一种超材料谐振频率测试装置及测试方法与流程

一种超材料谐振频率测试装置及测试方法【技术领域】本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料谐振频率的测试技术。

背景技术：
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器(SRR)的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。对于磁场具有响应的金属线和开环共振器结构，通常称之为磁性微结构。对于具有负磁导率的超材料，由于其具有极化作用，可以对入射波产生极化影响，因此具有广泛的应用，如在医学成像领域中的磁共振成像，可以增强倏逝波以达到加强成像效果的目的，例如在共振式的无线能量传输中，在共振场中加入超材料能够加强无线能量传输效率，但应用需要满足的条件是：超材料的谐振频率需要在工作频率下才能起到有益效果。然而，对于已经制作好的超材料而言，一方面其本身的谐振频率是固定的，另一方面工艺制造的原因使得超材料的谐振频率呈现出较大的差异性，如无法准确地知道超材料的谐振频率将给应用带来困难，超材料的增强效果就会大大减弱，甚至不起作用。因此，对超材料谐振频率的测试成为亟待解决的技术问题。现有技术中，通过计算机仿真的方法能实现对超材料谐振频率的仿真计算，但是，存在的问题是，对于具有复杂微结构阵列的超材料而言，即使采 用高性能计算机也需要很长的时间进行仿真计算，同时，由于制造工艺的差别性，仿真结果与实际的超材料谐振频率存在误差。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料谐振频率测试装置及测试方法。本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料谐振频率测试装置，包括：交流信号源，产生频率可调的交流电信号；信号发射线圈，连接所述交流信号源的输出端，用以产生交变磁场；第一共振装置，所述第一共振装置包括第一共振线圈和第一可调电容，所述第一共振线圈与所述第一可调电容并联；第二共振装置，所述第二共振装置包括第二共振线圈和第二可调电容，所述第二共振线圈与所述第二可调电容并联，所述第一共振线圈与所述第二共振线圈的固有频率相等，所述第一共振装置和所述第二共振装置在所述交变磁场中通过共振的方式进行信号的耦合传递；信号接收线圈，与所述第二共振装置耦合并接收信号；信号检测装置，连接所述信号接收线圈用以检测所述信号接收线圈中的信号。优选地，所述超材料谐振频率测试装置还包括一控制系统，所述控制系统连接并控制所述交流信号源、第一可调电容、第二可调电容以及信号检测装置。优选地，所述信号检测装置为示波器或功率计。优选地，所述信号接收线圈并联有一负载。采用上述超材料谐振频率测试装置，本发明超材料谐振频率测试方法包括以下步骤：a1.调节所述第一可调电容和所述第二可调电容的电容值相等；b1.调节所述交流信号源的频率，使所述信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm后固定所述交流信号源的频率；c1.将待测超材料置于所述第一共振装置与所述第二共振装置之间，记录此时所述信号检测装置检测到的信号强度V；d1.若信号强度V相对于Vm没有变化，则改变所述第一可调电容和所述第二可调电容的电容值，重复步骤a1至c1，直至信号强度V相对于Vm产生变化；e1.固定所述第一可调电容和所述第二可调电容的电容值，连续改变交流信号源的频率，记录不同频率下加入超材料的信号强度V和未加入超材料的信号强度V’的差值ΔV，得到所述差值ΔV与V’的比值相对于交流信号源频率的变化关系，最后找到ΔV与V’的比值的最大值所对应的频率即为待测超材料的谐振频率。采用上述超材料谐振频率测试装置，本发明超材料谐振频率的另一种测试方法包括以下步骤：a2.通过计算机仿真的方法得到待测超材料的仿真谐振频率；b2.调节所述交流信号源的频率等于所述仿真谐振频率，同步调节所述第一可调电容和第二可调电容的电容值并保持所述第一可调电容和第二可调电容的电容值始终相等，使所述信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm后固定所述第一可调电容和第二可调电容的电容值；c2.将待测超材料置于所述第一共振装置与所述第二共振装置之间，记录所述信号检测装置检测到的信号强度V；d2.连续改变交流信号源的频率，记录不同频率下加入超材料的信号强度V和未加入超材料的信号强度V’的差值ΔV，得到所述差值ΔV与V’的比值相对于交流信号源频率的变化关系，最后找到ΔV与V’的比值的最大值所对应的频率即为超材料的谐振频率。优选地，所述b2步骤通过以下方法实现：b21调节所述第一可调电容和第二可调电容的电容值C相等，连续调节所述交流信号源的频率，使所述信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm，记录最大值Vm对应的交流信号源的频率f；b22改变所述第一可调电容和第二可调电容的电容值C并保持所述第一可调电容和第二可调电容的电容值C始终相等，获得频率f相对于电容值C 的变化关系；b23根据所述频率f相对于电容值C的变化关系，以所述仿真谐振频率为频率f，调节所述第一可调电容和第二可调电容的电容值为对应的电容值C，调节所述交流信号源的频率等于所述仿真谐振频率。具体实施时，所述信号检测装置以检测到的电压峰值作为信号强度。具体实施时，所述信号检测装置以检测到的功率作为信号强度。优选地，所述测试方法还包括通过控制系统调节所述交流信号源的频率、调节所述第一可调电容和第二可调电容的电容、以及读取所述信号检测装置的检测信号，并通过控制系统进行数据的记录及计算处理。通过使用根据本发明的超材料谐振频率测试装置和测试方法，可以准确地测得超材料的谐振频率，实现对超材料产品参数性质的检测，还能为超材料的应用提供测试手段，进而提高超材料的研发设计效率。【附图说明】图1，本发明超材料谐振频率测试装置具体实施例的结构示意图。图2，测试方法之一的流程图。图3，测试方法之二的流程图。图4，步骤b2的流程图。【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明超材料谐振频率测试装置的一具体实施例的结构示意图参看附图1，包括以下组成部分：交流信号源1，产生频率可调的交流电信号，如可选用安捷伦信号发生器；信号发射线圈2，连接交流信号源1的输出端，用以产生交变磁场；第一共振装置，包括第一共振线圈31和第一可调电容32，第一共振线圈31与第一可调电容32并联；第二共振装置，包括第二共振线圈41和第二可调电容42，第二共振线 圈41与第二可调电容42并联，第一共振线圈31与第二共振线圈41的固有频率相等，第一共振装置和第二共振装置在信号发射线圈2产生的交变磁场中通过共振的方式进行信号的耦合传递；信号接收线圈5，与第二共振装置耦合并接收信号，信号接收线圈5并联有一负载电阻6；信号检测装置7，连接信号接收线圈5用以检测信号接收线圈5中的信号，本实施例采用示波器，当然也可以采用功率计；控制系统8，分别连接交流信号源1、第一可调电容32、第二可调电容42以及信号检测装置6，用以调节交流信号源1的发生频率、调节第一可调电容32和第二可调电容42的电容、以及读取信号检测装置7的检测信号，并进行数据的记录及计算处理；待测超材料9放置在第一共振装置和第二共振装置之间。基于上述超材料谐振频率测试装置，本发明提供以下两种测试方法。测试方法之一的流程图参看附图2，包括以下步骤：a1.调节第一可调电容和第二可调电容的电容值相等；b1.调节交流信号源的频率，使信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm后固定交流信号源的频率；c1.将待测超材料置于第一共振装置与第二共振装置之间，记录此时所述信号检测装置检测到的信号强度V；d1.若信号强度V相对于Vm没有变化，则改变第一可调电容和第二可调电容的电容值，重复步骤a1至c1，直至信号强度V相对于Vm产生变化；e1.固定第一可调电容和第二可调电容的电容值，连续改变交流信号源的频率，记录不同频率下加入超材料的信号强度V和未加入超材料的信号强度V’，得到差值ΔV与V’的比值相对于交流信号源频率的变化关系，最后找到差值ΔV与V’的比值的最大值所对应的频率即为超材料的谐振频率。本测试方法中，步骤a1通过调节第一可调电容和第二可调电容的电容值相等，可以使第一共振装置与第二共振装置具有相同的谐振频率，步骤b1中，当信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm时，说明第一共振装置与第二共振装置形成了共振，此时的频率即可认为是第一共振装置与第 二共振装置的谐振频率，步骤c1在第一共振装置与第二共振装置之间放入待测超材料后，若待测超材料的谐振频率刚好等于该谐振频率，就能起到增强共振场倏逝波的作用，信号检测装置检测到的信号强度就会产生变化，应当理解的是，此处的谐振频率指的是增强共振场倏逝波作用最强的频率点，实际上，在超材料谐振频率附近的一段频率范围内，都能增强共振场倏逝波并使信号检测装置检测到的信号强度就会产生变化，若待测超材料谐振频率附近的一段频率范围均没有与第一共振装置与第二共振装置的谐振频率附近的一段频率范围重合，则信号检测装置检测到的信号强度不会产生变化，此时，需要进行步骤d1，改变第一可调电容和第二可调电容的电容值，以改变第一共振装置与第二共振装置的谐振频率，再重复步骤a1至c1，直至信号强度V相对于Vm产生变化，此时待测超材料的谐振频率附近的一段频率范围与第一共振装置与第二共振装置的谐振频率附近的一段频率范围发生了重合，但此时交流信号源的频率并不等于待测超材料的准确谐振频率，然后进行e1步骤，在固定第一可调电容和第二可调电容的电容值，待测超材料和测试装置本身谐振频率一定的情况下，交变磁场的频率越接近待测超材料的谐振频率，待测超材料对共振场倏逝波的增强作用越大，信号检测装置检测到的信号强度也越大，在得到ΔV与V’的比值相对于交流信号源频率的变化关系，就能找到差值ΔV与V’的比值的最大值所对应的频率即待测超材料的谐振频率。测试方法之二的流程图参看附图3，包括以下步骤：a2.通过计算机仿真的方法得到待测超材料的仿真谐振频率；b2.调节交流信号源的频率等于仿真谐振频率，同步调节第一可调电容和第二可调电容的电容值并保持第一可调电容和第二可调电容的电容值始终相等，使信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm后固定第一可调电容和第二可调电容的电容值；c2.将待测超材料置于第一共振装置与第二共振装置之间，记录信号检测装置检测到的信号强度V；d2.连续改变交流信号源的频率，记录不同频率下加入超材料的信号强度V和未加入超材料的信号强度V’的差值ΔV，得到差值ΔV与V’的比值 相对于交流信号源频率的变化关系，最后找到ΔV与V’的比值的最大值所对应的频率即为超材料的谐振频率。本测试方法中，步骤a2可以通过Comsol3.5软件进行仿真测试，得到待测超材料的仿真谐振频率，通过步骤b2调节测试装置中第一共振装置与第二共振装置的谐振频率等于该仿真谐振频率，再通过c2将待测超材料置于测试装置进行测试，在步骤d2中，通过与测试方法之一同样的方法测得待测超材料的谐振频率。本测试方法由于先进行仿真谐振频率的计算，能预先测得待测超材料大致的谐振范围，相对于测试方法之一更为简单快捷。为减少多次反复测试，作为测试的优化手段，步骤b2可通过以下方法实现，步骤b2的流程图参看附图4：b21调节第一可调电容和第二可调电容的电容值C相等，连续调节交流信号源的频率，使信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm，记录最大值Vm对应的交流信号源的频率f；b22改变所述第一可调电容和第二可调电容的电容值C并保持第一可调电容和第二可调电容的电容值C始终相等，获得频率f相对于电容值C的变化关系；b23根据频率f相对于电容值C的变化关系，以仿真谐振频率为频率f，调节所述第一可调电容和第二可调电容的电容值为对应的电容值C，调节交流信号源的频率等于仿真谐振频率。以上优化手段中，在获得频率f相对于电容值C的变化关系后，只需要直接调节第一可调电容和第二可调电容的电容值C以使第一共振装置和第二共振装置的谐振频率等于待测超材料的仿真谐振频率，相比而言测试更为快捷。在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。