一种液体介电常数测量装置的制作方法

本发明涉及材料研究领域，尤其是一种能够测量高电压作用后的液体样品的介电常数的一种液体介电常数测量装置。

背景技术：

许多化学和生物应用中需要对液体介电常数进行精确测量，现有技术中采用折射率传感器来测量，但是其折射率响应不是线性的，从而需要繁琐的校准过程，另外，折射率传感器对弯曲非常敏感，因此会在折射测量的特性谱中采集到干扰信号，也有现有技术采用反射型折射计来测量液体介电常数，但是反射型折射计较为脆弱，制作成本高且工艺复杂，且其两个反射表面必须精确加工以保持平行，这些缺陷影响了其在实际应用中的表现。在研究高电压作用后的液体的实验中，需要对液体施加一定幅度及持续时间的电压脉冲，但是，现有技术中的装置体积较大且操作不便，所述一种液体介电常数测量装置能够解决问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明采用脉冲成形线缆结合高压开关的结构来产生电压脉冲，并通过传输线将高压施加到液体样品上，另外，采用特殊设计的共振器结合矢量网络分析仪来测量液体的介电常数。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种液体介电常数测量装置包括高压直流电源、充电电阻、充电线、脉冲成形线缆、循环水机、高压开关、功率分配器、衰减器、传输线i、阻抗匹配电路、示波器、传输线ii、样品槽、共振器、矢量网络分析仪和计算机，高压直流电源输出电压典型范围为1.2kv到2.0kv，所述高压开关具有输入端和输出端，所述功率分配器具有输入端、输出端i和输出端ii，高压直流电源、充电电阻、充电线、脉冲成形线缆、高压开关和功率分配器的输入端依次电缆连接，功率分配器的输出端i依次电缆连接传输线ii和样品槽，传输线ii的芯线与样品槽外壳绝缘，样品槽外壳接地，功率分配器的输出端ii依次电缆连接衰减器、传输线i、阻抗匹配电路和示波器，共振器位于样品槽内；脉冲成形线缆包括外壳、不锈钢条、绝缘圆柱、入水口和出水口，不锈钢条和绝缘圆柱均位于外壳内，不锈钢条螺旋缠绕于绝缘圆柱上，不锈钢条两端分别连接充电线和高压开关输入端，外壳为圆柱桶形，外壳和绝缘圆柱之间充满去离子水，去离子水的导电性为0.1us/cm，外壳具有入水口和出水口并分别连接于循环水机；高压开关包括开普通膜、金属层i、绝缘层、金属层ii和肖特基二极管，所述开普通膜、金属层i、绝缘层和金属层ii至下而上依次沉积制备，肖特基二极管的阳极连接金属层ii，肖特基二极管的阴极连接高压开关的输入端，高压开关的输出端连接金属层i，开普通膜为边长1厘米的正方形，绝缘层为聚对二甲苯材料，金属层i由厚度为50微米的铜制成、且上表面镀有厚度为5微米的钨，金属层ii由厚度为35微米的铜制成、且上表面和下表面均镀有厚度为5微米钨，钨能够防止铜被高压开关在开关过程中产生的高温电弧烧坏；共振器包括外导体、内导体、密封圈、共振腔、金属片、sma接头，sma接头同轴电缆连接矢量网络分析仪，矢量网络分析仪连接计算机，外导体和内导体均由不锈钢制成，外导体是中空圆柱体，内导体是圆柱体，内导体同轴固定于外导体内，外导体上面密封地连接有sma接头、下面焊接有金属片，密封圈位于外导体内的中间位置，内导体穿过密封圈，密封圈将外导体内部分为上部和下部，所述上部和下部之间具有气密性，所述上部充满空气，所述下部形成共振腔，所述下部的侧壁上具有一个通孔，通孔全部浸入液体样品中；不锈钢条直径为2毫米，绝缘圆柱的直径为40毫米、长度为200毫米，不锈钢条缠绕于绝缘圆柱上的螺旋间距为15毫米；外壳的长度为300毫米、内径为100毫米；绝缘层的厚度为12微米；外导体的长度为20厘米、内径为15毫米、外径为20毫米，内导体的长度为20厘米、直径为5毫米；外导体下部侧壁上的通孔直径为10毫米，所述通孔上边缘距离密封圈为3毫米。

共振器的工作方式为：

在工作时，共振器的外导体下部的侧壁上的通孔全部浸入液体样品中，密封圈下方处具有少量残留空气，所述残留空气与液体样品的接触面形成了气体-液体界面，所述气体-液体界面具有较大的阻抗失配，因此能够作为一个高反射率的反射器，金属片作为另一个反射器，液体样品在密封圈与金属片之间形成了法布里-珀罗共振，通过矢量网络分析仪监控共振谱的移动，能够通过测量及相应的计算得到液体样品的介电常数。

矢量网络分析仪输出的微波信号通过sma接头输入共振器，在外导体和内导体之间形成波形，并沿着负y轴方向转播，所述微波信号的大部分被气体-液体界面反射，定义为第一次反射信号，所述微波信号的小部分透过气体-液体界面到达金属片，定义为第一次透射信号，且所述第一次透射信号的大部分能量被金属片反射，使得共振腔中产生多重反射和多重干涉。在气体-液体界面处的第一次反射信号和第一次透射信号的相位延迟为(式一)，其中λ和f分别为微波信号的波长和频率，d是共振腔在y轴方向的内部长度，εr是液体样品的绝对介电常数，c是真空中光速，当相位延迟δ＝2mπ时，能够在频域的反射谱中得到共振图案，其中m为整数，称为共振系数，反射谱中的共振频率为(式二)，反射谱中的两个相邻的极小值之间的间隔，定义为自由谱范围，表示为(式三)，当液体样品的介电常数改变而导致反射谱移动时，共振频率移动表示为(式四)，这样，能够在d固定的条件下通过监控共振频率的变化来确定共振腔中液体样品的介电常数的变化，从上述公式得出：共振器的液体介电常数的测量灵敏度为正比于共振系数m，反比于d以及液体的绝对介电常数εr，采用(式四)测量的是液体介电常数的变化值，而不是绝对值，如果变化较小，所述变化值可以看做是线性的。(式三)用于测量液体介电常数的绝对值，即保持d不变，通过从记录的反射谱中得到自由谱范围。

通过(式二)可知，由热膨胀造成的共振腔长度的变化会导致共振频率的移动，从而导致温度干扰，温度灵敏度为其中α0是不锈钢的温度膨胀系数，从而得到，介电常数-温度的交叉灵敏度为2εrα0。

高压开关的工作方式为：

当肖特基二极管阳极和阴极之间的电压超过其反向击穿电压，肖特基二极管和金属层ii之间的界面的pn结产生蒸发效应，进而导致等离子体产生并放大，击穿了绝缘层，使得金属层i和金属层ii之间产生了高压电弧，所述高压电弧导致了金属层i和金属层ii之间的金属重新分布，从而使得高压开关闭合。

采用所述一种液体介电常数测量装置来测量液体样品的介电常数的步骤为：

步骤1，将待测液体样品加入样品槽，并将共振器的外导体下部的侧壁上的通孔全部浸入液体样品中；

步骤2，开启高压直流电源，通过充电电阻、充电线和脉冲成形线缆输出电压至高压开关，调节高压直流电源的输出电压以使得高压开关闭合；

步骤3，通过示波器监控高压开关的输出端的电压波形；

步骤4，在高压开关闭合的时间内，传输线ii的芯线与样品槽外壳之间产生电压差，并施加到液体样品上；

步骤5，矢量网络分析仪输出微波信号并通过sma接头进入共振器，矢量网络分析仪记录液体样品的共振频率；

步骤6，矢量网络分析仪采集的数据输入计算机，计算机处理后得到反射谱，并计算得到液体样品的介电常数。

本发明的有益效果是：

本发明装置产生高压脉冲的结构简单，操作方便，用于测量液体介电常数的共振器成本较低，测试结果精度较高。

附图说明

下面结合本发明的图形进一步说明：

图1是本发明示意图；图2是脉冲成形线缆放大示意图；

图3是高压开关放大示意图；图4是图3的俯视图；

图5是共振器放大示意图。

图中，1.高压直流电源，2.充电电阻，3.充电线，4.脉冲成形线缆，4-1.外壳，4-2.不锈钢条，4-3.绝缘圆柱，4-4.入水口，4-5.出水口，5.循环水机，6.高压开关，6-1.开普通膜，6-2.金属层i，6-3.绝缘层，6-4.金属层ii，6-5.肖特基二极管，7.功率分配器，8.衰减器，9.传输线i，10.阻抗匹配电路，11.示波器，12.传输线ii，13.样品槽，14.共振器，14-1.外导体，14-2.内导体，14-3.密封圈，14-4.共振腔，14-5.金属片，14-6.sma接头，15.矢量网络分析仪，16.计算机。

具体实施方式

如图1是本发明示意图，xyz为三维空间坐标系，如图2是脉冲成形线缆放大示意图，测量装置包括高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、脉冲成形线缆(4)、循环水机(5)、高压开关(6)、功率分配器(7)、衰减器(8)、传输线i(9)、阻抗匹配电路(10)、示波器(11)、传输线ii(12)、样品槽(13)、共振器(14)、矢量网络分析仪(15)和计算机(16)，高压直流电源(1)输出电压典型范围为1.2kv到2.0kv，所述高压开关(6)具有输入端和输出端，所述功率分配器(7)具有输入端、输出端i和输出端ii，高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、脉冲成形线缆(4)、高压开关(6)和功率分配器(7)的输入端依次电缆连接，功率分配器(7)的输出端i依次电缆连接传输线ii(12)和样品槽(13)，传输线ii(12)的芯线与样品槽(13)外壳绝缘，样品槽(13)外壳接地，功率分配器(7)的输出端ii依次电缆连接衰减器(8)、传输线i(9)、阻抗匹配电路(10)和示波器(11)，共振器(14)位于样品槽(13)内；脉冲成形线缆(4)包括外壳(4-1)、不锈钢条(4-2)、绝缘圆柱(4-3)、入水口(4-4)和出水口(4-5)，不锈钢条(4-2)和绝缘圆柱(4-3)均位于外壳(4-1)内，不锈钢条(4-2)螺旋缠绕于绝缘圆柱(4-3)上，不锈钢条(4-2)两端分别连接充电线(3)和高压开关(6)输入端，外壳(4-1)为圆柱桶形，外壳(4-1)和绝缘圆柱(4-3)之间充满去离子水，去离子水的导电性为0.1us/cm，外壳(4-1)具有入水口(4-4)和出水口(4-5)并分别连接于循环水机(5)；不锈钢条(4-2)直径为2毫米，绝缘圆柱(4-3)的直径为40毫米、长度为200毫米，不锈钢条(4-2)缠绕于绝缘圆柱(4-3)上的螺旋间距为15毫米；外壳(4-1)的长度为300毫米、内径为100毫米。

如图3是高压开关放大示意图，如图4是图3的俯视图，高压开关(6)包括开普通膜(6-1)、金属层i(6-2)、绝缘层(6-3)、金属层ii(6-4)和肖特基二极管(6-5)，所述开普通膜(6-1)、金属层i(6-2)、绝缘层(6-3)和金属层ii(6-4)至下而上依次沉积制备，肖特基二极管(6-5)的阳极连接金属层ii(6-4)，肖特基二极管(6-5)的阴极连接高压开关(6)的输入端，高压开关(6)的输出端连接金属层i(6-2)，开普通膜(6-1)为边长1厘米的正方形，绝缘层(6-3)为聚对二甲苯材料，绝缘层(6-3)的厚度为12微米；金属层i(6-2)由厚度为50微米的铜制成、且上表面镀有厚度为5微米的钨，金属层ii(6-4)由厚度为35微米的铜制成、且上表面和下表面均镀有厚度为5微米钨，钨能够防止铜被高压开关(6)在开关过程中产生的高温电弧烧坏。

如图5是共振器放大示意图，共振器(14)包括外导体(14-1)、内导体(14-2)、密封圈(14-3)、共振腔(14-4)、金属片(14-5)、sma接头(14-6)，sma接头(14-6)同轴电缆连接矢量网络分析仪(15)，矢量网络分析仪(15)连接计算机(16)，外导体(14-1)和内导体(14-2)均由不锈钢制成，外导体(14-1)是中空圆柱体，内导体(14-2)是圆柱体，内导体(14-2)同轴固定于外导体(14-1)内，外导体(14-1)的长度为20厘米、内径为15毫米、外径为20毫米，内导体(14-2)的长度为20厘米、直径为5毫米，外导体(14-1)上面密封地连接有sma接头(14-6)、下面焊接有金属片(14-5)，密封圈(14-3)位于外导体(14-1)内的中间位置，内导体(14-2)穿过密封圈(14-3)，密封圈(14-3)将外导体(14-1)内部分为上部和下部，所述上部和下部之间具有气密性，所述上部充满空气，所述下部形成共振腔(14-4)，所述下部的侧壁上具有一个通孔，通孔全部浸入液体样品中，外导体(14-1)下部侧壁上的通孔直径为10毫米，所述通孔上边缘距离密封圈(14-3)为3毫米。

共振器(14)的工作方式为：

在工作时，共振器(14)的外导体(14-1)下部的侧壁上的通孔全部浸入液体样品中，密封圈(14-3)下方处具有少量残留空气，所述残留空气与液体样品的接触面形成了气体-液体界面，所述气体-液体界面具有较大的阻抗失配，因此能够作为一个高反射率的反射器，金属片(14-5)作为另一个反射器，液体样品在密封圈(14-3)与金属片(14-5)之间形成了法布里-珀罗共振，通过矢量网络分析仪(15)监控共振谱的移动，能够通过测量及相应的计算得到液体样品的介电常数。

矢量网络分析仪(15)输出的微波信号通过sma接头(14-6)输入共振器(14)，在外导体(14-1)和内导体(14-2)之间形成波形，并沿着负y轴方向转播，所述微波信号的大部分被气体-液体界面反射，定义为第一次反射信号，所述微波信号的小部分透过气体-液体界面到达金属片(14-5)，定义为第一次透射信号，且所述第一次透射信号的大部分能量被金属片(14-5)反射，使得共振腔(14-4)中产生多重反射和多重干涉。在气体-液体界面处的第一次反射信号和第一次透射信号的相位延迟为(式一)，其中λ和f分别为微波信号的波长和频率，d是共振腔(14-4)在y轴方向的内部长度，εr是液体样品的绝对介电常数，c是真空中光速，当相位延迟δ＝2mπ时，能够在频域的反射谱中得到共振图案，其中m为整数，称为共振系数，反射谱中的共振频率为(式二)，反射谱中的两个相邻的极小值之间的间隔，定义为自由谱范围，表示为(式三)，当液体样品的介电常数改变而导致反射谱移动时，共振频率移动表示为(式四)，这样，能够在d固定的条件下通过监控共振频率的变化来确定共振腔(14-4)中液体样品的介电常数的变化，从上述公式得出：共振器(14)的液体介电常数的测量灵敏度为正比于共振系数m，反比于d以及液体的绝对介电常数εr，采用(式四)测量的是液体介电常数的变化值，而不是绝对值，如果变化较小，所述变化值可以看做是线性的。(式三)用于测量液体介电常数的绝对值，即保持d不变，通过从记录的反射谱中得到自由谱范围。

通过(式二)可知，由热膨胀造成的共振腔(14-4)长度的变化会导致共振频率的移动，从而导致温度干扰，温度灵敏度为其中α0是不锈钢的温度膨胀系数，从而得到，介电常数-温度的交叉灵敏度为2εrα0。

高压开关(6)的工作方式为：

当肖特基二极管(6-5)阳极和阴极之间的电压超过其反向击穿电压，肖特基二极管(6-5)和金属层ii(6-4)之间的界面的pn结产生蒸发效应，进而导致等离子体产生并放大，击穿了绝缘层(6-3)，使得金属层i(6-2)和金属层ii(6-4)之间产生了高压电弧，所述高压电弧导致了金属层i(6-2)和金属层ii(6-4)之间的金属重新分布，从而使得高压开关(6)闭合。

所述一种液体介电常数测量装置包括高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、脉冲成形线缆(4)、循环水机(5)、高压开关(6)、功率分配器(7)、衰减器(8)、传输线i(9)、阻抗匹配电路(10)、示波器(11)、传输线ii(12)、样品槽(13)、共振器(14)、矢量网络分析仪(15)和计算机(16)，高压直流电源(1)输出电压典型范围为1.2kv到2.0kv，所述高压开关(6)具有输入端和输出端，所述功率分配器(7)具有输入端、输出端i和输出端ii，高压直流电源(1)、充电电阻(2)、充电线(3)、脉冲成形线缆(4)、高压开关(6)和功率分配器(7)的输入端依次电缆连接，功率分配器(7)的输出端i依次电缆连接传输线ii(12)和样品槽(13)，传输线ii(12)的芯线与样品槽(13)外壳绝缘，样品槽(13)外壳接地，功率分配器(7)的输出端ii依次电缆连接衰减器(8)、传输线i(9)、阻抗匹配电路(10)和示波器(11)，共振器(14)位于样品槽(13)内；脉冲成形线缆(4)包括外壳(4-1)、不锈钢条(4-2)、绝缘圆柱(4-3)、入水口(4-4)和出水口(4-5)，不锈钢条(4-2)和绝缘圆柱(4-3)均位于外壳(4-1)内，不锈钢条(4-2)螺旋缠绕于绝缘圆柱(4-3)上，不锈钢条(4-2)两端分别连接充电线(3)和高压开关(6)输入端，外壳(4-1)为圆柱桶形，外壳(4-1)和绝缘圆柱(4-3)之间充满去离子水，去离子水的导电性为0.1us/cm，外壳(4-1)具有入水口(4-4)和出水口(4-5)并分别连接于循环水机(5)；高压开关(6)包括开普通膜(6-1)、金属层i(6-2)、绝缘层(6-3)、金属层ii(6-4)和肖特基二极管(6-5)，所述开普通膜(6-1)、金属层i(6-2)、绝缘层(6-3)和金属层ii(6-4)至下而上依次沉积制备，肖特基二极管(6-5)的阳极连接金属层ii(6-4)，肖特基二极管(6-5)的阴极连接高压开关(6)的输入端，高压开关(6)的输出端连接金属层i(6-2)，开普通膜(6-1)为边长1厘米的正方形，绝缘层(6-3)为聚对二甲苯材料，金属层i(6-2)由厚度为50微米的铜制成、且上表面镀有厚度为5微米的钨，金属层ii(6-4)由厚度为35微米的铜制成、且上表面和下表面均镀有厚度为5微米钨，钨能够防止铜被高压开关(6)在开关过程中产生的高温电弧烧坏；共振器(14)包括外导体(14-1)、内导体(14-2)、密封圈(14-3)、共振腔(14-4)、金属片(14-5)、sma接头(14-6)，sma接头(14-6)同轴电缆连接矢量网络分析仪(15)，矢量网络分析仪(15)连接计算机(16)，外导体(14-1)和内导体(14-2)均由不锈钢制成，外导体(14-1)是中空圆柱体，内导体(14-2)是圆柱体，内导体(14-2)同轴固定于外导体(14-1)内，外导体(14-1)上面密封地连接有sma接头(14-6)、下面焊接有金属片(14-5)，密封圈(14-3)位于外导体(14-1)内的中间位置，内导体(14-2)穿过密封圈(14-3)，密封圈(14-3)将外导体(14-1)内部分为上部和下部，所述上部和下部之间具有气密性，所述上部充满空气，所述下部形成共振腔(14-4)，所述下部的侧壁上具有一个通孔，通孔全部浸入液体样品中；不锈钢条(4-2)直径为2毫米，绝缘圆柱(4-3)的直径为40毫米、长度为200毫米，不锈钢条(4-2缠绕于绝缘圆柱(4-3)上的螺旋间距为15毫米；外壳(4-1)的长度为300毫米、内径为100毫米；绝缘层(6-3)的厚度为12微米；外导体(14-1)的长度为20厘米、内径为15毫米、外径为20毫米，内导体(14-2)的长度为20厘米、直径为5毫米；外导体(14-1)下部侧壁上的通孔直径为10毫米，所述通孔上边缘距离密封圈(14-3)为3毫米。

本发明装置具有脉冲成形线缆结合高压开关的结构，以产生电压脉冲并施加到液体样品，另外，采用基于法布里-珀罗共振原理的共振器来测量液体的介电常数。