抗，z0＝120π；
[0030]
反射系数可以由s参数转换得到；
[0031]
ω＝2πf，f为太赫兹波的频率。
[0032]
在本发明提供的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置中，所述介质基底位于所述准光组件的上方，待测流体处于所述介质基底的上表面。所述喇叭天线与所述太赫兹波收发组件连接。所述准光组件位于所述喇叭天线与所述介质基底之间，并用于将所述太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波自下而上垂直入射至所述介质基底，以与所述待测流体发生相互作用，或者，将与所述待测流体发生作用并返回后的太赫兹波收集至所述太赫兹波收发组件内。
[0033]
在使用过程中，将待测流体滴落至介质基底的上表面。开启太赫兹波收发组件。由太赫兹波收发组件发射的太赫兹波经过喇叭天线发射并经准光组件后自下而上垂直入射至介质基底上。太赫兹波透过介质基底并与待测流体发生相互作用后，原路返回至太赫兹波收发组件内。太赫兹波收发组件接收返回的太赫兹波，并记录分析得出相应的s参数。
[0034]
该测量装置的操作过程较为简单，易于实现。通过这种结构设置，该测量装置中包括太赫兹波收发组件，由此，能够实现高频、宽带状态下，待测流体的s参数测量。
[0035]
同时，太赫兹波收发组件位于介质基底的下方，太赫兹波在介质基底的下方自下而上入射至置于介质基底上表面的待测流体上。只有基于垂直向上入射，才能保证在介质基底上表面与待测流体发生相互作用并被反射时，太赫兹信号的相位一致性较高，而其他的太赫兹波入射方式通常无法保证如此高的相位稳定性。由此，能够实现高精度且非接触式测量。
[0036]
因此，本发明提供的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置能够在高频、宽带状态下，实现方便、非接触式且高精度的s参数测量工作，进而能够快速且准确的计算得出待测流体的复介电常数。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本发明提供的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置的结构示意图一，其中，准光组件为透镜；
[0039]
图2是本发明提供的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置的结构示意图二，其中，准光组件为抛物面镜；
[0040]
图3是以空气作为待测流体时，空气的s参数示意图；
[0041]
图4是以空气作为待测流体时，空气的复介电常数图；
[0042]
附图标记：
[0043]
100：介质基底；101：待测流体放置部；
[0044]
102：校准部；201：透镜；
[0045]
202：抛物面镜；300：喇叭天线；
[0046]
401：变频模块；402：矢量网络分析仪。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0048]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0049]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
[0050]
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0051]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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
施例是本发明的一部分实施例，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作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。
[0052]
下面结合图1至图4对本发明提供的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置及测量方法进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
[0053]
本发明第一方面的实施例提供了一种太赫兹波段流体复介电常数的测量装置。如图1和图2所示，该太赫兹波段流体复介电常数的测量装置包括：介质基底100、准光组件、喇叭天线300和太赫兹波收发组件。
[0054]
其中，介质基底100位于准光组件的上方。待测流体处于介质基底100的上表面。喇叭天线300与太赫兹波收发组件连接。准光组件位于喇叭天线300与介质基底100之间，并用于将太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波自下而上垂直入射至介质基底100，以与待测流体发生相互作用，或者，将与待测流体发生作用并返回后的太赫兹波收集至太赫兹波收发组件内。
[0055]
在使用过程中，将待测流体滴落至介质基底100的上表面。开启太赫兹波收发组件。由太赫兹波收发组件发射的太赫兹波经过喇叭天线300发射并经准光组件后自下而上垂直入射至介质基底100上。太赫兹波透过介质基底100并与待测流体发生相互作用后，原路返回至太赫兹波收发组件内。太赫兹波收发组件接收返回的太赫兹波，并记录分析得出相应的s参数。
[0056]
该测量装置的操作过程较为简单，易于实现。通过这种结构设置，该测量装置中包括太赫兹波收发组件，由此，能够实现高频、宽带状态下，待测流体的s参数测量。
[0057]
同时，太赫兹波收发组件位于介质基底100的下方，太赫兹波在介质基底100的下方自下而上入射至置于介质基底100上表面的待测流体上。只有基于垂直向上入射，才能保证在介质基底100上表面与待测流体发生相互作用并被反射时，太赫兹信号的相位一致性较高，而其他的太赫兹波入射方式通常无法保证如此高的相位稳定性。由此，能够实现高精度且非接触式测量。
[0058]
因此，本发明提供的太赫兹波段流体复介电常数的测量装置能够在高频、宽带状态下，实现方便、非接触式且高精度的s参数测量工作，进而能够快速且准确的计算得出待测流体的复介电常数。
[0059]
在本发明的一个实施例中，太赫兹波收发组件包括变频模块401和矢量网络分析仪402。
[0060]
此处应当说明的是，介质基底100至少应当具备透射功能。优选地，介质基底100的能量损耗较小、材质纯度较高。例如，介质基底100包括但不限于硅片或者高纯度的熔融石英基座。同时，对于介质基底100的厚度本本发明不做任何限定，例如，在本发明的一个实施例中，介质基底100的厚度大于0.5cm。
[0061]
在本发明的一个实施例中，准光组件包括透射组件。透射组件位于喇叭天线300与介质基底100之间，并用于将太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经喇叭天线300发射并经透射组件后自下而上入射至介质基底100，以与待测流体发生相互作用，或者，将与待测流体发生作用并返回后的太赫兹波返回至太赫兹波收发组件内。
[0062]
或者，在本发明的一个实施例中，准光组件包括反射组件。反射组件位于喇叭天线300与介质基底100之间，并用于将太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经喇叭天线300发射并经反射组件的反射作用后自下而上垂直入射至介质基底100，以与待测流体发生相互作用，或者，将与待测流体发生作用并返回后的太赫兹波经返回至太赫兹波收发组件内。
[0063]
此处应当说明的是，对于透射组件的具体类型，本发明不做任何限定。例如，如图1所示，在本发明的一个实施例中，透射组件包括透镜201。但是，透射组件并不限于透镜201。
[0064]
同样地，对于反射组件的具体类型，本发明不做任何限定。例如，在本发明的一个实施例中，如图2所示，反射组件包括抛物面镜202，但是并不限于抛物面镜202。
[0065]
在本发明的一个实施例中，喇叭天线300的相位位于准光组件的下侧焦点位置处，以使太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经准光组件后自下而上垂直入射至介质基底100上。
[0066]
通过以上描述的实施例可知，通过将喇叭天线300的相位设置于准光组件的下侧焦点位置处，能够使得太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经准光组件的聚焦作用之后，更加精准地自下而上垂直入射至介质基底100上。由此，能够进一步提升s参数测量的准确性。
[0067]
在本发明的一个实施例中，介质基底100包括待测流体放置部101和校准部102。其中，待测流体放置部101与校准部102邻接于同一平面内。校准部102的上表面包括有高反射部件。
[0068]
例如，如图1和图2所示，介质基底100为一体式平面结构，其左侧为待测流体放置部101，右侧为校准部102。其中，校准部102的上表面贴有高反射膜。
[0069]
此处应当说明的是，每次进行待测流体的s参数测量之前，均需先进行系统校准工作。
[0070]
在校准过程中，首先将校准部102平移至准光组件的上方，开启太赫兹波收发组件，并进行短路状态下的校准。再将待测流体放置部101平移至准光组件的上方，以空气作为待测流体，并进行匹配状态下的校准。最终使得校准面与介质基底100的上表面重合。
[0071]
校准工作结束后，再进行待测流体s参数测量工作。在s参数测量过程中，保持待测流体放置部101处于准光组件的上方。将待测流体滴落至待测流体放置部101的上表面。开启太赫兹波收发组件。由太赫兹波收发组件发射的太赫兹波经过喇叭天线300发射并经准光组件后自下而上垂直入射至待测流体放置部101上。太赫兹波透过待测流体放置部101并与待测流体发生相互作用后，原路返回至太赫兹波收发组件内。太赫兹波收发组件接收返回的太赫兹波，并记录分析得出相应的s参数。
[0072]
本发明第二方面的实施例提供了一种使用上述测量装置进行待测流体复介电常数的测量方法，包括：
[0073]
将待测流体滴落至介质基底100的上表面，并保证太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波未穿透待测流体的上表面；
[0074]
使太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波经喇叭天线300和准光组件后自下而上垂直入射至介质基底100上；
[0075]
与待测流体发生相互作用后的太赫兹波原路返回至太赫兹波收发组件内；
[0076]
太赫兹波收发组件接收返回的太赫兹波，并记录分析得出s参数。
[0077]
在本发明的一个实施例中，在将待测流体滴落至介质基底100的上表面，并保证太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波不能穿透待测流体的上表面的步骤之前，还包括：校准过程，
[0078]
校准过程包括：将校准部102平移至准光组件的上方，并进行短路状态下的校准；
[0079]
将待测流体放置部101平移至准光组件的上方，且以空气作为待测流体，进行匹配状态下的校准；
[0080]
使得校准面定位至介质基底100的上表面。
[0081]
进一步，在本发明的一个实施例中，上述测量方法还包括：
[0082]
基于上述步骤所测量的s参数，求解待测流体的复介电常数，
[0083]
具体地，由传输线理论可知，反射系数可以表示为：
[0084][0085]
可解得复介电常数ε
r
为：
[0086][0087]
其中，c(f)是在所述将待测流体放置部101平移至准光组件的上方，且待测流体为空气，进行匹配状态下的校准的步骤中所得出的校准参数；
[0088]
c0是在所述将校准部102平移至准光组件的上方，并进行短路状态下的校准的步骤中所得出的校准参数；
[0089]
z0是真空中的特性阻抗，z0＝120π；
[0090]
反射系数可以由s参数转换得到；
[0091]
ω＝2πf，f为太赫兹波的频率。
[0092]
此处应当说明的是，太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波可以经过透射组件的透射作用传递至待测流体处并与待测流体相互作，以进行s参数的测量。或者，太赫兹波收发组件所发射的太赫兹波可以经过反射组件的反射作用传递至待测流体处并与待测流体相互作，以进行s参数的测量。
[0093]
例如，以空气作为待测流体，进行空气复介电常数的测量。系统校准工作结束后，由太赫兹波收发组件发射的太赫兹波经透镜201或者抛物面镜202传递至介质基底100下表面，并透过介质基底100入射至位于介质基底100上方的空气中，在空气的下表面产生反射太赫兹波，经透镜201或者抛物面镜202返回至太赫兹波收发组件中，太赫兹波收发组件分析并得出空气的s参数示意图，如图3所示。然后再通过上述复介电常数ε
r
的求解公式得出空气的复介电常数图，如图4所示。
[0094]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。