Устройство для измерения параметров анизотропных материалов Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

5

20

25

Изобретение относится к технике ВЧ измерений физических характерисик материалов, в частности анизотроии диэлектрической проницаемости, может быть использовано при струк- 5 урометрии дефектоскопии, контроле изико-механических характеристик зделий.

Целью изобретения является повышение точности измерения,

На чертеже изображена структурная электрическая схема устройства для измерения параметров анизотропных материалов.

Устройство для измерения парамет- ров анизотропных материалов состоит из СВЧ-генератора 1, соединенного с направленным делителем 2 мощности. Первый выход направленного делителя 2 мощности через модулятор 3 одной боковой полосы, волповодную скрутку 4 на 90 и направленный делитель 5 мощности, а второй выход через направленный делитель б мощности подключены к передающей антенне 7.

Выход модулятора 3 одной боковой полосы и второй выход направленного делителя 2 мощности подключены также соответственно через направленный делитель 8 мощности, третий фазовращатель 9 и через направленный делитель 10 мощности к противоположным плечам второго тройника 11, в третье плечо которого включен второй СВЧ- детектор 12, выход которого подсоеди- ней к измерителю 13 частоты. Передающая антенна 7 излучает электромагнитные колебания с двумя ортогональ- ными направлениями поляризации в сторону образца 14, которые после про- : хождения через образец 14 принимаются приемными антеннами 15 и 16 линейной поляризации и перпендикулярными плоскостями ориентации. Выходы приемных антенн 15 и 1б подключены соответственно через первый и второй фазовращатели 17 и 18 к противоположным плечам первого тройника 19, в третьем плече которого находится первый СВЧ- детектор 20. Выходы первого и второго СВЧ-детекторов 20 и 21 подключенык; входам фазового детектора 21, выход которого соединен с управляющим входом модулятора 3 одной боковой полосы.

Устройство для измерения парамет- ров анизотропии материалов работает следующим образом.

30

40

45

50

5

0

5

0

Сигнал СВЧ генератора 1 с круговой частотой и) направляется направленным делителем 2 в два канала: измерительный и опорный. В измерительном канале находится модулятор 3, сдвигающий частоту СВЧ генератора 1 на величину J2, которая изменяется в процессе измерения.

Волноводная скрутка 4 введена :, с целью поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, распространяющейся в измерительном канале, на угол 90°.

Сигналы измерительного и опорного каналов через направленные делители 5 и 6 поступают в передающую антенну 7, излучаются ею, прох:одят через образец 14 и принимаются соответственно приемными антеннами 15 и 16 линейной поляризации.

Для простоты дальнейших рассуждений считают равными амплитуды всех рассматриваемых сигналов.

Образец 14 облучается двумя плоскими электромагнитными волнами, поля- ризованньми во взаимно перпендикулярных плоскостях с временными изменениями амплитуд векторов электрического поля, удовлетворяюцщми выражениям:

Е (t) Е cosCoJt + Ч )|

E(t) Е cos (и)+si)t +4 i , где Ч, НИИ волн.

При прохождении сигналов K.-(,tJ и

и началы№1е сЬазы колебаE,(t)

E,,(t) через образец 14 их фазы изменяются соответственно на величины . д, и дЧ , которые можно определить по формулам:

40

4-, ;

- ( +SI) с

п

2

(1)

де

ПИП,

1 г

d с

коэффициенты преломления по направлениям поляризации волн с частотами колебаний соответственно lAjncOa,

толщина образца 14, скорость света в вакууме .

55

Таким образом сигналы, принятые приемными антеннами 15 и 16, изменя- ;ются во времени по законам:

1

Ej(t) Е cos((Jt +йЧ, );

E(t) Е COstW+a)t + .

312

Эти сигналы через фaзoвpao aтeли 17 и 18 поступают в противоположные плечи тройника 19, в третьем плече которого находится СВЧ-детектор 20.

Таким образом, на СВЧ детектор 20 подаются два сигнала

EgCt) Е cos(a)t + Ч, + );

Eg(t) E cos(u)4-s)t ч-Ч з , где Ч, и - изменения начальных фаз О сигналов Е (t) и ), унесенные соответственно фазовращателями 18 и 17.

С выхода СВЧ-детектора 20 снимается сигнал с разностной частотой S, изменяющейся по закону:

t5

Е ft) Е + (Ч -(Ч- + f ) +

(t JZ 4

+ ЛЧ, .

Аналогично в противоположные плечи 20 тройника 11 соответственно через направленный делитель 8 и фазовращатель 9, а также через направленный делитель 10 подаются сигналы:

25

t5

Eg(t) Е соз(Ы +21 t +, ); Eg(t) E.cos(u)t + M g )

, г . .

1 .

.и СВЧ детектор 12, включенный в третье плечо тройника 11, выделяет сигнал с разностной частотой SL., изменяющейся по закону:

E(t) Е cos (at + 4s -Ч ). Колебания Е (t) и Е (t) поступают на

7to

ВХОДЫ фазового детектора 21, на выходе которого присутствует напряжение, изменяющееся в зависимости от раз ности начальных фаз этих колебани по закону:

и ( Ч,+ ) - ( )- - (.4j- g) , - AM J. I - Это напряжение и является управляющи для системы перестройки модулирующей частоты 2 модулятора 3. Перестройка частоты производится до тех пор, пок не выполнится условие U О, что соответствует выполнению равенства .

Н,+ Чз1 f,+V, - 0.(2)

Перестройкой фазовращателей 9, 17 и ;18 добиваются выполнения равенства:

Ч +4 57-L f2 + J- t4 s+V OG) для любого возможного значения частоты О. ,

Для этого при отсутствии образца 14 и Si О, следствием чего является выполнение условия u4 , af , фазо

вращателями 17 и 18 устанавливают такие начальные фазы колебаний D измерительном и опорном каналах, при которых напряжение на выходе фазового детектора 21 равно нулю, при этом выполняется равенство (3), Однако вследствие неидентичности участков aS и аб СВЧ-трактов (чертеж) равенство

(3) не выполняется при перестройке частоты.

Для устранения зтого недостатка в устройство вводится третий фазовращатель 9, который обеспечивает равенство электрических длин участков 8 и аВ СВЧ-трактов при любом возможном значении частоты 2.

При измерении количественной меры анизотропии проводится изменение частоты модуляции до тех пор, пока напряжение на выходе фазового детектора 21 не снизится до нуля. Как видно из выражений (2) и (3), это произойдет лишь в случае удовлетворения условия Как следует из выражения (1), этому соответствует выполнение равенства:

0

5

0

5

0

5

d. df , ON rii u3+Я //N -u)n.. -(u)+Sl)n или ,- .(4)

с с i П2 J

Измерив частотуЛ , соответствующую нулевому напряжению на выходе фазово- ; го детектора 21, измерителе 13 и зная частоту СВЧ-излучения, можно определить количественную меру анизотро- ПИИ в виде-отношения показателей преломления для двух перпендикулярно поляризованных плоских электромагнитных волн.

Как видно из (4) точность измерения не зависит от толщины образцов d, а частота и) СВЧ-излучения входит в выражение для определения количественной меры анизотропии в виде отношения .

Частоты (лЗ и д можно измерить с очень высокой степенью точности, следствием чего является очень малая погрешность при измерении количественной меры анизотропии.

Минимальное отношение показателей преломления, которое можно измерить при помощи данного устройства при фиксированной толщине образца 14 d, определяется ошибками cHCTeNfbi пере- стройки модулирующей частоты л, а

также шумовыми свойствами СВЧ-детек- торон 12 и 20 и фазового детектора21.

Формула изобретения

Устройство для измерения парамет- ров анизотропных материалов, содержащее передающую антенну, к входу которой подключены выходы первого и второго направленньйс делителей мощности, две приемные антенны линейной поляризации с перпендикулярными плоскостями ориентации для приема ортогонально- пол яризованньЬс волн, СВЧ-генератор, соединенный с входом третьего направленного делителя мощности, при этом выходы приемных антенн линейной поляризации соответственно через первый и второй фазовращатели соединены с входами первого тройника, выход которого подключен к первому СВЧ-детектору, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений.

О

к первому выходу третьего направленного делителя мощности последовательно подключены четвертый направленный делитель мощности, второй тройник, второй СВЧ-детёктор, фазовьгй детектор, модулятор одной боковой полосы, пятый направленный делитель мощности и третий фазовращатель, выход которого соединен с вторым входом второго тройника, при этом второй выход четвертого направленного делителя мощности подключен к входу второго направленного делителя мощностиj выход первого СВЧ-детектора соединен с вто- 5 рым входом фазового детектора, к выходу второго СВЧ-детектора подключен введенный измеритель частоты, а второй выход пятого направленного де- .лителя мощности соединен через введенную волноводную скрутку на 90 ;с входом первого направленного делителя мощности.

Изобретение может быть использовано при структурометрии, дефектоскопии и контроле физико-механических х-к изделий. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устр-во содержит СВЧ-г-р 1, пять направленных делителей мощности (НДМ) 2, 5, 6, 8 и 10, модулятор 3 одной.боковой полосы, волноводную скрутку 4 на 90 , передающую антенну 7,. три фазовращателя 9, 17 и 18, два тройника 11 и 19, два СВЧ-детектора 12 и 20, измеритель 13 частоты, образец 14, две приемные антенны 15 и 16 линейной поляризации и фазовый детектор (ФД) 21. Сигнал СВЧ-г-ра 1 с круговой частотой CL направляется в два канала: из- м ерительный и опорный. В измерительном канале находится модулятор 3, сдвигающий частоту на величину модулирующей частбты 52., которая изменяется в процессе измерения. Измep lB частоту SI , соответствующую нулевому напряжению на выходе ФД 21, и зная частоту сл , можно определить количественную меру анизотропии в виде отношения показателей преломления для двух перпендикулярно поляризованных плоских электромагнитных волн. Цель достигается введением модулятора 3 с цепью перестройки модулирующей частоты S- , состоящей из НДМ 8 и 10, фазовращателя 9, тройника 11, СВЧ- детектора 12 и ФД 21. 1 ил.