Способ определения диэлектрических параметров материалов

3) А: 51) 6 001 К 27 26 ОЮЗ СОВЕТСКОЦИАЛИСТИЧЕС РЕСПУБЛ ЕТЕН иц ОПИ к автСАНИЕ ИЗОВ ском свидЕелсв образца с = 3 10 м/с; Т заданный период рабовочей частоты, и преобразование ЭВМ в плоскую вол - ну, разделение промодупированной плоской ЭВМ на две когерентные волны, одновременную передачу этих волн по двум каналам - опорному (ОК) и зондирующему)ЗК) и исследуемым образцом, измерение затухания а ЭВМ в исследуемом образцЕ преобразование радиоимпульсов на выходах об каналов в видеоимпульсы, измерение времени держки ЬФ видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК, определение диэлектрической проницаемости е и удельной электропроводности о материала исследуемого образца по формуламое(сЫ/1+1) -(ой /17,4 тт);о а/521 тт(сМЯ+1), где А - заданная длинао оволны в свободном пространстве (ХсТ ). 1 ил.о о оих заа ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)1(71) Всесоюзный научно-исследовательский инсттут экспериментальной физики(72) Астайкин АИБикмухаметов НА; Помазков АП (56) Авторское свидетельство СССР й 1556331, кл. С ОЮ 27/ОО, 1987.Авторское свидетельство СССР й 1798632, кл.6 01 й 27/26, 1979.(Я СПОС 06 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИ. ЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ (57) Сущность изобретения: способ включает в се бя модуляцию монохроматтической электромагнит ной волны (ЭВМ) импульсной последовательностью с дпителыюстыо еипульса т а т/с /с+10 Т и пео риодОм повторения Т а 5 т, где с - заданная раси 4четная диэлектрическая проницаемость: 1 - длин 9) Я 1 (и) 1817551817555 Известен способ измерения оптических тенсивности излученпостоянных поглощающей среды, включаю- лонной среды, опрещий разделение монохроматического коге- преломления п(ю) и ирентного излучения на зондирующее (ЗИ) и дуемой среды по формопорное (ОИ) излучения, совмещение ЗИ,1п(и) = и --- агссов(1) -1) -1) )/2 ФГОо Г 2 иу 11 2 3 2 31 1 п(Б Л) )о 2 1К(и) = Ко 1 21(2) Изобретейие относится к измерительной технике, а точнее - к исследованию материалов электрическими методами. Преимущественная область использования - измерение диэлектрических параметров газообразных, жидких и твердых диэлектриков,где по и Ко - показатели преломления и поглощения эталонной среды;и 1 о - оптические длины исследуемой (1) и эталонной (1) сред, м;с10 м/с;и - частота когерентного излучения, Гц, Недостатком такого способа является ограниченность его использования только в оптическом диапазоне волн.и неоднозначность определения показателя преломления п( э), что связано с периодичностью функции созх,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 ЭМВ 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 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 иэ последовательно расположенных выхода первого делителя, первого отражателя и первого входа прошедшего исследуемую среду, с ОИ, прошедшем эталонную среду, с образованием интерференционной полосы в поле зрения приемника оптического излучения, измерение интенсивности 0 этой полосы, прерывание ОИ и измерение интенсивности излучения 02 на выходе исследуемой среды, включение и прерывание ЭИ, измерение иния 03 на выходе этаделение показателей оглощения К(ю) иссле- улам 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 1: ориентирован под углом 45 к вертикали. С выхода поляроида волну направляют на вход первого делителя, который делит ее на две когерентные волны: первую волну ОК с ориентацией вектора 6 вертикально и вторую волну ЗК с ориентацией вектора 1: 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 т( Р) генератора СВЧ в отсутствие исследуемого образца в ЗК, Для этого выравнивают амплитуды сигналов ОК и ЗК на их входах с помощью второго поля роида-анализатора, измеряют интенсивности 11( 1) смешанного сигнала в исходном положении интерферо(5) 17, 4 й 1 (б) метра и 2(у) при сдвиге фаз на 1 ЦО. Определяютт ( ) по формуле (н)1( т) + 2( г),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 х). Вводят в ЗК исследуемый образец, измеряют интенсивность 1 з смешанного сигнала. Снова перемещают первый делитель вдоль оси первой радиолинии и находят положение минимума показаний приемника (точках х 2), Определяют коэффициент преломлений и исследуемого образца по формуле где - толщина исследуемого образца, м;х и х 2 - в метрах.По измеренным интенсивностям(ю) и 12(и) измеряют затухание ЭМВ в исследуемом образце и коэффициент поглощения к, Определяют действительную еи мнимую е" части комплексной диэлектрической проницаемости материала исследуемого образца по формулам 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 1(ю) на выходе второго делителя при равных амплитудах сигналов на входах обоих каналов равна (ф) = (м) сов (у/2), т.е. является периодической функцией с периодом й, что приводит к неоднозначности определения коэффициентов и и к, что снижает достоверность определения й и оо,ределяется не только амплитудами сигналов ОК и ЗК на их выходах, но и разностью/ фаз между сигналами ОК и ЗК,Целью изобретения является расшире 5 ние частотного диапазона, повышение достоверности и точности определения,Достигнутая точностьопределения с ипо составляет не более + 10 и не превышает погрешности измерения регистрации,10 что в два и более раза превышает точностьопределения по сравнению с прототипом.Способ дает возможность работать всантиметровом. дециметровом, метровомдиапазоне волн, За счет исключения неод 5 нозначности определения диэлектрическойпроницаемости повышена достоверностьопределения параметров материала,Эта цель достигнута тем, что в способеопределения диэлектрических параметров20 материалов, включающем разделение электромагнитной.волны на две когерентные,одновременную передачу этих волн по двумканалам - .опорному и зондирующему с исследуемым образцом, измерение затухания25 электромагнитной волны в образце и определение диэлектрических параметров материала исследуемого образца расчетнымпутем, электромагнитную волну до разделения модулируют последовательностью ви 30 деоимпульсов с длительностью импульса иг, периодом повторения Т, преобразуют вплоскую волну, измеряют время задержкиЬ 1 видеоимпульсов зондирующего каналаотносительно видеоимпульсов опорного канала, а длительность т, период повторенияТп и диэлектрические параметры ег и ооопределяют из соотношенийНеоднозначность определения и и к приводит к снижению точности измерений Е и Е". 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 13/3. Влияние отражений связано, прежде всего, с тем, что для определения и и к используют суммарный смешанный сигнал, величина которого опа сЬт,о 521 и 1 1- + 1 О)где е, - диэлектрическая проницаемостьматериала исследуемого образца;00 - удельная электропроводность этого материала, см/м;е- заданная расчетная диэлектрическая 55 проницаемость этого материала;1 - заданная длина исследуемого образца,м;с10 м/с;То - заданный период рабочей частоты,с;Й = сТО - заданная длина волны в свободном пространстве, м;а - измеренное затухание ЭМВ в исследуемом образце, дБ.На чертеже приведена блок-схема устройства для определения диэлектрическихпараметров материалов по предлагаемомуспособу,Определение диэлектрических параметров материалов согласно предлагаемому способу производят следующим. образом, Модулируют СВЧ-колебания последовательностью видеоимпульсов с заданными длительностью импульса т ипериодом повторения Тп, например, путемподачи такой последовательности с выходагенератора видеоимпульсов на вход внешней модуляции СВЧ, ПромодулированнуюЭМВ - радиоимпульсы - на выходе генератора СВЧ разделяют на две когерентныеволны, например, с помощью тройника.Разделенные ЭМВ направляют по линиямпередачи ОК и ЗК без исследуемого образца, где они преобразуются в плоские ЭМВ,например, выполненные в виде двухпроводной или коаксиальной линии, На выходахобоих каналов радиоимпульсы детектируют, а полученные видеоимпульсы подают наизмерительный прибор, например осциллограф, для измерения амплитуд. Измеряютначальное время задержки Л 1 о видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсовОК без исследуемого образца в линии передачи ЗК. Помещают исследуемый образец влинию передачи.ЗК и вновь измеряют времязадержки Й 1 видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК. Вычисляют фактическое время задержки й по формулеЛ 1= Ь 11 - йо.Определяют затухание а ЭМВ в исследуемом образце, например. путем измерения амплитуд падающей и отраженнойОпад 1, Оотр 1 волн на входе исследуемого образца и прошедшей Опр 1 волны на выходеисследуемого образца и расчета затуханияа ЭМВ по формулеЦ Опад 1 ОТР 1а = 20 11 тО 2пР 1 Опад 1Определяют диэлектрические параметры материала исследуемого образца ег иоо по формулам (6) и (7). Выбор,цлительности импульса тмодулирующей последовательности производят следующим образом, Задают длину 1 исследуемого образца и рабочую частоту 1,. Определяют период То - 1/1 о Определяют поИзмерение диэлектрических параметров материалов устройством производят 35 следующим образом. Устанавливают на ГВ2 соответствующие длительность т и период повторения Тп, Модулируют ГСВЧ 1 импульсной последовательностью ГВ 2.Одновременно с началом модуляции ГСВЧ 40 1 импульсов синхронизации ГВ 2 запускаютрегистратор 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 45 через первый АТ 5, ЭЛП 6 на первый АД 7.Видеоимпульсы с выхода первого АД 7 подают на первый вход регистратора 14, Радио- импульсы ЗК с второго выхода ТР 4 подают через второй АТ 8, НО 9, ЛПО 10 на второй 50 АД 11. Видеоимпульсы ЗК с выхода второгоАД 11 подают на второй вход регистратора 14. В. отсутствие исследуемого образца вЛПО 10 измеряют амплитуды видеоимпульсов ЗК и ОК на регистраторе 14 и выравни вают их амплитуды с помощью первого ивторого 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 5 10202530 справочнику е материала исследуемого образца. Определяют по формуле (4) длительность импульса тмодулирующей последовательности, а по формуле (5) - период повторения Тп.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, эталонныйотрезок линии передачи (ЭЛП) 6 и первый амплитудный детектор (АД) 7, подключенные к первому выходу ТР 4 и составляющиелинию передачи ОК, последовательно соединенные второй АТ 8, направленный ответвитель (НО) 9, линию передачи с исследуемым образцом (ЛПО) 10 и второйАД 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 первогоАД 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,удобнее и проще работать, Измеряют начальное время задержки Ао по временно, му 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 611 видеоимпульсов ЗК относительно видеоимпульсов ОК в присутствии исследуемого образца, Определяют фактическое время задержки Ьт = Ь г 1 - Ьо. Измеряют амплитуду Опр 1 видеоимпульса ЗК на втором входе регистратора 14 в присутствии исследуемого образца.Формула изобретенияСПОСОБ 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 модули руют последовательностью видеоимпульсов с длительностью импульса ти и периодом повторения Тп преобразуют в плоскую волну, на выходах обоих каналов выделяют видеоимпульсы, измеряют время задержки Л 1 видеоимпульсов зондирующего канала относительно видеоимпульсов опорного канала, а длительность импульсов ти Радиоимпульсы с выхода падающейволны 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 5 подают на третий и четвертый входы ре истратора 14, измеряют амплитуды падающей волны Од 1 на третьем входе регистратора 14 и отраженной волны Оотр 1 на четвертом входе.10Определяют затухание а ЭМВ в исследуемом образце по формуле (8), а диэлектрические параметры исследуемогообразца - по формулам (6) и (7), 15период .повторения Тп и диэлектрические параметры ег и ао определяют изсоотношения/е - + 10 Тт120Со иТп5 тияг=(Ьт с/1+1) -(алло/17,А)ао=а/521 т 1 (с Л 1/1+1)где ег .- диэлектрическая проницаемость материала исследуемого образца;ао - удельная электропроводность материала, См/м;е - заданная расчетная диэлектриче 30 ская проницаемость этого материала;- заданная длина исследуемого образца, м;с = 310 м/с,35 То - заданный период рабочей частоты, с;Ао=сТо - заданная длина волны всвободном пространстве;а - измеренное затухание электро 40 магнитной волны в исследуемом образце,