一腔多模動態掃頻法測量生物材料的介電特性

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（30470429）

作者簡介： 盧智遠（1953-），男，教授，碩士，研究方向為電磁場與微波測量、電磁生物醫學工程，E-mail：zylu@mail.xidian.edu.cn

文章編號： 0258-2724（2013）03-0467-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.012

摘要：

物質介電特性的無損檢測需要多次測量，而每次測量需要重新調試測試系統，這樣就使得測量效率降低而成本增加.本研究依據諧振腔微擾法理論，設計了電磁分離的實驗測試系統.在該系統中，選取了TE10p（p取奇數）諧振腔諧振模式，采用一腔多模動態掃頻法，對多種樹木的介電常數和損耗進行了測量計算.該測量方法在同一時間，可以同時測得樹木在3個不同頻率下的介電常數和損耗特性，極大地減少了單頻多次測量過程中調諧腔體尺寸所引起的誤差.用該方法對聚四氟乙烯材料的介電常數反復的測量驗證，測量誤差均小于1%.

關鍵詞：

微擾法；一腔多模；動態掃描；介電特性檢測

中圖分類號： TM931文獻標志碼： A

近年來，隨著材料制造業的快速發展，許多新材料被廣泛用于軍事、醫學和航空航天等領域.研究和測量材料的介電性能參數具有十分重要的意義[1].由于電磁波對物質特性的非電量測量具有快速、無損的優點，利用微波測量材料介電常數和磁導率的技術被廣泛應用，測量范圍涉及到軍事、工業、農業、食品、醫學和生命科學的各個領域.

生物體的介電性能參數對于農業、醫學和生命科學等相關研究具有十分重要的意義.在生物體內，各種酶的活性中心與介電性能參數有著密切的關系，介電特性直接影響著生物的生理、生長、代謝循環等功能.對于植物和樹木的介電特性測量與研究，國內外相關刊物已有報導[2-6].

微波對物質介電特性的無損檢測在材料制造、武器裝備、工農業生產中得到了廣泛的應用，而微波諧振腔微擾法檢測具有測量精度高，操作簡單等優點，成為了無損檢測的熱點[7-9].目前，絕大多數的諧振腔微擾法檢測僅是在單一電磁波頻率下的測量，要得到物質在其他頻率下的介電特性，需要變化頻率，重新調配測量系統，調諧諧振腔.這樣不但操作繁瑣還會降低測量精度.

植物的介電常數與磁導率是電磁波頻率的函數，如何在不同頻率下快速、準確地檢測材料的介電特性，一直是電子檢測技術的熱門話題.本研究應用現代網絡掃頻技術，采用一腔多模動態掃頻法對多種樹木的介電特性和引起的介質損耗情況進行非電量無損測量.該方法可以一次測量試驗樣品（樹木）在多個諧振頻率的介電特性參數，測量結果可為農業與生物醫學相關的人員研究樹木的生長、年齡及代謝功能等方面的研究提供技術參考資料.

1

微擾法檢測原理

2

一腔多模檢測法

3

實驗系統與方法

4

結果與討論

由表3可知，隨著頻率的增大，樹木的介電常數逐漸減小，而損耗逐漸增大.結果表明，樹木種類不同，介電常數不同；樹木種類相同但品種不同，介電常數也不相同；同一種類樹木的老枝和新枝，介電常數也存在差異.各種樹木的相對介電常數大約在3.0左右浮動，差異不大.只有櫻桃的相對介電常數約為4.24，比較高，垂柳僅為2.13，比較低.一般說來，生長較慢且耐旱的樹木介電常數相對較高，生長較快且耐旱性能差的樹木介電常數相對較低.該檢測方法具有快速、操作方便、測量精度高的優點.研究結果對于植物和生命科學的生物電方面的研究具有一定的參考價值，該研究方法同樣也可用于其他材料在不同頻率下的介電特性的快速測量.

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