Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости

 

Изобретение касается определения диэлектрических свойств веществ и материалов. Цель изобретения - повышение точности определения активной и реактивной составляющих комплексной диэлектрической проницаемости. Изобретение заключается в возбуждении LC-колебательного контура с датчиком, где L и C - индуктивность и емкость колебательного контура

C = C<SB POS="POST">0</SB> + C<SB POS="POST">1</SB>

C<SB POS="POST">0</SB> - емкость датчика

C<SB POS="POST">1</SB> - емкость перестраиваемого конденсатора, сигналом заданной частоты, определении центральных (резонансных) частот и ширины полос пропускания колебательного контура без и при взаимодействии электрического поля с исследуемым веществом или материалом, с последующей обработкой результатов промежуточных измерений по определенному алгоритму. От известных способ отличается тем, что до (после) взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом формируют первый и второй измерительные сигналы с симметричными относительно частоты F<SB POS="POST">01</SB> возбуждающего сигнала частотами F<SB POS="POST">H1</SB> = F<SB POS="POST">01</SB> - ΔF<SB POS="POST">0</SB>/2 и F<SB POS="POST">B1</SB> = F<SB POS="POST">01</SB> + ΔF<SB POS="POST">0</SB>/2, находящимися за пределами ширины полосы пропускания ΔF<SB POS="POST">K</SB> LC-колебательного контура, т. е. ΔF<SB POS="POST">0</SB>*98ДF<SB POS="POST">к</SB>, где ΔF<SB POS="POST">0</SB> = F<SB POS="POST">B1</SB> - F<SB POS="POST">H1</SB> - первоначальная разность частот измерительных сигналов. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕОНИХ

РЕСПУБЛИК (19>» (11) (51)5 G 01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4639017/25 (22) 05. 12.88 (46) 07.07,91. Бюп, № 25 (71) Институт кибернетики им. В.M.Глушкова АН УССP (72) В.Т.Кондратов и Ю.А,Скрипник (53) 543.248 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 440615, кл. С 01 R 27/26, 1974.

Матис И.Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушающего контроля. 2-е изд., перераб. и доп.

M.: 3 ание, 1982, с. 242, 243, (54) II0C0H 011PE EI1EHIIII K0MIIJIEKCH0A

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ (57) Изобретение касается определения диэлектрических свойств веществ и материалов. Цель изобретения — повышение точности определения активной .и реактивной составляющих комплексной диэлектрической проницаемости.

Изобретение заключается в возбужде- нии LC-колебательного контура с датчиком, где L и С вЂ” индуктивность и

Изобретение относится к измерительной технике, в частности касается определения диэлектрических свойств материалов и веществ, и может быть использовано как по прямому назначению, так и при определении влажности и толщины материалов, вязкости веществ, диэлектрического спектра материалов и веществ, анизотропии и T д, Целью изобретения является повышение точности измерения. емкость колебательного контура, С

= С + С, С„ — емкость датчика, Ср еМкость перестраиваемого конденсатора, сигналом заданной частоты, определении. центральных (резонансных) частот и ширины полос пропускания колебательного контура без и при взаимодействии электрического поля с исследуемым веществом или материалом, с последующей обработкой резуль. татов промежуточных измерений по определенному алгоритму. От известных способ отличается тем, что до (после) взаимодействия электрического поля с исследуемым, материалом формируют первый и второй измерительные а сигналы с симметричными относительно частоты f0, возбуждающего сигнала àñ o àì f н = йщ -М /2 и йв =f „+

+ о f /2, находящимися за пределами С ! ширины полосы пропускан hf к LC колебательного контура, т.е. g f )hf<, где Ьfo = f > -fя< — первоначальная разность частот измерительных сигналов. 1 ил, На чертеже представлена схема устройства для реализации способа, Устройство содержит генератор. 1 ,возбуждающего сигнала высокой частоты, генератор 2 низкой частоты, балансный смеситель 3, фильтр 4 нижних частот, фильтр 5 верхних частот, согласующий усилитель-сумматор 6, катушку 7 индуктивности колебательного контурар переменный конденсатор 8, емкостный датчик 9 емкостью C(без исследуемого материала, иссл"дуемый

1661676 материал l0 согласующий усилитель

11, первый 12 и второй 13 фаэовые детекторы, дифференциальный» усилитель 14, индикатор 15 45-градусного фазового сдвига нуль-индикатор 16.

Выходы генератора 1 возбуждающего сигнала высокой частоты и генератора 2 низкой частоты подключены соответственно к первому и второму входам смесителя 3, выход которого соединен с входом фильтра 4 и входом фильтра 5.

Одновременно выход генератора 1 подключен к первому входу согласую,щего усилителя-сумматора 6, второй и третий входы которого соединены с первыми входами фазовых детекторов

12 и 13 и подключены к выходу фильтра 4 и выходу фильтра 5 соответственно.

Выходы фазовых детекторов 12 и j3 соединены соответственно с инверсным и прямым входами дифференциального усилителя 14, к прямому входу кото- 25 рого дополнительно подключен индикатор 15 45-градусного фазового сдвига, Выход дифференциального усилителя

14 подключен к нуль-индикатору 16.

Выход согласующего усилителя-сум- 3р матора 6 соединен с входом колебательного контура, т.е. с первым выводом катушки 7 индуктивности. Второй вывод катушки 7 индуктивности подключен к первому выводу переменного конденсатора 8, к в»ысокопотенциальному электроду емкостного датчика 9 и к входу согласующего усили.теля 11, выход которого соединен с объединенными между собой вторыми 40 (сигнальными) входами фазовых детекторов 12 и 13, Второй вывод переменного конденсатора 8 и низкопотенциальные электроДы датчика 9 соединены с земляной 45 шиной, Пример. Емкостный датчик, включенный в LC-колебательный контур, где Ь и С вЂ” индуктивность и емкость колебательного контура, С = C + C»

Со — емкость датчика, С» — емкость перестраиваемого конденсатора 8, прикладывают к исследуемому материалу или веществу, В результате взаимодействия электрического поля датчика с исследуемым материалом или веществом изменяется центральная частота колебательного контура и ширина его

Возбуждают LC-колебательный контур сигналом ие (t) =UN sin(2»» fîе+Ч») (1) заданной частоты f, начальным фазовым сдвигом (» и стабильной амплитуды У

Формйруют первый и второй измерительный сигналы

U»», = U»»»l» sin (2 »» Ен, +Ц н )», (2)

U> (t) = У в. з п (2»»й и» +(Рв ) с симметричными относительно частоты

fo» возбуждающего сигнала (1) частотами

f 4» fo» 5f o/2 (4) fe» = Ео» + Е /2, (5) где «+hf /2 — значение частоты расстройки, находящимися за пределами ширины полосы пропускания Ек нагруженного 1.С-колебательного контура, и а) 6 к, где Ь = f e» н» первоначальная разность частот измерительных сигналов.

Сигналы (2) и (3) формируют путем, например, смещения вниз и вверх по частоте колебаний частоты fpg возбуждающего сигнала на значение ДХ»»/2, Устанавливают амплитуды U»„»», и .

U, измерительных сигналов (2) и (3) на входе нагруженного колебательного контура равными амплитуде U»»» возбуждающего сигнала (1), т.е, У»»»»»,=

U„ = Ишв,. При этом частоты (4) и (5) измерительных сигналов (2) и (3) выбирают из условия ослабления этих сигналов вне полосы пропускания на

40-60 дБ.

В этом случае измерительные сигналы (2) и (3) опишутся выражениями »»» () = Б»»»»»(2»»f»» t+P»» ), (6)

»»в (t) = ц,„, sin(2»»f> t+(pe ) ° (7) полосы пропускания за счет вносимь»х потерь в колебательный контур, С помощью перестраиваемого конденсатора перестраивают центральную час.тоту f нагруженного LC-колебательО ного контура на резонансную частоту возбуждающего сигнала, соответствующую максимуму дисперсионной кривой исследуемого материала.

5 166

На возбужденный LC-контур подают

Iпервый и второй измерительные сигналы (6) и (7). Выходной сигнал LC-колебательного контура опишется выра1 жением

U»»p (t)=U2(t)+U „,()+Uв где

U<(t) =k sin(2nf г+ц+Ир,) (9)

Пн <(t) =k2Un), »n(2() г н, +Чн, +Ин1»

UB (t)=k5vm sin(2iif6 "ср, Ьс4), («)

k — козффициенты передачи нагруженного колебательного контура на частотах Хо1, fн и f соотЬ1 ветственно, 5(P<,Ьфн,,6(Pg — фазовые сдвиги, вносимые ненастроенным LC-колебательным контуром.

При настроенном контуре tf(Q, = О, а

Ьч„1 =1ч., .

Измеряют фазовые сдвиги Щн,и Ь()В () ,вносимые колебательным контуром в из мерительные сигналы (10) и (11), на частотах f Н, и f > соответственно .

В результате измерений получают

Аналогично

U4=S f4tp4 (г4 )f = (-45 (= 45, (t))

В этом случае измерительные сигналы (10) и (11) описываются выражениями

Ui1<(t) k2Uppi sin(2 ii f> t +

10 + CP„- 1(4) (18) Бв2 (t) = k2Up)) sin(2 ii f в t +

f tPtt + a/4). (te)

15 где kg = kg — равные между собой коэффициенты передачи колебательного контура на частотах (20) Н2 = О1

= fo +М,/2 ° (21)

Подстраивают емкость переменного конденсатора до равенства нулю разности измеренных значений фазовых

25 сдвигов, т.е. до равенства (22) Э +

Фиксируют значения

1676 6 и,=s,f4(p„(с4 )(= f-45 /= 45, (16) (12) (13) U4 Я(Д(рн1 ) 1 Г Ь, где $1 — крутизна преобразования в напряжение вносимого фазового сдвига, Сравнивают между собой полученные значения (12) и (13) фазовых сдвигов на частотах f11 и f z соответственно.

При 01 ф U< изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов (12) и (13). Равенство (14) U =U - =U1g

1 обеспечивается при совпадении центральной частоты f нагруженного LCколебательного контура с частотой

Йб» возбуждающего сигнала, т,е. о

Изменяют разность частот ДГ измерительных сигналов (10) и (1) до значения

Ь, (15) при котором измеряемый фазовый сдвиг, например, на частоте f и первого измерительного сигнала достигает (по модулю) значения j-45 j, т. е. (23) 2 Д 1 °

ЗО (24) U6 — S2 f0 где S 2 — крутизна преобразования частоты в напряжение, разности Lf

35 частот (21) и (20) измерительных сигналов (18) и (19), на которых вносятся 45-градусные фазовые сдвиги, и частоты Го1 возбуждающего сигнала.

Отделяют емкостный датчик от ис4О следуемого материала или вещества.

Отсутствие взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом приводит к уменьшению вносимых потерь, а следователь45 но, к повышению центральнои частоты

?.С-колебательного контура и сужению ширины его полосы пропускания.

Ц (с) = Б,1, sin(2 ii f @ t+ g< ), (26:

Для определения центральной частоты f0 колебательного контура уве02 личивают частоту f g< возбуждающего сигнала до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов

Д(и Ь(РВ, вносимых в измерительвв

55 ные сигналы

Пн (t) = U sin(2 1йf г+ф, ), (25, "3 ) )1 НВ НЭ

1б6167б (37) 25 (38) 30 (39) (40) (34) 40

"1О 8 ОЧ й4» (41) где g> и Ц> е - начальные фазовые з в сдвиги, Ненагруженным колебательным контуром, В этом случае возбуждающ)ш сигнал описывается выражением

Еек (.)=ив sin(2(ЕО t +СР2)» (27) е "2 1") 02 где Ч1 — начальный фазовый сдвиг, Выходной сигнал колебательного

Контура описывается выражением 1еыу2() в()+"Ng(t)+Uве() де

U>(t) = k4 Б„sin(2() fn t +

«Cp, + Ьц,), (29)

Ug (t) = kg П»») sin(2 и f t +

+(„,+Ь»„), (ЗО)

Ut»(t) кь U sin(2 и f> t

«9в + Ч. ) (31) и k — коэффициенты передаЧи колебательного контура на частотах о ц и в

» О и о/2» ц9 о (32) 8е = f o2 + о/2» (33)

6(P2 » Ц((з и Ще фазОВые сдВиьэ ги, вносимые колебательным контуром на частотах о» f е и fs

Равенство абсолютных зйачений фазовых сдвигов

7 8 или ()7 — () 8 = 0» (35) д "т = S1IЩu j U8 = S f bpв ), и коэффициентов передачи k< и kg (kz=

= 1 ) достигается на частотах (32) и (33) измерительных сигналов, полученных при совпадении частоты Хо возбуждающего сигнала с центральной частотой f ненагруженного колебао т Льного контура, т.е. при fo=foa

Фиксируют значение

" = 8г ос (Зб) частоты возбуждающего сигнала (29), Устанавливают первоначальные значения частоты и амплитуды возбуждающего сигнала, который описывается выражением (1), В этом случае измерительные сигналы описываются выражениями, аналогичными (18) и (19), с той лишь разницей, что вносимые фазовые сдвиги отличны от +45 . Поо скольку частота Ео, возбуждающего сигнала выбирается в области максимума релаксационных потерь, то изменение центральной частоты LC-колебательного контура приводит к снижению чувствительности измерительного процесса и к необходимости подстройки центральной частоты ГО колебательного контура до значения йб

Это осуществляют путем увеличения значения емкости С» перестраиваемого конденсатора, Изменяют емкость С перестраиваеl мого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сДВигОВ (фд и бч(Е » Вносимых КОле

Ф бательным контуром в первый и второй измерительные сигналы (6) и (7) на частотах (20) и (21), сформированные из возбуждающего сигнала с частотой Ео

Выходной сигнал LC-колебательного контура описывается выражением

3() Н

Ф

+ ()„(r1, где

U2(t) = k7U< sin(2 в f î t +

1 о, +Щ + Ще)

БН9() = 1с Бщ з п(2 ц

+ V H4. + b VH )

ПЬ () к9Пy»n(2 и и с +

9 Е2

+ЧЬ + ИЕ4) I

Кб» k9 — коэффициенты передачи ненагруженного колебательного контура на частотах fо,» f11 и fв

2. 2, соответственно, Ф3 »(1 д4»tI Q Е4 фазовые сДВ вносимые нейагруженным колебательным контуром на частотах ЕО„» f u и ЕЕ

Е2 (2 »<, Ц) — начальные фазовые сдвиги сигналов (38), (39), (40) .

Достижение равенства абсолютных значений фазовых сдвигов b(p1, и 6(.1»е обеспечивается при совпадений центН«В ральной частоты Ео колебательного контура с частотой Еб возбуждающего сигнала, При настроенном на частоту

f О колебательном контуре 5(= 0

О1 (, = ); -щ,(- )(» „ I

Измеряют фазовые сдвиги ЬЦ) и

Щ Е » вносимые колебательным контуром в измерительные сигналы на частотах

1112 и fS соответственно.

В результате измерений получают

16б1676 (42) U»» = s(АЧе4 °

Сравнивают между собой полученйые значения (41) и (42) фазовых сдвигов на частотах fH, и f S, соответственно, При U» г U»» изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов (41) и (42), Равенство

1О (43) »о "»» обеспечивается при равенстве центральной частоты f ненагруженного

?.С-колебательного контура частоты

f 0 возбуждающего сигнала, т. е, при о О, °

Измейяют разность частот дЕ» измерительных сигналов (39) и (40) до значения

35 Формула изобретения

"Е4() ке U si" (2 " f S < +

+ЧВ4+» /4), ° (48) 40 в в4.

f H4 = Ео» вЂ” АГс/2

64 о» + afã/2, (49) (50) 50 (51) Um U»3

Фиксируют значение

0»4 = 82 Д y (52) разности hf< частот (50) и (49) измерительных сигналов (47) и (48), Д и е4 Е н . (44) при котором измеряемый фазовый сдвиг ° например, на частоте f»»4 первого измерительного сигнала достигает (по модулю) значения (-45 t т.е, U„= S 1ДЧн4 (и4)!= -45О1 - 45О. (45) Аналогично

0»Е =8»1ЩВ (е ) = 45 ° (46)

В этом случае измерительные сигналы (39) и (40) описываются выражениями

U»»4(t) — k+ U> sin(2 ю f u t +

+ g„, — «/4) . (47) где ks = k9 Равные между собой коэффициенты передачи колебательного контура на частотах

Подстраивают емкость С» переменного конденсатора до равенства нулю разности измеренных значений фазовых сдвигов, т.е. до равенства на которых вносятся 45-градусные фаэовые сдвиги.

0 значении. комплексной диэлектрической проницаемости судят по выражениям г г

U 1ог

Я = —:г- - 1 = - - - 1 (53) о» для действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости и

U — U,4 ДК, -ДК»

E. =E (-"" — — — ) = Е (--- — - -) ог (54) — для j-мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости

e=E+jE (ss) где.f0, и ЕО, hf, и Мг — центральные частоты и ширина полос пропускания ЬС-колебательного контура при и без взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом.

В общем виде комплексная диэлектрическая проницаемость описывается выражением

2 foz М -hfg

E.=E+ Ж =(- — — 1) 1+ — — — ) о1

Ог (56) Спо со 6 определения комплекс ной диэлектрической проницаемости, заключающийся в возбуждении LC-колебательного контура с датчиком, где L и С— индуктивность и емкость колебательного контура, С = Со + С,,где С емкость датчика, С» — емкость перестраиваемово конденсатора, сигналом частоты f0 определении резонансных частот и ширины полос пропускания колебательного контура при и без взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом, с последующей обработкой результатов промежуточных измерений по определенному алгоритму, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности после и до взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом, формируют первый и второй измерительные сигналы с симметричными относительно частоты возбуждающего сигнала частотами

1661676

f.д = fo — hf /2 и fs, = о +6f /2 ° находящимися за пределами ширины полосы пропускания Дйк LC-колебательного контура, т.е. Д fд 0 5 f„, где

Дйa = и B — Г H — первоначальная разность частот измерительных сигналов, устанавливают амплитуды измерительных сигналов на входе колебательного контура .равными амплитуде воз,буждающего сигнала, при этом час тоты Е „, и fB выбирают иэ условия осдабления этих сигналов вне полосы пропускания на 40-60 дБ, затем на возбужденный LC-контур подают первый и второй измерительные сигналы, из меряют фазовые сдвиги, вносимые колебательным контуром в каждый измерительный сигнал, сравнивают между собой полученные значения фазовых 20 сдвигов на частотах fH и Кв соответ1 ственно, изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов, изменяют разность час- 25 тотДf измерительных сигналов до зна" чения ДГ, = f B — foal (Иг = fB<—

f H<), при котором йзмеряемый фазовый сдвиг, например, на частоте первого измерительного сигнала, дос- 0 тигнет по модулю значения (-45 ), подстраивают емкость переменного конденсатора до равенства нулю измеренных значений фазовых сдвигов, фикс"руют значение < (Д г) ности частот измерительных сигналов, на которых вносятся 45-ти градусные фазовые сдвиги, причем после окон,чания взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом увеличивают частоту fa воз1 буждающего сигнала до достижения равенства абсолютных значенйй фазовых сдвигов на частотах f = Ео

Э вЂ” ДГ /2 и fg = Го + ЬЕ /2 соотв.етс твенно, фйксируют второе значение fo частоты возбуждающего сигй нала, затем устанавливают первоначальное значение частоты и амплитуды возбуждающего сигнала, изменяют емкость перестраиваемого конденсатора до достижения равенства абсолютных значений фазовых сдвигов, вносимых колебательным контуром в первый и второй измерительные сигналы на частотах fg u fB а о значении сосг тавляющих комплексной диэлектрической проницаемости судят по выражеff î г

I ниям С, р для RKTHBHQH

О1 составляющей комплексной диэлектрической проницаемости и Я.

-! а4» мг

=, (--- — — — ) для реактивной ог составляющей комплексной диэлектрической проницаемости, где f0 и Йо

О1

hf < и b, f< — центральные частоты и ширина полос пропускания колебательного контура при и без взаимодействия электрического поля с исследуемым материалом или веществом, 1661676

Составитель Г,Денисенко

Редактор M.Янкович Техред С.Мигунова Корректор Н.Ревская

Заказ 2120 Тираж 413 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101