Способ и устройство для определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве Советский патент 1981 года по МПК G01N21/41 

длин волн m и остаточному фазовому сдвигу . Коэффициент преломления вычисляется по формуле

ffCit)Таким образом, для вычисления коэффициента преломления необходимо определить не только частоту поля f и фазовый сдвиг ф , но и количество целых длин волн m, укладывающихся в толщине испытываемого образца диэлектрика. Определение m осуществляется с помощью небольших изменений толщины образца, приводящих лишь к некоторому изменению остаточного фазового сдвига Ч на фиксированной частоте.

Для измерения m используют два образца толщиной d и d2/ причем dj d.Число m вычисляется по формуле

J.t.. , 2п;

где If и Ч - фазовые сдвиги для образцов .

Этим способом можно определить ко эффидиент преломления образцов диэлектрика любой толщины и произвольным показателем преломления при условии, что при изменении толщины образца от d до d2 выполняется соотношение 21Г.

Способ предполагает наличие двух образцов диэлектрика (со строго одинаковыми коэффициентами преломления) раЭличной толщины d и dj. Толщины d и d образцов должны удовлетворять неравенству, в котором/Ц -4 2 2ЯГ,поэтому и здесь необходимы априорные данные о величине коэффициента преломления. Каждый цикл измерений коэффициента П1 еломления должен проводиться на фиксированной частоте,что не позволяет автоматизировать измерение коэффициента преломления в диапазоне частот, а сам процесс измерений сравнительно трудоемок, особенно при измерении крупногабаритных и тяжелых образцов диэлектрика.

Устройство для осуществления этого способа содержит измерительную схему,приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца.

Точность измерения коэффициента преломления определяется точностью измерения частоты генератора и стабилы остью его частоты, точностью иэме| ния толщины образца диэлектрика с помощью измерительной линейки, точностью определения положения перемещаемого рупора и точностью определения положения минимума стоячей волны в волноводе, которое обычно осуществляется с помощью метода вилки. Кроме этого, точность измерений зависит от положения образца диэлектрика между антеннами, наличием переотражений в системе и от окружающих измерительный стенд предметов 2.

Однако в связи с тем, что способ предполагает измерение положения минимума стоячей волны в волноводе без испытуемого образца и с образцом, 5 картина дифракционных полей изменяется при каждом новом цикле измерений, что существенно снижает точность измерений. Оценка относительной среднеквадратической ошибки измерений дает

величину не менее 7-10%.

Цель изобретения - ускорение и повышение точности измерений в заданном диапазоне частот, упрощение конструкции.

5 Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента преломления плоских образцов диэлектрика в свободном пространстве , основанному на измерении частоты электромагнитного поля, измеряют, по крайней мере, три последовательно расположенных частоты f внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной

5 прозрачности, а коэффициент преломления п- определяется с помощью выражения

« хчшщшян:

где п - коэффициент преломления

свободного пространства, 0 - угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверх0ности образца, град ;

if- - i-ая частота внутреннего

резонанса, Гц;

,2, - номер частоты внутреннего резонанса, начиная с 5минимальной частоты;

d - толщина образца, см; с - скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространст0 см/с; °

Е - целая часть числа. В устройстве для осуществления данного способа, содержащем измерительную схему, приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца, приемная и передающая антенны установлены неподвижно, а в измерительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты,соединенный через делитель мощности с 0 передающей антенной, и устройство регистрации поля в полосе качания частоты, к одному из входов которого через делитель мощности, аттенюатор и детекторную секцию подключен генера5 ISP а к другому входу подключена через детекторную секцию, приемная антенна. На фиг. 1 представлена блок схема устройства; на фиг. 2 и 3 - дисперсионные зависимости коэффициента преломления n(f) и коэффициента прохождения поля T(f) образца диэлектрика (кривые 12 и 13 соответственно). Величинами обозначены значения частот внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной прозрачности. Закон преломления, в данном случае, принят нормальным. Сигнал от генератора 1 качающейся частоты разветвляется на две части делителем 2 мощности. Одна часть излучается передающей антенной 3 (например, рупором), другая часть через прецизионный аттенюатор 4 и детекторную секцию 5 подается на индикаторное устройство б с самописцем 7 и служит опорныг сигналом. Высокочастотный сигнал, излученный антенной 3, проходит через образец диэлектрика 8 и принимается приемной антенной 9 (например, рупором). Принятый сигнал через детекторную секцию 10 также подается на индикаторное устройство 6. Пространство, в котором расположен испытываемый образец, экранированно поглощающим материалом 11 для уменьшения влияния переотражений на точность измерения. Генератор и индикаторное устройство охвачены синхронизацией. Если на откалиброванный стенд устанавливается испытываемый образец диэлектрика, то индикаторное устройство с помсчцью самописца и осцилографа (не показаны) фиксирует величину прошедшего через образец поля в полосе качания частоты, а также частоты внутреннего резонанса образца (частоты максимальной и минимальной прозрачности). При необходимости процесс измерений может быть полностью автоматизирован.При этом результаты измерения частот внутрениего резонанса подаются непосредственно на ЭВМ, где происходит их соответствующая обработка, определение величины коэффициента преломления на резонансных частотах и графическое построение дисперсионных зависимостей (в диапазоне частот) коэффициента преломления в заданном масштабе. Коэффициент преломления образца п- на любой резонансной частоте заданномдиапазоне частот определяюГт из следующих соображений. На частоте внутреннего резонанса модуль коэффициента прохождения образца Т (Я ) .J 2Z-i 2г . /2Ii-Z2, 2, TCiihib/ iw((iv)« ;(4) «5, i где пр 1 зн то но где гдё Из чис ваю осн пос рен мер обх раз ся ент тел вну f ния ли вае вер :f с.11(в )асо5в,в -угол преломлений, град; п(в ) -коэффициент преломления образца; Z и Zj, - нормальные импедансы свободного пространства и образца диэлектрика соответственно инимает свое максимальное (равное без учета потерь) или минимальное ачение. Это происходит лишь в м случае, когда выполняется соотшение)dco5e--7-i-P (.5) d - толщина образца, см; с - скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространстве , см/с, i-ая частота внутреннего резонанса, Гц/ номер частоты внутренне 1 ,2..го резонанса, начиная с минимальной частоты, целое число четвертей длин волн, укладывающихся в образце диэлектрика на частоте f . Учитывая закон преломления СнелПд51110 - 1(е )Ыив| (6; п - коэффициент преломления сво бодного пространства, О - угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверхности образца , град. формулы (5) находим ло четвертей длин волн Р, укладыщихся в образце, определяется на ове измерения трех произвольных ледовательных значений частот внутнего резонанса, начиная, напри, с минимальной. Это исключает неодимость иметь в наличии два обца диэлектрика различной толщины. Определение числа Р осуществляетследующим образом. Пусть измерены значения коэффициа преломления в трех последоваьных точках на частотах f ,2.э треннего резонанса. На отрезках -fjlH f,2.,f коэффициент преломлеизменяется на величину An(f).Есна частоте f на толщине испытымого образца укладывается Р четтей волн, можно записать u«()h(f г)-м 50 v(f .).-vi (i) t--l 4-ti1 С i P P 1 1 i ° ®it-i iV «

Из соотношения (8) с учетом (5),имеем

,-S)

.(9)

Р2f,

Число Р определено на частоте fо.Поэтому коэффициент преломления образца на произвольной i-ой частоте внутреннего резонанса определяется из соотношения

- м1Ж5Й5Йг

(io) где Е - целая часть числа.

В измерение частот f: вносятся погрешности, расчетная величина Р не является целым числом, а отличается от него в меньшую или большую сторону. Поэтому при определении числа Р следует брать целую часть Е , равную наиближайшему целому. Более просто, но менее точно число Р определяют по двум значениям частот f: .

Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что в процессе измерений в диапазоне частот не требуется передвижение приемной или передаккцей антенн, снимать со стенда и устанавливать на стенд испытываемый образец. Картина дифракционных полей между передающей и приемной .антеннами практически не изменяется (для каждого фиксированного значения частоты). Облегчается и возможность полной экранировки пространства измерений поглощающим материал(Я14-(антенны и образец неподвижны), что исключает влияние переотражений от частей стенда и других пред:мятов на результаты измерений.

Сам процесс измерений, таким образом, сводится к измерению частот максимальной и минимальной прозрачности образца диэлектрика в заданном диапазоне частот.

В предлагаемом устройстве, в отличие от известного, в измерительную схему дополнительно введены генератор качсцощейся частоты и устройство регистрации прошедшего через испытываемый образец поля в полосе качания.

В устройстве отсутствует подвижная каретка с микрс 1етрическим винтом для перемещения одного из рупоров.Таким образом снижается трудоемкость процесса. Данные с устройства регистраци непосредственно вводят в ЭВМ для обработки и определения коэффициента преломления образца диэлектрика в диапазоне частот.

Использование предлагаемого способа и устройства для измерения коэффициента преломления образцов диэлектрика обеспечивает по сравнению с известд1ыми способг1ми следующие преимущества:

1.Отсутствует необходимость периодически снимать и устанавливать образец на стенд, перемещать одну из антенн в пространстве, а также проводить цикл измерений на одной фиксированной частоте, что ускоряет процесс измерения коэффициента преломления в заданном диапазоне частот.

2.Повышается точность измерения коэффициента преломления, так как весь процесс измерений сводится к измерению частот внутреннего резонанса образца, что с помощью современной аппаратуры может быть сделано с высокой точностью (до 1-2%) . Отсутствуют погрешности, возникающие из-за

5 перераспределения картины дифракционных полей вследствие перестановки образца диэлектрика и смещения одной из антенн в пространстве в процессе измерений.

3.Уменьшаются трудозатраты на цикл измерений коэффициента преломления.

4.Появляется возможность автоматизировать процесс измерений с использованием вычислительной техники.

5.Определение дисперсии коэффициента преломления образцов естественных и искусственных диэлектриков в широком диапазоне частот за один цикл измерений.

Фо1 11ула изобретения

1. Способ определения коэффициента преломления плоских образцов, диэлектрика в свободном пространстве, основанный на измерении частоты электромагнитного поля, о т л и -, чающийся тем, что, с целью ускорения и повышения точности измерений в заданном диапазоне частот, измеряют, по крайней мере, три последовательно расположенных частоты f.внутреннего резонанса образца, соответствующие максимальной и минимальной прозрачности, а коэффициент преломления MI определяют с помощью

0 выражения

ч .(,THjatiSJfe.

де Пр - коэффициент преломления свободного пространства ,

& - угол падения электромагнитного поля, отсчитываемый от нормали к поверхнос ги образца, град ;

f- - 1-ая частота внутреннего резонанса, Гц;

i«l,2. - номер частоты внутреннего резонанса, начиная с минимальной частоты;

d - толщина образца, см; с - скорость распространения электромагнитного поля в свободном пространстве, см/с; Е 1 - целая часть числа, 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее измерительную схему, приемную и передающую антенны, установленные с двух сторон образца, отличающееся тем, что приемная и передающая антенны установлены неподвижно, а в измерительную схему дополнительно введены генератор качающейся частоты,соединенный через делитель мощности с передающей антенной, и уртройство регистрации поля в полосе качания частоты, к одному из входов которого через делитель мощности, аттенюатор и детекторную секцию подключен генератор, а к другому входу подключена, через детекторную секцию,приемная антенна.

Источники информации,

0 принятые во внимание при экспертизе

1. Валитов Р.А. и Сретенский . Радионзмерёния на сверхвысоких частотах. М. , 1951, с. 370.

2..Врандт А.А. Исследование ди;электриков на сверхвысоких частотах.

s М., Госуд. изд-во физико-матем. лит-ры, 1963, с. 304.