[發明專利]應力作用下復合材料介電常數測量裝置與方法

有效

• 申請號: 201710523829.3
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN109212320B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 劉大偉;李洪亮;李強強
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種應力作用下復合材料介電常數測量裝置與方法，屬于電磁場與微波技術領域。本發明在傳統自由空間測量系統的基礎上，加入了應力加載機構，改變材料所受應力的大小，材料發生微小形變導致反射波和透射波也會隨之變化，這個變化的信號攜帶著材料的介電信息，通過測量網絡反射系數和傳輸系數隨材料所受微應變的變化，可以推導出材料介電常數的相對變化。此外，本發明提出了一種區別于傳統自由空間法的測量方法，在材料上加載應力時，材料會發生一定的位移和厚度變化，該變化對S參數的影響遠大于材料發生微小形變對S參數的影響，本發明提出的測量方法去除了位移和厚度變化對S參數的影響，能夠準確反演材料受力時介電常數的相對變化。

技術領域

本發明屬于電磁場與微波技術領域，涉及一種介電常數測量技術，具體來說，是一種可以實現應力作用下復合材料介電常數變化規律準確測量的裝置與方法。

背景技術

在各種電磁應用中，材料的介電常數是重要的特性參數，通常是材質、頻率甚至是溫度的函數。事實上，機械載荷(氣動力、應力等)對材料介電特性也會存在一定影響。通常情況，這種機械載荷對材料的介電常數影響不大。但是在應力過大或存在局部應力集中時，材料內部結構會有大面積微小破壞，材料介電特性會發生改變，影響應有的電磁效能，例如各種受力的微帶電路板，天線罩體，以及飛行器平臺上的天線透波結構等等，因此獲得材料介電常數隨應力變化的規律具有重要的意義。

電磁材料介電常數的測量方法種類很多，按照測量原理，介電常數的測量方法分為網絡參數法和諧振腔法兩類。其中，網絡參數法又分為開口同軸法、單端口傳輸線法和傳輸/反射法等。諧振腔法、開口同軸法、傳輸/反射法等方法均屬于閉場域測試，無法測量材料受外力時介電常數的變化規律。傳統的自由空間法直接利用測得的S參數(即，散射參數)反演介電常數，但在進行應力作用下復合材料介電常數的測量時，材料受到拉力會發生一定程度的位移且材料厚度會發生變化，此時由于位移和厚度變化對S參數的影響將遠大于材料發生微小形變對S參數造成的影響，傳統的自由空間反演算法無法準確反演出材料受力時介電常數的相對變化。

發明內容

為了解決傳統自由空間法在應力作用下測量材料介電常數的局限性，本發明提出了一種應力作用下復合材料介電常數測量裝置與方法。該裝置在傳統自由空間測量系統的基礎上加入了應力加載機構。所測材料固定在應力加載機構的兩個力臂上，通過改變力臂作用力的大小，材料所受應力發生變化，此時材料會發生微小形變致使反射波和透射波也隨之變化，這個變化的信號攜帶著待測材料的介電信息，通過測量網絡的反射系數和傳輸系數隨材料所受微應變的變化曲線，可以推導出待測材料的介電常數相對變化。

該應力作用下復合材料介電常數測量裝置，包括發射天線、接收天線、應力加載機構、步進電機、第一位移傳感器、第二位移傳感器、第一矩圓模式轉換器、第二矩圓模式轉換器、控制計算機以及矢量網絡分析儀；所述發射天線通過第一矩圓模式轉換器與矢量網絡分析儀的第一端口連接，所述接收天線通過第二矩圓模式轉換器與矢量網絡分析儀的第二端口連接，所述步進電機、第一位移傳感器、第二位移傳感器、矢量網絡分析儀連接控制計算機，控制計算機控制步進電機以改變施加到待測材料上應力的大小，位移傳感器和矢量網絡分析儀分別將待測材料所發生的微應變以及隨加載應力實時變化的S參數傳至控制計算機，控制計算機對S參數進行修正，計算出待測材料受應力時介電常數的相對變化；其特征在于：待測材料由應力加載機構夾持，應力加載機構連接步進電機，步進電機連接至控制計算機，控制施加應力的大??；所述待測材料與應力加載機構位處同一中心，發射天線、待測材料、接收天線的中心依次從左到右同軸分布。

由于對材料施加應力時材料會發生位移且厚度會發生變化，這兩部分對S參數的影響遠大于材料內部發生微小形變對S參數的影響，因此，基于所述的應力作用下復合材料介電常數測量裝置，本發明還提出了一種應力作用下復合材料介電常數測量方法，包括如下步驟：