Измеритель частотных свойств диэлектриков Советский патент 1983 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к .средствам неразрушающего контроля материа лов, веществ и изделий и может быть использовано как для экспрессной оценки показателей качеств изделий, так и для анализа физико-химических свойств композиционных материалов и сложных веществ по частотной зависимости их диэлектрических параметров .

Известно устройство для многочастотного контроля физических характеристик сложных сред, содержащее генератор качающейся ч1астоты, измерительную ячейку и широкополосный приемно-усилительный тракт с коммутатором Cl J.

Недостатком этого устройства является низкая точность из-за существенных погрешностей, связанных с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики широкополосного тракта усиления измерительной информации .

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения электрических характеристик эму льсий в полосе частот, основанное на измерении малых приращений емкости, пЕ опорциональных разности амплитуд напряжений низкочастотного опорного и высокочастотного зондирующего сигналов, периодически вводимых в измерительный тракт, и содержащее генераторы фиксированной, перестраиваемой частот и коммутационный, регулируемый делитель напряжения, коммутатор , к неподвижным контактам которого подключены выход измерительного генератора и выход регулируемого делителя напряжения, а управляющий-вход коммутатора соединен с выходом коммутационного генератора., последовательно соединенные в измеритеj;ibHOM канале первые амплитудный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор и интегратор, индикатор, сигнальный вход которого соединен с выходом синхронного детектора, последовательно соединенные в канале коррекции вторые амплитудный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор, ; фильтр низких частот, выход которого соединен с управлякнцим входом регулируемого делителя напряжения. Кроме того, выход коммутационного генератора соединен с опорными входами синхронных детекторов, блок развертки, выход которого соединен с управляющим входом генератора перестраиваемых частот и с синхронизирующим входом индикатора, и из,мерительн; ю ячейку с измеряемой и образцовой емкостями, образующими реактивный делитель, причем первый вывод измеряемой емкости, входящей в верхнее плечо делителя соеди.нен с подвижным контактом коммутатора и с входом первого амплитудного детектора, а второй вывод - с входом второго амплитудного детектора и с вторым выводом образцовой 5 емко,сти, входящей в нижнее плечо делителя, первый вывод которой соединен с корпусом устройства С2.

Однако это устройство обладает невысокой точностью измерения изQ а наличия погрешности, вызванной как начальным неравенством амплитуд выходных сигналов измерительного и опорного генераторов, так и дрейфом этих сигналов по напряжению в процессе измерения под действием трудно учитываемых факторов, а также из-за погрешности, связанной с нестабильностью и неидентичностью коэффициентов передачи обоих каналов . Кроме того, существенное раз0 личиё емкостей реактивного деЛителя (величины измерительной и образцовой .емкостей отличаются на 2-3 порядка приводит к тому, что, во-первых, уровни сигналов, поступающих

5 с раз.ных точек такого делителя на соответствующие амплитудные детекторы, существенно различаются {:на 2-3 порядка), вследствие чего на результат измерения оказывают влияние либо неидентичность коэффициентрв передачи детекторов, либо нелинейность характеристики одного из них, а, во-вторых, из-за малости коэффициента передачи по току реакг тинного делителя использование сигнала, снимаемого с нижнего плеча дeлитeJш, требует предварительного согласования входного импеданса второго амплитудного детектора с выходным импедансом делителя через

0 буферный каскад, частотные свойства которого являются дополнительным источником погрешности.

Цель изобретения - повышение точности измерения малых приращений

5 емкости в широкой полосе частот. f Поставленная цель достигается тем, что в измеритель частотных свойств диэлектриков, содержащий опорный, измерительный и коммутационный генераторы, регулируемый делитель напряжения, первый коммутатор, к неподвижным контактам которого подключен выход измерительногй генератора и выход регулируемого делителя напряжения, сигнальный вход которого соединен с выходом опорного генератора, последовательно соединенные амплитудный детектор, низкочастотный усили.тель, синхронный детектор, первый

0 интегратор и индикатор, а также второй интегратор, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого делителя напряжения, блок развертки, выход которого сое5 диней с управляющим входом измерительного генератора и с синхронизмрующим входом индикатора, и измерительную ячейку с балластной, измерительной и образцовой емкостями образующими реактивный делитель, причем первый вывод балластной емкости, входящей в верхнее плечо делителя, соединен с подвижным контактом первого коммутатора, а второй вывод - с входом амплитудного детектора, первые выводы измеритель ной и образцовой емкостей, входящий в нижнее плечо делителя, соединены с корпусом измерителя, введены второй и третий коммутаторы, делитель частоты фазоинвертор, прерыватель причем неподвижные контакты второго коммутатора соединены с вторыми выводами измерительной и образцоврй емкостей, а подвижный контакт - с вторым выводом балластной емкости, подвижный К9нтакт третьего коммутатора соединен с выходом коммутацион ного генератора, а неподвижные контакты, один непосредственно, а другой через фазоинвер ор - с управляющим входом синхронного детектора, вход прерывателя соединен с выходом синхронного детектора и вхо дом первого интегратора, а выход с входом второго интегратора, при этом вход делителя частоты соединен с выходом коммутационного генерато ра, а выход - с управлякицими входами второгоИ третьего коммутаторов и прерывателя. На фиг. 1 представлена блоксхема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 - эпюры напряжений на выходе коммутационного генератора (« делителя, частоты (б), измерительно ячейки 1в), амплитудного детектора (г), низкочастотного усилителя (Э), синхронного детектора (е) и прерывателя (ж) - сплошные линии, эпюры напряжения на накопительных элементах (на фиг. 1 не показаны первого (е ) и второго (ж ) интеграт ров - ломаные штрих-пунктирные линии, уровни усредненных выход нь1х напряжений первого (Q)-и второ го (ж) интеграторов- - прямые пунктирные линии, причем эпюры синусоидальных сигналов изображены в виде пилообразных кривых: выходные сигналы измерительной ячейки (в), низ кочастотного усилителя (tj), синхронного детектора (е) и прерывателя (ж). Устройство содержит опорный 1 и измерительный 2 генераторы;, регулируемый делитель 3 напряжения, первый коммутатор 4, измерительную ячейку 5, балластную емкость б, второй коммутатор 7, измерительную 8 с исследуемым материалом и образ цовую 9 емкости, делитель 10 часто ты, коммутационный генератор 11, а плитудный детектор 12, третий комм татор 13, низкочасто/гный усилитель 14, блок 15 развертки, фазоинвертор 16, синхронный детектор 17, торой интегратор 18, прерыва-тель 19, первый интегратор 20 и индикатор 21. Измеритель работает следующим образом. Напряжение с выхода опорного генератора 1, служащего в качестве источника гармонического опорного сигнала фиксированной частоты ujg, и выходное напряжение измерительного генератора 2, являющегося источником зондирующего гармонического сигнала качающейся частоты Чи var , поочередно подаются через первый коммутатор 4 на измерительную ячейку 5, причем опорный сигнал частоты oujj поступает на коммутатор через регулируемый делитель 3 напряжения (фиг. 1). Период коммутации сигналов задается прямоугольным напряжением частоты п (фиг. 2 а), поступающим с коммутационного генераторд 11 в цепь управления первого коммутатора, на выходе которого при этом формируется тестовый сигнал, состоящий we периодической последовательности коммутационных отрезков двух разночастотных сигналов с периодом следования и длительностью одного отрезка ЗГ/и5 соответственно. Измерительная ячейка 5, состоящая из балластной емкости 6 и поочередно коммутируемых с помощью второго коммутатора 7 измерительной 8 и образцовой 9 емкостей, служит .в качестве реактивного параметрического делителя напряжения; коэффициент передачи которого в отсутствие исследуемого материала ( определяемый отношением емкостных сопротивлений верхнего и нижнего плеч делителя } не зависит от частоты во всем диапазоне частот ОТЛА; Х(,ДО uj . Собственные параметры емкое- ;тей 8 и 9 идентичны .емкости выпол нены на одной подложке по единой технологии и соединены по дифференциальной Схеме ) с точностью до некоторой постоянной, которая при поочередном подключении этих . емкостей в нижнее плечо делителя вызывает периодическое изменение коэффициента, передачи ячейки и приврдит к паразитной амплитудной моду ляции тестового сигнала на выходе ячейки с частотой коммутации емкостей. Поскольку диэлектрические свойства материала носят комплексный характер, т.е. зависят от частоты поля (создаваемого как напряжением опорного, так и измерительного генераторов ), то введение исследуемого материала в измерительную емкость 8 приводит к дополнительному (информативному ) приращению,величины последней ик соответ ствующему изменению коэффициента передачи ячейки, которое теперь уже будет функционально связано с амплитудно-частотной характеристикой диэлектрических свойств ист -следуемого материала. В реэультате возникает дополнительная амплитудная модуляция тестового сигнала, частота которой также определяется периодом коммутации емкостей 8 9. Период коммутации емкостей задается частотой напряжения, поступахщего в цепь управления второго коьв4утатора с выхода делителя 10 частоты, который .преобразует, выход н напряжение частоть п Q коммутаа,%е&нного генератора 11 в прямоугол напряжение частоты И (Я «nQ, на фиг, 2S условно принято ). Предположим, что частота зондирухщего напряжения, снимаемого с шхода измерительного генератора 2 фикси к йана и не равна частоте .опо ного напряжения (например,ui о и;) т.е. подаваемый на вход ячейки сиг нал модулирован по частоте с часто той модуляции, равной частоте nSi переключения коммутируемых разночастотных сигналов, причем нерау венство амплитуд этих сигналов (во никающее под влиянием различных по бочных факторов) приводит к паразитной амплитудной модуляции тестового сигнала (с той же модулирующей частотой nS) как на входе, так и на выходе измерительной ячейки 5. В результате указанных преобразований коэффициента передачи измерительной ячейки 5 на вход ампли тудного детектора 12 поступает амплитудно-частотно-модулированноенапряжение (с двойной амплитудной модуляцией) с дгумя модулирующими частотами S2 и nS2 (фиг.2в), причем глубина амплитудной модуляции lacтоты nS при подключении образцовой емкости 9 (в один полупериод 77/S) зависит только от неравенства амплитуд напряжений несущих частот wj но) , обусловленного нераренством вы ходных напряжений опорного и измерительного генераторов, и при под лючении измерительной емкости 8 с исследуёкфлм материалом (в другой полупериодWffJ глубина амплитудной модуляции частоты nS зависит как от неравенства амплитуд напря жений несущих частот, .так и от неравенства импедансов кo в yтиpyeмыx емкостей 8 и 9, обусловленного неидентичностью собственных паргшетров этих емкостей и дополнительным приращением величины измерительной емкости за счет исследуемого Матери ала, т.е. за счет его частотных свойств. Глубина амплитудной модуля дни частоты Si зависит от неиден. i тичности собственных параметров коммутируемых емкостей 8 и 9 и от частотных свойств исследуемого материала. После амплитудного детектирования на вход низкочастотного усилителя 14, настроенного на первую гармонику частоты nS, поступает амплитудно-модулированное напряжение в виде квадратной волны с несущей частотой пЙ и огибающей частотой И (фиг. 2 ), которое на выходе усилителя преобразуется в алшлитудно-модулированное синусоидальное напряжение с теми же несущей и огибающей частотами (фиг. 2Э). Амплитудно-модулированное напряжение с выхода усилителя 14 подается rta сигнальный вход синхронного детектора 17, на опорный вход которого с выхода коммутационного генератора 11 через третий коммутатор 13 и фазринверто.р 1€, подключенный к одному из неподвижных контактов коммутатора 13, поступает напряжение коммутационной частоты nQ, фаза которого инвертируется периодически с частотой переключения контактов третьего коммутатора, поскольку его второй неподвижный контакт соедиHiSH непосредственно с опорным входом детектора 17, минуя фазоинвертор. Второй 7 и третий 13 коммутаторы синхронно управляются напряжением частоты Q , поступающим в их цепи управления с делителя 10 частоты, поэтому инверсия фазы наоря-кения частоты пЯ в опорной цепи детектора 17 происходит в моменты включения ОДНОЙ из емкостей 8 или 9 в измерительную ячейку .5 .(.на фиг.1 и.зображен случай, когда инверсия фазы- происходит при включении измерительной ёмкости 8 в ячейку 5), вследствие чего из амплитудно-модулированного сигнала частоты nSi,подаваемого с выхода низкочастотт ноге усилителя 14 на сигнальный вход детектора 17, на выходе последнего формируется периодическая 1.ч последовательность из пакетов выпрямленных полуволн синусоиды положительной полярности, чередующихся с паке.тами отрицательных полуволн синусоиды (фиг.2ё, сплошная линия). Период следования разнополярных пакетов, задаваемый напряжением частоты И, поступающим в цепь управления третьего .атора 13 с выхода делителя 10 частоты равен 21Г/Й, а их длительность /Я, Амплитуда напряжения частоты ni на выходе усилителя, пропорциональ- мая указанным побочньш и информативному факторам (неравенство амплитуд выходных напряжений опориогр и измерительного генераторов в оба полупериода частоты 19 / также .частотные свойства исследуемого материала и неидентичность со&ственных параметров коммутируемых емкхустей в одни из полупериодов Jf/5) зависит теперь в оба полупериода частоты Я от таких побочных факторов, как неравномерность собственной частотной характеристи- Iки амплитудного детектора 12 к, -кроме того, нестабильность и нели нейность X в широком диапазоне частот )передаточной характеристики всего аналогового тракта, поэтому при включении образцовой емкое- ти 9 в измерительную .ячейку осуществляется, автоматическая коррекция амплитуды напряжения опорного гене- , ратора с целью устранения влияния побочных факторовна информационный сигнал.,

Процесс коррекций идет в один из полупериодов частоты Q, когда прерыватель 19, работающий синхронно с ВТО1ЫМ 7 и третьим 13 KOMh4yTaToрами, замыкает цепь, связывающую выход синхронного детектора 17 с управляющим входом регулируемого делителя 3 напряжения, и выделяет из выходного напряжения синхройного детектора, которое имеет вид последовательности разнополярных . пакетов выпрямленных полуволн, синусоиды, корректирующий си.гнал/в виде периодической последовательности пакетов .длительностью-3 /fil, следующих с частотой S7 и состоящих из выпрямленных полуволн синусоиды только одной полярности (фиг.2ж, сплошная линия).

На выходе синхронного детектора амплитуда полуволн синусоиды в пакетах одной полярности не зависит от информатив:ного параметра (частртные свойства исследуемого материала) и от одного из побочных факторов (неидентичнрсть собственных парг1метров коммутируемьйс емкостей) ; а зависит только от перечисленньи неинформативных факторов (в случае имеются ввиду пакеты полу- волн синусоиды положительного знака, фиг. 2бА в то же время ампли1уда полуволн в пакетах противополож-f ной полярности (отрицательного зн4ка) зависит как от информативного параметра и от указанного побоч- . ного фактора, так ,и от неинформативных факторов (неравенство амплитуд напряжений опорного и измерительного генерато ра, нелинейные , искажения и : нестабильность пе{)е-Даточной характеристики аналого:ёого тракта ), поэтому такты прерывателя 19, упргшляемого с делителя 10 частоты, согласованы с тактами переключения второго и третьего коммутаторов 7 и 13 таким образом, НТО корректирующий сигнал на.выходе пре{)ывателя (фиг. 2, сплошная ли- ,

ния) содержит последовательность пакетов именно той полярности, которая соответствует полуволнам синусоиды с амплитудой, пропорциональной только указанным неинформативным факторам, т.е. соответствует пакетам выпрямленных полуволн синусс/иды положительного знака. Назначение второго интегратора 18 состоит в запоминании (фиг.2ж, ломаная штрих-пунктирная линия) и ус0реднении (фиг. 2ж, прямаяпунктирная линия) корректирующего сигнала,

, который воздейст.В1уя по управляющему входу на регулируемый делитель 3 напряжения, изменяет амплитуду его вы5ходного сигнала, задаваемого напряжением опорного генератора 1, до тех пор, пока не установится равенство амплитуд зондирующего и опорного сигналов (частот uj и ы) .

0 При этом на выходе первого коммутатора 4 исчезает паразитная амплитуд. ная модуляция частотно-модулированного тестового сигнала, что в моменты включения образцовой емкости 9 в измерительную ячейку 5 соответст5вует отсутствию напряжения частоты пЯ на выходе синхронного детектора 17. Остаточное напряжение корректирующего сигнала определяется .

. ошибкой некомпенсации замкнутой

0 системы элементов 3- - -4 - 5 - 12 14 - 17 - 19 - 18 - 3 (фиг.1), величина которой, в свою очередь, определяет глубину паразитной амплитудной модуляции с частотой nS тес5тового частотно-модулированного сигнала на входе измерительной ячейки, являясь дополнительным источником погрешности нуля измерителя. Для исключения этой погрешности исго

0 пользуется фазоинвертор 16, периодически с помощью третьего коммутатора 13; подключаемый в цепь опорг ной частоты nSl синхронного детектора 17. При этом инверсия фазы напряжения, подаваемого на опорный

5 вход детектора 17 с выхода коммутационного генератора 11, производится синхронно с частотой 52 в те моменты, когда э измерительную ячейку 5 включается измерительная ем0кость 8 с исследуеккл материалом и одновременно размыкаются контакты прерывателя 19, в результате чего из амплитудно-модулированногр сигнала частоты nSi, подаваемого с усили5

теля 14 на сигнальный вход детектора 17, и формируется периодическая последовательность пакетов положительных полуволн синусоиды, чередующихся с пакетами отрицательных по0луволн синусоиды, причем синхроннаяработа.второго 7 и третьего 13 коммутаторов приводит к тому, что амплитуда полуволн в пакетах одной полярности пропорциональна глубине паразитной гц ллитудной модуля5

ции, вызванной только ошибкой некомпенсации амплитуд несущих напряжёний (опорного частоты UJQ и зондирующего частоты w) входного тестового сигнала (на фиг. 2е этот случай относится к полуволнам положительной полярности ), в то же время в пакетах протироположной полярности амплитуда полуволн пропорциональна не только величинеостаточной некомпенсации, но связана также с неидентичнрстью собственных параметров коммутируемых ёмкостей и зависи от частотных свойств исследуемого мтериала.

Поступающее с .выхода синхронного детектора 17 на первый интегратор 20 пакетное разнополярное напряжение вызывает периодический процесс перезаряда накопительных элментов интегратора и появление пульсирующего напряжения на их выходе (фиг. 2е, ломаная штрих-пунктирная линия), при этом составляющая заряда одного знака, связанная с некомпенсацией амплитуд несущик напряжений (частот IAJ Q и и) , компенсируется состдвляющей заряда противоположного знака, вызванной той же причиной, вследствие чего уровень пульсирующего напряжения, усредненного на выходе интегратора (фиг.2ё прямая пунктирная линия), зависит лишь от неидентичности собственных параметров измерительной 8 и образцовой 9 емкостей и от частотных свойств исследуемого материала. При соответствующем выборе постоянной времени интегрирования fCT 2Л/Й пульсации подаваемого на индикатор 21 напряжения могут быть сведен до величины гораздо меньшей, чем среднее значение выходного напряжения интегратора.

Для устранения ошибки измерения, связанной с неидентичностью собственных паргилетров коммутируемых емкостей, необходима предварительная калибровка измерителя.

В режиме калибровки частота ы измерительного генератора 2 устанавли вается равной частоте WQопорного генератора (развертка зондируквдего напряжения по частоте отключается ) и с помощью триммера (на фиг.1 не показан) образцовая емкость 9 регулируется -до тех пор, пока величина ее собственного параметра, т.е. комплексное сопротивление образцовой емкости на частоте Ыд, не станет, равной значению комплексного сопротивления измерительной емкости с исследуе1«влм материалом на этой же частоте (исследуемый материал при кaJ ибpoвкe остается в измерительной емкости ), при этом установление нулевого значения на индикаторе происходит после того, как ошибка установки этого равенсдва в полупериод (J/S) подключения измерительной емкости с исследуемым материалом станет равной величине остаточной некомпенсации в полупериод коррекции. После этого измеритель готов к работе.

В режиме измерения включается блок 15 раз.вертки, служащий для перестройки частоты измерительного генератора 2 и создания частотных мето°к на индикаторе 21.

В результате плавного изменения частоты to зондирукяцего напряжения , периодически, с частотой пЯ, поступающего с выхода измерительного ге-. нератора 2 на измерительную ячейку 5 изменяется приращение емкости 8, вызванное изменением диэлектрических свойств исследуемогО материала в полосе частот Iот до w (xr что приводит к эквивалентному изменению, комплексного импеданса и, следовательно, коэффициента передачи ячейки, вследствие чего, на соответствующем полупериоде коммутации JTAf емкостей 8 и 9.(при включении измерительной емкости 8 ) изменяется глубина амплитудной модуляции частоты nS .тестового разночастотного сигнала, что и отражается на индикаторе .

Для снижения динамической погрешности измерения дисперсии диэлектрических свойств исследуемого материала период развертки должен быть, значительно больше периода установления переходных процессов в цепи коррекции амплитуды напряжения опорного генератора.

Таким образом, введение дополнительной модуляции тестового частотно-модулированного ( разночастотного ) сигнала за-счет коммутации измерительной и образцовой емкостей с частотой, отличной от модулирующей частоты входного тестового сигнала, позволяет .получить в одной точке измерительной ячейки корректирующий и информативный сигналы, что дает возможность устранить погрешность измерения, связанную с неидентичностью коэффициентов передачи измерительного канала и канала коррекции, за счет обработки этих сигналов в общем аналоговом тракте и снизить влияние нестабильности и нелинейности передаточной характеристики аналогового тракта. Введение инверсии фазы напряжения в опорной цепи синхронного детектора позволяет разделить информативный параметр и неинформативные факторы без дополнительного низкочастотного фильтра, являющегося из-за дрейфа его коэффициента передачи источником погрешности, и дает возможность чгри последующем интегрировании информационного сигнала исключить погрешность измерег1ия определяемую

величиной ошибки некомпенсации корректирующего сигнала, которая связана с неравенством амплитуд напряжения опорного и измерительного гене- Л раторов и с неравномерностью собственной частотной характеристики амплитудного детектора, т.е. фазоинвертирование опорного сигнала

синхронного детектора позволяет осуществить в процессе измерения автоматическую установку нуля, благодаря чему изобретение дает возможность существенно, по сравнению с ангшогичными устройствами, повысить точность измерения малых прира.Щений емкости в широкой полосе частот.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТНЫХ , СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИКОВ, содержащий опорный,измерительный и коммутационный генераторы, регулируемый делитель напряжения, первый коммутатор, к неподвижным контактам ко- . торого подключены выход измерительного генератора и выход регулируемого делителя напряжения, сигнальный вход которого соединен с выходом опорного генератора, последовательно соединенные амплитудный детектор, низкочастотный усилитель, . синхронный детектор, первый интег. ратор и индикатор, а также второй интегратор, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого делителя напряжения, блок развертки, выход которого соединен с управляющим входом измерительного генератора и с синхронизирующим входом индикатора, и.измерительную ячейку с балластной, измерительной и образцовой емкостями, образующими реактивный делитель, причем первый вывод балластной емкости, входящей в верхнее плечо делителя, соединен с подвижным контактом первого .коммутатора, а второй вывод - с входом амплитудного детектора, первые выводы измерительной и образцовой емкостей, входящих в нижнее плечо делителя, соединены с корпусом измерителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй и третий коммутаторы, делитель частоты, фазоинвертор, прерыватель, i причем неподвижные контакты второго коммутатора соединены с вторыО) ми выводами измерйтельной и образцовой емкостей, а подвижный контакт с вторым выводом балластной емкости , подвижный контакт третьего коммутатора соединен с выходом коммутационного генератора, а неподвижные контакты, один непосредственно, а другой через фазоинвертор-, - с управляющим входом синхронного де4: тектора, вход прерывателя соединен с выходом синхронного детектора и входом первого интегратора, а выходСО ND Ю с входом второго интегратора, при i-этом вход делителя частоты соединен . с выходом коммутационного генератора, а выход - с управляющими входами второго и третьего коммутаторов и прерывателя.