УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/04 G01R27/26 

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано для контроля и измерения диэлектрических параметров различных сред.

Известно устройство для измерения параметров диэлектрических материалов, содержащее диэлектрическую подложку с кольцевым резонатором на одной стороне, а на другой - щелевые линии, соосно и диаметрально расположенные к кольцевому резонатору, причем к одной линии подключен генератор качающейся частоты, а к другой - детектор [1].

Однако, известное устройство не обеспечивает повышение точности измерения и эргономических показателей измерения, обладает большим весом и габаритами из-за использования стандартной измерительной аппаратуры и не имеет возможности измерения коэффициента потерь в диэлектрике.

Наиболее близким техническим решениям является устройство для измерения параметров диэлектрика, содержащее первую диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещен кольцевой резонатор, а на другой - две щелевые линии, расположенные соосно и диаметрально относительно кольцевого резонатора, причем к первой щелевой линии подключен выход генератора качающейся частоты, а к второй - вход детектора, вторую диэлектрическую подложку, микроЭВМ, цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, причем СВЧ-генератор качающейся частоты расположен на верхней стороне второй диэлектрической подложки, первая щелевая линия закорочена, вторая - заканчивается согласованной нагрузкой, причем подложки с расположенными на них микрополосковыми линиями передачи размещены в защитном корпусе и образуют измерительное устройство, так что одна из микрополосковых линий является входной линией передачи, другая - выходной линией передачи, а выход СВЧ-генератора качающейся частоты подключен к первой щелевой линии на четвертьволновой длине от места закоротки, а во вторую щелевую линию, на той же длине от согласованной нагрузки включена цепь, состоящая из последовательно соединенных детектора и конденсатора. Для упрощения калибровки и исключения случайных ошибок измерения известное устройство содержит два постоянных запоминающих устройства с встроенными программами [2].

Однако, данное устройство имеет недостаточно широкий диапазон измерения параметров среды и недостаточную точность измерения.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона измерения параметров среды и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для измерения диэлектрических параметров среды, содержащее микроЭВМ, первый цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, СВЧ-генератор качающейся частоты, измерительное устройство, измерительное устройство размещено в защитном корпусе и содержит две диэлектрические подложки с расположенными на них входной и выходной линиями передачи, выполненными микрополосковыми, выход СВЧ-генератора качающейся частоты подключен к входной линии передачи, введены интегратор RC, предназначенный для подачи на вход СВЧ-генератора качающейся частоты линейно изменяющегося напряжения с изменяющейся частотой следования и скоростью нарастания, формирователь импульсов, выходной сигнал которого предназначен для сброса интегратора RC, генератор, управляемый напряжением, предназначенный для подачи сигнала на формирователь импульсов, второй цифроаналоговый преобразователь, управляемый микроЭВМ и предназначенный для изменения частоты следования импульсов генератора, управляемого напряжением, устройство выборки и хранения, управляемого микроЭВМ, предназначенное для подачи сигнала через аналого-цифровой преобразователь в микроЭВМ, измеритель сдвига фазы сигналов, подключенный к выходной линии передачи и предназначенный для подачи сигнала на устройство выборки и хранения, причем первый цифроаналоговый преобразователь, управляемый микроЭВМ, предназначен для задания скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения на интеграторе RC, входная и выходная линии передачи направлены навстречу друг другу, прилежащие внутренние стороны диэлектрических подложек разделены слоем металла, гальванически соединенного с входной и выходной линиями передачи, на противолежащих внешних сторонах диэлектрических подложек нанесены слои металла, а также расположены отрезки микрополосковых линий передачи, размещенные симметрично относительно оси, проходящей через середину ширины входной и выходной линий передачи, слои металла и отрезки микрополосковых линий передачи на внешних сторонах диэлектрических подложек гальванически соединены в области проекции гальванического соединения входной и выходной линий передач и слоя металла на внутренних сторонах диэлектрических подложек, причем для исключения отражения сигнала проекции краев слоев металла в области гальванического соединения образуют прямой угол, длина отрезков микрополосковых линий передачи l ≥ λ/32 , где λ - длина волны, толщина подложки d ≤ λ/8 .

СВЧ-генератор качающейся частоты и измеритель сдвига фазы сигналов размещены в защитном корпусе измерительного устройства, защитный корпус выполнен герметичным с возможностью экранирования внешней стороны одной из диэлектрических подложек, причем между экранирующей частью защитного корпуса и внешней стороной этой подложки расположена эталонная среда.

Введение дополнительно измерителя сдвига фазы сигнала позволяет в процессе измерения через дисперсию фазы сигнала контролировать параметры среды.

Введение устройства выборки хранения позволяет в каждом процессе измерения калибровать точность измерения.

Введение интегратора позволяет суммировать поступающий сигнал.

Генератор, управляемый напряжением, необходим для подачи сигнала на формирователь импульсов.

Введение формирователя импульсов позволяет перейти от аналоговой к цифровой обработке сигнала.

Введение второго цифроаналогового преобразователя позволяет осуществлять двухканальную систему обработки.

Выполнение корпуса герметичным позволило защитить внутренние токоведущие части измерительного устройства от воздействия измеряемой среды, а также изолировать и экранировать эталонную среду для проведения сравнительных измерений.

Соприкосновение обеих внешних сторон диэлектрических подложек с анализируемыми средами позволяет производить сравнительную оценку их параметров и измерение параметров среды дифференциальным методом.

Разделение прилежащих внутренних сторон диэлектрических подложек слоем металла, который гальванически соединен с входной и выходной линиями передачи, обусловлено необходимостью высокой развязки по электромагнитному полю между линиями передачи.

Расположение на противолежащих внешних сторонах диэлектрических подложек, симметрично относительно оси, проходящей через середину ширины входной и выходной линий передачи, отрезков микрополосковых линий передачи, гальванически соединенных с нанесенными слоями металла, позволяет проводить сравнительное измерение сдвига фазы сигнала за счет влияния сред, находящихся в соприкосновении с отрезками микрополосковых линий на внешних сторонах подложек. Расположение проекции краев металла в области гальванического соединения под прямым углом необходимо для исключения отражения сигнала (волны).

Ограничение длины (l) отрезков микрополосковых линий и толщины подложек (d) позволяет расширить частотный диапазон измерения от дециметрового до миллиметрового диапазона благодаря выбору указанных параметров l и d из соотношений l ≥ λ/32 и d ≤ λ/8 соответственно.

Соприкосновение одной из внешних сторон диэлектрических подложек с эталонной средой, загерметизированной и экранированной корпусом, а другой - с анализируемой средой, позволяет производить измерение абсолютным методом параметров среды, проводя их сравнение с эталонной средой.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения диэлектрических параметров среды; на фиг. 2 - фрагмент устройства, представляющий собой две диэлектрические подложки с нанесенными на них слоями металлизации и вмонтированными СВЧ-генератором качающейся частоты и измерителем сдвига фазы сигналов; на фиг. 3а и 3б -варианты исполнения измерительного устройства; на фиг. 4а и 4б - характерные кривые зависимости диэлектрической постоянной от глубины погружения в исследуемую среду при измерении фазовым методом: а) для случая дифференциального метода измерения с дискретностью, равной 2d, где d - толщина подложки; б) для случая абсолютного метода измерения слоистой структуры сред.

Устройство для измерения диэлектрических параметров среды содержит микроЭВМ, предназначенную для управления работой устройства, в состав которой входят микропроцессор 1, пульт 2 управления, блок 3 индикации и интерфейс 15, обеспечивающие функционирование микроЭВМ, первый цифроаналоговый преобразователь 4 (ЦАП-1), аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП), СВЧ-генератор 6 качающейся частоты, измерительное устройство 7, размещенное в защитном корпусе 8 и содержащее две диэлектрические подложки 9 с расположенными на них входной микрополосковой линией 10 передачи и выходной микрополосковой линией 11 передачи, измеритель 12 сдвига фазы сигналов, устройство выборки хранения (УВХ) 13, интегратор RC 14, формирователь 16 импульсов, генератор 17, управляемый напряжением, второй цифро-аналоговый преобразователь 18 (ЦАП-2).

Прилежащие внутренние стороны 19 диэлектрических подложек 9 разделены слоем металла 20, гальванически соединенного с входной и выходной линиями передачи. На противолежащих внешних сторонах 23 диэлектрических подложек 9 нанесены слои металла 28, а также расположены отрезки микрополосковых линий 26 передачи, размещенные симметрично относительно оси 25, проходящей через середину ширины входной и выходной линий передачи. На фиг. 2 показаны гальванические соединения 21, 22 слоя металла 20 с входной и выходной линиями передачи и гальванические соединения 27 отрезков микрополосковых линий 26 передачи со слоями металла 28. Слои металла 28 и отрезки микрополосковых линий 26 передачи на внешних сторонах подложек гальванически соединены в области проекции гальванического соединения входной и выходной линий передач и слоя металла на внутренних сторонах подложек.

Устройство для измерения диэлектрических параметров среды работает следующим образом.

8-разрядный двоичный код от управляющей микроЭВМ подается на ЦАП-2. Частота следования импульсов генератора 17, управляемого напряжением, зависит от величины напряжения, подаваемого с ЦАП-2. Сигнал с генератора 17 подается на формирователь 16 импульсов. Короткие импульсы после формирователя 16 импульсов периодически производят сброс интегратора RC 14. Задание скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения производится при помощи ЦАП-1, управляемого от микроЭВМ. Таким образом, на входе интегратора RC формируется линейно изменяющееся напряжение с изменяющейся частотой следования и скоростью нарастания, которая подается на вход СВЧ-генератора 6. С СВЧ-генератора 6 СВЧ-сигнал синфазно распространяется по эталонной и измерительным линиям передачи, с выхода которых он поступает на вход измерителя 12 сдвига фазы сигналов. С выхода измерителя 12 сдвига фазы сигналов напряжение подается на устройство 13 выборки хранения. Управление процессом выборки хранения осуществляется стробсигналом, формируемым интерфейсом 15. После устройства 13 выборки хранения сигнал поступает на АЦП. Оцифрованное напряжение подается на микроЭВМ (на интерфейс 12 и далее на микропроцессор 1). Для отображения результатов измерения служит блок индикации микроЭВМ.

Пример реализации устройства для измерения диэлектрических параметров среды.

В качестве микропроцессора 1 может быть использована IBM PC/AT 386(lntel 80386); блок 3 индикации - видеомонитор "Электроника 32ВТЦ-2"; интерфейс 15-CENTROL; цифро-аналоговые преобразователи 4, 18-К572ПА1; аналого-цифровой преобразователь 5 - К1108ПВ1; устройство выборки хранения - К1100СК2; измеритель 12 сдвига фазы сигналов выполнен по схеме с транзисторами, например, ЗП 306, СВЧ-генератор 6 качающейся частоты - с рабочей частотой 2,5 ГГц. Измерительное устройство 7 представляет собой объемную гибридную интегральную схему СВЧ диапазона. Защитный корпус 8 может быть выполнен из сплава Д-16 АМЦ или ковара (29 НК) с гальваническими покрытиями никелем 1 мкм, и золотом 3 мкм; диэлектрические подложки 9 - поликоровые, толщиной 0,5 мм, что удовлетворяет соотношению d ≤ λ/8 , входная и выходная линии передачи 10, 11 выполнены микрополосковыми, например 50-омными, со структурой Cr (100 Ом/мм²) - Cu_нап. 1 мкм - Cu_гальв. 3 мкм - Ni_гальв. 0,5 мкм - Au_гальв. 3 мкм. Длина отрезков микрополосковых линий передачи выбрана равной, например, 1 см, что соответствует l ≥ λ/32 .

в качестве анализируемой среды исследовался бензин с ε=4 и смесь воды и бензина с ε=11 , эталонной средой был воздух с ε=1.

Использование предлагаемого устройства позволит по сравнению с прототипом расширить частотный диапазон измерения параметров среды и повысить точность измерения за счет исключения резонансных элементов.

Устройство для измерения диэлектрических параметров среды относится к электронному приборостроению, может быть использовано для контроля и измерения диэлектрических параметров различных сред. Устройство для измерения диэлектрических параметров среды содержит микроЭВМ, в состав которой входят микропроцессор 1, пульт 2 управления, блок 3 индикации и интерфейс 15, первый цифроаналоговый преобразователь 4 (ЦАП - 1), аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП), СВЧ генератор 6 качающейся частоты, измерительное устройство 7, размещенное в защитном корпусе 8 и содержащее две диэлектрические подложки 9 с расположенными на них входной микрополосковой линией 10 передачи и выходной микрополосковой линией 11 передачи, измеритель 12 сдвига фазы сигналов, устройство 13 выборки хранения (УВХ), интегратор RC 14, формирователь 16 импульсов, генератор 17, управляемый напряжением, второй цифроаналоговый преобразователь 18 (ЦАП - 2). Прилежащие внутренние стороны 19 диэлектрических подложек 9 разделены слоем металла 20, гальванически соединенного с входной и выходной линиями передачи. На противолежащих внешних сторонах 23 диэлектрических подложек 9 нанесены слои металла 28, а также расположены отрезки микрополосковых линий 26 передачи, размещенные симметрично относительно оси 25, проходящей через середину ширины входной и выходной линии передачи. Слои металла 28 и отрезки микрополосковых линий 26 передачи на внешних сторонах подложек гальванически соединены в области проекции гальванического соединения входной и выходной линии передач и слоя металла на внутренних сторонах подложек, проекции краев слоев металла в области гальванического соединения образуют прямой угол, длина отрезков микрополосковых линий передачи , где λ - длина волны, толщина подложки . В варианте выполнения устройства по п.2 СВЧ генератор качающейся частоты и измеритель сдвига фазы сигналов размещены в защитном корпусе измерительного устройства, защитный корпус выполнен герметичным с возможностью экранирования внешней стороны одной из диэлектрических подложек, причем между экранирующей частью защитного корпуса и внешней стороной этой подложки расположена эталонная среда. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения диэлектрических параметров среды, содержащее микроЭВМ, первый цифроаналоговый преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, СВЧ-генератор качающейся частоты, измерительной устройство, измерительное устройство размещено в защитном корпусе и содержит две диэлектрические подложки с расположенными на них входной и выходной линиями передачи, выполненными микрополосковыми, выход СВЧ-генератора качающейся частоты подключен к входной линии передачи, отличающееся тем, что введены интегратор RC, предназначенный для подачи на вход СВЧ-генератора качающейся частоты линейно изменяющегося напряжения с изменяющейся частотой следования и скоростью нарастания, формирователь импульсов, выходной сигнал которого предназначен для сброса интегратора RC, генератор, управляемый напряжением, предназначенный для подачи сигнала на формирователь импульсов, второй цифроаналоговый преобразователь, управляемый микро-ЭВМ и предназначенный для изменения частоты следования импульсов генератора, управляемого напряжением, устройство выборки хранения, управляемое микроЭВМ, предназначенное для подачи сигнала через аналого-цифровой преобразователь в микроЭВМ, измеритель сдвига фазы сигналов, подключенный к выходной линии передачи и предназначенный для подачи сигнала на устройство выборки хранения, прием первый цифроаналоговый преобразователь, управляемый микроЭВМ, предназначен для здания скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения на интеграторе RC, входная и выходная линии передачи направлены навстречу одна другой, прилежащие внутренние стороны диэлектрических подложек разделены слоем металла, гальванически соединенного с входной и выходной линиями передачи, на противолежащих внешних сторонах диэлектрических подложек нанесены слои металла, а также расположены отрезки микрополосковых линий передачи, размещенные симметрично относительно оси, проходящей через середину ширины входной и выходной линий передачи, слои металла и отрезки микрополосковых линий передачи на внешних сторонах диэлектрических подложек гальванически соединены в области проекции гальванического соединения входной и выходной линии передач и слоя металла на внутренних сторонах диэлектрических подложек, причем для исключения отражения сигнала проекции краев слоев металла в области гальванического соединения образуют прямой угол, длина отрезков микрополосковых линий передачи l ≥ λ/32, где λ - длина волны, толщина подложки d ≤ λ/8.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что СВЧ-генератор качающейся частоты и измеритель сдвига фазы сигналов размещены в защитном корпусе измерительного устройства, защитный корпус выполнен герметичным с возможностью экранирования внешней стороны одной из диэлектрических подложек, причем между экранирующей частью защитного корпуса и внешней стороной этой подложки расположена эталонная среда.