Способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения Советский патент 1987 года по МПК G01N22/00 

Итобретение отнпсится к технической физике и может найти применение при исследованиях сред, отногитель- FIO прозрачных в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн, и мо- жет использоваться для контроля или анализа электрофизических характеристик полупроводящих и диэлектрических материалов с применением бесконтактных методов измерений, а так- же при автоматическом контроле или акапизе сред с помощью вычислительно-управляющих комапексов на базе спетщализированных микро-ЭВМ, при измерениях пропусканий сред с помощью акустических или радиоактивных источников излучений (рентгеновского, гамма- или корпускулярного), а также методологически при измерениях незлектрических величин.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства, реализующего способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения; на фиг.2 и 3 - варианты устройства; на фиг.А - графики, поясняющие способ.

Устройство (фиг.О содержит управляемый СВЧ-генератор 1, соединенный с передающей антенной 2, между которой и приемной антенной 3 вводят исследуемую среду 4, Выход приемной антенны 3 соединен с измерительным преобразователем 5, выход которого, в свою очередь, соединен с последовательной цепью, состоящей из вычислительно-управляющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительно-управляющего блока 6 команды упраления подаются на СВЧ-генератор 1.

Устройство (фиг.2) содержит упра ляемый СВЧ-генератор 1, соединенный через симметричный разветвитель СВЧ-мощности с измерительным 9 и опным 10 каналами, выходы которых подключены к входам управляемого пере- ключателя 11 каналов. В измерительн канале 9 установлена волноводная ячка 12 с исследуемой средой А, а вых управляемого переключателя 11 каналов соединен с последовательной це- пью, состоящей из измерительног о преобразователя 5, вычислительно- управляющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительнп-уп

5

5

0 0

-5 5д

0

0

рав;гяющего блока Ь команды упраплс.- ния подаются на СВЧ-генератор I и переключатель )1 каналов.

Устройство (фиг.З) состоит из управляемого лазера 13, поляризованное излучение которого через управляемый ослабитель 14 падает на поверхность исследуемой среды А. Пре- лог-1ленное излучение на выходе его из исследуемой среды 4 фокусируется коллиматором 15, с выхода которого подается на вход измерительного преобразователя 5, выходом соединенного с последовательной цепью, состоящей из вычислительно-управляющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительно-управляющего блока 6 команды управления подаются на управляемый лазер 13 и управляемый ослабитель 14. Схема устройства допускает изъятие исследуемой среды 4 из измерительного тракта.

На фиг.4 показаны два рабочих участка () и (У,- У ), т.е. В, В и Г, Гг , передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 в параметрическом

У AI+ К, (1)

У Аг+ (2)

и временном

У Fdj- Т,)} (3) У А(Т4- Т,) (4)

ее представлениях,

где А,, начальные уровни выход- ныз сигналов измерительного преобразователя 5 на первом и втором участках его передаточной характеристики,

К,, чувствительности измерительного преобразователя 5 по отношению к входным сигналам X на первом и втор ом участках его передаточной характеристики,

п,, п,- показатели нелинейности первого и второго участков передаточной характеристики измерительного преобразователя 5, (T- lj) () -время уравновешивания выходного сигнала У измерительного преобразователя на квазилинейных отрезках В, В,и Г, Г его передаточной характеристики.

При этом У - выходной сигнал - отклик измерительного преобразователя 5 на входной сигнал X.

Вследствие квазилинейности участков В, Г, Г передаточной характеристики

п, n 1 (5)

а соотношения (1) и (2) преобразуются к виду

У А,+ К,Х (6) У А,,+ (7) В исходном состоянии исследуемая среда 4 вьшедена из измерительного тракта (промежутка между передающей 2 и приемной 3 антеннами).

Первоначально по команде вычислительно-управляющего блока 6 включают СВЧ-генератор 1 и устанавливают мощность Р, его квазймонохроматичес- кого излучения. Затем фиксируют датчиком измерительного преобразователя 5 нормальную составляющую СВЧ- мсмцности PJ (точка А на квазилинейном учасгке Г, Г передаточной характеристики измерительного преобразователя 5, фиг,4), после чего отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У, фиксирования им мощности Р, , который аналитически описьшают квазилинейной зави симостью вида

У, А,+ К, Р, , (8) где А, - начальньм уровень выходного сигнала У, измерительного преобразователя 5 в момент измерения мощности Р, ; крутизна в точке А квазиК.

линейного участка Г, Г передаточной характеристики.

Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У измерительного преобразователя 5, алгоритм аналитического описания (В) выходного сигнала У, .

Затем вводят в промежуток между передающей 2 и приемной 3 антеннами исследуемую среду 4 таким образом, что исследуемая область ее- находится в минимуме отражения падающего, зондирующего излучения мощностью Р, (т.е. в максимуме пропускания) . Исследуемую среду 4 - - полупроводниковый материал в зтом случае ориентируют по исследуемому кристаллографическому направлению характеризукицемуся вероятным про-5

fO

f5

30

81986

пусканием Т,

падающего, зондирующего излучения мощностью Р, , после чего фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составляющую падающей СВЧ-мощности Р, на выходе ее из исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность

PJ . (9) (точка Б на квазилинейном участке В,В передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 (фиг.4).

Далее отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат Yj фиксирования им мощности Р , который аналитически описьшают квазилинейной зависимостью вида

К (,) (10)

Аг

К,Р2

V

где А- - начальный уровень выходного сигнала У измерительного преобразователя 5 в момент измерения мощности Р, ; Kj - крутизна в точке Б квази- линейного участка В, Bj передаточной характеристики.

Затем вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего . блока 6 кодовое значение выходного сигнала У, алгоритм аналитического описания (10) выходного сигнала У . После зтого по команде вычислительно-управлякнцего блока 6 изменяют мощность излучения Р СВЧ-генератора 1, падающую на исследуемую среду, на величину (-Р, ) , кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя 5 в пределах соотношения

40

(dP.I ЭеР,

nip

(11)

где

5

je - 2 - 3 - коэффициент пропорциональности ; Рдф - известное значение пороговой чувствительности измерительного преобразователя 5 с учетом внутренних (шумовых) и сторонних (фоновых) помех. Слабое изменение (+ЛР,) падающей мощности Р, , в пределах соотношения (11), вызывает на передаточной ха- с рактеристике (фиг.4) квазилинейную вариацию

(, ) БВ (12)

или же квазилинейную вариацию

0

(-T,,(iP, ) BBj (13)

нормальной составляющей мощности P в пределах соотношения

Р, Т(Р, + йР, ) , (14) где мойщост PJ - результат преломления исследуемой средой 4 падающей на нее мощности (Р, ± 4 Р, ) СВЧ- генвратора 1.

Как видно из графической зависимости (фиг.4) слабое изменение (- UP, ) падающей мощности Р( , в пределах соотношения (11), вызывает на передаточной характеристике квазилинейную вариацию (13), и так как точка Bj находится ближе к значению Г„ф измерительного преобразователя 5 нежели точка В., то естественно, что квазилинейная вариация (13) приводит к возрастанию суммарной относительной погрешности измерительного преобразователя 5.

С учетом указанного при предлагаемом способе используют преимущественно квазилинейную вариацию (12-).

Далее фиксируют датчиком измерительного преобразователя 5 нормальную сост-авляющую падающей СВЧ-мощ- ности (Р, + д Р, ) на выходе ее из исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность Р - соотношение (14), что соответствует точке В, (фиг.4). Затем отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У фиксирования им мощности Р, который аналитически описьюают квазилинейной зависимостью вида У, A,,+ , А,+ (Р, +лР,)

(15)

где AJ- начальный уровень выходного сигнала измерительного преобразователя 5 в момент измерения им мощности РЗ. После этого вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала Уд, алгоритм анали- ,тического описания (15) выходного сигнала Уд . Далее выводят исследуемую среду 4.

Фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составляющую мощности

Р (Р, + ДР, ) (16) излучения СВЧ-генератора 1, что соответствует точке Fj на квазш1иней- ном участке Г,Г передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 (фиг.4), после че го отмечаfO

30

819866

ют на выходе измерительного преобразователя 5 рез ультат У фиксирования им мощности Р, которьй аналитически описывают квазилинейной зависимостью вида

У4 А4+ К,Р4 К,(Р, + ДР, ) (17) где А - начальный уровень выходного сигнала У измерительного преобразователя 5 в момент измерения мощности Р . Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У, алгоритм аналитического 5 описания (17) выходного сигнала У .

Как показали экспериментальные результаты применения предлагаемого способа измерения, суммарное время проведения четырех измерительных Тактов (8), (10), (15) и (17), учи- тьшая и время вьмисления значения Т вычислительно-управляющим блоком 6, находится в пределах 0,6, - 0,8с. Это позволяет принять в пределах квазилинейного участка передаточной характеристики (фиг.4) измерительного преобразователя 5

А AS (18)

в пределах квазилинейного участка Г, Fjj передаточной характеристики (фиг.4) измерительного преобразователя 5

А,- А4 (19)

20

25

Затем вводят в запоминающее уст- 35 ройство вычислительно-управляющего блока 6 условия (18) и (19), после чего вычислительно-управляющий блок 6 определяет промежуточные результаты:

У,- У К,Т,Р, ЛР, i

40

У - У( К,Р, Ь Р J

1

К,

к.

45

У

У

уГ

(20) (21)

(22)

50

на оснований введенных в его запоминающее устройство алгоритмов (8) (10), (15) и (17) и условий (18) и (19).

Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 алгоритмы

55

к, Ко (1 + йК.) ; (23)

(1 ЬК,) (24)

к - к о

аналитических описаний чувствитель- ностей К, и К2 измерительного преобразователя 5 на квазилинейных

7 и В, В,

участках Г, Г и В, Ку его передаточной характеристики (фиг.4).

Затем вьпшслительно-управляющий блок 6 на основании введенных в его запоминаюо;ее устройство алгоритмов (23) и (2Д) определяет промежуточный результат

12

Т

(25)

После этого вводят в запоминающе устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовые значения погрешностей л К, и AKg чувствительности измерительного преобразователя 5 на квазилинейных участках Г, Г и В , В его передаточной характеристики (фиг.4).

Далее вычислительно-управляющий блок 6 на основании введенных в его запоминающее устройство кодовых значений выходных сигналов У - У измерительного преобразователя 5 и погрешностей К, и К его чувствительности определяет по алгоритму (25) значение пропускания Т исследуемой средой 4 квазимонохроматического, зондирующего излучения Р, СВЧ-генератора 1.

.1

По команде вычислительно-управлящего блока 6 индицируют результат измерения пропускания Тл исследуемой среды 4 на цифровом индикаторе 7 после чего по команде вычислительно управляницего блока 6 устанавливают первоначальное значение Р, мощности СВЧ-генератора 1 и выключают его.

На этом процесс измерения пропускания 1 исследуемой средой 4 падакяцего, квазимонохроматического, зондирующего излучения Р, СВЧ-генератора 1 оканчивают.

Из соотношения (25) видно, что пр предлагаемом способе измерений точность определения пропускания Т. исследуемой среды 4 зависит лишь от остаточных мультипликативных погрешностей ДК,,йК2 чувствительности измерительного преобразователя 5 на квазилинейных участках (У4--У, ), (УЗ - У) его передаточной характеристики (фиг.4). Это является повьш1ени- ем точности измерения пропускания исследуемой средой волны электромагнитного излучения в сравнении с известными способами измерений.

й

1281986

Использование устротЧства по фиг ,2 позволяет устанавливать стационарно в измерительном канале 9 исследуемую среду 4. При этом результаты (18) с и (17) фиксирования СВЧ-мощностсй

Р, и Р получают при подключении опорного канала 10 к входу измерительного преобразователя 5, результаты (10) и (15) фиксирования СВЧ -мощностей PJ и PJ получают при подключении измерительного канала 9 к входу измерительного преобразователя 5. Измерительный 9 и опорный 10 каналы подключают к входу измерительного

преобразователя 5 с помощью управляемого переключателя 11, управляемого (по программе) вычислительно- управляющим блоком 6. В остальном

процесс измерения пропускания Тд исследуемой средой 4 с использованием структурной схемь по фиг.2 полностью идентичен процессу измерения пропускания Т, исследуемой средой 4 с использованием структурной схемы по

фиг.1.

Недостаток этого варианта устройства (фиг.2) состоит в необходимости нулевой балансировки измерительного 9 и опорного 10 каналов перед установкой исследуемой среды 4 в ячейку

измерительного канала 9. Так как суммарное время проведения четьфех измерительных тактов (8), (10), (15) и (17), учитывая и время вычисления

значения f вычислительно-управляющим блоком 6, находится в пределах 0,6-0,8 с, то уход нуля балансировки незначителен в течение времени измерения и им можно пренебречь.

Использование устройства по фиг.З позволяет определять пропускания Тл исследуемой средой 4 в оптическом диапазоне длин волн квазимонохроматических излучений управляемого лазера 13.

Процесс измерения методологически идентичен процессу измерения с использованием устройства по фиг.1. Датчик измерительного преобразователя 5 фиксирует нормальные составляющие интенсивностей Л, - 3 потоков зондирующих излучений, при этом результаты У фиксирований интенсивностей 3 аналитически описьшают квазилинейными зависимостями

У А + КЗ ,

характеризующими квази.аинейные участки В, Bj и Г, Г передаточной харак9I

теристики измерительного преобразователя 5 (фиг.4).

Слабое изменение интенсивности 3 излучения управляемого лазера 13 проводят по команде вычислительно-уп- ;равляющего блока бис помощью ослабителя 14. При этом так же, как и при использовании устройства по фиг.1, In 1 - VF .

I Mil - fl nip

35 т, (3,± u:i,) 3 ± ,

(соотношения (11) и (14)). Формула изобретения

Способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения, основанный на облучении среды квазимокохроматичес- ким излучением и фиксировании измерительным преобразователем плотностей потоков энергий падающей X, и преломленной X,j волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, изменяют плотность энергии падающей волны на величину, кратную порогу чувствитель1

. /

28198610

ности измерительного преобразователя и Б пределах квазилинейного участка его передаточной характеристики, фиксируют измененные плотности пото- 5 ков энергий пр,еломпенной Х и падающей Х волн, а коэффициент пропускания Т определяют по формуле

10 Т

( &К,) (у, - yj

( 1 + лк) . (у - у7Т

где ЛК , ЛК

l а У4

погрешности чувствительности измерительного преобразователя на квазипиМейных участках его передаточной характеристики,

результаты фиксирования измерительным преобразователем плотностей потоков энергий волн зондирующего

излучения Х, Х, . Х соответственно.

3

Изобретение относится к технич. физике. Цель изобретения - повьшение точности измерений - достигается изменением плотности энергии падающей волнп на величину, кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя (ИИ), и в пределах квазилинейного участка его передаточной хар-ки, фиксированием измененных плотностей потоков энергии преломленной X.j и падающей Х волн. Коэф. пропускания Т определяется по ф-ле

. //г.

Ф.