利用开口同轴探头法测量混凝土块等效电参数.pdf
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1、2 0 1 2 年 第 1 0期 (总 第 2 7 6 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 2 ( T o t al No 2 7 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 1 0 0 0 6 利用开口同轴探头法测量混凝土块等效电参数 刘勇 ,邹澎 。杨明珊 ,刘菲 ( 郑州大学 信息工程学院,河南 郑州 4 5 0 0 0 0 ) 摘要: 基于终端开路同轴探头法, 利用谱域准静态模型, 开发了一套建筑
2、用混凝土块等效电参数测量系统。 测量混凝土样品制作简单, 只需使样品上下两面光滑平整即可, 且满足宽频带要求。 利用开口同轴探头法测量了两种现有混凝土块的相对复介电常数并推导出其等效 电导率, 其结果能够较好地符合参考值。 通过对测量结果的分析得到, 不同砂子和水泥比率混凝土样品的相对偏差在 0 9 1 8 G H z 时不超 过 7 , 钢筋对混凝土介电特性的影响较大, 在 0 5 1 8 G H z 时钢筋上方的测试点电容率位于 8 l 0 之间, 而无钢筋测试点则为5 7 之间。 关键词 : 电磁辐射 预测 ;等效电参数 ;开口同轴探头法 ;混凝土块 中图分类号 : T U5 2 8 O
3、 1 文献标志码 : A 文章编 号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 0 0 0 2 1 0 5 Me as ur e t he e qui va l en t e l e ct r i c pa r ame t er s of bui l di ng c onc r ete bl oc k s us i n g open c oa x i al pr obe me t ho d Lm Yo n g, ZOU P e n g, YAN G M i n g- s h a n, L1 U Fe i ( Co l l e g e o f I n f o r ma t i
4、 o n E n g i n e e ri n g , Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y, Z h c n g z h o u 4 5 0 0 0 0, C h i n a ) Abs t r a c t : Ba s e d o n t h e t e r mi n a l o pe n i n g - c o a xi a l p r o be me tho d a n d u s i n g s p e c t r a l d o ma i n s t and a r d s t a t i c mo d e l , a s e t o fr e
5、l a t i v e c o mpl e x d i - e l e c t ri c c o n s t ant t e s t i n g s y s t e m o f t h e b u i l d i n g c o n c r e t e b l o c k s w a s d e v e l o p e d I t w a s e a s i e r t O ma k e t h e c o n c r e t e s a mp l e o f t h e s y s t e m, j u s t t o ma k ethet wo s i d e s o f the c o
6、n c r e t e s a mpl e s mo o t handfla t t e n i n gTh e a l g o r i t h m wa s q u i t ema t u r e a n dme tt h ewi d e b a n d r e q u i m -n e n t s Us i n gt h e o p e n c o ax i a l p r o b e me t h o d , the r e l a t i v e c o mp l e x p e rm i t ti v i ty o f t wo r e i n f o r c ed c o n c
7、r e t e b l o c k s Was me a s u r e d An d the e q u i v a l e n t c o n d u c t i v i t y Was d e r i v e dTh e r e s u l t s c o u l d b e we l l a c c o r d wi t h the r e f e r e nc e v a l u e It a l s o s h o we d the r e l a t i v e d e v i a t i o n o f c o n c r e t e s pe c ime n s h a v
8、i n g d i 侬鹏n t s a n c e me n t r a t i o s d i d n o t e x c e e d 7 a t 0 9 GHz t o 1 8 GHz T h e d i e l e c t r i c p r o p e r t i e s o fc o n c r e t e we r e a ffe c t e d b y the s t e e l s : me asu r e d pe r mi t t i vi ty b e t w e e n 8 a n d1 0a t 0 5 1 8G Hz a b o v e s t e e 1 an d
9、b e t we e n 5 a n d7wi tho u t s t e e 1 Keywor d s: e l e c t r o ma g n e t i c r a d i a t i o nf o r e c a s t ; e q ui v a l e n t e l e c t r i cp a r am e t er; o p e n c o a x i a l p r o b eme tho d; c o n c r e t eb l o c k 0 引言 随着国家对环保事业的重视, 电磁辐射问题也越来越受到人 们的关注, 因此电磁辐射预测系统成为当今的热点研究方向 1 3
10、】 。 在对高压线、 通信基站和广播电视发射塔等建于市区地带的设 备进行辐射预测时 , 则需要考虑建筑物对电磁波的影响, 那么 系统的研究建筑物等效电参数则是很有必要的。 近年来等效电参 数测量常用的方法多为同轴传输 反射法同 , 而由于建筑物的特 性, 需要利用无损测量技术, 同轴探头法则正好符合这样的要求。 所谓同轴探头法是将终端开路同轴探头紧贴被测材料, 然 后通过测量探头终端反射系数( 或输入导纳) 来获取材料相对 复介电常数的一种微波测量方法。 它不仅具有非破坏性和非侵 入性 , 而且具有测量频带宽和样品易于制备等优点, 因而被广 泛用于测量介质材料等效电参数的研究中明 。 开口同轴
11、探头测量方法的研究在近 2 0 多年中得到了迅猛 的发展。 目前 , 所使用的各种测量模型可以归结为全波模型和 准静态模型两种 , 前者是根据电磁场理论知识严格求解得到的 理论模型, 而后者则忽略了同轴探头端 口附近的高次模式对反 射的影响。 按照理论来说 , 全波模型能够精确得到材料的介电 特性。 不过, 很多试验结果却表明, 忽略高次模式所引入的误差 收稿 日期 :2 0 1 2 - 0 4 - 2 6 基金项 目:国家环保部环保公 益性行 业科研专项( 2 0 0 9 0 9 1 0 6 ) 与反射系数本身的测量误差常常相当。 所以在保证精度的前提 下 , 同时又有对数据快速处理的需求时
12、可采用准静态模型 S l 。 本研究在 1 0 0 K H z I 8 G H z的频率范围内, 采用准静态模 型对开口同轴探头进行建模, 并针对钢筋混凝土进行等效电参 数测量 , 取得了较好的测量效果。 1测 试 理 论 本测试系统采用单层短路准静态模型。 如图 1 所示, 同轴探 头内导体半径为 o 、 外导体半径为 b , 被测样品厚度为 d 。 其中同 轴探头内填充介质的相对介电常数和相对磁导率分别为 和 , 被测样品相对介电常数和相对磁导率为 和 。 所谓准静态模型即假设同轴探头内仅传输 T E M主模 , 省 略时谐因子 。 那么同轴探头内正向波和反向波的复合 电场 E r 和 日
13、 复合磁场可分别表示为: E产 e X p ( ) 小X p ) ( 1 ) r d 日 1 : 一 e X p ( Iz ) - F e x p ( j k r z ) ( 2 ) 卵l r 式中: r 、 p 、 柱坐标系的坐标变量; | 、 j ; 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 填充介质 同轴探头 被 测材料 导电衬底 图 1 同轴探头示意图 叼 1 = 、 l ( 0 s 1 ); 8 o 、 真空中介电常数及磁导率; 角频率; ,反射系数; A探头终端端面正向波电场的振幅。 被测材料中的电磁场 、 可 以表示为谱域中包括高次 模式在内的所有平面
14、波的积分型叠加: J 曰 ( 。 ) e x p ( - T z ) + F b ( k ) e x p ( T z ) l J ( k 。 r ) k 。 d k 。 ( 3 ) 日 B ( k 。 ) l , ( ) e x p ( -T z ) - F b ( k ) e x p ( y z ) J ( k 。 r ) J d k 。( 4 ) 式中: = 、 嚼且 R e ( T ) 0 ; ; Y ( k 。 ) - 4 0 , 8 0 ; ( ) = 一 e x p ( 一 2 ) ; ( ) 一阶第一类贝塞尔函数; n ( k ) 谱域表示的场振幅; 连续特征值( 常表示为A o
15、 根据z = O 平面电场和磁场横向分量连续的边界条件可得: c ) 【 。 哪c ) c r ) ( 雨 ( 5 ) l 0 ( r a , r 6 ) fr_ 曰 ( 。)y ( ) 1 一 ( jc ) (J2。r)J d 二 (口 6 ) ( 6 ) 将式( 5 ) 两边同 乘, l( J : r ) r 后作积分运算 f d r 得: J 。 J 。 ( c ) 1 + ( c ) 】 , l( c r ) Jic d k c I, l( : r ) r d r = ( 蛐 ) r d r ( 7 ) 由 贝 塞 尔 函 数 的 正 交 性J 0 J ( k c r ) ,1 ( :
16、 r ) r d r 6 ( J c k ct ) 和 函 数的 筛选性质 J 8 ( t - to )f ( t ) d t = f ( to ) ( ) = ) 得: ” ax 1+ 钏+ , ) 巡警 (8 ) 将式( 8 ) 代入式( 6 ) 作积分运算得: = ) 1 - F b ( k 。 ) 批 整理式( 9 ) 得到: 二 : ! 1 + 厂l n ( b a ) J o ( k # ) - J o ( k b ) 2 1 + 2 e x p ( 一 、 d ) 】 1 _ 2 e x p ( 一 N k Z - - W Z e o 8 4 X o m d ) k 2 2 (
17、9 ) 由此可知式( 1 0 ) 为自变量 s 。 、 变量 厂的非线性方程。 因此 求解相对复介电常数就是求解该非线性方程的过程。 贝塞尔函数具有震荡性和趋于无穷时收敛的性质。 根据此 性质 , 我们将积分上限取一个较大的数, 分别采用梯形公式、 辛 普森公式及 自适应积分方法进行数值试验。 通过试验证明, 在 公式( 1 0 ) 的积分上限取到 1 2 5 0 0时积分结果趋于稳定。 当求解出相对复介电常数 。 后, 通过式( 1 1 ) 我们可以得到 待测物质的等效电导率。 8 8 - j s 一 3 一 1 1 、 , o O 9 式中: s 。 相对复介电常数; 相对复介电常数的实部
18、; 8 相对复介电常数的虚部。 由式( 1 1 ) 可以得出: 8 _ ( 1 2 ) B O g O 式( 1 2 ) 经变换可得到: ( r = 6 D s o s ( 1 3 ) 式中: 测量物质的等效电导率, s m; 角频率; 岛空气的绝对介电常数, 其值为 8 8 5 1 0 - 1 2 , F m。 2 测量 系统 介绍了测量装置的组成和校准, 并用该系统对已知相对复 介电常数的液体和固体物质进行测量, 通过与理论值的对比, 验证了该系统的可行性。 2 1 测量装置 图2中的同轴探头由铜质法兰盘和N型座组成, N型座通 过同轴电缆与 Ag i l e n t 4 3 9 6 B网
19、络分析仪相连。 法兰盘直径 1 0 0 ml n , 外导体内直径为 4 1 ml n, 内导体直径一1 3 rai n , 填 充介质的相对复介电常数 = 2 1 0 0 0 0 。 液体测量装置如图 2 ( a ) 所示, 利用探头夹固定探头的位置, 使法兰盘保持水平, 测量液体时我们把液体盛于金属容器中, 并 在金属容器的底部放置一块与法兰盘相同直径的圆型铝板, 通 过上下移动探头来实现对测量样品的紧贴。 然后利用游标卡尺 对铜质法兰盘下表面与铝制圆盘上表面之间的距离进行测量, 得到待测物体的厚度d 。 为了保持测量装置的水平, 我们利用水平 仪确定测量装置位置。 由于液体的相对复介电常
20、数与温度的关系 比较紧密, 因此在液体测量中, 需要利用温度计计量液体的温度。 固体测量装置如图2 ( b ) 所示, 要求法兰盘与待测物体之间 紧密结合, 为此我们使用螺纹夹具 , 铝制圆盘则位于待测物体 的底部。 圈 2 同轴探头测试 装置 ( 1 0 ) 2 2 系统校准 试验中采用网络分析仪( A g i l e n t 4 3 9 6 B) 单端口校准 , 但连 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 接同轴探头后, 由于反射面延伸至法兰盘与被测物质的接触面; 因此探头终端反射系数与网络分析仪测得的反射系数之间总 存在一定的差异, 所以我们要进一步校准。 测量
21、所得的反射系数 和探头终端实际的反射系数 的关系为阎 : e d+ 啬 ) 式 中 : ff d 有 限方 向性误差 ; e r 频率跟踪误差; e 等效源失配误差。 根据此关系式, 通过测量和计算得到 3 种已知相对复介电 常数的材料反射系数 , 1 m 和 , 代入式( 1 4 ) 便可得到关于 e d g e 、 e 。 为变量的3个方程, 联立求解得到参数 e d g e 、 e 。 , 即完成校准。 频 率 GHz ( a ) 厚 度为6 mm的空气 膜 的理论反射 系数 值 频率 GHz ( b ) 厚度为6 mm的水膜理论反射系数值 图 3 空气 和水 的理论 反射 系数值 选取
22、 3种已知相对复介电常数的物质分别为短路负载, 空 气和去离子水。 短路负载的理论反射系数为 一 1 ; 由于空气的 相对复介电常数为 1 , 所以其反射系数可以通过式( 1 0 ) 求出, 如 上图 3 ( a ) 所示 ; 去离子水的理论反射系数 值的计算 , 首先利 用 C o l e C o l e 关系式【9 , 可以求得去离子水的相对复介 电常数 , 再根据式( 1 0 ) 计算得出其理论反射系数 , 如图 3 ( b ) 所示。 然 后经过所建立的测试系统测得这三种物质所对应的 后, 把 对应的 厂 a 和 厂m 代人式( 1 4 ) , 即得 e d g e 、 e 。 。 根
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