СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ Советский патент 1995 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к исследованию материалов электрическими методами. Преимущественная область использования измерение диэлектрических параметров газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

Известен способ измерения оптических постоянных поглощающей среды, включающий разделение монохроматического когерентного излучения на зондирующее (ЗИ) и опорное (ОИ) излучения, совмещение ЗИ, прошедшего исследуемую среду, с ОИ, прошедшем эталонную среду, с образованием интерференционной полосы в поле зрения приемника оптического излучения, измерение интенсивности U₁ этой полосы, прерывание OИ и измерение интенсивности излучения U₂ на выходе исследуемой среды, включение и прерывание 3И, измерение интенсивности излучения U₃ на выходе эталонной среды, определение показателей преломления n(ν ) и поглощения k( ν) исследуемой среды по формулам
n(ν) n_o arccos[U₁-U₂-U₃]/2, (1)
k(ν) k (2) где n_o и k_о показатели преломления и поглощения эталонной среды;
l и l_о оптические длины исследуемой (l) и эталонной (l_o) сред, м;
c 3 ˙10⁸ м/с;
ν частота когерентного излучения, Гц.

Недостатком такого способа является ограниченность его использования только в оптическом диапазоне волн и неоднозначность определения показателя преломления n( ν), что связано с периодичностью функции cosx.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения диэлектрических параметров материалов, включающий свипирование частоты электромагнитной волны (ЭМВ) возбуждения интерферометра, разделение ЭМB возбуждения на две когерентные волны, возбуждение этими волнами двух каналов интерферометра опорного (ОК) и зондирующего (ЗК) с исследуемым образцом, смешивание ЭМВ обоих каналов на их выходах до образования интерферограммы, измерение интенсивности смешанной ЭМВ, смещение интерферограммы смешанных волн на 180^о без искажения амплитудных оставляющих во всем диапазоне свипирования частоты, повторное измерение интенсивности смешанной ЭМВ и определение диэлектрических параметров исследуемого образца по известным соотношениям.

Известный интерферометр содержит свип-генератор СВЧ, первую радиолинию, состоящую из выхода генератора СВЧ, первой диэлектрической линзы, первого поляроида и входа первого делителя, вторую радиолинию, состоящую из последовательно расположенных выхода первого делителя, первого отражателя и первого входа второго делителя и составляющую ОК интерферометра, третью радиолинию, состоящую из последовательно расположенных второго выхода первого делителя, исследуемого образца, второго отражателя и второго входа второго делителя и составляющую ЗК интерферометра, и четвертую радиолинию, состоящую из последовательно расположенных выхода второго делителя, второго поляроида-анализатора, второй диэлектрической линзы и приемника-регистратора.

Измерение диэлектрических параметров материалов данным способом производят следующим образом. Возбуждающую ЭВМ на выходе свип-генератора СВЧ первой диэлектрической линзой преобразуют в плоскую волну и направляют на первый поляроид, преобразующий эту волну в волну линейной поляризации, у которой вектор ориентирован под углом 45^о к вертикали. С выхода поляроида волну направляют на вход первого делителя, который делит ее на две когерентные волны: первую волну ОК с ориентацией вектора вертикально и вторую волну ЗК с ориентацией вектора горизонтально. Прошедшие ОК и ЗК волны смешивают на выходе второго делителя. Смешанную волну направляют на второй поляроид-анализатор, которым выравнивают амплитуды волн обоих каналов на выходе каждого из каналов. Полученную интерферограмму смешанных волн направляют через вторую диэлектрическую линзу на вход приемника-регистратора.

Определяют аппаратную функцию f( ν) генератора СВЧ в отсутствие исследуемого образца в ЗК. Для этого выравнивают амплитуды сигналов ОК и ЗК на их входах с помощью второго поляроида-анализатора, измеряют интенсивности l₁( ν) смешанного сигнала в исходном положении интерферометра и l₂(ν ) при сдвиге фаз на 180^о. Определяют f( ν) по формуле f(ν ) l₁( ν) + l₂( ν).

Возвращают фазы каналов в исходное положение. Перемещают первый делитель вдоль оси первой радиолинии в отсутствие исследуемого образца в ЗК и находят положение минимума показаний приемника (точках х₁). Вводят в ЗК исследуемый образец, измеряют интенсивность l₃(ν ) смешанного сигнала. Снова перемещают первый делитель вдоль оси первой радиолинии и находят положение минимума показаний приемника (точках х₂). Определяют коэффициент преломлений n исследуемого образца по формуле
n + 1, (3) где l толщина исследуемого образца, м;
х₁ и х ₂ в метрах.

По измеренным интенсивностям l₁( ν) и l₂( ν) измеряют затухание ЭМВ в исследуемом образце и коэффициент поглощения κ. Определяют действительную ε ' и мнимую ε'' части комплексной диэлектрической проницаемости материала исследуемого образца по формулам
ε '= n² κ ²; ε''= 2nκ.

Прототип частично устраняет первый недостаток аналога: диапазон рабочих частот может быть снижен до 100 ГГц, но все же остается ограниченным, что связано, прежде всего, с тем, что в качестве линий передачи в интерферометре используют радиолинии.

Измеряемая интенсивность смешанного сигнала l( ν) на выходе второго делителя при равных амплитудах сигналов на входах обоих каналов равна l(ν ) f( ν) cos²( ϕ/2), т.е. является периодической функцией с периодом π, что приводит к неоднозначности определения коэффициентов n и κ, что снижает достоверность определения ε₁ и σ_o.

Неоднозначность определения n и κ приводит к снижению точности измерений ε' и ε''. К снижению точности измерений приводит еще и наличие отражений от неоднородностей в радиолиниях интерферометра (например, границы раздела "воздух исследуемый образец", входы и выходы делителей и т.п.); особенно это заметно на коротких исследуемых образцах, например, длиной l < λ_o/3. Влияние отражений связано, прежде всего, с тем, что для определения n и κ используют суммарный смешанный сигнал, величина которого определяется не только амплитудами сигналов ОК и ЗК на их выходах, но и разностью ϕ фаз между сигналами ОК и ЗК.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона, повышение достоверности и точности определения.

Достигнутая точность определения ε_г и σ_o составляет не более ±10% и не превышает погрешности измерения регистрации, что в два и более раза превышает точность определения по сравнению с прототипом.

Способ дает возможность работать в сантиметровом, дециметровом, метровом диапазоне волн. За счет исключения неоднозначности определения диэлектрической проницаемости повышена достоверность определения параметров материала.

Эта цель достигнута тем, что в способе определения диэлектрических параметров материалов, включающем разделение электромагнитной волны на две когерентные, одновременную передачу этих волн по двум каналам опорному и зондирующему с исследуемым образцом, измерение затухания электромагнитной волны в образце и определение диэлектрических параметров материала исследуемого образца расчетным путем, электромагнитную волну до разделения модулируют последовательностью видеоимпульсов с длительностью импульса и τ_u периодом повторения Т_nпреобразуют в плоскую волну, измеряют время задержки Δt видеоимпульсов зондирующего канала относительно видеоимпульсов опорного канала, а длительность τ_u, период повторения Т_n и диэлектрические параметры ε_r и σ_o определяют из соотношений
+ 10 T_o≅ τ_и, (4)
T_n ≥5τ_u, (5)
ε_r= + 1-, (6)
σ_o= + 1, (7) где ε_r диэлектрическая проницаемость материала исследуемого образца;
σ_o удельная электропроводность этого материала, см/м;
ε заданная расчетная диэлектрическая проницаемость этого материала;
l заданная длина исследуемого образца, м;
с 3˙ 10⁸ м/с;
T_о заданный период рабочей частоты, с;
λ_o сТ_о заданная длина волны в свободном пространстве, м;
α измеренное затухание ЭМВ в исследуемом образце, дБ.

На чертеже приведена блок-схема устройства для определения диэлектрических параметров материалов по предлагаемому способу.

Определение диэлектрических параметров материалов согласно предлагаемому способу производят следующим образом. Модулируют СВЧ-колебания последовательностью видеоимпульсов с заданными длительностью импульса τ_u и периодом повторения Т_n, например, путем подачи такой последовательности с выхода генератора видеоимпульсов на вход внешней модуляции СВЧ. Промодулированную ЭМВ радиоимпульсы на выходе генератора СВЧ разделяют на две когерентные волны, например, с помощью тройника. Разделенные ЭМВ направляют по линиям передачи ОК и ЗК без исследуемого образца, где они преобразуются в плоские ЭМВ, например, выполненные в виде двухпроводной или коаксиальной линии. На выходах обоих каналов радиоимпульсы детектируют, а полученные видеоимпульсы подают на измерительный прибор, например осциллограф, для измерения амплитуд. Измеряют начальное время задержки Δ t_o видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК без исследуемого образца в линии передачи ЗК. Помещают исследуемый образец в линию передачи ЗК и вновь измеряют время задержки Δt₁ видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК. Вычисляют фактическое время задержки Δt по формуле Δ t Δ t₁ Δt_o.

Определяют затухание α ЭМВ в исследуемом образце, например, путем измерения амплитуд падающей и отраженной U_пад1, U_отр1 волн на входе исследуемого образца и прошедшей U_пр1 волны на выходе исследуемого образца и расчета затухания α ЭМВ по формуле
α 20 lg 10 lg1 . (8)
Определяют диэлектрические параметры материала исследуемого образца ε_r и σ_o по формулам (6) и (7).

Выбор длительности импульса τ_u модулирующей последовательности производят следующим образом. Задают длину l исследуемого образца и рабочую частоту f_о. Определяют период T_o 1/f_o. Определяют по справочнику ε материала исследуемого образца. Определяют по формуле (4) длительность импульса τ_u модулирующей последовательности, а по формуле (5) период повторения Т_n.

Устройство для осуществления спсоба содержит генератор СВЧ (ГСВЧ) 1, генератор видеоимпульсов (ГВ) 2, выход которого подключен к входу внешней модуляции ГСВЧ 1, последовательно соединенные вентиль 3 и тройник (ТР) 4, подключенные к выходу ГСВЧ 1, последовательно соединенные первый аттенюатор (АТ) 5, эталонный отрезок линии передачи (ЭЛП) 6 и первый амплитудный детектор (АД) 7, подключенные к первому выходу ТР 4 и составляющие линию передачи ОК, последовательно соединенные второй АТ 8, направленный ответвитель (НО) 9, линию передачи с исследуемым образцом (ЛПО) 10 и второй АД 11, подключенные к второму выходу ТР 4 и составляющие линию передачи ЗК, первый 12 и второй 13 детекторы (Д) 12 и Д 13, подключенные соответственно к выходам падающей и отраженной волн НО 9, и регистратор 14, к входам которого подключены соответственно: к первому выход первого АД 7, к второму выход второго АД 11, к третьему выход первого Д 12, к четвертому выход второго Д 13, к входу синхронизации выход синхронизации ГВ 2.

Измерение диэлектрических параметров материалов устройством производят следующим образом. Устанавливают на ГВ 2 соответствующие длительность τ_u и период повторения Т_n. Модулируют ГСВЧ 1 импульсной последовательностью ГВ 2. Одновременно с началом модуляции ГСВЧ 1 импульсов синхронизации ГВ 2 запускают регистратор 14. Радиоимпульсы с выхода ГСВЧ 1 через вентиль 3 подают на ТР 4, в котором разделяют их на две когерентные волны ОК и ЗК. Радиоимпульсы ОК подают через первый АТ 5, ЭЛП 6 на первый АД 7. Видеоимпульсы с выхода первого АД 7 подают на первый вход регистратора 14. Радиоимпульсы ЗК с второго выхода ТР 4 подают через второй АТ 8, НО 9, ЛПО 10 на второй АД 11. Видеоимпульсы ЗК с выхода второго АД 11 подают на второй вход регистратора 14. В отсутствие исследуемого образца в ЛПО 10 измеряют амплитуды видеоимпульсов ЗК и ОК на регистраторе 14 и выравнивают их амплитуды с помощью первого и второго АТ 5 и АТ 8. Выравнивание амплитуд сигналов в ЗК и ОК производят потому, что с сигналами, амплитуды которых в исходном состоянии равны, в дальнейшем удобнее и проще работать. Измеряют начальное время задержки Δ t_o по временному сдвигу фронтов видеоимпульсов ЗК и ОК в отсутствие исследуемого образца. Вводят исследуемый образец материала в ЛПО 10 и снова пропускают по обоим каналам радиоимпульсы. Измеряют время задержки Δ t₁ видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК в присутствии исследуемого образца. Определяют фактическое время задержки Δ t Δt₁ Δt_o. Измеряют амплитуду U_пр1 видеоимпульса ЗК на втором входе регистратора 14 в присутствии исследуемого образца.

Радиоимпульсы с выхода падающей волны НО 9 подают на первый Д 12, а с выхода отраженной волны НО 9 на второй Д 13. Видеоимпульсы с выходов Д 12 и Д 13 подают на третий и четвертый входы регистратора 14, измеряют амплитуды падающей волны U_пад1 на третьем входе регистратора 14 и отраженной волны U_отр1 на четвертом входе.

Определяют затухание α ЭМВ в исследуемом образце по формуле (8), а диэлектрические параметры исследуемого образца по формулам (6) и (7).

Сущность изобретения: способ включает в себя модуляцию монохроматтической электромагнитной волны (ЭВМ) импульсной последовательностью с длительностью импульса и периодом повторения T_п≥ 5τ₄, где ε заданная расчетная диэлектрическая проницаемость: l длина образца c = 3·10⁸м/с ; T_o заданный период рабочей частоты, и преобразование ЭВМ в плоскую волну, разделение промодулированной плоской ЭВМ на две когерентные волны, одновременную передачу этих волн по двум каналам опорному (ОК) и зондирующему )ЗК) и исследуемым образцом, измерение затухания α ЭВМ в исследуемом образце, преобразование радиоимпульсов на выходах обоих каналов в видеоимпульсы, измерение времени задержки Dt видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК, определение диэлектрической проницаемости ε_r и удельной электропроводности σ_o материала исследуемого образца по формулам ε_r= (cΔt/l+1)²-(αλ_o/17,4πl)²; σ_o= α/521πl·(cΔt/l+1), где λ_o заданная длина волны в свободном пространстве (λ_o= cT_o). 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ, включающий разделение электромагнитной волны на две когерентные, одновременную передачу этих волн по двум каналам опорному и зондирующему с исследуемым образцом, измерение затухания электромагнитной волны в образце и определение диэлектрических параметров материалов исследуемого образца расчетным путем, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, повышения достоверности и точности определения, электромагнитную волну до разделения модулируют последовательностью видеоимпульсов с длительностью импульса τ_и и периодом повторения T_п преобразуют в плоскую волну, на выходах обоих каналов выделяют видеоимпульсы, измеряют время задержки Δt видеоимпульсов зондирующего канала относительно видеоимпульсов опорного канала, а длительность импульсов τ_и период повторения T_п и диэлектрические параметры ε_r и σ_o определяют из соотношения

T_п ≥ 5τ_и
ε_r=(Δt·c/1+1)²-(αλ_o/17,4πl)²
σ_o=α/521πl·(c·Δt/1+1)
где ε_r диэлектрическая проницаемость материала исследуемого образца;
σ_o удельная электропроводность материала, См/м;
ε заданная расчетная диэлектрическая проницаемость этого материала;
l заданная длина исследуемого образца, м;
c 3 · 10⁸ м/с,
T₀ заданный период рабочей частоты, с;
l_o=cT_o заданная длина волны в свободном пространстве;
α измеренное затухание электромагнитной волны в исследуемом образце.