一种高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置的制作方法

本发明涉及电磁参数测量技术领域，尤其涉及一种高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置。

背景技术：

微波介质材料作为电磁波媒质已广泛应用于微波各个领域，其电磁参数的测量对材料的研制具有重要意义。在测量材料的电磁参数(例如介电常数、磁导率)时，同轴传输线法是使用最广泛的一种方法。在同轴传输线法中，环形截面样品插在同轴线的内外导体之间。同轴传输线法的工作频率在理论上可降到0赫兹，并且能够覆盖很宽的频率范围。相较于其它测量方法，同轴传输线法具有频带宽、工作频率低、尺寸小、样品加工简单等优点。但是，在国防、工业和医疗等领域内材料的使用环境常常为高温环境，温度的变化会引起材料电磁特性的改变，适用于常温状态的测量装置在高温状态并不适用。

虽然同轴传输线法在高温条件下的测量原理与常温相同，但是随着测试温度的升高会引入新的问题。高温同轴线传输法需要解决以下问题：

1.样品在加热过程中不能破坏同轴传输线，因此必须采用隔离加热，即在同轴传输线外部导体外侧加热，通过热传导的方式加热样品。

2.同轴传输线两端连接的测试电缆不能耐高温，因此需要保证测试电缆端口的温度足够低，这就需要在不破坏传输线的前提下降低与测试电缆内芯直接连接的同轴传输线内芯两端的温度。

可见，现有的同轴传输线电磁参数测量装置不能满足高温需求，亟需一种高温条件下同轴传输线测量装置，以解决均匀材料在高温条件下的电磁参数测量问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：如何在不对同轴传输线和测试电缆形成破坏的前提下测量材料在高温条件下的电磁参数。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置。

本发明实施例的高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置用于与测量仪器连接以测量目标材料在高温条件下的电磁参数；所述装置包括：具有内芯和外部导体的同轴传输线和用于加热同轴传输线的加热部件；其中，目标材料的样品被设置在同轴传输线中部，并处于内芯和外部导体之间；同轴传输线的一端与测量仪器的信号发射端口电性连接，另一端与测量仪器的信号接收端口电性连接；所述外部导体包括高导热材料部分和低导热材料部分；在同轴传输线中部的第一邻域内，高导热材料部分的厚度大于低导热材料部分；在同轴传输线端部的第二邻域内，高导热材料部分的厚度小于低导热材料部分。

优选地，高导热材料部分的纵向截面为：内侧底长度大于外侧底长度的梯形，低导热材料部分处于高导热材料部分两侧。

优选地，所述外部导体内侧进一步设置有高导电率金属镀层。

优选地，所述内芯包括：低导热内撑杆和设置在低导热内撑杆外表面的高导电率金属镀层。

优选地，所述加热部件包括：电热丝、保温层、以及用于感测温度以进行温度控制的热电偶；其中，电热丝设置在同轴传输线中部的高导热材料部分外侧。

优选地，所述装置进一步包括：用于对同轴传输线两端降温的水冷部件；其中，水冷部件包括：设置在同轴传输线一端的第一进水口和第一出水口、以及设置在同轴传输线另一端的第二进水口和第二出水口。

优选地，第一进水口位于第一出水口下方，第二进水口位于第二出水口下方。

优选地，水冷部件进一步包括：用于实现水循环的水泵。

另外，本发明还提供了一种用于将目标材料样品装入上述同轴传输线的安装工具。

本发明实施例的安装工具可包括：供外部施力的端部和圆柱形杆部；其中，所述杆部沿轴线设置有圆柱孔，所述杆部可与所述同轴传输线外部导体的内表面配合、并被所述同轴传输线的内芯穿入；所述杆部外表面设置有指示长度的刻度，所述杆部的长度为所述同轴传输线长度的一半。

此外，本发明还提供了一种用于将目标材料样品从上述同轴传输线取出的拆卸工具。

本发明实施例的拆卸工具可包括：供外部施力的端座和圆柱形长杆；其中，所述长杆沿轴线设置有圆柱孔，所述长杆可与所述同轴传输线外部导体的内表面配合、并被所述同轴传输线的内芯穿入；所述长杆的长度与同轴传输线相等。

在本发明实施例的技术方案中，使用加热部件在同轴传输线外部导体的外侧对同轴传输线进行加热，进而将热量传导到目标材料样品，这样不会破坏同轴传输线。此外，将同轴传输线外部导体的高导热材料部分设计为中部厚度较大、两端厚度较小，将低导热材料部分设计为中部厚度较小、两端厚度较大(例如，通过设计使高导热材料部分的纵向截面为内侧底长度大于外侧底长度的梯形)，这样可在确保同轴传输线中部加热效果的同时有效抑制温度从中部向两端传导。同时，同轴传输线内芯具有低导热内撑杆，同轴传输线两端采用水冷部件进行冷却。通过上述多种设置，能够确保同轴传输线两端温度降至较低数值(例如降至60℃以下)。最后，通过在同轴传输线外部导体内侧和内芯外表面设置高导电率金属镀层，可提高电磁参数的测量精度。借助本发明装置，可实现室温到800℃下均匀材料的电磁参数测量。

附图说明

图1是本发明实施例中高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置的原理示意图；

图2是本发明实施例中同轴传输线组成部分的一个示意图；

图3是本发明实施例中同轴传输线组成部分的另一示意图；

图4是本发明实施例中高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置的结构的一个示意图；

图5是本发明实施例中高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置的结构的另一示意图；

图6是本发明实施例的安装工具结构示意图；

图7是本发明实施例的拆卸工具结构示意图。

附图标记说明：

10——高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置，11——同轴传输线，12——加热部件，14——水冷舱，20——测量仪器，30——远程计算机，40——测试电缆，50——样品，60——安装工具，70——拆卸工具，111——同轴传输线的内芯，112——同轴传输线的外部导体，121——电热丝，122——热电偶，123——保温层，131——第一进水口，132——第一出水口，133——第二进水口，134——第二出水口，141——供电插座，142——温控接口，143——散热孔，144——水泵安装维修窗，601——端部，602——杆部，701——端座，702——长杆，1121——高导热材料部分，1122——低导热材料部分，1123——测试电缆接口。

具体实施方式

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做出创造性劳动的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。

图1是本发明实施例中高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置的原理示意图。如图1所示，本发明实施例的高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置10用于与测量仪器20连接以测量目标材料在高温条件下的电磁参数，其包括同轴传输线11(参见图2到图5)和用于对同轴传输线11以及同轴传输线11内部安装的目标材料样品50(参见图3，此样品一般安装在同轴传输线中部)加热的加热部件12。具体应用中，同轴传输线11两端可分别通过一条测试电缆40与测量仪器20电性连接。较佳地，本发明实施例中的测试仪器20可发射信号、接收信号并对信号进行分析，其可以是一个仪器(例如矢量网络分析仪)，也可以是多个仪器的结合(例如信号发生器结合频谱仪)，同轴传输线11的一端与测量仪器20的信号发射端口电性连接，另一端与测量仪器20的信号接收端口电性连接。此外，远程计算机30可以远程控制测量仪器20完成测量工作，同时可对加热部件12进行温度控制。

图2是本发明实施例中同轴传输线组成部分的一个示意图，图3是本发明实施例中同轴传输线组成部分的另一示意图，如图2、3所示，同轴传输线11具有居中的内芯111和居于外侧的外部导体112，电磁参数测量时目标材料样品50可处于内芯111和外部导体112之间。为了抑制温度从同轴传输线11中部向两端传导，内芯111可以将低导热内撑杆作为主体。同时，为了提高电磁参数的测量精度，可以在低导热内撑杆外表面设置高导电率金属镀层。可以理解，在本发明实施例中，“低导热”、“高导热”、“高导电率”等均依据预设策略确定，具有确切的含义。例如，预设策略可以是：将导热系数大于第一阈值的材料确定为高导热材料，将导热系数小于第二阈值的材料确定为低导热材料，将导电系数大于第三阈值的材料确定为高导电率材料。实际应用中，低导热材料可以选用玻璃纤维，高导热材料可以选用钛合金、碳合金等，如最高工作温度为800℃时，高导电率金属可以选用金。

同轴传输线11的外部导体112可包括居于中部的高导热材料部分1121和靠近两端的低导热材料部分1122，低导热材料部分1122在端部可设计为测试电缆接口1123。为了在确保同轴传输线11中部加热效果的同时有效抑制温度从中部向两端传导，可进行如下设置：在同轴传输线11中部的第一邻域内，高导热材料部分1121的厚度大于低导热材料部分1122；在同轴传输线11端部的第二邻域内，高导热材料部分1121的厚度小于低导热材料部分1122。其中，同轴传输线11中部指的是围绕同轴传输线11中心点、并且根据预设规则确定的空间。第一邻域、第二邻域为根据预设规则确定的邻近空间，例如，第一邻域可以是与同轴传输线11中部的距离小于预设距离的空间，第二邻域可以是与同轴传输线11端部的距离小于预设长度的空间。通过以上设置，可以使高导热材料部分1121的厚度从同轴传输线11中部到两端逐渐减小，使低导热材料部分1122的厚度从中部到两端逐渐增加，由此抑制热量从中部到两端传导，有助于控制同轴传输线11两端的温度，保证与同轴传输线11连接的测试电缆40不被高温损坏。

较佳地，在本发明实施例中，可以将高导热材料部分1121的纵向截面(即沿同轴传输线11延伸方向的截面)设置为梯形，该梯形的内侧底(即梯形在同轴传输线11内侧的底)长度大于外侧底(即梯形在同轴传输线11外侧的底)长度，低导热材料部分1122处于高导热材料部分1121两侧。这样能够进一步抑制中部热量向端部传导。此外，为了提高电磁参数测量精度，可以在外部导体112内侧设置高导电率金属镀层。

图4是本发明实施例中高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置结构的一个示意图，图5是本发明实施例中高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置结构的另一示意图，如图4、5所示，加热部件12位于同轴传输线11外侧进行加热。加热部件12可包括：用于提供热量的电热丝121、用于保温的保温层123以及用于感测温度以进行温度控制的热电偶122。其中，电热丝121设置在同轴传输线11中部的高导热材料部分1121外侧。实际应用中，加热部件12还具有用于容纳电热丝121、保温层123和热电偶122的外壳，如上设置的加热部件可以是蚌式高温炉。

作为一个优选方案，本发明实施例的高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置10进一步包括用于对同轴传输线11两端降温的水冷部件。其中，水冷部件包括：用于实现水循环的水泵(图中未示出)、设置在同轴传输线11一端的第一进水口131和第一出水口132以及设置在同轴传输线11另一端的第二进水口133和第二出水口134。具体应用中，可以将第一进水口131安装在第一出水口132下方，将第二进水口133安装在第二出水口134下方，这样能够使水流在重力作用下浸透同轴传输线11的外壁，提升冷却效果。

具体应用场景中，本发明实施例的高温条件下均匀材料电磁参数同轴传输线测量装置10可进一步包括用于贮存冷却水的水冷舱14。可以理解，水流可从水冷舱14进入第一进水口131和第二进水口133，第一出水口132和第二出水口134流出的水可回到水冷舱14。水冷舱14具有壳体，壳体上设置有为水泵、电热丝121等供电的供电插座141，还设置有散热孔143、水泵安装维修窗144和温控接口142，壳体内安装有水泵。可以理解，远程计算机30可通过温控接口142对电热丝121的加热温度进行控制。

图6是本发明实施例的安装工具结构示意图，图7是本发明实施例的拆卸工具结构示意图。如图6、7所示，本发明实施例的安装工具60用于将目标材料样品50装入上述同轴传输线11。安装工具60可包括：供外部施力的端部601和圆柱形杆部602。其中，杆部602的长度为同轴传输线11长度的一半，杆部602沿轴线设置有圆柱孔，可与同轴传输线11外部导体112的内表面配合、并被同轴传输线11的内芯111穿入。杆部602外表面还设置有指示长度的刻度。安装样品时，使用安装工具60将样品50从同轴传输线11一端推入同轴传输线11中部，最终安装位置对应的刻度为样品宽度(即样品在同轴传输线11延伸方向的长度)的一半，此时样品50在同轴传输线11中部。上述安装工具60的横截面与样品50相同，可确保安装时样品50受力均匀从而保护样品形状。

本发明实施例的拆卸工具70用于将目标材料样品50从同轴传输线11取出。拆卸工具70可包括：供外部施力的端座701和圆柱形长杆702；其中，长杆702的长度与同轴传输线11相等，长杆702沿轴线设置有圆柱孔，可与同轴传输线11外部导体112的内表面配合、并被同轴传输线11的内芯111穿入。使用时，可将拆卸工具70伸入同轴传输线11内部将样品50直接推出。

在实际测试时，首先安装以上各部件，之后利用远程计算机30设置测试频率、点数等参数并通过温控软件控制加热部件12加热至测试温度，此后进行高温条件下同轴传输线全双端口校准，再利用安装工具60安装目标材料样品50，待温度稳定后利用远程计算机30内软件执行电磁参数测量与计算，测量完成后使用拆卸工具70取出样品，并打开加热部件12的顶盖降温。

综上所述，在本发明实施例的技术方案中，使用加热部件在同轴传输线外部导体的外侧对同轴传输线进行加热，进而将热量传导到目标材料样品，这样不会破坏同轴传输线。此外，将同轴传输线外部导体的高导热材料部分设计为中部厚度较大、两端厚度较小，将低导热材料部分设计为中部厚度较小、两端厚度较大，这样可在确保同轴传输线中部加热效果的同时有效抑制温度从中部向两端传导。同时，同轴传输线内芯具有低导热内撑杆，同轴传输线两端采用水冷部件进行冷却。通过上述多种设置，能够确保同轴传输线两端温度降至较低数值。最后，通过在同轴传输线外部导体内侧和内芯外表面设置高导电率金属镀层，可提高电磁参数的测量精度。借助本发明装置，可实现室温到800℃下均匀材料的电磁参数测量。

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。