一种变温岩石介电特性测试装置的制作方法

1.本实用新型涉及微波技术领域，特别是涉及一种变温岩石介电特性测试装置。


背景技术：

2.微波辅助机械破岩是隧道工程建设中极具应用前景的辅助技术。在隧道掘进机破岩过程中常遇到坚硬岩石，破岩滚刀承受很大冲击荷载，其关键部件滚刀刀圈和轴承易产生损坏，影响施工效率。使用微波设备可快速加热岩石，热应力引发岩石内部微裂纹起裂和扩展，降低岩石的强度等力学特性，因而采用微波辅助机械破岩可以提高隧道施工过程中岩石破碎效率、减轻机械设备损耗、降低施工成本。
3.岩石的介电特性反映其对微波的吸收能力，介电特性越强，岩石吸收微波的能力越强，微波的加热效果就越好。设计出一套变温岩石介电特性测试装置，测定介电常数，介电损耗、介电损耗正切等影响因素。微波辅助破岩前，准确了解施工路段岩石的介电特性是十分必要的。选取隧道施工现场常见岩石进行了变温条件下介电特性测试对测试，筛选出适合微波辅助破岩施工路段，对实现微波辅助机械破岩的工程应用具有重要参考和指导意义。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种变温岩石介电特性测试装置。
5.本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
6.一种变温岩石介电特性测试装置，包括温控仪、矢量网络分析仪和介电特性测试操作平台，所述介电特性测试操作平台包括底座，所述底座上表面右侧固定安装有两条平行设置的第一导轨，所述第一导轨上滑动设置有顶紧板，所述顶紧板左端固定安装有受力板，所述受力板左侧固定安装有右水冷基座，所述底座对应所述右水冷基座位置固定安装有第二导轨，所述右水冷基座在所述第二导轨上滑动，所述右水冷基座左侧设置有固定安装在所述底座上的左水冷基座，所述左水冷基座和右水冷基座之间设置有高温同轴线，所述高温同轴线左右两侧分别固定连接有隔热同轴线，所述左水冷基座和右水冷基座上均穿设有水冷同轴线，所述水冷同轴线与所述隔热同轴线固定连接，所述左水冷基座左侧面对应所述水冷同轴线固定安装有左射频同轴转换接头，所述右水冷基座右侧面对应所述水冷同轴线固定安装有右射频同轴转换接头，所述受力板对应所述右射频同轴转换接头位置开设有通孔；所述高温同轴线后侧设置有加热箱，所述底座上表面对应所述加热箱位置固定安装有滑轨，所述加热箱在所述滑轨上滑动，所述加热箱前侧固定安装有电磁加热圈，所述电磁加热圈包裹所述高温同轴线；所述高温同轴线包括样品夹持器和样品夹持器左右两侧的高温接头，所述样品夹持器和所述高温接头内部设置有左右相插接的内导体；所述矢量网络分析仪通过波导管分别与左射频同轴转换接头和左射频同轴转换接头相连接；所述温控仪的热电偶插在所述高温同轴线内。
7.优选的：待测的岩石样品放置于由电磁加热圈包围的样品夹持器中。
8.优选的：所述顶紧板上固定安装有限位装置，所述限位装置包括卡块和限位齿条，所述卡块在所述顶紧板上上下活动，所述卡块下部与所述顶紧板之间固定安装有支撑弹簧，所述卡块下端延伸出所述顶紧板下表面固定安装有齿牙，所述底座上表面对应所述卡块位置固定安装有限位齿条。
9.优选的：还包括气泵，所述气泵通过管道延伸至所述高温同轴线上方。
10.优选的：所述的加热箱温度可调，温度范围：室温～600℃，设备测试频率:0.9～5ghz，控制温度精度：≤4％。
11.优选的：所述左水冷基座和右水冷基座上表面均设置有冷却水入口和冷却水出口，且与外部供水管相连接。
12.与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：通过设置加热箱在滑轨上滑动调节位置，保证加热位置的准确，提高加热效率；设置第一导轨和第二导轨使支撑滑动，限位装置限制顶紧板右移，保证岩石样品内外与高温同轴线内外导体紧密接触，避免缝隙影响测量结果精度，减小测量误差；设置左水冷基座和右水冷基座进行冷却降温，避免对射频同轴转换接头的损坏和影响；设置气泵根据需要启动吹风，避免岩石样品存在刺激性气味时影响人工操作； 通过分析温度对介电特性影响，后续微波辅助破岩过程中，可以结合温度对岩体破坏机理，针对不同岩石在微波吸收性能好和岩石破坏程度高的情况下进行微波辅助破岩，降低能耗，提高破岩效率。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本实用新型所述一种变温岩石介电特性测试装置的结构示意图。
15.图2是本实用新型所述一种变温岩石介电特性测试装置的介电特性测试操作平台的主视图。
16.图3是本实用新型所述一种变温岩石介电特性测试装置的第一视角的立体结构示意图。
17.图4是本实用新型所述一种变温岩石介电特性测试装置的第二视角的立体结构示意图。
18.图5是本实用新型所述一种变温岩石介电特性测试装置的校准件组和岩石样品的结构示意图。
19.附图标记说明如下：
20.1、温控仪；2、矢量网络分析仪；3、介电特性测试操作平台；4、加热箱；5、滑轨；6、底座；7、第一导轨；8、限位齿条；9、顶紧板；10、高温同轴线；11、高温接头；12、左水冷基座；13、右水冷基座；14、限位装置；15、样品夹持器；16、电磁加热圈；17、右射频同轴转换接头；18、第二导轨；19、受力板；20、左射频同轴转换接头；21、隔热同轴线；23、直通校准件；24、标准校准件；25、岩石样品。
具体实施方式
21.在本实用新型的描述中，需要理解的是，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制，此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
22.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
23.下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
24.如图1-图5所示，一种变温岩石介电特性测试装置，包括温控仪1、矢量网络分析仪2和介电特性测试操作平台3，所述介电特性测试操作平台3包括底座6，底座6用来承托，所述底座6上表面右侧固定安装有两条平行设置的第一导轨7，所述第一导轨7上滑动设置有顶紧板9，所述顶紧板9左端固定安装有受力板19，受力板19用来传力，所述受力板19左侧固定安装有右水冷基座13，所述底座6对应所述右水冷基座13位置固定安装有第二导轨18，第一导轨7和第二导轨18分别用来导向移动，所述右水冷基座13在所述第二导轨18上滑动，所述右水冷基座13左侧设置有固定安装在所述底座6上的左水冷基座12，左水冷基座12和右水冷基座13分别用来冷却降温，所述左水冷基座12和右水冷基座13之间设置有高温同轴线10，所述高温同轴线10左右两侧分别固定连接有隔热同轴线21，所述左水冷基座12和右水冷基座13上均穿设有水冷同轴线，所述水冷同轴线与所述隔热同轴线21固定连接，所述左水冷基座12左侧面对应所述水冷同轴线固定安装有左射频同轴转换接头20，水冷同轴线、隔热同轴线21和高温同轴线10分别用来导波，所述右水冷基座13右侧面对应所述水冷同轴线固定安装有右射频同轴转换接头17，所述受力板19对应所述右射频同轴转换接头17位置开设有通孔；所述高温同轴线10后侧设置有加热箱4，加热箱4用来加热，所述底座6上表面对应所述加热箱4位置固定安装有滑轨5，滑轨5用来定向滑动，所述加热箱4在所述滑轨5上滑动，所述加热箱4前侧固定安装有电磁加热圈16，电磁加热圈16用来加热，所述电磁加热圈16包裹所述高温同轴线10；所述高温同轴线10包括样品夹持器15和样品夹持器15左右两侧的高温接头11，所述样品夹持器15和所述高温接头11内部设置有左右相插接的内导体；所述矢量网络分析仪2通过波导管分别与左射频同轴转换接头20和左射频同轴转换接头20相连接；所述温控仪1的热电偶插在所述高温同轴线10内；待测的岩石样品25放置于由电磁加热圈16包围的样品夹持器15中；所述顶紧板9上固定安装有限位装置14，所述限位装置14包括卡块和限位齿条8，所述卡块在所述顶紧板9上上下活动，所述卡块下部与所述顶紧板9之间固定安装有支撑弹簧，支撑弹簧用来支撑复位，所述卡块下端延伸出所述顶紧板9下表面固定安装有齿牙，所述底座6上表面对应所述卡块位置固定安装有限位齿条8，限位齿条8
和卡块配合锁定；还包括气泵，所述气泵通过管道延伸至所述高温同轴线10上方；所述的加热箱4温度可调，温度范围：室温～600℃，设备测试频率:0.9～5ghz，控制温度精度：≤4％；所述左水冷基座12和右水冷基座13上表面均设置有冷却水入口和冷却水出口，且与外部供水管相连接，还包括直通校准件23、标准校准件24和岩石样品25，所述标准校准件24的材质为聚四氟乙烯。
25.测岩石样品25的介电特性参数精度应满足以下要求：
26.岩石样品25制作要求：被测样品加工中空柱状，样品尺寸：外径16mm（负公差），内径6.95mm（正公差），长度10mm（负公差），岩石样品25两端面光滑平整，岩样内外满足于同轴夹具内外导体紧密接触，避免空气缝隙影响测量结果精度，减小测量误差。
27.直通校准件23和标准校准件24均选用硬度高的金属材料进行制作，加工前首先对材料进行退火处理，加工后对校准件端口和作为测试端口的表面进行抛光和抗氧化处理，以保证校准过程中校准件和测试座的形状和表面电性能的稳定。
28.外部计算机使用的变温岩石介电特性测试装置软件在矢量网络分析仪2和设备自带软件基础上，利用sicl（标准仪器控制库）和visa（虚拟仪器软件结构）的驱动软件完成对仪器设备的驱动、控制、管理。
29.变温岩石介电特性测试系统对岩石样品25进行测试之前, 必须先对测试系统主机进行校准，以解决校准件的建立、系统误差的校准等问题，测试系统采用trl(thru-reflect-line)校准技术，进行直通校准、反射校准和传输线校准对精密同轴系统和波导、微带线等非同轴系统实现准确测量，校准件的制作选用高硬度合金，采用国家标准的法兰盘制作，包括传输线校准件、直通校准件23和标准校准件24三种测试校准件。
30.对传输线校准件进行校准时，传输线的插入相位在使用的频率范围内应在20
°
～160
°
之间，传输线与测试端口的特性阻抗须一致，且连接处不能有不连续或台阶性突变，以保证无反射的传输。
31.工作原理：使用时，安装过程为：将岩石样品25放在样品夹持器15内，通过向上拉动卡块，支撑弹簧压缩，卡块和限位齿条8分离，推动顶紧板9向左移动，高温接头11对样品夹持器15进行夹紧，岩石样品25内外与高温同轴线10内外导体紧密接触，松开卡块，卡块下端齿牙与限位齿条8相咬合实现锁定，推动加热箱4在滑轨5上滑动，调整电磁加热圈16位置，使样品夹持器15和岩石样品25位于电磁加热圈16加热有效区内，将矢量网络分析仪2通过波导管分别与左射频同轴转换接头20和左射频同轴转换接头20相连接，所述温控仪1的热电偶插在所述高温同轴线10内，矢量网络分析仪2与外部计算机连接；测试过程为：
32.当测试环境为常温测量时：
33.1、变温岩石介电特性测试装置测试前初始化设备仪器，保证仪器设备正常；
34.2、选取标准校准件24分别进行直通校准、反射校准、传输线校准，完成对矢量网络分析仪2校准；
35.3、变温岩石介电特性测试装置在常温下对聚四氟乙烯标准件进行介电特性测试，用聚四氟乙烯标准样品来判断系统校准是否成功；（测试结果聚四氟乙烯介电常数标准值在2.07附近，10%的误差内说明系统校准成功）
36.4、校准完成后，装入中空柱状岩石样品25进行介电特性测试，样品装配时需要端面对齐且不能顶入两端同轴线中，然后在软件输入样品尺寸，进行介电特性参数测试。
37.5、矢量网络分析仪2发出的微波信号通过右射频同轴转换接头17接入，经同轴线穿过被测岩石样品25，矢量网络分析仪2从左射频同轴转换接头20采集反馈的微波信号进行计算，得到被测样品材料的介电常数和介电损耗，并传送分析结果至计算机。
38.当测试环境为变测量温时：
39.1、测试前先打开水冷机和温控箱，如果样品有较大的挥发性可以打开气泵向岩石样品25位置吹气，注意气量需要调小，不然会影响温度或者导致样品移位，推动加热箱4在滑轨5上滑动，调整电磁加热圈16位置，使样品夹持器15和岩石样品25位于电磁加热圈16加热有效区内，输入样品尺寸；
40.2、每一个温度点测试完毕后，点击“保存数据
”ꢀ
，得到被测样品材料的介电常数和介电损耗，并保持分析结果至计算机，然后输入下一个温度点，点击“校准后测试”，测试下一个温度点数据；
41.3、完成所有温度点测试后，将高温同轴线10拉开，气泵开到最大进行冷却，冷却完毕后才能关闭水冷机。
42.温控仪1、矢量网络分析仪2、左水冷基座12、右水冷基座13、电磁加热圈16、右射频同轴转换接头17和左射频同轴转换接头20均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本领域技术人员可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知的，故在此不再做过多记载。
43.以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。