Спектрометр комплексной диэлектрической проницаемости Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

V

Изобретение относится к исследованию диэлектрических характеристик полимерных и других непроводящих материалов, а более точно к измерению составляющих комплесной диэлектрической проницаемости при разных частотах.

Цель изобретения - повышение точности измерения диэлектрических характеристик и расширение функциональных возможностей измерителя, заключающихся в обеспечении определения как полной вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости, так и ее релаксирующей сос- тавляннцей и высокочастотной диэлектрической проницаемости.

На чертеже представлена блок-схема спектрометра диэлектрической проницаемости.

Блок-схема предлагаемого устройства содержит измерительный конденсатор, 1J, в котором помещен образец 2 из испытуемого материала - диэлектрика, образцовый резистор 3, генера- тор 4 линейно изменяющегося напряжения, электрометрический усилитель 5, блок 6 запоминания, блок 7 вычитания и цифровой вычислитель 8.

Выход генератора 4 линейно изме- няющегося напряжения через измерителный конденсатор 1 соединен с образцовым резистором 3 и электрометрическим усилителем 5, выход которого соединен с входом блока 6 и одним из входов блока 7 вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока 6 и одним из входов цифрового вычислителя 8, второй вход которого соединен с выходом блока 7 вычитания а управляющие входы генератора 4 линейно изменяющегося напряжения и блока 6 соединены с соответствующими выходами цифрового вычислителя 8.

Спектрометр комплексной диэлектри ческой проницаемости работает следующим образом.

На первом управляющем выходе У цифрового вычислителя 8 вырабатывается сигнал,,который разрешает генера- тору 4 генерировать линейно изменяющееся напряжение. Одновременно с упомянутым сигналом на втором выходе 10 цифрового вычислителя 8 вырабатывается кратковременный импульс, управ- ляющий блоком запоминания 6,

После запуска генератора 4 линейн изменяющегося напряжения, выход которого подключен к электродам измери

тельного конденсатора, в образце 2 начинается процесс поляризации, вызы- вающий ток поляризации через материал i(t). Ток поляризации, создает падение напряжения U(t) на образцовом резисторе 3

Ujt) R,i(t),

где Rg - величина образцового резистора 3.

Сигнал Uj(t) поступает на вход электрометрического усилителя 5.. Так как коэффициент усиления электрометрического усилителя выбран равным

KI

1

R,

20

где С

.Q - величина емкости измерительного конденсатора в вакууме; К - скорость нарастания на выходе генератора 4 линейно изменяющегося напряжения, то на его выходе появляется сигнал

,

U(t),K,U(t)

+ ()d ()d (1)

I ° °

где 60 8,85 - электрическая постоянная (абсолютная про;1ицаемость вакуума) i cp(t) - функция спадания, которая является реакцией диэлектрика на воздействие напряженности электрического поля в виде дельта-функции. Функция спадания Ф(t) через одностороннее преобразование Фурье связана с частотной зависимостью комплексной диэлектрической проницаемости

°° - f (ju)) - .„ |Ф (t)e dt, (2)

о

где - круговая частота; j Г .

I .

Рассмотрим отклик диэлектрика, .

который помещен в однородное переменное электрическое поле E(t), создаваемое между электродами плоскопараллельного измерительного конденсатора, когда на.электроды измерительного конденсатора подается линейно изменяющееся напряжение

U(t) j Ри t 0; О, при t О .

(3)

Kt h

при t 0 , (4)

где h - расстояние между электродами измерительного конденсатора,получаем выражение

Дифференцируя (5) по времени, получаем плотность тока поляризации через диэлектрик

( - d D(t) dt h

оК

|ф ()d1.

(6)

В случае использования плоскопа- раллельного измерительного конденсатора с вакуумной емкостью Со

AS

h

С„

(7)

где S - площадь электродов измерительного конденсатора полный ток поляризации через конденсатор равен

i(t) j(t)S „ + КСо|ф ()d

КС,

(8)

35

Первая часть выражения (8) представляет собой вклад в полный ток упругих видов поляризации, а вторая часть - релаксационной поляризации. Обозначая ток релаксационной поляризации в виде 40

t 1рел (t) KCoj9(t-)d (9)

определяем функцию спадания 1 dipfA (t)

43(t)

КС„ dt

(10)

Так как формула (10) выражает функцию спадания через ток релаксационной поляризации ips (t) , т.е. через величину, которая фактически измеряется в предлагаемом спектрометре, то, основываясь на уравнении (2), можно определить частотную зависимость комплексной диэлектрической проницаемости согласно

i

45

Блок запоминания 6 запоминает величину напряжения, присутствующего на его входе во время кратковременного управляющего импульса. Так как импульс на втором управляющем выходе 10 цифрового вычислителя 8 вырабатывается одновременно с моментом запуска генератора линейно изменяющегося напряжения 4, то блок запоминания 6 запоминает напряжение, пропорциональное первому члену вьфажения (1) - оо . Так как величина сопротивления образцового резистора 3 выбирается достаточной малой, чтобы пренебречь экспоненциальной составляющей тока поляризации, и время выборки блоком b достаточно мало, чтобы пренебречь напряжением на измерительном конденсаторе 1. После вычитания в блоке 7 из напряжения U,(t) величины напряжения, зафиксированного в блоке 6 получаем напряжение Uj(t), пропорциональное току релаксационной поляризации

U,(t) J Р ( t)d .

которое далее поступает на второй аналоговый вход 11 цифрового вычис50 литепя 8. Цифровой вычислитель 8

реализует выполнение алгоритмов (12) и (13) над входным сигналом. Так как расширение функциональных возможностей спектрометра включает определе55 ние вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости с / л с L f г.1рел(с)-| -Jot, (), то необходимо к получаемой Ци -too KC., dt J величине .(O) - 1 прибавить вы(11)

сокочастотную диэлектрическую прони)

1287043

Определение составляющих комплексной диэлектрической проницаемости СЧ) боо и С) в спектрометре осуществляется путем цифровой реализации решения в виде

ес 177г)

1

КС,

рел (tn) i (12)

fO

(0) 177Г L , (t,), (13)

КС

в n-1

15

20

25

30

35

хя е 40

45

где A, и Bf, - постоянные коэффициенты, в которых отсчеты входной функции ipg (t) выбраны согласно закону геометрической прогрессии со знаменателем 2

П-1

(14)

где Tj - константа.

Блок запоминания 6 запоминает величину напряжения, присутствующего на его входе во время кратковременного управляющего импульса. Так как импульс на втором управляющем выходе 10 цифрового вычислителя 8 вырабатывается одновременно с моментом запуска генератора линейно изменяющегося напряжения 4, то блок запоминания 6 запоминает напряжение, пропорциональное первому члену вьфажения (1) - оо . Так как величина сопротивления образцового резистора 3 выбирается достаточной малой, чтобы пренебречь экспоненциальной составляющей тока поляризации, и время выборки блоком b достаточно мало, чтобы пренебречь напряжением на измерительном конденсаторе 1. После вычитания в блоке 7 из напряжения U,(t) величины напряжения, зафиксированного в блоке 6 получаем напряжение Uj(t), пропорциональное току релаксационной поляризации

U,(t) J Р ( t)d .

которое далее поступает на второй аналоговый вход 11 цифрового вычислитепя 8. Цифровой вычислитель 8

реализует выполнение алгоритмов (12) и (13) над входным сигналом. Так как расширение функциональных возможностей спектрометра включает определение вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости сокочастотную диэлектрическую прони51287043 ..

цаемость t . Для этого на первыйвведены генератор линейно изменяюаналоговый вход 12 цифрового вычис-щегося напряжения, блок запоминания,

лителя 8 с выхода блока запоминанияблок вычитания и цифровой вычисли6 подается напряжение, пропорцио-гель, причем выход генератора линейнальное « . После выполнения изло- изменяющегося напряжения соединен

женных действий результаты вычисле-с другим выводом измерительного

НИИ - (); f,) ; L () - €«з ;конденсатора, а управляющий вход выводятся на индикатор пультанератора линейно изменяющегося напоператора.ряжения соединен с первым управляю10щим выходом цифрового вычислителя.

Формула изобретения запоминания подключен к

Спектрометр комплексной дизлектри-первому входу блока вьгаитания и перчёской проницаемости, содержащий пос-вому аналоговому входу цифрового выледовательно соединенные измеритель- числителя, вход блока запоминания

ный конденсатор с испытуемым мате- 15соединен с выходом электрометричесриалом и образцовый , к.обще-кого усилителя и вторым входом бло-

му вьшоду которых подключен электро-ка вычитания, а управляющий вход

метрический усилитель, б т л и ч а -блока запоминания соединен с

ю щ и и с я тем, что, с целью рас-управляющим выходом цифрового вычис- ширения функциональных возможностей 20 лителя, выход блока вычитания соедии повышения точности измерения ди-нен с вторым аналоговым входом цифроэлектрических характеристик, в негового вычислителя.

Изобретение относится к исследованию диэлектрических характеристик полимерных и других непроводящих материалов, в частности к измерению составляющих комплексной и диэлектрической проницаемости при разных частотах. Целью изобретения является повьпиение точности измерения диэлектрических характерист.ик и расширение функциональных возможностей измерителя. Для этого в спектрометр введены генератор 4 линейно изменяющегося напряжения, блок 6 запоминания, блок 7 вычитания и цифровой вычислитель 8. Кроме того, спектрометр содержит измерительный конденсатор 1, в который помещен образец 2 из испытуемого материала, образцовый резистор 3, электрометрический усилитель 5. Спектрометром определяется как полная вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости, так и ,ее релаксирующая составляющая. 1 ил. i СО ю д 12. е 77, В е М e dJJ-f to 00 о 4 СО