Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

f

(21)4639017/25

(22)05.12.88

(46) 07.07,91. Бюл. № 25

(71)Институт кибернетики им. В.М.Глушкова АН УССР

(72)В.Т.Кондратов и Ю.А.Скрипник

(53)543.248 (088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 440615, кл. G 01 R 27/26, 1974.

Матис И,Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушающего контроля. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: 3-ание, 1982, с. 242, 243.

(54)СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

(57)Изобретение касается определения диэлектрических свойств веществ и материалов. Цель изобретения - повышение точности определения активной

и реактивной составляющих комплексной диэлектрической проницаемости. Изобретение заключается в возбужде- нии LC-колебательного контура с датчиком, где L и С - индуктивность и

Изобретение относится к измерительной технике, в частности касается определения диэлектрических свойств материалов и веществ, и может быть использовано как по прямому назначению, так и при определении влажности и толщины материалов, вязкости веществ, диэлектрического спектра материалов и веществ, анизотропии и т.д.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

емкость колебательного контура; С CQ + С , С0 - емкость датчика, С - емкость перестраиваемого конденсатора, сигналом заданной частоты, определении центральных (резонансных) частот и ширины полос пропускания колебательного контура без и при взаимодействии электрического поля с исследуемым веществом или материалом, с последующей обработкой результатов промежуточных измерений по определенному алгоритму. От известных способ отличается тем, что до (после) взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом формируют первый и второй измерительные сигналы с симметричными относительно частоты foj возбуждающего сигнала частотами fH1 ffl( -fif0/2 и f6, Ј„,, + + Af0/2, находящимися за пределами ширины полосы пропускания &f K LC- iколебательного контура, т.е. , где ДЈ0 f &) -fm - первоначальная разность частот измерительных сигналов. I ил.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит генератор 1 .возбуждающего сигнала высокой частоты, генератор 2 низкой частоты, балансный смеситель 3, фильтр 4 нижних частот, фильтр 5 верхних частот, согласующий усилитель-сумматор 6, катушку 7 индуктивности колебательного контура, переменный конденсатор 8, емкостный датчик 9 емкостью С0 без исследуемого материала, исследуемый

(Я

оэ

05

О5 vj

а:

материал 10, согласующий усилитель 11, первый 12 и второй 13 фазовые детекторы, дифференциальный усилитель 14, индикатор 15 45-градусного фазового сдвига нуль-индикатор 16.

Выходы генератора 1 возбуждающего сигнала высокой частоты и генератора 2 низкой частоты подключены соответственно к первому и вто- рому входам смесителя 3, выход которого соединен с входом фильтра 4 и входом фильтра 5.

Одновременно выход генератсфа 1 подключен к первому входу согласую- ,щего усилителя-сумматора 6, второй и третий входы которого соединены с первыми входами фазовых детекторов 12 и 13 и подключены к выходу фильтра 4 и выходу фильтра 5 соответст- венно.

Выходы фазовых детекторов 12 и {3 соединены соответственно с инверсным и прямым входами дифференциального усилителя 14, к прямому входу кото- рого дополнительно подключен индикатор 15 45-градусного фазового сдвига

Выход дифференциального усилителя 14 подключен к нуль-индикатору 16.

Выход согласующего усилителя-сум- матора 6 соединен с входом колебательного контура, т.е. с первым выводом катушки 7 индуктивности. Второй вывод катушки 7 индуктивности подключен к первому выводу перемен- ного конденса.тора 8, к высокопотенциальному электроду емкостного датчика 9 и к входу согласующего усилителя 11, выход которого соединен с объединенными между собой вторыми (сигнальными) входами фазовых детекторов 12 и 13.

Второй вывод переменного конденсатора 8 и низкопотенциальные электроды датчика 9 соединены с земляной шиной.

Пример. Емкостный датчик, включенный в LC-колебательный контур

где L и С - индуктивность и емкость колебательного контура, С Со + С(, С0 - емкость датчика, Сц - емкость перестраиваемого конденсатора 8, прикладывают к исследуемому материалу или веществу. В результате взаимодействия электрического поля датчика с исследуемым материалом или веществом изменяется центральная частота колебательного контура и ширина его

0

5

0 5 0

5

0

5

полосы пропускания за счет вносимых потерь в колебательный контур.

С помощью перестраиваемого конденсатора перестраивают центральную частоту fQ нагруженного LC-колебатель- ного контура на резонансную частоту fQ1 возбуждающего сигнала, соответствующую максимуму дисперсионной кривой исследуемого материала.

Возбуждают LC-колебательный контур сигналом

UBX (t) umi sin(2tf0it+q,) (1)

заданной частоты fQ1 , начальным фазовым сдвигом Ц, и стабильной амплитуды um.

Формируют первый и.второй измерительный сигналы

ин, (t , sin (2/ГЈи t+(pHl),

(2) UBl(t) Ur«&-sin (2faMlt+q ei) О)

с симметричными относительно частоты fQ возбуждающего сигнала (1) частотами

f ut f0i- Afo/2(4)

и

fe. fo, +bV2,(5)

где +Uf0/2 - значение частоты расстройки, находящимися за пределами ширины полосы пропускания AfK нагруженного LC-колебательного контура, т.е. Д. f0 ufk, где ЛЈ0 fei-fH1 - первоначальная разность частот измерительных сигналов.

Сигналы (2) и (3) формируют путем, например, смещения вниз и вверх по частоте колебаний частоты f0l возбуждающего сигнала на значение Д.Ј0/2.

Устанавливают амплитуды UtnH, и Umbl измерительных сигналов (2) и (3) на входе нагруженного колебательного контура равными амплитуде Umi возбуждающего сигнала (1), т.е. итц, УП,К итв,- ПРИ ЭТом частоты (4) и . (5) измерительных сигналов (2) и (3) выбирают из условия ослабления этих сигналов вне полосы пропускания на 40-60 дБ.

В этом случае измерительные сигналы (2) и (3) опишутся выражениями

UH,(tt) , (6 б, (О -UMl8in(2frfetfHpBt), (7)

51661676

На возбужденный LC-контур подают (первый и второй измерительные сигналы (6) и (7). Выходной сигнал LC-ко- лебательного контура опишется выражением

5 1

ивых,(с МО+ин (t)+UB (t),

где

Ui(t)k,Umisin( t+(f,+UCp,), (9)

U sJuVV H5°l 45°- (16) Аналогично

5 ,(гВг)| |-45°( 45°. (17)

В этом случае измерительные сигналы (10) и (11) описываются выражениями

г

10

UHa(t) k2Um sin( t + + CpH,-W4)(18)

Изобретение касается определения диэлектрических свойств веществ и материалов. Цель изобретения - повышение точности определения активной и реактивной составляющих комплексной диэлектрической проницаемости. Изобретение заключается в возбуждении LC-колебательного контура с датчиком, где L и C - индуктивность и емкость колебательного контура

C = C₀ + C₁

C₀ - емкость датчика

C₁ - емкость перестраиваемого конденсатора, сигналом заданной частоты, определении центральных (резонансных) частот и ширины полос пропускания колебательного контура без и при взаимодействии электрического поля с исследуемым веществом или материалом, с последующей обработкой результатов промежуточных измерений по определенному алгоритму. От известных способ отличается тем, что до (после) взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом формируют первый и второй измерительные сигналы с симметричными относительно частоты F₀₁ возбуждающего сигнала частотами F_H1 = F₀₁ - ΔF₀/2 и F_B1 = F₀₁ + ΔF₀/2, находящимися за пределами ширины полосы пропускания ΔF_K LC-колебательного контура, т. е. ΔF₀*98ДF_к, где ΔF₀ = F_B1 - F_H1 - первоначальная разность частот измерительных сигналов. 1 ил.

пИе(0-Ми1в1„ 27ЈН1 1+Ас И1), (Ю) Ubt(t) k sin(2 +

UBt(t)k3Un,isin(2 f6it+C|)ei+UCf6i), (11) fq ei+t/4), (19)

k , k4, k - коэффициенты переда- где k k$ - равные между собой ко- чи нагруженного колебательного конту- эффициенты передачи колебательного

fH, и fp

соот20

контура на -частотах fHi fo -&V2, fez Ј0, +bf,/2.

pa на частотах f0 , ветственно}

Aty utpHl,utf62- фазовые сдвиги, вносимые ненастроенным LC-колеба- тельным контуром. При настроенном контуре ДСр 0, а

,l Ив,.

Измеряют фазовые сдвиги ACfHl и ACfg .

вносимые колебательным контуром в из- 25 сдвигов, т.е. до равенства (мерительные сигналы (10) и (11), на частотах Јн и fe соответственно. В результате измерений получают

Подстраивают емкость пе конденсатора до равенства ности измеренных значений

и3 - иф о.

Фиксируют значения U S2 ДЈ,.

U, S( , S, ,

где Sj - крутизна преобразования в напряжение вносимого фазового сдвига.

Сравнивают между собой полученные значения (12) и (13) фазовых сдвигов на частотах fц и fB соответственно. При Ut ф U-Ј изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов (12) и (13). Равенство

и, и,

обеспечивается при совпадении центральной частоты f0 нагруженного LC- колебательного контура с частотой f0 возбуждающего сигнала, т.е.

fo f0i

Изменяют разность частот Uf0 измерительных сигналов (10) и (1) до значения

Af, f6,-f|

(15)

62 Н4

при котором измеряемый фазовый сдвиг, например, на частоте f первого измерительного сигнала достигает (по модулю) значения f-45Q1, т.е.

контура на -частотах fHi fo -&V2, fez Ј0, +bf,/2.

(20) (21)

Подстраивают емкость переменного конденсатора до равенства нулю разности измеренных значений фазовых

25 сдвигов, т.е. до равенства

и3 - иф о.

30

Фиксируют значения U S2 ДЈ,.

U6 Si fO, /

(22)

(23) (24)

35

40

45

где S - крутизна преобразования частоты в напряжение, разности f. частот (21) и (20) измерительных сигналов (18) и (19), на которых вносятся 45-градусные фазовые сдвиги, и частоты fо, возбуждающего сигнала.

Отделяют емкостный датчик от исследуемого материала или вещества. Отсутствие взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом приводит к уменьшению вносимых потерь, а следовательно, к повышению центральной частоты LC-колебательного контура и сужению ширины его полосы пропускания.

Для определения центральной час- 50 тоты ffl- колебательного контура увеличивают частоту fo возбуждающего сигнала до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов и , вносимых в измеритель- 55 ные сигналы

и цэ (О Umisin( + H3), (25,, Ug3(t) Umtsin(2 fBjt+ 0j),(26

где и ( - начальные фазовые

сдвиги, ненагруженным колебательным контуром.

В этом случае возбуждающий сигнал описывается выражением

W Um1sin(2 irfOit t (27) Где С1)л - начальный фазовый сдвиг.

Выходной сигнал колебательного {сонтура описывается выражением

«

fae

V Ј t j

fM,iX(t) Vt)+UHS(t)+Ub3(tb (28

иЛО - k4 Um sin(27f0 t -f + &tf,),(29)

Un,(t) k5 Um sin(27fH t +

U6-(t) - k6 Umsin(2TfB t +

, + вр(3D

(30)

k r kg и k 6 - коэффициенты передачи колебательного контура на частоЈн иЈ6з. fot-&V2, f ог + Af0/2,

(32) (33)

Utp2 ., и азовые СДВИ ги, вносимые колебательным контуром на частотах f0 , f и f« .

Равенство абсолютных значений фазовых сдвигов

или

u7 ug

(34)

U7 - Ug 0,(35)

где Ur St|btpH,l U8 ,, и коэффициентов передачи k и k (k5 kg) достигается на частотах (32) и (33) измерительных сигналов, полученных при совпадении частоты fga возбуждающего сигнала с центральной

частотой f- ненагруженного колеба- теЛьного контура, т.е. при Фиксируют значение

и VfOi

(36)

частоты возбуждающего сигнала (29), Устанавливают первоначальные значения частоты и амплитуды возбуждающего сигнала, который описывается выражением (1), В этом случае измерительные сигналы описываются выражениями, аналогичными (18) и (19), с той лишь разницей, что вносимые фазовые сдвиги отличны от ±45°. Поскольку частота f0 возбуждающего сигнала выбирается в области максимума релаксационных потерь, то изменение центральной частоты LC-коле- бательного контура приводит к снижению чувствительности измерительного процесса и к необходимости подстройки центральной частоты ffl колебательного контура до значения f0. . Это осуществляют путем увеличения значения емкости С перестраиваемого конденсатора.

Изменяют емкость С перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов йСРц. Hutfe вносимых колебательным контуром в первый и второй измерительные сигналы (6) и (7)на частотах (20) и (21), сформированные из возбуждающего сигнала с частотой f а ,

Выходной сигнад LC-колебательного контура описывается выражением

ивыуЛО U3(t) + uh (t) + + Ue,(t5,

Ч

(37)

где

0

5

о

0

5

U2.(t) k7Urntsin(2/irf0it +

(38)

5

+ lk + Ufe),

UH4(t) keUmisin(27fHat + + + ), ;(39)

(t) k,Um sin(2 J1fe t + + +

k, kg, k- - коэффициенты передачи ненагруженного колебательного контура на частотах f0 , fu и fB соответственно,

&СР , &Ц) ФазОВЫе СДВИГИ,

вносимые ненагруженным колебательным контуром на частотах f0, fНг и Ј0 . . f MAI Ч бф начальные фазовые сдвиги сигналов (38), (39), (40).

Достижение равенства абсолютных значений фазовых сдвигов Л1|.. и обеспечивается при совпадении центральной частоты f.j колебательного контура с частотой fg возбуждающего сигнала. При настроенном на частоту f 0 колебательном контуре u(f3 О

ч-чЬиЛцИ Д

Измеряют фазовые сдвиги ДСрн,и (j)g , вносимые колебательным контуром в измерительные сигналы на частотах f н и соответственно.

В результате измерений получают

Um S,-u(fH4 ,

(41)

И« S,- йСрЬ4 ,(42)

Сравнивают между собой полученйые значения (41) и (42) фазовых сдвигов на частотах f HI и f BI соответственно. При Uц0 / U изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов (41) и (42). Равенство

U

и

(43)

Ю u «

обеспечивается при равенстве центральной частоты fu ненагруженного LC-колебательного контура частоты f0 возбуждающего сигнала, т.е. при

fo

О,Изменяют разность частот Ы измерительных сигналов (39) и (40) до значения

Af«

- f

(44)

L2. L&4 L Нц при котором измеряемый фазовый сдвиг, например, на частоте fц первого из- мерительного сигнала достигает (по модулю) значения (-45°, т.е.

0)4 - I-45°

S|Uty,4 W

45°.

45

(46)

Аналогично

-S,|ACf84()

В этом случае измерительные сигналы (39) и (40)описываются выражениями

и

И4

(О keu sinafffn t +

.

q H4-ir/4)

UB4(t) k Um sin(2tf. t +

64

Bt

(47)

(48)

+tfe++ /..

где kg k9 - равные между собой коэффициенты передачи колебательного контура на частотах

н

f

04

- Aft/2

+ Нг/2.

(49) (50)

, Г°4

Подстраивают емкость С переменного конденсатора до равенства нулю разности измеренных значений фазовых сдвигов, т.е. до равенства

- U № - U,9 0,(51)

Фиксируют значение

U

4

5г- ДЈ4

разности Af частот (50) и (49) измерительных сигналов (47) и (48),

на которых вносятся 45-градусные фазовые сдвиги.

О значении- комплексной диэлектрической проницаемости судят по выражениям

Z i

f 02 ,

f Г

с{- U9

в - -иТ 1

(53)

01

10

для действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости и

15

е« Ј -() .,

LO.

(54)

20

, j$

30

- для j-мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости

6 & +jЈ, (55)

где Ј0 и f ф , &f, ий-fj - центральные частоты и ширина полос пропускания LC-колебательного контура при и без взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом.

В общем виде комплексная диэлектрическая проницаемость описывается .выражением

&-e4je -cfp- .).j

1 (56)° J

35

40

45

50

55

Формула изобретения

i

Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости, заключающийся в возбуждении LC-колебательного контура с датчиком, где L и С - индуктивность и емкость колебательного контура, С С0 + Согде С0 - емкость датчика, С - емкость перестраиваемого конденсатора, сигналом частоты fo , определении резонансных частот и ширины полос пропускания колебательного контура при и без взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом, с последующей обработкой результатов промежуточных измерений по определенному алгоритму, отличающийся тем, что, с целью повышения точности после и до взаимодействия электрического поля с исследуемым материаломя формируют первый и второй измерительные сигналы с симметричными относительно частоты

01

возбуждающего сигнала частотами

f«f fO

- ufrt/2 и fB, f0i+uffl/2,

X0 B( 0| 0

находящимися за пределами ширины полосы пропускания &ГК LC-колебатель- ного контура, т.е. &fQ гДе &f0 fg - f м - первоначальная разность частот измерительных сигналов, устанавливают амплитуды измерительных сигналов на входе колебательного контура равными амплитуде возбуждающего сигнала, при этом частоты f н и f B выбирают из условия ос лабления этих сигналов вне полосы пропускания на 40-60 дБ, затем на возбужденный LC-контур подают первый и второй измерительные сигналы, измеряют фазовые сдвиги, вносимые колебательным контуром в каждый измерительный сигнал, сравнивают между собой полученные значения фазовых сдвигов на частотах Јщ и ЈБ соответственно, изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов, изменяют разность частот Д С0 измерительных сигналов до значения uf , f - ЈНг (uf г fS4. - - при котором измеряемый фазовый сдвиг, например, на частоте первого измерительного сигнала, достигнет по модулю значения (-45°), подстраивают емкость переменного конденсатора до равенства нулю измеренных значений фазовых сдвигов, фиксируют значение .f (A.f2) разности частот измерительных сигналов,

на которых вносятся 45-ти градусные фазовые сдвиги, причем после окон- ,чания взаимодействия электрического

поля с исследуемым материалом или веществом увеличивают частоту f0 возбуждающего сигнала до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов на частотах f f0 и ffe% f0z+uf,/2 соответственно, фиксируют второе значение Ј0„ частоты возбуждающего сигнала, затем устанавливают первоначальное значение частоты и амплиту5 ды возбуждающего сигналаt изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов, вносимых колебательным контуром в первый

0 и второй измерительные сигналы на

частотах f и f&, а о значении составляющих комплексной диэлектрической проницаемости судят по выраже5

t fо 1 fi ниям с. , для с. активной

°1

составляющей комплексной диэлектрической проницаемости и Ј.

Ј ()

ог

для реактивной

составляющей комплексной диэлектрической проницаемости, где Ј0 и f0„ , 4f, и & ft - центральные частоты и ширина полос пропускания колебательного контура при и без взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом.