ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК H01P7/04 G01N22/00 

Заявляемая группа изобретений относится к области радиотехнических средств измерения, в частности к области измерений с использованием СВЧ колебаний. Изобретения могут быть использованы в составе измерительных генераторов в качестве частотно -избирательных колебательных цепей (резонаторов), характеристики которых функционально зависят от значения величины измеряемого физического параметра, в том числе от значения параметра неэлектрического типа, например расстояния, положения в пространстве.

Известно применение LC -колебательных контуров в качестве первичных преобразователей (датчиков) информации о перемещениях объектов в пространстве или о каких-либо физико -химических параметрах этих объектов [1] В реализующих этот принцип устройствах колебательный контур чаще всего включают как частотозадающую цепь автогенератора, а реактивные элементы контура выполняют чувствительными к изменению контролируемого физического параметра [2] При этом изменения указанного параметра преобразуются в изменение резонансной частоты контура и соответственно в изменение частоты генерирующих автогенератором электрических сигналов.

В качестве измерительных контуров широко используются коаксиальные объемные резонаторы [3] что обусловлено относительной простотой их изготовления, а также конструктивного и электрического сопряжения как с объектом, параметры которого подлежат измерению, так и с другими элементами измерительного устройства. Перестройка резонансной частоты таких резонаторов, т.е. получение необходимой измерительной информации, осуществляется как за счет влияния электрических характеристик измеряемого образца [4, 5] так и за счет изменения геометрических размеров резонатора [5, 6, 7, 8]
Известным средством обеспечения возможности перестройки резонансной частоты измерительного коаксиального объемного резонатора под воздействием изменений контролируемого физического параметра является выполнение резонатора короткозамкнутым на одном конце и разомкнутым на другом. При этом резонатор может быть выполнен как полностью открытым (при полном отсутствии одной из его торцевых стенок), так и частично открытым (полуоткрытым) с прорезанными в его торцевой стенке щелями [9, 10]
В любом из указанных вариантов подобный резонатор будет являться системой с квазисосредоточенными параметрами, поскольку открытый конец коаксиального резонатора эквивалентен подключенной к коаксиальной линии сосредоточенной емкости [11] Последняя образована емкостью зазора между внутренним и внешним проводниками коаксиальной линии и краевой емкостью между лежащими в одной плоскости и имеющими разнополярный высокочастотный потенциал частями торцевой поверхности резонатора. Наличие этой краевой емкости с электрическими силовыми линиями, проходящими вне объема коаксиального резонатора, делает последний весьма чувствительным к перемещениям и диэлектрическим свойствам внешних объектов, расположенных в непосредственной близости от открытой или частично открытой торцевой стенки резонатора. Именно это свойство использовано в измерительном резонаторе датчика перемещений [10] который по своему конструктивному исполнению и особенностям работы является наиболее близким к заявляемому изобретению и принят за его прототип.

Измерительный резонатор датчика перемещений [10] выполнен в виде отрезка жесткой коаксиальной линии, ограниченного с двух сторон металлическими торцами, один из которых имеет кольцевую щель, соосную с продольной осью коаксиала, а другой две (или одну) щели, предназначенные для введения через них в полость коаксиала элементов связи, выполненных в виде петель. Последние используются для подключения образованного отрезком коаксиальной линии объемного резонатора в качестве частотозадающего элемента измерительного автогенератора.

Работа известного устройства [10] как измерительного резонатора обеспечивается наличием у него квазисосредоточенной емкости, образованной разделенными кольцевой щелью внутренней и внешней частями одного из торцов отрезка коаксиальной линии. Эта емкость совместно с реактивностью короткозамкнутого на противоположном конце отрезка коаксиальной линии определяет резонансную частоту резонатора. При этом, поскольку величина упомянутой емкости в значительной степени зависит от электрических характеристик непосредственно прилегающего к торцу резонатора внешнего пространства, любое изменение этих характеристик, например приближение к торцу резонатора какого -либо постороннего объекта, весьма значительно изменяет резонансную частоту резонатора. Тем самым обеспечивается работа подобного измерительного резонатора как элемента датчика перемещений. Чувствительность такого резонатора к перемещениям относительно других объектов, а также к любым другим изменениям электрических характеристик пространства вблизи его торца достаточно высока.

Недостатком известного измерительного резонатора является его низкая помехоустойчивость. Это связано с тем, что приближение к торцу резонатора любого второго объекта, а не только того, перемещение или характеристики которого контролируются, также смещает резонансную частоту резонатора и приводит к появлению ошибок измерения. Особенно сильно этот недостаток проявляется в тех случаях, когда контролируемый объект выполнен из материала с низкой диэлектрической проницаемостью или является металлическим и имеет линейный размер в направлении продольной оси резонатора, соизмеримый с его диаметром. Причиной появления указанного недостатка является то, что любой объект, расположенный у открытого (полуоткрытого) торца резонатора, находится под наведенным высокочастотным потенциалом относительно "земли" или внешней поверхности резонатора. Это поясняется фиг. 1, на которой изображен известный коаксиальный резонатор, имеющий внешний 1 и внутренний 2 проводники, гальванически связанные торцевой электропроводящей стенкой 3, в которой выполнены отверстия 4 для установки элементов связи 5, выполненных в виде петли. При возбуждении резонатора через петли связи 5 со стороны его короткозамкнутого конца, токи, протекающие по внешнему 1 и внутреннему 2 проводникам коаксиала (показаны стрелками), будут противоположно направленными. При приближении к открытому торцу 6 резонатора внешнего объекта 7 замыкание указанных токов происходит в том числе и через внешний объект 7. В связи с этим вся наружная сторона объекта 7 оказывается под наведенным высокочастотным потенциалом одного знака относительно точек "нулевого" потенциала. Это обстоятельство делает такую систему очень чувствительной к шунтированию объекта 7 паразитной емкостью 8, неконтролируемые изменения которой и являются источником ошибок измерения.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является уменьшение ошибок измерений, обусловленных неконтролируемыми изменениями электрических характеристик внешней среды вблизи открытого (полуоткрытого) торца измерительного резонатора при сохранении высокой чувствительности резонатора к изменению характеристик контролируемого объекта. Заявляется два варианта решения технической задачи.

Сущность первого варианта заявляемой группы изобретений заключается в том, что в измерительном резонаторе, образованном отрезком коаксиальной линии и установленной на одном его торце электропроводящей стенкой, гальванически связывающей его внешний и внутренний проводники, и содержащем также по меньшей мере один элемент связи, согласно изобретению внутренний проводник выполнен расщепленным вдоль оси резонатора на две пространственно разделенные части, а элементы связи установлены таким образом, что обеспечивается возможность возбуждения в обеих частях внутреннего проводника противофазных токов.

Благодаря вновь введенным признакам достигается следующий технический результат. При противофазном возбуждении обеих частей расщепленного внутреннего проводника резонатора полный ток, протекающий в каждой из частей внутреннего проводника, складывается из двух составляющих: тока, замыкающегося через емкость разомкнутого конца эквивалентной двухпроводной линии, образованной этими частями внутреннего проводника (или внешний объект), и токов, замыкающихся через емкость разомкнутого конца коаксиальной линии (или внешний объект). В условиях электрической симметрии системы (что в простейшем случае обеспечивается условиями ее геометрической симметрии) токи на разомкнутом конце коаксиала оказываются равными и разнонаправленными в разных частях внешнего объекта. В результате высокочастотные потенциалы, наводимые на этом объекте, становятся равными по величине и противоположными по знаку, а результирующий высокочастотный потенциал внешнего объекта по отношению к "земле" (внешнему проводнику резонатора) оказывается равным нулю. Таким образом, создаются условия исключения паразитного влияния емкости открытого конца коаксиальной линии на резонансную частоту образованного ее отрезком измерительного коаксиального резонатора, т.е. на результат измерения параметров внешнего объекта. Резонансная частота оказывается преимущественно зависимой только от емкости разомкнутого конца двухпроводной линии, образованной обеими частями внутреннего проводника коаксиала, т.е. от расстояния между резонатором и внешним объектом или от диэлектрических параметров последнего.

В частном случае реализации заявляемого изобретения по первому варианту свободные торцы обеих частей внутреннего проводника резонатора выполнены имеющими площадь, превышающую площадь сечения этих частей внутреннего проводника вне их торцевой зоны. Такая форма выполнения резонатора, во-первых, усиливает указанный технический результат за счет большего пространственного разнесения квазисосредоточенной емкости между обеими частями внутреннего проводника и квазисосредоточенной емкости, образованной эквивалентным внутренним проводником коаксиала и его внешним проводником. А во-вторых, это приводит к тому, что увеличивается абсолютное значение квазисосредоточенной емкости между обеими частями внутреннего проводника и, как следствие, уменьшается резонансная частота резонатора (при сохранении габаритов), что в ряде случаев является предпочтительным. Кроме того, в этом случае простым изменением формы упомянутых свободных торцов (в плоскости поперечного сечения резонатора) и их линейных размеров в прилегающем к ним внешнем пространстве может быть обеспечено возбуждение электрического поля с заданным пространственным распределением напряженности.

Сущность второго варианта заявляемой группы изобретений заключается в том, что в измерительном резонаторе, образованном отрезком коаксиальной линии и установленной на одном его торце электропроводящей стенкой, гальванически соединенной с его внешним проводником, и содержащем также по меньшей мере один элемент связи, согласно изобретению внутренний проводник выполнен расщепленным вдоль оси резонатора на две пространственно разделенные части, изолированные от электропроводящей стенки и гальванически связанные между собой со стороны упомянутой стенки, а элементы связи установлены таким образом, что обеспечивается возможность возбуждения в обеих частях внутреннего проводника противофазных токов.

При осуществлении изобретения по второму варианту достигается такой же технический результат, как и указанный для первого варианта. Этот результат обусловлен теми же причинами. Отличие от первого варианта заключается в том, что во втором варианте указанная выше возможная асимметрия частей 9 и 10, приводящая к нежелательному высокочастотному потенциалу на объекте 7, проявляется слабее. Это связано с отсутствием гальванической связи между обеими частями внутреннего проводника с внешним проводником.

В частном случае реализации заявляемого изобретения по второму варианту свободные торцы обеих частей внутреннего проводника резонатора выполнены имеющими площадь, превышающую площадь сечения этих частей внутреннего проводника вне их торцевой зоны. Это приводит к такому же результату, что и для первого варианта.

При осуществлении изобретения по второму варианту дополнительно могут быть уменьшены габариты резонатора в осевом направлении за счет того, что внутренний проводник устанавливается эксцентрично, а гальваническая связь между обеими частями внутреннего проводника выполняется в виде петли, расположенной в поперечной плоскости резонатора.

Сущность заявляемых изобретений поясняется чертежами, где на на фиг. 1 показан измерительный резонатор прототип; на фиг. 2 заявляемый измерительный резонатор по первому варианту с элементом связи в виде петли с током (магнитного вибратора); на фиг. 3 заявляемый измерительный резонатор по первому варианту с элементами связи в виде штырей (электрических вибраторов); на фиг. 4 заявляемый измерительный резонатор по первому варианту с развитыми торцевыми поверхностями обеих частей внутреннего проводника; на фиг. 5 заявляемый измерительный резонатор по второму варианту; на фиг. 6 заявляемый измерительный резонатор по второму варианту с развитыми торцевыми поверхностями обеих частей внутреннего проводника; на фиг. 7 заявляемый измерительный резонатор по второму варианту с эксцентричной установкой внутреннего проводника.

Заявляемый резонатор по первому варианту (фиг. 2) выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, имеющего внешний проводник 1 и внутренний проводник, расщепленный на две пространственно разделенные части 9 и 10. На одном торце резонатора установлена электропроводящая стенка 3, гальванически связывающая его внешний проводник 1 и обе части 9 и 10 внутреннего проводника. Стенка 3 имеет отверстие 4, через которое в полость резонатора между обеими частями 9 и 10 внутреннего проводника установлен элемент связи, выполненный в виде магнитного вибратора 5 (петли с током). При такой форме выполнения элемента связи создаются условия возбуждения в части 9 и части 10 противофазных токов. Такого же результата можно достигнуть, используя две петли 5, установленные между внешним проводником 1 и частями 9 и 10 внутреннего проводника, аналогично тому, как это выполнено в прототипе (см. фиг. 1), или, выполняя элемент связи, например (см. фиг. 3), в виде двух электрических вибраторов 11 (штырей), размещенных в пространстве между внешним 1 и внутренним (части 9 и 10) проводниками и питаемых в противофазе.

Приведенная на фиг. 2 реализация элемента связи в виде магнитного вибратора 5 обеспечивает наиболее простую форму выполнения источника возбуждения (на фиг. 2 и 3 не показан) и с этой точки зрения является предпочтительной. Поэтому все последующие примеры реализации заявляемого резонатора будут проиллюстрированы с элементом связи в виде магнитного вибратора.

В частном случае реализации резонатора по первому варианту (фиг. 4) части 9 и 10 расщепленного внутреннего проводника выполнены таким образом, что площадь их свободных торцов 12 и 13 превышает площадь сечения этих частей вне их торцевой зоны. Такая форма выполнения торцов 12 и 13 позволяет усилить достигаемый результат и приводит к уменьшению резонансной частоты резонатора, что в ряде случаев является предпочтительным. Кроме того, в этом случае простым изменением формы свободных торцов 12 и 13 и их линейных размеров в прилегающем к ним внешнем пространстве может быть обеспечено возбуждение электрического поля с заданным пространственным распределением напряженности.

Заявляемый резонатор по второму варианту (фиг. 5) также выполнен в виде отрезка коаксиальной линии, имеющего внешний проводник 1 и внутренний проводник, расщепленный на две пространственно разделенные части 9 и 10. На одном торце резонатора установлена электропроводящая стенка 3, гальванически связанная с внешним проводником. В отличие от первого варианта обе части 9 и 10 внутреннего проводника изолированы от стенки 3 и гальванически связаны между собой посредством стенки 14 со стороны стенки 3. Элемент связи, как и в первом варианте заявляемого резонатора, выполнен в виде магнитного вибратора 5, установленного через отверстие 4 в стенке 3. Может быть использована и иная форма выполнения элемента связи, обеспечивающая возбуждение в частях 9 и 10 внутреннего проводника противофазных токов, например, как это показано на фиг. 1 в виде двух магнитных вибраторов 5 или на фиг. 3 в виде двух электрических вибраторов 11.

В первом частном случае реализации заявляемого резонатора по второму варианту (фиг. 6) части 9 и 10 расщепленного внутреннего проводника выполнены имеющими площадь свободных торцов 12 и 13 большую, чем площадь сечения этих частей вне их торцевой зоны. Особенности подобной формы выполнения резонатора полностью аналогичны упоминавшимся выше для фиг. 4. Здесь же на фиг. 6 показана возможность установки магнитного вибратора 5 в промежутке между частями 9 и 10 внутреннего проводника через отверстие 4 в стенке 3 и отверстие 15 в стенке 14.

Такая установка магнитного вибратора 5 обеспечивает более эффективное возбуждение резонатора по сравнению со случаем на фиг. 5, однако в последнем случае обеспечивается более высокая добротность резонатора.

Наконец, во втором частном случае выполнения заявляемого резонатора по второму варианту (фиг. 7) расщепленный на части 9 и 10 внутренний проводник резонатора установлен эксцентрично, а гальваническая связь между этими частями выполнена в виде петли 16, расположенной в поперечной плоскости резонатора. Подобная форма выполнения резонатора позволяет уменьшить его габаритные размеры в осевом направлении при сохранении установленного значения его резонансной частоты. Также на фиг. 7 показано выполнение свободных торцов 12 и 13 обеих частей 9 и 10 внутреннего проводника. Возбуждение резонатора осуществляется посредством установленного через отверстие 4 в стенке 3 элемента связи в виде магнитного вибратора 5.

Работа заявляемого устройства как измерительного резонатора обеспечивается наличием у него квазисосредоточенной емкости 8 (см. фиг. 1), образованной внешним проводником 1 и обеими частями 9 и 10 внутреннего проводника, разделенными кольцевой щелью. Эта емкость совместно с реактивностью короткозамкнутого посредством стенки 3 отрезка коаксиальной линии определяет резонансную частоту резонатора. При этом, поскольку величина упомянутой емкости в значительной степени зависит от электрических характеристик непосредственно прилегающего к торцу резонатора внешнего пространства, любое изменение этих характеристик, например приближение к торцу резонатора объекта 7, весьма значительно изменяет его резонансную частоту. Тем самым обеспечивается работа подобного измерительного резонатора как датчика перемещений.

Функционирование резонатора, при котором обеспечивается достижение указанного технического результата, полностью однотипно в обоих вариантах и частных формах реализации.

При противофазном (нечетном) возбуждении частей 9 и 10 расщепленного внутреннего проводника резонатора полный ток, протекающий в каждой из них, складывается из двух составляющих: тока I1 (фиг. 2 6), замыкающегося через емкость разомкнутого конца эквивалентной двухпроводной линии из частей 9 и 10 (или внешний объект 7), и токов I2 и I3, замыкающихся через емкость разомкнутого конца коаксиальной линии (или внешний объект 7).

В условиях электрической симметрии системы (что в простейшем случае обеспечивается условиями ее геометрической симметрии) токи I2 и I3 оказываются равными и разнонаправленными в разных частях внешнего объекта 7. В результате высокочастотные потенциалы, наводимые на объекте 7, становятся равными по величине и противоположными по знаку, а результирующий высокочастотный потенциал объекта 7 по отношению к "земле" (внешнему проводнику 1 резонатора) оказывается равным нулю. Таким образом, создаются условия исключения паразитного влияния емкости открытого конца коаксиальной линии на резонансную частоту образованного ее отрезком измерительного коаксиального резонатора, т. е. на результат измерения параметров объекта 7. Резонансная частота оказывается преимущественно зависимой только от емкости разомкнутого конца двухпроводной линии из проводников 9 и 10, т.е. от расстояния между резонатором и объектом 7 или от диэлектрических параметров последнего.

Во втором из заявляемых вариантов резонатора указанный эффект проявляется еще сильнее, так как благодаря гальванической развязке обеих частей 9 и 10 внутреннего проводника от внешнего проводника 1 уменьшается величина наводимого на объект 7 высокочастотного потенциала, связанного с возможной асимметрией системы, которая возникает, например, из-за технологических погрешностей изготовления резонатора.

Еще более значительно указанный эффект проявляется при выполнении резонатора с увеличенной площадью торцов свободных концов частей 9 и 10 внутреннего проводника. Это обеспечивается за счет большего пространственного разнесения квазисосредоточенной емкости между частями 9 и 10 и емкости, образованной эквивалентным внутренним (части 9 и 10) проводником коаксиала и его внешним проводником 1.

Последняя из приведенных частных форм выполнения резонатора по второму варианту (фиг. 7), помимо достижения основного указанного результата, обладает дополнительным преимуществом: уменьшенными габаритами резонатора в осевом направлении.

Источники информации
1. Тихомиров В.В. Биотелеметрические системы. М. Наука, 1974, с. 19.

2. Измерения в промышленности. Справочник / Под ред. Д.И. Агейкина. М. Металлургия, 1980.

3. Гольштейн Л. Д. Зернов В.Н. Электромагнитные поля и волны. М. Советское радио, 1971.

4. Бранд А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М. Госфизматгиз, 1963.

5. Кухаркин В.С. Основы инженерной электрофизики. М. Высшая школа, 1969.

6. А.с. СССР N 954818, G 01 B 15/00.

7. А.с. СССР N 1696978, G 01 N 22/00.

8. А.с. СССР N 1670399, G 01 B 15/00.

9. А.с. СССР N 1829006, G 01 N 22/00.

10. А.с. СССР N 1531645, G 01 N 22/00 прототип.

11. Вольман В. И. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М. Связь, 1971.

Измерительный резонатор относится к области радиотехнических измерений и может быть использован в составе измерительных генераторов. Выполнен в виде отрезка коаксиальной линии с установленной на одном его торце электропроводящей стенки, гальванически связывающей его внешний и внутренний проводники, при этом последний выполнен расщепленным вдоль оси резонатора на две пространственно разделенные части, а элементы связи установлены с возможностью возбуждения в обеих частях внутреннего проводника противофазных токов. При этом устраняется паразитное влияние емкости открытого торца коаксиала на резонансную частоту, которая оказывается преимущественно зависимой только от емкости разомкнутого конца двухпроводной линии, образованной обеими частями внутреннего проводника, т.е. от расстояния между резонатором и внешним объектом или от диэлектрических параметров последнего. Указанный эффект усиливается при выполнении открытых торцов внутреннего проводника с большой площадью. По второму варианту обе части внутреннего проводника гальванически связаны между собой, но изолированы от торцевой электропроводящей стенки. Эксцентричная установка внутреннего проводника и выполнение соединения его частей в виде петли, расположенной в поперечной плоскости резонатора, позволяет уменьшить габариты последнего в продольном направлении. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Измерительный резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии и установленной на одном его торце электропроводящей стенкой, гальванически связывающей его внешний и внутренний проводники, содержащий также по меньшей мере один элемент связи, отличающийся тем, что внутренний проводник выполнен расщепленным вдоль оси резонатора на две пространственно разделенных части, а элементы связи установлены таким образом, что обеспечивается возможность возбуждения в обеих частях внутреннего проводника противофазных токов. 2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что свободные торцы обеих частей внутреннего проводника имеют площадь, превышающую площадь сечения этих частей внутреннего проводника. 3. Измерительный резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии и установленной на одном его торце электропроводящей стенкой, гальванически соединенной с его внешним проводником, содержащий также по меньшей мере один элемент связи, отличающийся тем, что внутренний проводник выполнен расщепленным вдоль оси резонатора на две пространственно разделенных части, изолированные от электропроводящей стенки и гальванически связанные между собой со стороны упомянутой стенки, а элементы связи установлены таким образом, что обеспечивается возможность возбуждения в обеих частях внутреннего проводника противофазных токов. 4. Резонатор по п.3, отличающийся тем, что свободные торцы обеих частей внутреннего проводника имеют площадь, превышающую площадь сечения этих частей внутреннего проводника. 5. Резонатор по п.3, отличающийся тем, что внутренний проводник установлен эксцентрично, а гальваническая связь между обеими частями внутреннего проводника выполнена в виде петли, расположенной в поперечной плоскости резонатора.