Способ измерения диэлектрической проницаемости твердых материалов Советский патент 1989 года по МПК G01R27/26 

Фиг.1

Изобретение относится к области радиофизических измерений параметро диэлектриков, в частности к воляово ным методам измерения диэлектрической проницаемости (Б) твердых матералов, и может быть использовано для определения твердых материгшов в высокочастотном и сверхвысокочастотном диапазонах, для исследования ди электриков с высокими значениями 6

Целью изобретения является повышние точности измерения.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства, pea лизующего способ измерения диэлектрческой проницаемости твердых материлов; на. фиг. 2 - эпюры стоячей волны в волноводе без образца (а) и с образцом (б); на фиг.З - расположени материала в волноводе и сечение А-А на фиг.4 - график зависимости .д

f(e,,p

iC2 V() при использовании компонента смеси: I - технический вазелин (, g Д), ц - порошок двуокиси титана ( 80).

Зависимость в этом случае ( фиг.А

имеет вид 6см antilg o,602V, +

-ь 1,903(1 - V,) (6, 8, и е значения диэлектрических проницаемо стей вязкого диэлектрика, первого и второго его компонентов соответст V - объемная концентрация периого- компонентaj ,

На фиг.1 обозначены генератор 1 СВЧ, вентиль 2, измерительная линия 3, индикатор А, .детектор 5, зонд 6, отрезок волновода 7, образец 8 исследуемого твердого материала и вязкий диэлектрик 9.

Способ измерения диэлектрической проницаемости твердых материалов осуществляется следующим образом.

Изготавливают образец исследуемого твердого материала с размерами п перечного сечения, несколько меньшими, чем размеры поперечного сечения волновода. Устанавливают изгото ленный образец твердого материала в волноводе вплотную к короткозамыка

ющей пластинке. Проводят измерения

КБ 1 6 г помощи измерительной линии, где К - коэффициент бегущей волны; Л« - длина волны в

волноводе; х

m

6 значение смещения

минимума стоячей волны в волноводе. По измеренным значениям Кр , х и размерам образца материала вычисляют первое приближение диэлектричес

в д- и- ю

е- 15 иае 20 ;

С)

25

- -

кой проницаемости материала . Выбирают тип (марку вязкого диэлектрика c6ga-f Ч либо, если вязкого диэлектрика с требуемым значением нет, готовят бинарную связь, например, из технического вазелина и TiO в соответствии с приведенной формулой. Наносят на боковые поверхности образца твердого материала слой вязкого диэлектрика, устанавливают образец твердого материала в волноводе и удаляют наплывы вязкого диэлектрика на торце образца твердого материала и стенках волновода. Дополнительно измеряют Kg, « и х, Допол1П1тель- но проводят расчет диэлектрической проницаемости твердого материала по измеренным параметрам.

Принцип измерений и расчетов основан на следующем.

В волноводе, возбуждаемом с одной стороны генератором СВЧ и коротко замкнутом с другой стороны, устанавливается стоячая волна с узлами, расположенными на расстоянии - , ,друг от друга и от короткозамыкающей плас30 тины, причем Лц связана с граничной длиной волны А и длиной волны в свободном пространстве соотношением

в

Ас

4

-л./«г)

0

5 падающей

0

5

Если вплотную к короткозамыкающей пластине установить в волноводе образец твердого материала, картина стоячей волны изменяется: напряженность поля в узлах не достигает нуля, так как амплитуда отраженной, волны за счет поглощения твердого материала становится меньше амплиту- Кроме того, все минимумы (узлы) стоячей БОЛ1П 1 смещаются в сторону образца твердого материала, поскольку длина волны в нем меньп1е длины волны в полом волноводе. Указанные изменения картины стоячей волны зависят от свойств исследуемого образца твердого матери.ала и могут быть связаны с его электрическими характеристиками определенным соотношением, получающимся в результате решения соответствующей электродинамической задачи. Решение этой задачи, учитывающей условия на гр шицах раздела, приводит к комплексному

5 1506388

трансцендентному уравнению, связыва- характеристики твердого материала с H3MepHeNtt)iMn вeли tинaми 13.1ч ния осу

коэффициентом бегущей волны Kg и полжением узл;1 стоячей волны относител1ь но ноперхнсзсти образца.

Это уравнение нид

,

где .f

D

е

g онределяется по форму- (2)

V -

1 -т Jle ,., Л В- 1 - j К tgO

иЬ

- постоянная р.мспространснил твердого материала;

-толщина обрапца материа;и1;

-фазовый У1ОЛ, гоответству- юш,ий рлсстоян;)Ю от поверхности образца твердого материала до первого узла стО Т- чей волны,

Певая часть ураптгения () coaep Kin величины 1., Д р и х, которь)е определяются при помогай но.чноводной измерительной линии, устамоплсиипй мел;ду генератором СВЧ и полноводной секцией с образцо - твердого материапа п имеющей такое же поппречное сечелие, как и секция, содержагнаи образец -i-Bep дого материала, Коэф лшиент бегущей волны измеряется по точтсам, ле.кагдим вблизи узла стоячей волны. Если выбираются точки,- в которых показания индикаторного прибора (при квадратичной характерт1стике детектора) в 2 раза превышают его показания i минимуме, то К,

ле

II а X

)

где Л X - расстояние между точкам удвоенного мин1тмума.

Расстояние х между поверхностью образца твердог о материала и первы.ч узлом стоячей волны определяется из выражения

х„ .

(3)

где

1 смещение любого узла, обусловленное внесением образца твердого материала. Определенные указанным образом зь ачения величин К, Л., их , а такЪ о г

же заранее измеренная толщина образца позволяют вычислить правую часть уравнения (1), а затем и гюстояннук распрострат ения , связанную с f и следующей формулой, известно из теории волноводов:

- ,ie -(-А„/ Д,) -. (А)

-Ti,13.1числение постоянно распространения ;г из уравнения (1 может быть осуьчествлено графическ либо числен- методом. Полученное значение V

(М

и нахо5

г-одставляют в уравнение лит и С .

Проведение повторных измерений пар,1метров стоячей волны в волноводе с помешенным в нем образцом твердого MarepHtUia, зазоры между которыми з-птолнепы вязким дигзлектриком, и 1);:счет но зтим параметрам дизлектри- ческой проницаемости позволяют найти ч равные действителт ным или отличающиеся от них не более чем на 1-2%. Если требуется высокая точность, то после цроведе пя повтор- измерени : и

иых ,- i:i

г- (21 ,

расчета t q (где

- диэлектрическая цронина.емость твердого материапа, полученная в ре- чультате проведения повторных измере- 5 ПИЙ) необходимо приготовить вязкиГг

Гf(i1

диэлект.рик с е-да с С) в виде оин :ip- ной смеси, например технический вазелин - двуокись титана (6-т;о С) , пользуясь известным закош.м смещения

0

ig6,, X4ige,-u

- V,) ige, (5)

5

О

5

Затем необходимо извлечь образец твердого материала из волновода, сиять с его боковых поверхностей и стенок волновода слой прежнего вязкого диэлектрика, установить образец твердого материала в волновод, заполнив зазоры вязким диэлектриком с f«а/-С71

с IJ , приготовленггым в соответствии с (5) , и провести еа:е одни измерения параметров стоячей волны в волноводе с образцом твердого материапа, по которым рассчитатьЕл. При необходимости описанные операции можно провести несколько раз, добиваясь

выполнения неравенства / t,q

-,m-o

.(И)

где i

с

У.е,

заданное значение допустиГзО

мo 1гогре 11ности измерен 1Я,

Фор

ула изобретения

55

Способ измерения диэлектрической проницаемости твердых материа.лов, состоящи в измерен(П1 пара етров сто ячей волны в волноводе при н.-щичии и отсутствии в нем твердого материала

и вычислении диэлектрической ггрони- цаемости твердого материала по изме- peinibiM параметрам, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью поньице- ния точнвс;ти измерения, зазор между стенкой волновода и твердым материалом заполняют й гчким диэлектриком.

диэлектрическая проницаемость которого примерно равна вычисленной диэлектрической проницаемости, измеряют параметры стоячей волны и вычисляют диэлектрическую проницаемость твердого материала по и меренны 1 цараметрам.

Изобретение относится к радиофизическим измерениям параметров диэлектриков. Цель изобретения - повышение точности измерения. Поставленная цель достигается способом, заключающимся в измерении параметров стоячей волны в волноводе с помещенным в нем образцом исследуемого материала, боковые поверхности которого контактируют со стенками волновода, и расчете по этим параметрам диэлектрической проницаемости. Выбирают вязкий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, примерно равной рассчитанной, которым заполняют зазоры между стенками волновода и боковыми поверхностями образца, после чего проводят повторные измерения параметров стоячей волны в волноводе с помещенным в нем образцом исследуемого материала и расчет по этим параметрам диэлектрической проницаемости. Устройство для измерения содержит г-р СВЧ 1, вентиль 2, измерительную линию 3, индикатор 4, детектор 5, зонд 6, отрезок волновода 7, вязкий диэлектрик 9. 4 ил.

сригЗ

От генера- /поро

ft-А

WMTMfWf,

h

80

ДЗ

f.ff I//