Способ определения фазового сдвига при исследовании материалов или веществ Советский патент 1993 года по МПК G01V3/12 G01R25/02 

-г - Изобретение относится к фазоизмери- тельной технике и может быть использовано для определения фазового сдвига излуче- ния в среде его распространения при иссле- довании материалов или веществ с помощью радиоволновых методов.

Известен способ определения фазового сдвига радиоволновым методом, в котором передающей антенной излучают радиоволны, принимают приемной антенной излученный сигнал, передают в точку измерения опорный сигнал и измеряют фазовый сдвиг принятого сигнала относительно опорного сигнала.

Недостатком этого способа является неоднозначность фазовых измерений, т.к. измеряемый фазовый сдвиг может превысить 360°, а это не учитывается в указанном техническом решении.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения фазового сдвига излучения в среде его распространения, заключающийся в разделении радиоволнового излучения на опорное и зондирующее, приеме зондирующего излучения, прошедшего через исследуемую среду, сравнении фазы принятого излучения с опорным, измерении дробной части фазового сдвига, регулировании частоты излучения до получения нулевого фазового сдвига, изменении частоты излучения до ближайшего значения, при котором индицируется следующий нулевой фазовый сдвиг и определении фазового сдвига излучения ДФ по формуле

ДФ 2яш

У2 -0)1

где (о - частота излучения, при которой наблюдается нулевой фазовый сдвиг; одг - ближайшая частота излучения, при которой имеет место следующий нулевой фазовый сдвиг.

В этом способе определение фазового сдвига излучения связано с изменением частоты излучения. Последнее позволяет исключить неоднозначность фазовых

ел

С

Х|

ю

О) Jb О

кэ

измерений и определить результирующий фазовый сдвиг при любом соотношении протяженности исследуемой среды и длины волны излучения.

Недостатком этого способа является то, что изменение частоты излучения приводит к появлению дополнительных методических погрешностей, вызванных частотной зависимостью входного сопротивления антен- ны, неизбежной неидентичностью электрических длин цепей с распределенными параметрами для опорного и зондирующего излучения, зависимостью электрофизических параметров среды распространения от частоты. Кроме того, при3 изменении частоты происходит неконтролируемое изменение характера взаимодействия между исследуемым образцом материала и антеннами, что приводит к дополнительным изменениям фазового сдви- га. Все это существенно снижает точность определения результирующего фазового сдвига. . :, ., ,. : ,.,.

Целью изобретения является повышение точности способа. /... ..

На чертеже представлены схема устройства для осуществления заявленного

СПОСОба.. .; . .X -., : ;.. -..-. :./. ---: . - -.-Л

Устройство содержит высокочастотный генератор 1, делитель 2 мощности, вентиль 3, излучающую антенну 4, исследуемую среду 5, приемную рупорную антенну 6, поло- совой фильтр 7, электронный фазометр 8, регулирующие аттенюатор 9 и фазовраща- тель 1.6, а также диэлектрическую пластину (на чертеже не показано).

Сущность предложенного способа заключается в следующем. ....Фазовый сдвиг ДФс сигнала излучения, прошедшего расстояние dc от источника излучения в среде с фазовой постоянной/ , определяется выражением

ДФс-0-dc . :- , (1)

Для измерения этого фазового сдвига задающие высокочастотные колебания раз- дел я ют на опорные и. зондирующие. Зонди- рующие колебания излучают в исследуемую среду. Прошедшее через среду излучение принимают и полученный сигнал сравнивают по фазе с опорным сигналом. Уравнива- ют электрические длины измерительного и опорного каналов, в которых распространяются соответственно зондирующий-и опорный сигналы, при отсутствии исследуемой

.

среды между излучающей и приемной ан теянами. Вводят исследуемую среду между антеннами и измеряют разность фаз сравнивающих сигналов.

.

5 10 1520

25

3035

40

45 . 50. 55

При замещении воздушной среды между антеннами исследуемой средой разность фаз АФс сигналов будет определяться разностью фазовых постоянных среды распространения и воздуха

ДФ1 (,)а-с, .(2)

где j30 - фазовая постоянная воздуха.

Если длина волны радио.вол нового излучения многим меньше толщины зондируемой среды, то фазовый сдвиг излучения

АФ1 2 л (М + р),(3) где N - целое число фазовых циклов в 2 л ; р - дробная часть последнего фазового цикла.

В результате сравнения фаз измеряют дробную часть фазового цикла Др1 2 п. p ()dc-2 яг N. (4)

На пути излучения вводят пластину из диэлектрика с малыми потерями, которая вносит дополнительный фазовый сдвиг

, / .; . :

Измеряют дробную часть фазового сдвига А0 излучения после введения пластины .

Дде + Дрп ()dc-2

jrN + (y5n-A)dn,:(5)

фазовая постоянная пластины, ;. . Затем выводят пластину из среды распространения и изменяют направление распространения излучения на угол а. При той же толщине исследуемой среды путь d прохождения зондирующего излучения увеличивается до значения

V-.-E&T:.-: ;«

С учетом изменения длины пути фазовый сдвиг излучения возрастет и станет равным Дузз :

A()dc -2 rN. (7) ч Из выражений (1)-(7) получают фазовый сдвиг излучения в среде его распространения

ДФ - Ачй.-ДрГ. Афс ДуяГ-Д г

T()dn+/50dc. (8)

Для исключения влияния погрешности в определении угла а, входящего в выражение (8), на точность измерения фазового сдвига излучения последовательные измерения дробных частей фазового сдвига излучения производят в следующей последовательности.

После измерения разности фаз , значение которой определяется выражением (5). изменяют направление распространения зондирующего излучения на угол а . В результате этого увеличивается путь dc

прохождения излучения в исследуемой среде и пластине до значения

. // dc.+ dn,, dc --соТТГ- (9) При этом фазовый сдвиг излучения возрастает и разность фаз сравниваемых сигналов становится равной

dc

(Р-Ы-Ј7Г +

cosa

(/Sn-AO

dn

cos a

-2 ЯМ.

Из выражений (1)-(10) получают фазовый сдвиг излучения в среде его распространения, не зависящий от угла а

ДФ -Aff3-Ay i .

- А(р2 +

(Ai -Д ) dn +# dc.(11)

Из полученных выражений следует, что фазовый сдвиг излучения в среде его распространения однозначно определяется по дробным частям фазового сдвига, измеренным при начальных условиях распространения, дополнительном введении диэлектрической пластины на пути излучения, изменении направления распространенияизлучения, выведении диэлектрической пластины из тракта излучения с последующим вычислением результирующего фазового сдвига излучения по предложенным формулам (8) или (11). Постоянство частоты радиоволнового излучения исключает неконтролируемые изменения фазового сдвига, связанные с изменением длины волны излучения.

Устройство для осуществления предложенного способа работает следующим образом.

. Сигнал высокочастотного генератора 1 разделяется делителем 2 мощности на зондирующий и опорный. Зондирующий сигнал через вентиль. 3 поступает в рупорную антенну 4, с помощью которой излучается в исследуемую среду 5. Прошедшее среду излучение принимается рупорной антенной 6 и соответствующий сигнал через полосовой фильтр 7 поступает на один из входов фазометра 8, На другой вход фазометра 8 поступает опорной сигнал, проходящий через регулирующие аттенюатор 9 и фазовраща- тель 10.

Вначале показание фазометра 8 устанавливается равным нулю фазовращателем 10 при расстоянии между антеннами 4 и б в воздухе, равным толщине исследуемой среды 5. Затеи антенны 4 и 6 устанавливаются по обеим сторонам исследуемой среды 5 по

горизонтали. Аттенюатором 9 выравнивают уровни зондирующего и опорного сигналов, поступающих.на входы фазометра 8.

Проводят несколько измерений дробт ной части фазового сдвига излучения фазометром 8. Затем вводят в измерительный тракт диэлектрическую пластину. Измеряют фазометром 8 полученную разность фаз Д#2. Далее выводят диэлектрическую

пластину из измерительного тракта и изменяют направление излучения через исследуемую среду 5, перемещая приемную антенну б по вертикали в пределах диаграммы направленности излучающей антенны 4.

Измеряют разность фаз А.рз и рассчитывают угол изменения направления излучения а arctg h/dc, где h - перемещение приемной антенны 6 по вертикали.

По формуле (8) определяют результирующий фазовый сдвиг излучения в среде 5.

Для повышения .точности измерения фазового сдвига путем исключения погрешностей, связанных с измерением толщины исследуемой среды 5 и перемещения антенны 6, проводят дополнительное измерение фазового сдвига при введенной пластине и измененном направлении излучения. Результирующий фазовый сдвиг излучения определяют по формуле (11).

Конкретный пример осуществления способа.

Исследования проводились по определению влажности бетонных стенок при частоте высокочастотного излучения 500-600

МГц, которое проникало через пластину влажного бетона до 3 м. Разность фаз сигналов измерялась высокочастотным фазометром типа ФК2-12, а зондирующее излучение формировалось с помощью генератораГ4-7б.

Результирующий фазовый сдвиг излучения в бетонной стене толщиной 2 м при изменении влажности от 60% до 10% изме- . нялся от 12,6тг. до 5,3 ж . В качестве диэлектрической пластины использовалась пластина из фторопласта толщиной 10 мм, создающая дополнительный фазовый сдвиг при частоте 60 МГц, равный 3,5°,

Угол изменения направления излучения

выбирался в пределах 10-15°, обеспечивающих изменение разности фаз сигналов до 5-10° в зависимости от плотности бетона.

Использование предложенного способа определения фазового сдвига излучения

в среде распространения обеспечивает по сравнению с существующими способами исключение неоднозначности фазовых измерений без изменения частоты (длины волны) ради,рвол нового излучения и

повышение точности измерения за счет измерения дробных частей фазового сдвига на

, фиксированной частоте без фазочастотных погрешностей.

Использование: в фазово-измеритель- ной технике и в разведочной геофизике. Сущность изобретения: передающей антенной излучают радиоволны в исследуемом материале, принимают в точке приема излученный сигнал и опорный сигнал, измеряют фазовый сдвиг между этими сигналами, вводят между одной из антенн и исследуемым материалом диэлектрическую пластину, вновь измеряют фазовый сдвиг, затем пластину выводят, изменяют направление излучений, третий раз измеряют фазовый сдвиг и по полученным результатам судят о величине фазового сдвига излучения в среде его распространения. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения 1, Способ определения фазового сдвига при исследовании материалов или веществ, в котором передающей антенной излучают радиоволны на одной границе слоя исследуемой среды, принимают приемной антенной излученный сигнал в первой точке на другой границе того же слоя, передают в точку измерения опорный сигнал из точки излучения и измеряют дробную часть фазового сдвига принятого сигнала относительно опорного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, дополнительно измеряют фазовый сдвиг Дда после введения между одной из антенн и границей слоя исследуемой среды пластины из-диэлектрика, затем указанную пластину выводят, .перемещают передающую или приемную антенну на расстояние h от не- ходного положения во вторую точку и измеряют фазовый сдвиг , а о величине фазового сдвига ДФС излучения в среде его распространения судят по формуле

10 5 0 5

0

(-/i.)dn+/iodc.

где /5 - фазовая постоянная исследуемой среды;

dc - толщина зондируемого слоя исследуемой среды;

а arctg h/dc - угловое измене,-:и. направления распространения зондирую щ;его излучения;

dn - толщина диэлектрической плзсгм ны;

м А фазовые постоянные соответственно диэлектрической пластины и воздуха.

2, Способ по п. 1,отличающимся тем, что, с целью исключения погрешностей, обусловленных неточностью учетз взаимного положения передающей и. приемной антенн, дополнительно измеряют фезовый сдвиг во второй точке после введения указанной пластины из диэлектрика одной из антенн и границей слоя исследуемой среды, а отношение cos a/1-cosa рассчитывают исходя из выражения cos a A(p2 - Afft 1 -cos a - Ддо - Дда + Д р-