[发明专利]基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法

说明书

一种基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及方法，该系统包括矢量网络分析仪、射频多路切换开关、反应釜、多路温度记录仪和开口同轴探头；矢量网络分析仪、切换开关控制器和多路温度记录仪均与上位机连接；射频多路切换开关与切换开关控制器连接；矢量网络分析仪通过稳相线缆与射频多路切换开关的动端连接，射频多路开关的不动端通过稳相线缆与开口同轴探头连接，开口同轴探头终端插入到反应釜内。该方法包括（1）设置与初始化校准；（2）多路数据的采集与补偿误差的计算；（3）反射系数的修正与介电常数的反演的步骤。本发明在不破坏样品组分的前提下对水合物不同位置处的介电常数实现精确测量，实现了对水合物介电常数空间分布的精确评价。

技术领域

本发明属于介电常数测量技术领域，特别涉及一种针对水合物的基于多路开口同轴探头的介电常数测量系统及其测量方法。

背景技术

天然气水合物(Natural Gas Hydrate)又称可燃冰，是由甲烷等小分子天然气体和水在特定的低温高压条件下形成的类冰状结晶物质，其广泛分布于海底沉积物和陆域永久冻土带中。天然气水合物因全球分布广、能源储量大、能量密度高、资源价值高，因而成为21世纪以来资源勘探与开发的重点与热点。

介电常数是表征材料电学性能的重要参数之一，随着水合物勘探技术与水合物沉积物特性研究的不断深入，介电常数成为水合物特性研究的重要参数。目前对于介电常数的检测方法有平行板电容法、谐振腔法、短路波导法、自由空间法、传输反射法和开口同轴探头法等。相较于其他测量方法，开口同轴探头法样品制备简单、适用频带宽，可在不破坏样品组分前提下对介质进行精确测量，是目前广泛应用的一种介电常数检测方法。该方法使用前需对矢量网络分析仪进行校准，例如，文献《建筑物等效电参数测试方法的研究》(刘勇，郑州大学，2012)明确给出了校准的方法及步骤。

CN108089062A公开了一种多孔介质介电常数检测方法，其步骤包括，将含水率较低的样品研磨成粉，并使用自制的圆柱形不锈钢测量单元对不同质量下的粉末状样品进行压实；使用与网络分析仪相连的末端开路同轴探头对压实后的样品进行介电常数测量；运用回归分析方法得出样品介电常数与频率的关系，将样品介电常数实际测量值与预先选用的介电混合方程理论值进行拟合得到一定频率下适用于多孔介质介电常数测量的数学模型。

上述方法配合介电常数测量装置使用与矢量网络分析仪相连的末端开口同轴探头对多孔介质进行测量，然后运用回归分析的方法得到多孔介质的介电常数与频率的关系。该方法获取的介电常数仅仅为多孔介质中单一位置点的介电常数，而多孔介质中水合物分布是不均匀的，仅仅获取单一位置点的介电常数无法全面反映多孔介质的介电特性，且目前应用该方法对水合物的研究相对较少，对含水合物多孔介质的介电常数空间分布检测尚未开展。

“国家标准GB/T 35680-2017液体材料微波频段使用开口同轴探头的电磁参数测量方法”中是开口同轴探头法。开口同轴探头法自提出以来，历经三十余年应用改进，目前尚未有多路检测的拓展应用，主要原因是无法克服多路切换开关引入的误差，如希望进行多点测量，只能通过移动探头实现，而即使采用最高质量的稳相电缆，移动探头也势必会改变反射系数，进而造成校准信息失效，引入误差。

CN102175766A公开的一种管(棒)材超声相控阵在线检测系统及检测方法，利用凹面超声相控阵换能器探头产生相控阵聚焦的电控声场，并利用高压开关阵列、多通道相控阵发射接收系统及控制系统，通过高压开关阵列电路不停地快速切换，在不同时刻控制不同的换能器阵元进行发射与接收，使相控阵聚焦声束在管材内高速旋转，从而实现动态聚焦与扫描。虽然上述方法中使用了“多路切换开关”，但是采取信号支路切换，使多个超声探头进行切换工作，利用多个超声探头分别激发超声波，而不是在超声探头下游添加超声波导切换开关。如果本领域技术人员也是使用“多路切换开关”的话，所搭建的系统具备多个上位机和矢量网络分析仪，至少是多个矢量网络分析仪的测试端口进行切换。矢量网络分析仪价格昂贵，使用多个矢量网络分析仪，显然会造成成本大幅提高，并且测量效率低。