Способ определения диэлектрической проницаемости материалов Советский патент 1988 года по МПК G01R27/06 

00

|

а

Изобретение м.б. использовано для определения влагосодержания материалов по известной зависимости медду диэл. проницаемостью и кол-вом воды в материале. С целью повышения быстродействия один из СВЧ-сигналов задерживают и измеряют разность фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов (ОИС) на частотах f, и f,. Диэл. проницаемость определяют по ф-ле CdV,/(dv, - d(/j ) - ТС /d +. I }S где u(f, If,,-If,; й(г f , 4 , разность фаз ОИС на f без задержки; i/ j - разность фаз ОИС на f-; без задержки; (/J- разность фаз ОИС на f с задержкой на время D ; ( - разность фаз ОИС на f, с задержкой на время 2 ; - задержка ОИС; d - толщина исследуемого материала ; с - ско- .рость света в вакууме. 1 ил. с (/)

4 Изобретение относится к технике измерений на СВЧ и может быть использовано для определения влагосодержа- ния материалов по известной зависимо- сти между диэлектрической проницаемостью и количеством воды в материале.

Цель изобретения - повышение быстродействия.

На чертеже приведено устройство для реализации способа определения диэлектрической проницаемости материалов.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, тройники 2 - 4, волноводные фикси- рованные линии 5 и 6 задержки, перет ключатели 7 и 8 СВЧ-сигналов, передающую антенну 9, исследуемый материал 10, приемную антенну П, фазовый детектор 12, регулируемую линию 13 за- держки, регулируемьш аттенюатор 14, аналого-цифровой преобразователь 15, микропроцессорную систему 16, цифро- аналоговый преобразователь 17, блок 18 перестройки частоты, триггеры 19 и 20 и цифровой индикатор 21.

Способ определения диэлектрической проницаемости материалов заключается в следующем.

СВЧ-сигнал разделяют на опорный и измерительные каналы. Разность фаз опорного и измерительного СВЧ сигна лов определяется диэлектрической проницаемостью исследуемого материала

d

f, . 1) т. 2(™ + о ) О)

где U) - начальная частота СВЧ-сигна-

ла;

d - толщина исследуемого материала;

с - скорость света в вакууме; m - число целых циклов изменения

разности фаз; (/ - дробная часть цикла изменения

разности фаз.

Разность фаз в зависимости от диэлектрической проницаемости исследуемого материала изменяется по линейно-периодическому закону, причем каж- дый линейный участок преобразования соответствует изменению разности фаз СВЧ-сигналов от О до 2 .

Фиксируют разность фаз tf опорного и измерительного СВЧ-сигналов на частоте Г,, Затем перестраивают частоту СВЧ-сигнала на величину лы, которую выбирают из условия

lOc/ w du (УЕ - 1) - i с

10

(2)

где f( - порог чувствительности фазового детектора.

При такой перестройке частоты СВЧ- сигнала разность фаз изменяется в пределах одного линейного участка характеристики преобразования.В случае перехода на соседний линейный участок характеристики преоб- зования необходимо изменить направление изменения частоты относительно на начальной. Фиксируют разность фаз с/,, опорного и измерительного СВЧ сигна лов на частоте f.

Далее вводят задержку опорного или измерительного СВЧ-сигнала , которую выбирают также из условия изменения фазы в небольших пределах;

lOc/ g . ы

10

(3)

Введение задержки СБЧ-сигнала измерительного или опорного канала определяется условием работы на одном участке характеристики преобразования. Фиксируют разность фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов.

Восстанавливают первоначальное значение частоты СВЧ-°сигнала и фиксируют разность фаз СВЧ сигналов tfi.

Диэлектрическую проницаемость исследуемого материала определяют по формуле

(и if.

d , - d Ч ,

+ 1)

(4)

где dV W, - If, ;

л ь- Ч Устройство работает следующим образом.

Сигнал СВЧ генератора 1 через ште- чи тройников 2-4 делится на четыре ка налао В двух из них СВЧ сигналы задерживаются на фиксированное время линиями 5 и 6 задержки и поступают на первые входы перек.гдочателей 7 к 8, на вторые входы которых пость пают незадержанные сигналы. Измерительный СВЧ- сигнал с выхода переключателя 7 поступает в антенну 9„ СВЧ-сигиал, прошедш1Й через исследуемый материал 10,, принимаемый антенной 11 и поступает на первый вход фазового де тектора 12, -на второй вход которого поступает опорный СВЧ- сигнап с выхо да переключателя 8 через линию 13 задержки и аттенюатор 14. й)1ходное на пряжение фазового детектора 12 с помощью аналого-цифрового преобразователя 15 преобразуется в код, который вводится в микропроцессорную систему 16, где подвергается функциональному преобразованию с целью линеаризации преобразовательной характеристики фазового детектора 12.

С помощью преобразователя 17 формируется напряжение первого уровня, которое воздействует на блок 18 и устанавливает первоначальную частоту и генератора .1, а с помощью триггеров

19и 20 - положение переключателей 7 и 8, обеспечивающих прохождение на их выходы незадержанных СВЧ-сигналов.

По команде микропроцессорной сие- темы 16 разность фаз i( заломинается в оперативной памяти. На выходе преобразователя 17 формируется второй уровень напряжения Ui U,, который воздействует на блок 18 и увеличивает частоту СВЧ-генератора 1 на величину UU), Полученная при этом разность фаз

с/2 сравнивается в микропроцессорной систег- е 16 с разностью фаз cf. . Если

t/ 7 tf, , то L запоминается. Если

If,, Ц, , то микропроцессорная система 16 выдает команду, по которой преобразователь 17 формирует третий уровень напряжения U т, ; U. Разность фаз if запоминается в оперативной памяти микропроцессорной системы 16. С приходом очередной команды переключатель 8 переводится во второе положение, при этом опорный СВЧ-сигнал задерживается на величину 2 , Разность фаз L/j сравнивается с разностью фаз

Ц) и запоминается. Если произошло увеличение разности фаз, то по команде микропроцессорной системы 16 переключатель 8 возвращается в первое положение, а переключатель 7 триггером

20переводится во второе положение, при этом измерительный СВЧ-сигнал задерживается на и . Соответствующая

этой задержке разность фаз if, запоминается. После этого командой от микропроцессорной cиcтe IЫ 16 зователь 17 переводится на первый уровень напряжения U, при котором восстанавливается первоначальное значение частоты СВЧ-генератора 1

(л1 о). Разность фаз у запоминается в микропроцессорной системе 16.

В программу микропроцессорной системы 16 введен алгоритм выбора знака приращения частоты СВЧ-генератора 1 и положения переключателей 7 и 8 из условия работы устройства на одном линейном участке характеристики - преобразования, В память микропроцессорной системы 16 введены в виде констант значения задержки , скорости распространения с и толщины материала d. Задержку линии 13 задержки и затухания аттенюатора 14 выбирают такими, чтобы выравнять электрические длины и затухания канала с исследуемым материалом и опорного канала.

По зафиксированным в памяти микропроцессорной системы 16 разностям фаз

Lf,, Ц , (/j , t; и константам вычисляют диэлектрическую проницаемость

Е по формуле (4).

25 Формула изобретения

Способ определения диэлектрической проницаемости материалов, заключаю- . щийся в измерении разности фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов на-частоте f, , перестройке частоты до значения f и определении разности фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов на частоте f и в последующем расчете диэлектрической проницаемости, отличающий- с я тем, что, с целью повышения быстродействия, один из СВЧ-сигналов задерживают, измеряют разность фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов на частотах f, и f, а диэлектрическую .проницаемость определяют по формуле

0

5

0

(

4 Ч-,

-гс

+ О ,

v -

где лу, ifj - V, ,

йЦ L/, -VJ

с/ - разность фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов на частоте f, без задержки;

Ч .} разность фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов на частоте f без задержки;

разность фаз опорного и измерительного СБЧ-сигналов на

частоте f с задержкой на вре- время С ;

- разность фаз опорного и измерительного СВЧ-сигналов на частоте f, с задержкой на время ,

п

18

NfIJ

§

ii

2ff

jrB

- задержка опорного или измерительного СВЧ-сигнала;

- толщина исследуемого материала;- скорость света в вакууме.

/

фг

Щ

l