本發(fā)明涉及微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微波探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

微波是指頻率處在300MHz至300GHz的范圍，相應(yīng)波長的范圍從1m至1mm的電磁波。微波具有良好的穿透能力、較好的方向性且環(huán)境污染小，因此微波技術(shù)得到迅猛發(fā)展，同時也要求微波電路更加集成化和小型化，這大大促進(jìn)了微波價值材料和元器件的發(fā)展。

微波介質(zhì)材料作為電磁波傳輸煤質(zhì)已廣泛地應(yīng)用于微信通信、微波通信、雷達(dá)導(dǎo)航等領(lǐng)域中，而微波介質(zhì)材料本身的特性對于微波介質(zhì)材料的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。因此對于微波介質(zhì)材料的檢測是一項重要的基礎(chǔ)研究工作。然而目前微波介質(zhì)材料的測試系統(tǒng)測試準(zhǔn)確度仍有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有測試系統(tǒng)測試準(zhǔn)確度不足的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種能提高探測準(zhǔn)確度的微波探測系統(tǒng)。

本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案是提供一種微波探測系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、同軸諧振腔和距離調(diào)整裝置，所述同軸諧振腔包括腔體和伸出腔體的探針，所述探針在所述同軸諧振腔腔體外形成電磁場,同軸諧振腔對在電磁場內(nèi)樣品進(jìn)行探測并產(chǎn)生微波輸出信號，所述控制系統(tǒng)連接并控制距離調(diào)整裝置；所述控制系統(tǒng)能提供同軸諧振腔的微波輸入信號并接收以及分析同軸諧振腔的微波輸出信號，所述距離調(diào)整裝置用于控制所述待測樣品移動至所述電磁場內(nèi)，待測樣品對該電磁場形成干擾從而改變所述同軸諧振腔的微波輸出信號；所述控制系統(tǒng)通過對放置待測樣品前后的同軸諧振腔的微波輸出信號進(jìn)行分析完成待測樣品的探測。

優(yōu)選地，所述距離調(diào)整裝置包括距離檢測器和距離調(diào)節(jié)器；所述距離檢測器用于測量所述探針與待測樣品之間的距離，所述距離調(diào)節(jié)器用于根據(jù)距離檢測器測量的結(jié)果調(diào)節(jié)所述探針與待測樣品之間的距離。

優(yōu)選地，所述距離檢測器包括音叉測距模塊，所述音叉測距模塊包括與所述探針固定連接的音叉。

優(yōu)選地，所述音叉測距模塊進(jìn)一步包括與所述音叉相連的音叉激諧振掃描模塊、鎖相環(huán)模塊和音叉數(shù)據(jù)采集模塊；所述音叉激諧振掃描模塊用于對所述音叉進(jìn)行掃頻以確定所述音叉的諧振頻率；所述鎖相環(huán)模塊用于對所述諧振頻率進(jìn)行鎖定；所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊用于收集所述音叉的檢測數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述距離檢測器還包括激光三角測距模塊，在所述激光三角測距模塊測量所述探針與待測樣品表面之間的距離之后，再利用所述音叉測距模塊進(jìn)行測量；所述激光三角測距模塊包括一激光發(fā)生器、一激光檢測器及一激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊；所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊分別與所述激光發(fā)生器、所述激光檢測器連接；所述激光發(fā)生器與所述激光檢測器分別位于所述探針的兩側(cè)。

優(yōu)選地，所述微波探測系統(tǒng)還包括用于放置樣品的樣品放置臺；所述距離調(diào)節(jié)器包括調(diào)節(jié)組件，所述調(diào)節(jié)組件通過調(diào)節(jié)所述樣品放置臺和所述同軸諧振腔的位置，從而調(diào)節(jié)所述探針和待測樣品之間的距離。

優(yōu)選地，所述同軸諧振腔可更換，所述同軸諧振腔為λ/2同軸諧振腔或λ/4同軸諧振腔。

優(yōu)選地，所述同軸諧振腔為λ/4同軸諧振腔，同軸諧振腔的腔體呈圓環(huán)柱體，該圓環(huán)柱體的外圓半徑與內(nèi)圓半徑之比為(3-5)：1。

優(yōu)選地，所述腔體的高度大于圓環(huán)柱體外圓半徑與圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑之和。

優(yōu)選地，所述腔體內(nèi)靠近所述探針的一端設(shè)置介質(zhì)層，介質(zhì)層的形狀與腔體相匹配；所述介質(zhì)層由無機(jī)材料制得，其介電常數(shù)大于1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種微波探測系統(tǒng)，通過設(shè)置距離調(diào)整裝置控制所述待測樣品移動至探針?biāo)纬傻碾姶艌鰞?nèi)，能保證待測樣品對所述電磁場形成有效干擾，可以提高該微波探測系統(tǒng)的探測準(zhǔn)確度；并且能保證即使更換樣品后，使得待測樣品與探針之間為相同的距離，保證探測的重復(fù)性，以及對于不同樣品探測結(jié)果進(jìn)行對比的可靠性。并且探針位于同軸諧振腔的腔體外，便于更換待測樣品，提高探測速度。此外，通過探針對待測樣品進(jìn)行掃描，不僅能得到樣品上不同點(diǎn)相對應(yīng)的電磁參數(shù)，如介電常數(shù)、介電損耗及磁導(dǎo)率等，還能對待測樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，得到待測樣品內(nèi)部的清晰圖像。

【附圖說明】

圖1是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的同軸諧振腔以及距離調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖2中A部的放大示意圖。

圖4是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的距離調(diào)整裝置的框架示意圖。

圖5是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的距離調(diào)整裝置靠近探針部分的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的音叉幅值變化量的檢測原理圖。

圖7是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的音叉相位變化量的檢測原理圖。

圖8是本發(fā)明微波探測系統(tǒng)的同軸諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是圖8中B-B的剖視示意圖。

圖10是圖9中C部的放大示意圖。

【具體實施方式】

為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施實例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種微波探測系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)60、同軸諧振腔10以及距離調(diào)整裝置80。結(jié)合圖2所示，所述同軸諧振腔10包括腔體19和伸出腔體19的探針113。探針113位于同軸諧振腔10的腔體19外，便于更換待測樣品31，提高探測速度。此外，通過探針113對待測樣品31進(jìn)行掃描，不僅能得到樣品31上不同點(diǎn)相對應(yīng)的電磁參數(shù)，如介電常數(shù)、介電損耗及磁導(dǎo)率等，還能對待測樣品31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，得到待測樣品31內(nèi)部的清晰圖像。

所述控制系統(tǒng)60連接并控制距離調(diào)整裝置80，所述控制系統(tǒng)60能提供同軸諧振腔10的微波輸入信號并接受以及分析同軸諧振腔10的微波輸出信號，請參閱圖3，所述探針113在所述腔體19外形成電磁場，該電磁場的電場線115即如圖3中所示分布。所述距離調(diào)整裝置80用于控制所述待測樣品31移動至所述電磁場內(nèi)，待測樣品31對該電磁場形成干擾從而改變所述同軸諧振腔10的微波輸出信號?？刂葡到y(tǒng)60通過對放置待測樣品31前后的同軸諧振腔10的微波輸出信號進(jìn)行分析完成待測樣品31的探測。

通過設(shè)置距離調(diào)整裝置80控制所述待測樣品31移動至探針113所形成的電磁場內(nèi)，能保證待測樣品31對所述電磁場形成有效干擾，可以提高該微波探測系統(tǒng)的探測準(zhǔn)確度。利用所述微波探測系統(tǒng)進(jìn)行探測時，所述探針113與待測樣品31之間的距離較大或較小時，待測樣品31對探針113所形成的電磁場的干擾較弱或較強(qiáng)，從而使得同軸諧振腔10的微波輸出信號不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響所述微波探測系統(tǒng)的探測結(jié)果的準(zhǔn)確度。一般來說，進(jìn)行探測時所述探針113和待測樣品31之間的距離為2-3μm，能保證待測樣品對探針?biāo)纬傻碾姶艌鲂纬捎行Ц蓴_，得到準(zhǔn)確的探測結(jié)果。并且能保證即使更換樣品31后，使得待測樣品31與探針113之間為相同的距離，保證探測的重復(fù)性，以及對于不同樣品31探測結(jié)果進(jìn)行對比的可靠性。

在一些優(yōu)選的實施例中，如圖1中所示，所述控制系統(tǒng)60包括網(wǎng)絡(luò)分析儀40和計算機(jī)50，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀40可用于提供同軸諧振腔10的微波輸入信號、接收同軸諧振腔10的微波輸出信號，并對微波輸出信號進(jìn)行分析；所述計算機(jī)50可用于提供人機(jī)操作界面及控制網(wǎng)絡(luò)分析儀40，并對網(wǎng)絡(luò)分析儀40得到的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計算或分析得到探測結(jié)果。具體的，所述同軸諧振腔10與網(wǎng)絡(luò)分析儀40相連，所述網(wǎng)絡(luò)分析儀40與計算機(jī)50相連，通過計算機(jī)50控制網(wǎng)絡(luò)分析儀40，并且得到網(wǎng)絡(luò)分析儀40所分析的數(shù)據(jù)及結(jié)果后，進(jìn)行分析得到待測樣品31的探測結(jié)果。所述計算機(jī)50還與所述距離調(diào)整裝置80相連，通過計算機(jī)50控制距離調(diào)整裝置80，并能與所述距離調(diào)整裝置80之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

優(yōu)選地，所述距離調(diào)整裝置80包括距離檢測器70和距離調(diào)節(jié)器20；所述距離檢測器70用于測量所述探針113與待測樣品31之間的距離，所述距離調(diào)節(jié)器20用于根據(jù)距離檢測器70測量的結(jié)果調(diào)節(jié)所述探針113與待測樣品31之間的距離。這樣通過距離檢測器70測量得到所述探針113與待測樣品31之間的距離后，再通過距離調(diào)節(jié)器20進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在調(diào)節(jié)過程中實時得到測量數(shù)據(jù)，能快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)所述探針113與待測樣品31之間的距離。

優(yōu)選地，如圖2和圖4所示，所述距離檢測器70包括音叉測距模塊71，所述音叉測距模塊71包括與所述探針113固定連接的音叉711。通過與探針113固定連接的音叉711能快速準(zhǔn)確的測得探針113與待測樣品31之間的距離。在本發(fā)明一些較優(yōu)的實施例中，所述音叉711優(yōu)選為石英音叉，所述音叉711由32.768KHz的圓柱形晶振去掉外殼而得到，其中，所述圓柱形晶振的尺寸為3mm*8mm。所述音叉測距模塊71具有一音叉測距范圍，所述音叉測距范圍即為所述音叉711的可進(jìn)行測距的范圍。所述音叉測距模塊71的音叉測距范圍由所述音叉711決定。根據(jù)所選用的所述音叉711的不同，所述音叉測距模塊71的可測距范圍也不相同。

所述音叉測距模塊71進(jìn)一步包括與所述音叉相連的音叉激諧振掃描模塊712、鎖相環(huán)模塊713和音叉數(shù)據(jù)采集模塊714。所述音叉激諧振掃描模塊712用于對所述音叉711進(jìn)行掃頻以確定所述音叉711諧振頻率。所述鎖相環(huán)模塊713用于對由所述音叉激諧振掃描模塊712所確定的所述音叉711的諧振頻率進(jìn)行鎖定。而所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊則用于收集所述音叉711的振幅和相位。

所述音叉測距模塊71進(jìn)行測距的過程為：首先給所述音叉711一正弦信號激勵使音叉711達(dá)到諧振狀態(tài)，當(dāng)所述音叉711及與其固定連接的所述探針113以諧振狀態(tài)靠近待測樣品時，由于所述探針113與待測樣品31表面原子間的剪切力作用，從而使所述音叉711的振幅和相位發(fā)生變化，通過感測所述音叉711的振幅和相位的變化量，從而可對所述探針113與待測樣品31表面之間的距離進(jìn)行檢測。

請一并參閱圖4和圖5，在一些優(yōu)選的實施例中，所述距離檢測器70還包括激光三角測距模塊72，在所述激光三角測距模塊72測量所述探針113與待測樣品31表面之間的距離之后，再利用所述音叉測距模塊71進(jìn)行測量。與所述音叉測距模塊71相比，所述激光三角測距模塊72測量速度較快而測量精度較差，因此先通過激光三角測距模塊72測量所述探針113與待測樣品31表面之間的距離，能得到一初步的距離測量值，然后再通過所述音叉測距模塊71進(jìn)行精確測量。通過所述激光三角測距模塊72的初步測量及采用音叉測距模塊71進(jìn)行精確測量，可以實現(xiàn)所述探針113與待測樣品31之間的快速距離檢測。

進(jìn)一步的是，結(jié)合圖4和圖5中所示，所述激光三角測距模塊72包括一激光發(fā)生器721、一激光檢測器722及一激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊723，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊133分別與所述激光發(fā)生器721、所述激光檢測器722連接。所述激光發(fā)生器721用于發(fā)射激光信號，所述激光檢測器722用于接收激光發(fā)生器721發(fā)出的激光信號，所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊723用于采集及處理所述激光發(fā)生器721、所述激光檢測器722的發(fā)射信號與接收信號。這樣可以實現(xiàn)激光檢測信號的快速及準(zhǔn)確的采集與處理。

進(jìn)一步的是，如圖5中所示，所述激光發(fā)生器721與所述激光檢測器722之間呈角度分別設(shè)置在所述同軸諧振腔10的底部，分別位于探針113的兩側(cè)。所述激光發(fā)生器721與所述激光檢測器722之間具體設(shè)置的角度與所述探針113與待測樣品31表面之間距離的遠(yuǎn)近相關(guān)，其角度可為15°-75°。通過這樣的設(shè)置，將所述激光三角測距模塊72與所述音叉測距模塊71有效結(jié)合，以實現(xiàn)更快速的距離檢測。

優(yōu)選地，請再參閱圖1，所述微波探測系統(tǒng)還包括用于放置樣品31的樣品放置臺30；所述距離調(diào)節(jié)器20包括調(diào)節(jié)組件24，所述調(diào)節(jié)組件24通過調(diào)節(jié)所述樣品放置臺30和所述同軸諧振腔10的位置，從而調(diào)節(jié)所述探針113和待測樣品31之間的距離。通過調(diào)節(jié)組件24快速確定探針113與待測樣品31的位置，縮短調(diào)節(jié)時間，從而能提高微波探測系統(tǒng)的探測速度。所述調(diào)節(jié)組件24由計算機(jī)50控制，調(diào)節(jié)組件24與計算機(jī)50可以通過電纜線相連，也可以采用無線連接方式，如無線網(wǎng)絡(luò)連接或藍(lán)牙連接。

所述調(diào)節(jié)組件24控制所述同軸諧振腔10沿軸向移動，所述樣品放置臺30在與軸向垂直的平面上移動。這樣能準(zhǔn)確快速的調(diào)節(jié)同軸諧振腔10與樣品31之間的位置，保證所述微波探測系統(tǒng)的對樣品進(jìn)行探測的快速性和準(zhǔn)確性。

具體的，所述距離調(diào)節(jié)器20還包括第一移動模塊21和第二移動模塊22；所述調(diào)節(jié)組件24與第一移動模塊21和第二移動模塊22相連；所述第一移動模塊21能帶動同軸諧振腔10沿軸向移動，也就是如圖1中所示z軸移動；所述第二移動模塊22能帶動樣品放置臺30在與軸向垂直的平面上移動，即在xy平面上沿x軸、y軸移動。優(yōu)選地，所述同軸諧振腔10上設(shè)置納米定位臺23，所述納米定位臺23與第一移動模塊21相連，通過精確定位保證同軸諧振腔10沿軸向移動的準(zhǔn)確性。

因此所述音叉測距模塊71與調(diào)節(jié)組件24相結(jié)合使用，從而確定探針113與待測樣品31之間距離的原理如圖6和圖7所示，計算機(jī)50通過調(diào)節(jié)組件24改變探針113與待測樣品31之間的距離，通過音叉711的振幅和相位變化測量該距離，能實時掌握并調(diào)節(jié)探針113與待測樣品31之間的距離。具體的，所述音叉激諧振掃描模塊712包括直接數(shù)字式頻率合成器715(Direct Digital Synthesizer，DDS)，所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊714包括前置放大器716，所述鎖相環(huán)模塊713包括鑒相器717。

因此如圖6中所示，所述直接數(shù)字式頻率合成器715，給所述音叉711一個正弦信號激勵使所述音叉711達(dá)到諧振狀態(tài)，音叉711的輸出信號通過所述前置放大器716放大后并通過有效值轉(zhuǎn)換得到改變后音叉711的幅值，通過與輸入信號即DDS給予的信號進(jìn)行比較既可得到幅值變化量，并將該幅值變化量傳輸給計算機(jī)50。如圖7中所示，所述直接數(shù)字式頻率合成器715即DDS，給所述音叉711一個正弦信號激勵使所述音叉711達(dá)到諧振狀態(tài)，音叉711的輸出信號通過所述前置放大器716放大后傳輸至鑒相器717，所述鑒相器717將放大后的輸出信號與輸入信號即DDS給予的信號進(jìn)行比較既可得到相位變化量，并將該相位變化量傳輸給計算機(jī)50。計算機(jī)50通過分析幅值變化量和相位變化量得到探針113與待測樣品31之間的距離，并通過調(diào)節(jié)組件24進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述計算機(jī)50可以是PID(Proportional-Integral-Differential，比例-積分-微分)控制來控制所述調(diào)節(jié)組件24。

如圖8和圖9所示，所述同軸諧振腔10的探針113與所述腔體19同軸設(shè)置并從諧振腔10腔體19的底部伸出腔體19外，所述同軸諧振腔10還包括用于腔體19內(nèi)微波激勵及耦合的耦合機(jī)構(gòu)14，即向腔體19內(nèi)輸入微波形成腔體19的激蕩，以及對腔體19內(nèi)微波信號進(jìn)出耦合并輸出。所述耦合機(jī)構(gòu)14可以是耦合探針、耦合環(huán)或者耦合孔。其中，耦合探針為電耦合；耦合環(huán)為磁耦合；耦合孔為繞射耦合，根據(jù)耦合孔位置不同，耦合孔的耦合方式可以是單一的電耦合或磁耦合，也可以是電、磁耦合同時存在。優(yōu)選地，所述耦合機(jī)構(gòu)14為耦合環(huán)，耦合方式為單一的磁耦合，微波在同軸諧振腔10內(nèi)傳輸?shù)姆治鲚^簡單。

優(yōu)選地，如圖9中所示，所述耦合環(huán)設(shè)置在所述同軸諧振腔10內(nèi)遠(yuǎn)離探針113的一端上，所述同軸諧振腔10相對耦合環(huán)的外表面上設(shè)置接頭15，所述接頭15用于連接網(wǎng)絡(luò)分析儀50。可以理解，所述耦合環(huán)位于所述腔體19內(nèi)，所述接頭15位于所述腔體19外。也就是說網(wǎng)絡(luò)分析儀50通過接頭15向耦合環(huán)輸入第一微波信號，利用耦合環(huán)的磁耦合作用轉(zhuǎn)換為第二微波信號并在腔體19內(nèi)傳輸，最后通過耦合環(huán)進(jìn)行耦合形成第三微波信號輸出至網(wǎng)絡(luò)分析儀50。其中，所述第一微波信號和第三微波信號即為前文所述的同軸諧振腔10的微波輸入信號和微波輸出信號，而第二微波信號為同軸諧振腔10內(nèi)傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?。單個耦合環(huán)可完成所述第一微波信號向所述第二微波信號的轉(zhuǎn)換與傳輸及所述第二微波信號到所述第三微波信號的轉(zhuǎn)換及傳輸，因此所述耦合環(huán)可以是一個，也可以是多個。

優(yōu)選地，所述耦合環(huán)包括沿所述同軸諧振腔10軸線對稱設(shè)置的第一耦合環(huán)141和第二耦合環(huán)142，分別用于微波信號的輸入和輸出，即通過第一耦合環(huán)141輸入同軸諧振腔10，同軸諧振腔10所產(chǎn)生的諧振微波信號通過第二耦合環(huán)142輸出。這樣能有效提高同軸諧振腔10內(nèi)激蕩和耦合效果。圖9中所示c即為所述耦合環(huán)半徑。

關(guān)于待測樣品31的探測，本發(fā)明所提供的微波探測系統(tǒng)可以測得待測樣品31的電磁參數(shù)，如介電常數(shù)、介電損耗及磁導(dǎo)率，其原理是放置樣品31前，通過分析同軸諧振腔10的微波輸出信號，得到同軸諧振腔10的諧振頻率f₀和品質(zhì)因數(shù)Q₀；放置樣品31后，通過分析同軸諧振腔10的微波輸出信號，得到同軸諧振腔10的諧振頻率f₁和品質(zhì)因數(shù)Q₁。通過f₀、Q₀、f₁、Q₁即可計算得到樣品31的介電常數(shù)、介電損耗及磁導(dǎo)率。因此諧振頻率的范圍即為電磁參數(shù)的測試范圍，而品質(zhì)因數(shù)越高時，諧振頻率點(diǎn)處所形成的峰形越尖銳，減少諧振頻率取值的誤差，測試的精度高。此外通過探針113對待測樣品31進(jìn)行掃描，能得到樣品31上不同點(diǎn)相對應(yīng)的電磁參數(shù)。

本發(fā)明所提供的微波探測系統(tǒng)還可以對待測樣品31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，得到待測樣品31內(nèi)部的清晰圖像。其原理是利用探針113對樣品31進(jìn)行掃描，通過探測放置樣品31前后諧振頻率點(diǎn)處的幅值和相位的變化，即可重構(gòu)樣品31的空間分布圖像。由于品質(zhì)因數(shù)越高時，諧振頻率點(diǎn)處所形成的峰形越尖銳，從而使得諧振頻率點(diǎn)處的幅值和相位的變化敏感，所得掃描圖像清晰分辨率高。

優(yōu)選地，所述同軸諧振腔10可更換，所述同軸諧振腔10為λ/2同軸諧振腔或λ/4同軸諧振腔。這樣可以根據(jù)探測項目，更換同軸諧振腔10以保證探測準(zhǔn)確度。具體的，所述λ/2同軸諧振腔和λ/4同軸諧振腔的區(qū)別在于，腔體19內(nèi)電磁場的磁場和電場強(qiáng)弱程度不同，因此探針113處形成的電磁場的磁場和電場強(qiáng)弱程度也不同。當(dāng)所述耦合機(jī)構(gòu)14為耦合方式為磁耦合的耦合環(huán)，耦合機(jī)構(gòu)14處磁場最強(qiáng)，電場最弱，而如果同軸諧振腔10為λ/2同軸諧振腔，同軸諧振腔10的腔體19內(nèi)從靠近耦合環(huán)的一端到遠(yuǎn)離耦合環(huán)的一端，其磁場先變?nèi)鹾笞儚?qiáng)，而電場則是先變強(qiáng)后變?nèi)酰结?13處所形成的電磁場的磁場最強(qiáng)，電場最弱。而如果同軸諧振腔10為λ/4同軸諧振腔，同軸諧振腔10的腔體19內(nèi)從靠近耦合環(huán)的一端到遠(yuǎn)離耦合環(huán)的一端，其磁場逐漸變?nèi)?，電場逐漸變強(qiáng)，探針113處所形成的電磁場的電場最強(qiáng)，磁場最弱。當(dāng)然如果耦合機(jī)構(gòu)14選用耦合方式為電耦合的耦合探針，耦合機(jī)構(gòu)14處電場最強(qiáng)，磁場最弱，同軸諧振腔10腔體19內(nèi)電磁場與上述選用耦合環(huán)時相反。

因此，當(dāng)所述微波探測系統(tǒng)用于探測待測樣品31的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，優(yōu)選λ/4同軸諧振腔，探針113處所形成的電磁場的電場最強(qiáng)，能很好的穿透待測樣品31的表面從而得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確信息。當(dāng)所述微波探測系統(tǒng)用于測試電磁參數(shù)時，λ/2同軸諧振腔的測試準(zhǔn)確度較高，測試范圍較窄，而λ/4同軸諧振腔的測試準(zhǔn)確度較低，測試范圍較寬，因此可以根據(jù)測試需求進(jìn)行選擇。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述同軸諧振腔10為λ/4同軸諧振腔，如圖8和圖9所示，所述腔體19呈圓環(huán)柱體，該圓環(huán)柱體的外圓半徑與內(nèi)圓半徑之比為(3-5)：1。此時所述同軸諧振腔10的高階諧波，如三階諧波和五階諧波的附近雜波少，且高階諧波具有較高的品質(zhì)因數(shù)。而高階諧波的諧振頻率明顯高于基波，如三階諧波和五階諧波的諧振頻率約為基波的諧振頻率的三倍和五倍，因此在不需要減小同軸諧振腔尺寸的基礎(chǔ)上，通過控制所述腔體19的圓環(huán)柱體的外圓半徑與圓環(huán)柱體的內(nèi)圓半徑之比為(3-5)：1，可有效提高諧振頻率。其中，最優(yōu)的是所述腔體19圓環(huán)柱體的外圓半徑與內(nèi)圓半徑之比為4：1，在保證高品質(zhì)因數(shù)的前提下，得到高諧振頻率的同軸諧振腔10。并且為避免微波信號中雜波的出現(xiàn)，并保證較高的品質(zhì)因數(shù)，所述耦合環(huán)半徑c與腔體19的圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑之比為(0.5-1):1。最優(yōu)的是，所述耦合環(huán)的半徑與內(nèi)導(dǎo)體半徑之比為0.5。

優(yōu)選地，所述同軸諧振腔10進(jìn)一步包括同軸套設(shè)的內(nèi)導(dǎo)體11和外導(dǎo)體12，所述內(nèi)導(dǎo)體11包括呈圓柱體的內(nèi)導(dǎo)體主體111，其靠近腔體19底部的一端面形成一個尖端，如圖10所示，所述腔體19底部開設(shè)一孔125，所述尖端從該孔125伸出腔體19外即形成探針113。在一些優(yōu)選的實施例中，外導(dǎo)體12底端在孔125處嵌設(shè)有屏蔽環(huán)126，所述屏蔽環(huán)126環(huán)繞探針113。優(yōu)選的，所述屏蔽環(huán)126由白寶石制成，屏蔽效果好。

所述內(nèi)導(dǎo)體11的外壁即形成所述腔體19圓環(huán)柱體的內(nèi)圓表面。所述外導(dǎo)體12為中空體，其內(nèi)壁即形成所述腔體19圓環(huán)柱體的外圓表面。也即所述內(nèi)導(dǎo)體11的外壁和外導(dǎo)體12的內(nèi)壁之間形成所述腔體19。通過設(shè)置獨(dú)立且同軸設(shè)置的內(nèi)導(dǎo)體11與外導(dǎo)體12，能方便快捷地對內(nèi)導(dǎo)體11和外導(dǎo)體12分別進(jìn)行更換，從而改變所述腔體19圓環(huán)柱體的外圓半徑與內(nèi)圓半徑。所述內(nèi)導(dǎo)體主體111的半徑即為內(nèi)導(dǎo)體11的半徑a，而內(nèi)導(dǎo)體11的半徑a即為所述腔體19的圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑。所述外導(dǎo)體12的形狀可以是正方體、長方體或圓柱體等形狀中的任一種，在此不受限制。只需滿足其中空部分為圓柱體，使得外導(dǎo)體12的內(nèi)壁與內(nèi)導(dǎo)體11外壁之間形成圓環(huán)柱體的腔體19即可。優(yōu)選地，如圖8中所示，所述外導(dǎo)體12呈中空圓柱體，外導(dǎo)體12的半徑b即為所述腔體19的圓環(huán)柱體外圓半徑。

如圖8和圖9中所示，所述腔體19的高度即為h，當(dāng)h太小時，輸出的微波信號中雜波多，對高階諧波的干擾大，因此使所述腔體19的高度大于圓環(huán)柱體外圓半徑與圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑之和，能避免高階諧波附近出現(xiàn)雜波，保證探測準(zhǔn)確度。所述腔體19內(nèi)靠近所述探針的一端設(shè)置介質(zhì)層16，介質(zhì)層16的形狀與腔體19相匹配；所述介質(zhì)層16由無機(jī)材料制得，其介電常數(shù)大于1。通過填充介質(zhì)層16能降低同軸諧振腔10的諧振頻率，進(jìn)一步擴(kuò)寬同軸諧振腔10的諧振頻率范圍。進(jìn)一步的是，所述介質(zhì)層由白寶石制得，白寶石的介電損耗小，可以保證得到較高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振腔10。進(jìn)一步的是，所述介質(zhì)層16的高度與腔體19的圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑，也就是介質(zhì)層16的高度與內(nèi)導(dǎo)體11半徑的之比為(1.5-2.5):1，即d/a為1.5-2.5，這樣能有效降低諧振頻率的同時，保證較高的品質(zhì)因數(shù)。其中，最優(yōu)的是介質(zhì)層16的高度與腔體19的圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑的之比為2，即d/a＝2。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的一種微波探測系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、同軸諧振腔和距離調(diào)整裝置，所述同軸諧振腔包括腔體和伸出腔體的探針，所述探針在所述同軸諧振腔腔體外形成電磁場,同軸諧振腔對在電磁場內(nèi)樣品進(jìn)行探測并產(chǎn)生微波輸出信號，所述控制系統(tǒng)連接并控制距離調(diào)整裝置；所述控制系統(tǒng)能提供同軸諧振腔的微波輸入信號并接收以及分析同軸諧振腔的微波輸出信號，所述距離調(diào)整裝置用于控制所述待測樣品移動至所述電磁場內(nèi)，待測樣品對該電磁場形成干擾從而改變所述同軸諧振腔的微波輸出信號；所述控制系統(tǒng)通過對放置待測樣品前后的同軸諧振腔的微波輸出信號進(jìn)行分析完成待測樣品的探測。通過設(shè)置距離調(diào)整裝置控制所述待測樣品移動至探針?biāo)纬傻碾姶艌鰞?nèi)，能保證待測樣品對所述電磁場形成有效干擾，可以提高該微波探測系統(tǒng)的探測準(zhǔn)確度；并且能保證即使更換樣品后，使得待測樣品與探針之間為相同的距離，保證探測的重復(fù)性，以及對于不同樣品探測結(jié)果進(jìn)行對比的可靠性。并且探針位于同軸諧振腔的腔體外，便于更換待測樣品，提高探測速度。此外，通過探針對待測樣品進(jìn)行掃描，不僅能得到樣品上不同點(diǎn)相對應(yīng)的電磁參數(shù)，如介電常數(shù)、介電損耗及磁導(dǎo)率等，還能對待測樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，得到待測樣品內(nèi)部的清晰圖像。

進(jìn)一步的是，所述距離調(diào)整裝置包括距離檢測器和距離調(diào)節(jié)器；所述距離檢測器用于測量所述探針與待測樣品之間的距離，所述距離調(diào)節(jié)器用于根據(jù)距離檢測器測量的結(jié)果調(diào)節(jié)所述探針與待測樣品之間的距離。這樣通過距離檢測器測量得到所述探針與待測樣品之間的距離后，再通過距離調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在調(diào)節(jié)過程中實時得到測量數(shù)據(jù)，能快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)所述探針與待測樣品之間的距離。

進(jìn)一步的是，所述距離檢測器包括音叉測距模塊，所述音叉測距模塊包括與所述探針固定連接的音叉。能快速準(zhǔn)確的測得探針與待測樣品之間的距離。

進(jìn)一步的是，所述音叉測距模塊進(jìn)一步包括與所述音叉相連的音叉激諧振掃描模塊、鎖相環(huán)模塊和音叉數(shù)據(jù)采集模塊。；所述音叉激諧振掃描模塊用于對所述音叉進(jìn)行掃頻以確定所述音叉的諧振頻率；所述鎖相環(huán)模塊用于對所述諧振頻率進(jìn)行鎖定；所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊用于收集所述音叉的檢測數(shù)據(jù)。本發(fā)明中進(jìn)一步對所述音叉激諧振掃描模塊、所述鎖相環(huán)模塊與所述音叉數(shù)據(jù)采集模塊的功能進(jìn)行了進(jìn)一步的限定。通過對所述音叉測距模塊的具體限定，可實現(xiàn)通過檢測音叉的諧振頻率和振幅的變化來實現(xiàn)對原子剪切力的實時反饋，并可進(jìn)一步快速地獲得所述探針與待測樣品表面距離參數(shù)的測量。

進(jìn)一步的是，所述距離檢測器還包括激光三角測距模塊，在所述激光三角測距模塊測量所述探針與待測樣品表面之間的距離之后，再利用所述音叉測距模塊進(jìn)行測量；所述激光三角測距模塊包括一激光發(fā)生器、一激光檢測器及一激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊；所述激光數(shù)據(jù)采集及處理模塊分別與所述激光發(fā)生器、所述激光檢測器連接；所述激光發(fā)生器與所述激光檢測器分別位于所述探針的兩側(cè)。通過所述激光三角測距模塊的初步測量及采用音叉測距模塊進(jìn)行精確測量，可以實現(xiàn)所述探針與待測樣品之間的快速距離檢測。

進(jìn)一步的是，所述微波探測系統(tǒng)還包括用于放置樣品的樣品放置臺；所述距離調(diào)節(jié)器包括調(diào)節(jié)組件，所述調(diào)節(jié)組件通過調(diào)節(jié)所述樣品放置臺和所述同軸諧振腔的位置，從而調(diào)節(jié)所述探針和待測樣品之間的距離。通過調(diào)節(jié)組件快速確定探針與待測樣品的位置，從而能提高微波探測系統(tǒng)的探測速度。

進(jìn)一步的是，所述同軸諧振腔可更換，所述同軸諧振腔為λ/2同軸諧振腔或λ/4同軸諧振腔。這樣可以根據(jù)探測項目更換同軸諧振腔，改變探針?biāo)纬傻碾姶艌龅拇艌龊碗妶鰪?qiáng)度，以適合不同的探測項目，從而保證探測準(zhǔn)確度。

進(jìn)一步的是，所述同軸諧振腔為λ/4同軸諧振腔，同軸諧振腔的腔體呈圓環(huán)柱體，該圓環(huán)柱體的外圓半徑與內(nèi)圓半徑之比為(3-5)：1。此時所述同軸諧振腔的高階諧波，如三階諧波和五階諧波的附近雜波少，且高階諧波具有較高的品質(zhì)因數(shù)。而高階諧波的諧振頻率明顯高于基波，如三階諧波和五階諧波的諧振頻率約為基波的諧振頻率的三倍和五倍，因此在不需要減小同軸諧振腔尺寸的基礎(chǔ)上，通過控制所述腔體的圓環(huán)柱體的外圓半徑與圓環(huán)柱體的內(nèi)圓半徑之比為(3-5)：1，可有效提高諧振頻率。

進(jìn)一步的是，所述腔體的高度大于圓環(huán)柱體外圓半徑與圓環(huán)柱體內(nèi)圓半徑之和。這樣能避免高階諧波附近出現(xiàn)雜波，保證探測準(zhǔn)確度。

進(jìn)一步的是，所述腔體內(nèi)靠近所述探針的一端設(shè)置介質(zhì)層，介質(zhì)層的形狀與腔體相匹配；所述介質(zhì)層由無機(jī)材料制得，其介電常數(shù)大于1。通過填充介質(zhì)層能降低同軸諧振腔的諧振頻率，進(jìn)一步擴(kuò)寬同軸諧振腔10的諧振頻率范圍。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則之內(nèi)所作的任何修改，等同替換和改進(jìn)等均應(yīng)包含本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。