一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，包括贴片、基质层和接地板；基质层由基质层和样本层组成，贴片印刷在样本层顶部，样本层的底部与接地板接触，其顶部与基质层接触；样本层为一个空腔。本实用新型专利技术较普通微带线结构具有更高的品质因数，且湿度变化体现为整个基质层介电常数的变化，对湿蒸汽湿度的变化反应灵敏度更高，有利于蒸汽湿度的准确测量，更适用于汽轮机蒸汽湿度的在线测量。

【技术实现步骤摘要】
一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器
本技术涉及一种微带贴片谐振器，尤其是一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，属于微波测量

技术介绍
目前，国内外用于汽轮机内流动湿蒸汽湿度的测量方法主要是热力学法、光学法、CCD成像技术及微波微扰法。微波微扰法是基于微波谐振腔的微扰，即微波谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数变化发生偏移，在一定的温度、压力下，湿蒸汽的介电常数只与其湿度有关，因此，可以通过测量湿蒸汽通过微带谐振器时产生的频率偏移量来实现蒸汽湿度的在线测量。张淑娥等在“空气湿度微波谐振腔测量方法”(中国电机工程学报，2008，28(2)：27-32)中提出了金属圆柱型谐振腔湿度传感器，搭建了蒸汽湿度测量系统。但是，金属圆柱谐振腔湿度传感器存在体积大，随温度变化腔体体积膨胀缩小，谐振频率漂移严重的问题。张淑娥等在“微带缝隙实现汽轮机蒸汽湿度测量的研究”(华北电力大学学报，2016，43(1)：99-103，110)中提出一种双通道微带缝隙谐振器湿度传感方法，该方法采用微带线结构，通过测量湿蒸汽通过微带谐振器缝隙时产生的频率偏移量来实现蒸汽湿度的在线测量。但是，普通微带线结构测量湿蒸汽的湿度是利用湿蒸汽通过微带缝隙时电容的变化引起频偏实现的，蒸汽湿度的变化引起的频偏小。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器。本技术采用下述技术方案：一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，包括贴片、介质层和接地板；介质层由基质层和样本层组成，贴片印刷在样本层顶部，样本层的底部与接地板接触，其顶部与基质层接触；样本层为一个空腔。所述贴片为矩形贴片。所述微带贴片谐振器的谐振频率fr为：其中，v0是光速度；m、n为谐振模式序号，Leff和Weff分别为贴片(1)的等效长度和等效宽度；εrdyn是动态等效相对介电常数，其计算方法为：式中，εr1为样本层的相对介电常数，εr2为基质层的相对介电常数，L和W分别为贴片(1)的物理长度与物理宽度，h1和h2分别为样本层和基质层的厚度；Cdyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)和Cdyn(εr1＝εr2＝1,L,W,h1,h2)分别为介质填充和空气填充条件下倒置微带贴片谐振器的总动态电容；介质填充条件下倒置微带贴片谐振器的总动态电容Cdyn为：Cdyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)＝Co,dyn(εr1,L,W,h1)+2Ce1,dyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)+2Ce2,dyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)(3)式中，Co,dyn是贴片(1)的中心动态电容，Ce1,dyn和Ce2,dyn分别是贴片(1)沿长度L方向的边缘电容和沿宽度W方向的边缘电容；贴片(1)的中心动态电容Co,dyn由下式计算：式中，Co,stat为贴片(1)的中心静态电容，其计算方法为：式中，ε0为真空中的介电常数；贴片(1)沿长度L方向的边缘电容Ce1,dyn和沿宽度W方向的边缘电容Ce2,dyn可分别由下式计算得到：贴片(1)沿长度L方向的静态边缘电容Ce1,sta为：式中，Z(W)和Z0(W)分别为介质填充和空气填充条件下宽度为W的倒置微带贴片谐振器的特性阻抗；v0为光速；C1为沿L方向上单位长度的总电容；贴片沿宽度W方向的边缘电容Ce2,sta(εr1,εr2,L,W,h1,h2)可由下式计算得到：式中，Z(L)和Z0(L)分别为介质填充和空气填充条件下宽度为L的倒置微带贴片谐振器的特性阻抗；v0为光速；C2为沿W方向上单位长度的总电容；贴片的等效长度Leff可以由下式得到：其中，式中，Z(W)和εreff(W)分别是贴片(1)的特性阻抗和有效介电常数；贴片(1)的有效介电常数εreff(W)可以由下式求得：贴片的等效宽度Weff可以可以由下式得到：其中，式中，Z(L)和εreff(L)分别是贴片(1)的特性阻抗和有效介电常数；贴片(1)的有效介电常数εreff(L)可以由下式求得：贴片(1)的尺寸是由工作频率确定的,其宽度W为：贴片的长度L的尺寸为：其中，ΔL为贴片(1)的等效伸长量：样本层的介质厚度h1选取为2mm，贴片的长度L＝44mm，宽度为W＝50mm，基质层的介电常数εr2＝2.2时，基质厚度h2大于0.5mm。基质层的厚度h2＝0.787mm。倒置微带贴片谐振器采用同轴馈电，同轴馈电的内半径为0.7mm，外半径为1.6mm，馈点所在位置为(-9.74mm,0mm,0mm)，倒置微带贴片谐振器的输入阻抗等于50Ω。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本技术采用倒置微带贴片谐振器，湿蒸汽的湿度变化体现为基质层介电常数的变化，导致谐振频率发生偏移，从而实现湿度的测量。倒置微带贴片谐振器较普通微带线结构具有更高的品质因数，且湿度变化体现为整个基质层介电常数的变化，对湿蒸汽湿度的变化反应灵敏度更高。2、本技术中的微带贴片谐振器，在蒸汽湿度每变化1％时，谐振器频偏约为18KHz，约为微带缝隙谐振器频偏的3.6倍，有利于蒸汽湿度的准确测量，更适用于汽轮机蒸汽湿度的在线测量。附图说明图1是本技术的结构示意图；图2是本技术中的贴片尺寸图；图3是谐振频率与湿蒸汽介电常数关系图；图4是本技术的S参数仿真结果；其中1-贴片，2-接地板。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。如图1所示，一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，包括贴片1、基质层和接地板2；基质层由基质层和样本层组成，贴片印刷在样本层顶部，样本层的底部与接地板接触，其顶部与基质层接触；样本层为一个空腔。湿蒸汽可以认为是由干饱和水蒸汽和很小的饱和水滴组成的，这种混合物的尺寸非常小，大部分水滴直径小于2um，最大的尺寸也只有200um左右，远远小于微波的波长，所以，湿蒸汽混合物的等效介电常数只和液相的体积份数有关系，而与水滴的尺寸无关。由于气态水和液态水的介电常数不同，在微波频率范围内，常温下水蒸汽的介电常数接近于1，而液态水的介电常数约为80。湿蒸汽的湿度不同时，汽液两相所占比例不同，不同湿度蒸汽的介电常数也就不同。因此，湿蒸汽介电常数的大小反映了蒸汽湿度大小，可以通过测量湿蒸汽的介电常数来间接测量蒸汽的湿度。研究表明，当在厘米波波段，湿蒸汽的介电常数实部不随频率变化，只是温度的函数，等于其静介电常数；虚部很小，损耗非常低。当微波波长大于1cm时，湿蒸汽的复介电常数的实部与湿度变化近似成线性关系。湿度从5％到15％，湿度平均每增加1％，其复介电常数的实部增加值为：30℃时，增加1.16×10-6；60℃时，增加5.05×10-6；100℃时，增加2.00×10-5。当压力为0.007MPa的条件下，湿蒸汽的湿度与介电常数之间的对应关系，如表1所示。由表1可得，湿蒸汽的介电常数与湿度近似成线性关系，湿度每增加1％，介电常数增加1.5×10-5。而根据微扰理论，样本层的介电常数εr1的微小变化，会引起谐振器谐振频率的偏移，通过测量谐振频率可以确定湿蒸汽的复介电常数实部，进而得到对应的湿度值。如图2所示，本实施例中的贴片为矩形贴片，基质层的厚度h2和介电常数εr2是已知参数，样本层的厚度h1已知，但是介电常数ε本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，其特征在于：包括贴片(1)、介质层和接地板(2)；介质层由基质层和样本层组成，贴片印刷在样本层顶部，样本层的底部与接地板接触，其顶部与基质层接触；样本层为一个空腔。

【技术特征摘要】
1.一种测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，其特征在于：包括贴片(1)、介质层和接地板(2)；介质层由基质层和样本层组成，贴片印刷在样本层顶部，样本层的底部与接地板接触，其顶部与基质层接触；样本层为一个空腔。2.根据权利要求1所述的测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，其特征在于：所述贴片(1)为矩形贴片。3.根据权利要求2所述的测量汽轮机湿度的微带贴片谐振器，其特征在于：所述微带贴片谐振器的谐振频率fr为：其中，v0是光速度；m、n为谐振模式序号，Leff和Weff分别为贴片(1)的等效长度和等效宽度；εrdyn是动态等效相对介电常数为：式中，εr1为样本层的相对介电常数，εr2为基质层的相对介电常数，L和W分别为贴片(1)的物理长度与物理宽度，h1和h2分别为样本层和基质层的厚度；Cdyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)和Cdyn(εr1＝εr2＝1,L,W,h1,h2)分别为介质填充和空气填充条件下倒置微带贴片谐振器的总动态电容；介质填充条件下倒置微带贴片谐振器的总动态电容Cdyn为：Cdyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)＝Co,dyn(εr1,L,W,h1)+2Ce1,dyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)+2Ce2,dyn(εr1,εr2,L,W,h1,h2)(3)式中，Co,dyn是贴片(1)的中心动态电容，Ce1,dyn和Ce2,dyn分别是贴片(1)沿长度L方向的边缘电容和沿宽度W方向的边缘电容；贴片(1)的中心动态电容Co,dyn：式中，Co,stat为贴片(1)的中心静态电容，为：式中，ε0为真空中的介电常数；贴片(1)沿长度L方向的边缘电容Ce1,dyn...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙景芳，张淑娥，赵颖涛，王雅宁，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：新型
国别省市：河北,13