Способ определения фазового сдвига при исследовании материалов или веществ

 

Использование: в фазово-измерительной 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.

CGIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТ0РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4826239/25 (22) 15.05.90 (46) 07.02.93. Бюл. ¹ 5 (71) Винницкий политехнический институт (72) Ю.А,Скрипник и А.И.Гуцало (56) Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. М.: Недра, 1971, с, 100-104

Большаков В,Д, и др. Радиогеодезические и электрооптические измерения. M.:

Недра, 1985 с. 36-37, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО

СДВИГА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МАТЕРИАЛОВ ИЛИ ВЕЩЕСТВ.=;- — Изобретение относится к фазоизмерительной технике и может быть использовано для определения фазового сдвига излучения в среде его распространения при исследовании 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

3600, 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 разде„„5U„„1793402 А1 (st)s G 01 V 3/12, G 01 R 25/02 (57) Использование: в фазово-измерительной 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. лении 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

Л Ф по формуле

ЛЬ=2

И2 й>1 где а — частота излучения, при которой наблюдается нулевой фазовый сдвиг; o7z ближайшая частота излучения, при к»зторой имеет место следующий нулевой фазовый сдвиг, В этом способе определение фазового сдвига излучения связано с изменением частоты излучения„Последнее позволяет исключить неоднозначность фазовых

1793402 измерений и определить результирующий фазовый сдвиг при любом соотношении протя>кенности исследуемой среды и длины волны излучения.

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

Целью изобретения является повышение точности способа.

На чертеже представлены схема устройства для осуществления заявленного способа. Устройство содержит высокочастотный генератор 1, делитель 2 мощности, вентиль 3, излучающую антенну 4, исследуемую среду 5, приемную рупорную антенну 6, полосовой фильтр 7, электронный фазометр 8, регулирующие аттенюатор 9 и фазовращатель 10, а также диэлектрическую пластину (на чертеже не показано). . Сущность предло>кенного способа заключается в следующем.

Фазовый сдвиг ЛФс сигнала излучения, прошедшего расстояние dc от источника излучения в среде с фазовой постояннайР, определяется выражением

Лфс =- P dc -, (1)

Для измерения этого фазового сдвига задающие высокочастотные колебания разделяют на опорные и. зондирующие. Зондирующие колебания излучают в исследуемую среду. Прошедшее через среду излучение принимаЮт и полученный сигнал сравнивают по фазе с опорным сигналом. Уравниваlo электрические длины измерительного и опорного каналов, в которых распространяются соответственно зондирующий и опорный сигналы, при отсутствии исследуемой среды между излучающей и приемной антеннами. Вводят исследуемую среду между антеннами и измеряют разность фаз сравнивающих сигналов.

Ю Ф вЂ” — — (,9п -Pa) dn +Podc (8)

Для исключения влияния погрешности в определении угла а, входящего в выраже50 ние (8), на точность измерения фазового сдвига излучения последовательные измерения дробных частей фазового сдвига излучения производят в следующей последовательности.

55 . После измерения раэностй фаз Л щ, значение которой определяется выражением (5), изменяют направление распространения зондирующего излучения на угол а .

В реЗультате этого увеличивается путь dc"

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

Ае =(Р -Р.)ас, (2) где ро — фазовая постоянная воздуха.

Если длина волны радиовол нового излучения многим меньше толщины зондируемой среды, то фазовый сдвиг излучения

ЛФ1=2 z (N+ р), (3) где N — целое число фазовых циклов в 2 л

; р — дробная часть последнего фазового

15 цикла.

В результате сравнения фаз измеряют дробную часть фазового цикла

Лу1=2 л р=ф — pp)dg — 2 к N. (4)

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

4Рп

Измеряют дробную часть фазового сдвига А(2 излучения после введения пластины, .

А(Щ = AP) + APg =(P — Pp)dc — 2

R (ч + (фп Po ) оп (5) гдеPn — фазовая постоянная пластины, Затем выводят пластину из среды распространения и изменяют направление распространения излучения на угол а. При той же толщине исследуемой среды путь dc прохождения зондирующего излучения увеличивается до значения

35 ос((6)

С учетом изменения длины пути фазовый сдвиг излучения возрастет и станет . равным Ь(рз. .

40 Л((Ъ = (P — Po ) dc — 2 N . (7)

Из выражений (1)-(7) получают фазовый сдвиг излучения в среде его распространения

Л Л

1793402 прохождения излучения в исследуемой среде и пластине до значения г ос+оп

cos а (д)

При этом фазовый сдвиг излучения возрастает и разность фаз сравниваемых сигналов становится равной ) сова

+ (P. — Pоo) ". — 2ЮИ. (10), Из выражений (1) — (10) получают фазовый сдвиг излучения в среде его распространения, не зависящий от угла а

Л Л

Р2 (/ п — Po ) Оп +go ос

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 пу;и излучения, изменении направления распространения излучения, 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 опорнйй сигнал, проходящий через регулирующие аттенюатор 9 и фазовращатель 10.

Вначале показание фазометра 8 устанавливается равным нулю фазовращателем

10 при расстоянии между антеннами 4 и 6 в воздухе, равным толщине исследуемой среды 5. Затея 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 дроб-.

5 ной части фазового сдвига излучения Лр фазометром 8. Затем вводят в измерительный трактдиэлектрическую пластину, Измеряют фазометром 8 полученную разность фаз Лф ; Далее выводят диэлектрическую

10 пластину из измерительного тракта и изменяют направление излучения через исследуемую среду 5, перемещая приемную антенну 6 по вертикали в пределах диаграммы направленности излучающей антенны 4, 15 Измеряют разность фаз Лрд и рассчитывают угол изменения направления излучения а = arctg h/do, где h — перемещение приемной антенны 6 по вертикали.

По формуле (8) определяют результиру20 ющий 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 h р при введенной пластине и измененном направлении излучения. Результируюц ;ий фазовый сдвиг излучения определяют по формуле (11).

Конкретный пример осуществления сгособа.

Исследования прсводились 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 гене40 ратора Г4 — 76, Результирующий фазовый сдвиг излучения в бетонной стене толщиной 2 м при изменении влажности от 60 до 10 изменялся от 12,6г. до 5,3 л . 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 10-15О, 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) радMîBîrfíового излучения и

1793402 повышение точности измерения за счет из-, фиксированной частоте без фазочастотных мерения дробных частей фазового сдвига на погрешностей.

Соста вител ь А. Гуцало

Техред M. Моргентал

Корректор M.Äåì÷èê

Редактор С.Кулакова

Заказ 503 Тираж Подписное

ВНИИПИ Гйударственн го комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

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 Л р прйнятого сигнала относительно опорного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, дополнительно измеряют фазовый сдвиг Apz 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 исходного положения во вторую точку и измеряют фазовый сдвиг Ьрз, а о величине фазового сдвига ЛФ излучения в среде его распространения судят по формуле

-)- — — — (pn -po ) б. +p tlc .

COS Q где P - фазовая постоянная исследуемой

10 среды;

dc — толщина зондируемого слоя исследуемой среды; а = arctg h/dc — угловое измене;:п . направления распространения эондир. .)

15 щего излучения;

clii — толщина диэлектриче. кой пла;.г-и ны;

Рл и Pp — фаэовые посто нные соответственно диэлектрической пластины и возду20 ха.

2, Способ по и, 1, î —:. л и ч " ю щ и и =. я тем, что, с целью исключения погрешностей, обусловленных неточностью уче-,а взаимного положения передающей и приемной ан25 тенн, дополнительно измеряют фазовый сдвиг Ьр4 во второй точке после введения указанной пластины из диэлектрика между одной из антенн и границей слоя исследуемой среды, а отношение cos а/1-сова

30 рассчитывают исходя иэ выражения