Способ определения диэлектрической проницаемости материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01R27/26 G01N27/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения продольной и поперечной анизотропии диэлектрических материалов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.

Известен резонансный способ измерения диэлектрических материалов с помощью малых тел, помещенных в резонатор, заключающийся в измерении резонансной частоты колебания Еою.

Однако известным способом невозможно измерить поперечную анизотропию материала. При этом известное устройство характеризуется невысокой точностью измерения и невозможностью измерения ве- личины и положения главных осей анизотропии материала.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения диэлектрической проницаемости материалов, в том числе и анизотропных, заключающийся в том, что диэлектрический образец облучают электромагнитной волной с линейной поляризацией в свободном пространстве, этим измеряют коэффициент прохождения волны, снимают зависимость коэффициента прохождения от угла поворота образца по отношению к вектору напряженности возбуждаемой электромагнитной волны и рассчитывают значения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости.

Недостатками способа является высокая трудоемкость, малая точность и чувстви- тельность, а также невозможность

g

О

ел ел

измерения продольной составляющей анизотропии диэлектрической проницаемости,

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерения попереч- ной анизотропии и обеспечение возможности измерения продольной составляющей тензора диэлектрической проницаемости.

На фиг.1 и 2 приведено устройство, реализующее способ измерения диэлектриче- ской проницаемости.две проекции.

Способ реализуется следующим образом.

Пластину из диэлектрического материала помещают в резонатор ортогонально его продольной оси. В резонаторе возбуждают симметричную волну Еоч и несимметричную волну Ни и измеряют резонансные частоты симметричного колебания fi и дуплетного колебания f2 и fa. Измеряют зависимость амплитуд дуплетного колебания при изменении угла поворота пластины относительно плоскости поляризации волны Ни, Фиксируют значения углов, при которых достигаются максимальные амплитуды от- дельных составляющих дуплетного колебания и рассчитывают величины диэлектрическихпроницаемостейЈx,Јy,Јz по результатам измерения резонансных частот колебаний из следующей системы уравнений

th l thtro t d flth -tg di-.o, М c(th (fiM tffftfdjxip thfazjts /г™) th (r,iZ,) 0,

/ Cex+ey)yoi|gSBn,im.

где zi, гз - расстояния от пластины до торцов резонатора, см;

d -толщина пластины, см:

постоrfl 4()ж

2 Ј2 янная распространения волны Eg i;

С- fa t№Ј№ № W bV}- «$л- постоянные распространения волны Ни для первой и второй поляризаций;

Уoi -Kf ;yn -Kf - постоянные затухания волн EOI и Ни в вол- поводе без диэлектрика;

2JTf i,

к, -рволновые числа свободного пространства;

#01 , X11 поперечные волновые числа волн Ео1 и Ни;

fi - измеренные частоты, Гц; С - скорость света, см/с; R - радиус волновода, см.

5 10

1520 2530

35

45

50

55

Главные оси поперечной анизотропии определяют по положению плоскости поляризации волны Ни при максимальных значениях амплитуд отдельных составляющих дуплетного колебания.

Резонатор разделен на две гальванически связанные с возможностью вращения относительно друг друга части 1 и 5, в одной из которых (1) расположена измеряемая пластина 2, в другой - петли 6 и 7 связи, сдвинутые по азимуту относительно друг друга на 180°.

При измерении колебания Еою плоскости возбуждающей 6 и измерительной 7 петель связи выставляют параллельно оси резонатора. Сигнал с генератора качающейся частоты подают на возбуждающую петлю, а с измерительной петли через детекторную секцию сигнал подают на экран регистратора. С помощью резонансного волномера измеряют частоту резонанса fi. При измерении колебания Нщ петли связи поворачивают на угол 90°, так чтобы они лежали в плоскости, ортогональной оси резонатора. Если измеряемая пластина имеет поперечную анизотропию Јх Ј у, то колебания с различной поляризацией Hz со8 р-первая поляризация и Hz вторая поляризация, имеют различные резонансные частоты, Колебание Нщ в этом случае имеет дуплетный характер, и на экране регистратора при произвольной ориентации главных поперечных осей тензора диэлектрической проницаемости относительно оси, проходящей через петли связи, наблюдается амплитудно-частотная характеристика с произвольным соотношением амплитуд дуплетного резонанса. При повороте секции 1 относительно секции 5, соотношение амплитуд дуплетного колебания меняется, и когда главная ось с наибольшей величиной диэлектрической проницаемости совпадает с осью, проходящей через петли связи, то характеристика на экране регистратора имеет наибольшую амплитуду на частоте fa. Измеряют частоту длинноволнового резонанса f2 и на указателе 4 угла поворота фиксируют положение оси х. Затем, поворачивая секцию 1, находят ее положение, при котором максимальна амплитуда коротковолнового резонанса на частоте fa. Измеряют частоту f и фиксируют положение оси у. По измеренным частотам колебаний Нщ f2, fs и известным размерам резонатора и пластины, решая систему уравнений (2), находят неизвестные величины ехи Ју затем, решая уравнение (1), по известной частоте колебания Еою и вычисленным значениям Јхи Ју находим

Определение компонент тензора диэлектрической проницаемости и положение главных осей в поперечном направлении можно проводить в устройстве, представляющем собой два отрезка волновода, гальва- нически связанные между собой с возможностью вращения относительно друг друга. В одном отрезке расположена измеряемая пластина, а в другом возбуждающая и измерительная петли связи. Для того, чтобы открытые концы волновода не влияли на колебания в диэлектрическом резонаторе, длина каждого из отрезков волновода должна быть больше или равна двум его диаметрам. Значения компонент тензора диэлектрической проницаемости по из- меренным резонансным частотам колебания волны EOI и дуплетного колебания волны Нц определяются из системы уравнений:z() г„, г«

л .1

t0(ro,cO

№-Ј№ -

( ги I - «и

которая следует из (1) и (2), если расстояние до стенок резонатора zi и гз устремить к бесконечности.

Определение компонент тензора диэлектрической проницаемости можно также проводить, возбуждая волны ЕОР и HIP, в этом случае при вычислении значений Ј х , Ј у , е z в уравнениях (1) и (2) необходимо заменить поперечные волновые числа %01 и я 11 на %0р и %1Р соответственно.

Формула изобретения 1. Способ определения диэлектрической проницаемости материалов, заключающийся в том, что облучают диэлектрический образец электромагнитной волной, измеряют коэффициент прохождения волны, определяют зависимость коэффициента прохождения от угла поворота образца по отношению к вектору напряженности возбуждаемой электромагнитной

волны и рассчитывают значения поперечной анизотропии диэлектрической проницаемости, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения поперечной анизотропии и обеспечении возможности одновременного определения продольной составляющей тензора диэлектрической проницаемости, образец в виде пластины помещают в резонатор ортогонально его продольной оси, где кроме симметричной волны EOI дополнительно возбуждают несимметричную волну Нц и измеряют резонансные частоты симметричного колебания fi и дуплетного колебания Т2, fa, а при вращении образца фиксируют значения углов, при которых достигаются максимальные амплитуды отдельных составляющих дуплетного колебания рассчитывают величины диэлектрических проницаемостей в продольном z и поперечном х, у направлениях s х , е у , Ј z по результатам измерения резонансных частот, а главные оси х, у поперечной анизотропии определяют по

положению плоскости поляризации волны Ни при максимальных значениях амплитуд отдельных составляющих дуплетного колебания.

2. Устройство для определения диэлектрической проницаемости материалов, содержащее цилиндрический резонатор с устройством закрепления пластины, устройство возбуждения колебаний, резонансный волномер и регистратор, отличающ е е с я тем, что , с целью повышения чувствительности и точности измерения поперечной анизотропии и обеспечении возможности одновременного определения продольной составляющей тензора диэлектрической проницаемости, резонатор разделен на две гальванически связанные с возможностью вращения одна относительно другой части, в одной из которых расположена измеряемая пластина, в другой петли связи, сдвинутые по азимуту одна относительно другой на 180°С.

и

.1

s

Изобретение относится к технике измерения составляющих диэлектрической проницаемости в цилиндрическом резонаторе при возбуждении симметричной волны EOI и несимметричной Ни, согласно изобретению измеряют резонансные 4астоты симметричного и дуплетного колебаний. Снимают зависимость коэффициента прохождения от угла поворота образца по отношению к вектору напряженности волны EOL По результатам измерения резонансных частот рассчитывают значения тензора диэлектрической проницаемости, а главные оси поперечной анизотропии определяют по положению плоскости поляризации волны Ни при максимальных значениях амплитуд отдельных составляющих дуплетного колебания. Резонатор, используемый для измерений, разделен на две гальванически связанные части с возможностью вращения друг относительно друга. 2 с.п. ф-лы, 2 ил

Редактор Л.Пчолинская

7 Фиг. 2

Составитель Ю.Коршунов

Техред М.МоргенталКорректор Е.Островская

5