一种基于金属增材制造技术的液体浓度检测仪及检测方法

本发明提供一种基于金属增材制造技术的液体浓度检测仪及检测方法，属于检测。

背景技术：

1、在医药、化工、生态环境保护等领域中，液体浓度检测应用广泛。在溶液研究中，介电常数使重要的基础物性数据之一。研究极性分子的偶极矩，溶液的分子结构，确定溶液的临界浓度等等问题，都要用到溶液的介电常数。介电常数与介质介电常数和载流子浓度息息相关。因此通常测量液体的复介电常数来与液体的浓度相联系。介电常数描述的是溶液与电场的相互作用，由实部与虚部组成。介电常数实部ε′表征在外加电场的作用下，溶液中储存的电能，其反应的是溶液存储电能的能力。介电常数虚部ε″表征外部电场从溶液中吸收的电能，通常称为损耗因子。复介电常数与频率相关，复介电常数随频率变化而变化，在频段范围内测量液体的复介电常数具有重要的意义。测量复介电常数有多种方法，如电容法、传输/反射法、谐振腔扰动法等。其中谐振腔扰动法具有测量精度高的特点，因此本发明采用谐振腔扰动法来测量复介电常数。

2、谐振腔扰动法(参见[chen l f,ong c k,neo c p,et al.microwaveelectronics:measurement and materials characterization[m].john wiley&sons,2004.])，在谐振腔中引入复介电常数ε的材料，样品占腔体的一小部分，除样品外空间的电磁特性不发生变化，因此总扰动就较小。在谐振腔的电场或磁场中引入样品，会改变谐振腔的谐振频率和质量因子。在满足摄动要求的情况下，可以通过谐振频率和品质因素的变化来计算样品的介电常数。由扰动法原理可知，频率变化与复介电常数实部有关，品质因素变化与复介电常数虚部有关，在一定程度上依赖于复介电常数的实部。

3、采用矩形谐振腔测量复介电常数，(参见[jha ak,akhtar m j.an improvedrectangular cavity approach for measurement of complex permeability ofmaterials[j].ieee transactions on instrumentation and measurement,2014,64(4):995-1003.])，具有高品质因素的特点，但其电场强度仍有提升的空间。

4、在平面结构谐振腔，如siw(参见[kazemi k,moradi g,ghorbani a.employinghigher order modes in a broadband siw sensor for permittivity measurement ofmedium loss materials[j].international journal of microwave and wirelesstechnologies,2021,13(8):766-778.])，使用突出结构，实现电容的作用，增强两极之间的电场，提高测量复介电常数的精度，但平面无载品质因素远不如三维结构的谐振腔。

5、因此本发明提供一种结合谐振腔的高品质因素(q)和电容结构的液体浓度检测仪。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于金属增材制造技术的液体浓度检测仪及检测方法，具有高品质因素和电场增强的优点，解决了大约在20ghz频率点的频段精确测量液体的复介电常数。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于金属增材制造技术的液体浓度检测仪，包括端口、谐振腔、耦合结构、类电容结构和通管；

4、所述端口用于微波源信号输入和对负载输出信号，所述端口为矩形波导；

5、所述谐振腔，用于激发工作模式，传输微波信号；所述谐振腔为类圆柱形，两侧分别耦合结构连接，连接处为平面替代圆弧面；在所述谐振腔两个底面中心开圆孔；圆孔半径大小与所述通管相同；通管安装在圆孔内；

6、所述耦合结构，用于信号在所述端口与所述谐振腔之间的传递；所述耦合结构包括两个柱体，所述端口的输入端和输出端分别通过一个柱体与所述谐振腔两侧进行耦合连接；所述柱体与所述端口的输入端、输出端相接的面设耦合窗口；

7、所述类电容结构，用于增强所述谐振腔中所述通管附近的电场；所述类电容结构嵌入在所述谐振腔内的柱体，在所述谐振腔两个底面中心圆孔边上，上下各两个柱体，共四个柱体；所述类电容结构柱体上下对称，左右对称，柱体端面与耦合窗口所在平面平行；

8、所述通管，用于流通液体的管道，所述通管通过所述谐振腔中心的圆孔；所述通管通常选用特氟龙或硅胶等低损耗材料制成；

9、微波源信号自所述端口输入，依次通过所述端口输入端、谐振腔、端口输出端，实现测量液体浓度。

10、本发明还提供此基于金属增材制造技术的液体浓度检测仪的检测的方法，包括以下步骤：

11、步骤1：计算预设模型。通过hfss仿真不同浓度液体下的s参数，得出在液体浓度检测仪结构下待测溶液复介电常数的计算模型，以备后期计算使用；

12、步骤2：矢量网络分析仪校准。采用机械校准，校准矢量网络分析仪自身的误差；

13、步骤3：液体测量。在矢量网络分析仪校准完毕后，将待测液体注入通管中，通过连接液体检测仪和矢量网络分析仪，将获得的s参数通过usb数据线传输计算机中；

14、步骤4：数据处理。使用计算机上matlab软件，根据s参数，计算出液体浓度检测仪每个状态下的谐振频率和品质因数等数据；将计算得到的谐振频率和品质因素等数据带入步骤1中预设的复介电常数计算数学模型，得出对应浓度液体的复介电常数，输出浓度。

15、其中采用matlab软件进行数据处理，包括以下步骤：

16、步骤4.1：输入检测仪基本信息。需要在软件程序中提前输入无通管的谐振腔体积、有通管的谐振腔体积、未放置被测液体时的谐振频率和未放置被测液体时的有载q值。谐振频率和有载q值可在谐振腔空载时测量得出；

17、步骤4.2：读取来自矢量网络分析仪的s参数文件。软件程序调用s参数snp文件，逐频率点读取s_11和s_21数据，预存入程序数组中；

18、步骤4.3：计算放置被侧液体后的谐振腔谐振频率和有载q值。s参数波峰所对应的频率为谐振频率，s参数幅值+-3db所对应频率差和谐振频率与有载q值有关；

19、步骤4.4：代入预设模型，得出被测液体复介电常数。预设模型是由电磁软件hfss模拟被测液体(任意一种液体)产生的仿真数据(s参数)，在经由matlab数据处理得来的。按照谐振腔微扰法的原理，通过matlab根据仿真数据拟合谐振频率和有载q与被测液体复介电常数之间的数字关系，生成数学模型。将实际被测液体的测量数据带入预设模型中，即可产生该频率下被测液体的复介电常数。

20、本发明的效果：

21、1.本发明采用谐振腔三维结构，相比于集成电路、siw等平面结构(q＜1600)，有更高的品质因素(q>10000)，可有效地提高测量液体损耗因子的灵敏度。

22、2.本发明采用类似电容结构，有效增加测量部位通管附近的电场，提高测量液体储能能力的灵敏度。

23、3.采用不同内径大小的通管，可以测量不同介电常数范围的液体。管径越大，复介电常数测量范围越小，但测量精度越高；管径越小，复介电常数测量范围越大，但测量精度越低。