Бескалибровочный радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости по отражению от поверхности раздела в безэховой камере

Использование: для измерения комплексной диэлектрической проницаемости вещества. Сущность изобретения заключается в том, что радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения Rp на заданных поляризациях излучения p при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля, при этом измерения проводят в безэховой камере при температуре Т0, равной температуре измеряемого вещества TS, измеряют сигнал радиометра U0 при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра Uпр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо на ось диаграммы направленности излучателя (имеющего яркостную температуру, большую, чем Т0), измеряют сигнал радиометра Uотр, после отражения излучения излучателя от поверхности вещества под заданным углом падения θ и при том же расстоянии от радиометра до мнимого изображения излучателя, как при измерении Uпр, а коэффициент отражения Rp(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по указанной формуле, в открытом пространстве путем измерения коэффициентов отражения от поверхности вещества и использования формул Френеля. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к методам измерения диэлектрических свойств жидкостей или твердых поверхностей.

Известны методы измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε в микроволновом диапазоне длин волн путем размещения измеряемого образца внутрь волновода [1]. Однако при этом могут изменяться свойства материала.

Наиболее близким аналогом является измерение комплексной диэлектрической проницаемости е в свободном пространстве по величине излучения прошедшего через тонкий образец и величине отраженного сигнала. При этом используются формулы Френеля [2]. Недостатком способа является необходимость приготовления образца и изменение его свойств в процессе изготовления.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений за счет использования безэховой камеры и бескалибровочных радиометрических измерений.

Для достижения технического результата проводится измерение комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения R на заданных поляризациях излучения при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля, при этом измерения проводят в безэховой камере при температуре Т0 равной температуре измеряемого вещества TS, измеряют сигнал радиометра U0 при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра Uпр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо по оси диаграммы направленности излучателя, (имеющего яркостную температуру большую, чем Т0,) измеряют сигнал радиометра Uотр, после отражения излучения излучателя от поверхности вещества под заданным углом падения θ и при том же расстоянии от радиометра до мнимого изображения излучателя, как при измерении Uпр, а коэффициент отражения Rр(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по формуле:

Второй вариант отличается тем, что один из коэффициентов отражения измеряют на поляризации перпендикулярной плоскости падения при любом угле падения или на поляризации, лежащей в плоскости падения в диапазоне углов падения меньших 45°, и один из коэффициентов отражения измеряют на поляризации, лежащей в плоскости падения при угле Брюстера или вблизи угла Брюстера.

На фиг. 1 представлен первый режим измерений в безэховой (абсолютно черной) камере 1, термодинамическая температура которой равна Т0, а на оси радиометра 2 на расстоянии L располагается излучатель 3, средняя яркостная температура которого на срезе рупора излучателя равна Тизл0, а сам рупор перекрывает телесный угол ΔΩизл.

На фиг. 2 происходит зеркальное отражение излучения Tизл от поверхности раздела под углом θ. При этом расстояние от радиометра 2 до мнимого изображения среза излучателя 3' остается равным L.

На фиг. 3 представлены зависимости коэффициентов отражения от угла падения θ рассчитанные по формулам Френеля для гладкой поверхности измеряемого вещества и игольчатой диаграммы направленности. Rh(θ) рассчитана для поляризации перпендикулярной плоскости падения, a Rv(θ) рассчитана для поляризации параллельной плоскости падения при условии Rv(θ=0)=Rh(θ=0)=0,541. На каждом графике кривые различаются значениями угла диэлектрических потерь ϕ, который изменяются от 0 до 80 градусов с шагом в 10 градусов.

Если радиометр находится в безэховой камере, термодинамическая температура которой равна Т0, то при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры радиометр будет измерять антенную температуру, равную температуре камеры: Та,00.

При первом режиме измерений на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L располагают излучатель с яркостной температурой Тизл0, ось которого направлена прямо навстречу радиометру. При этом на фоне сигнала от абсолютно черной комнаты появится срез антенны излучателя с яркостной температурой Тизл, который перекрывает телесный угол ΔΩизл, фиг. 1. При этом измеряемая радиометром антенная температура изменится:

где Та,пр - антенная температура, измеряемая радиометром при прямом освещении излучателем, фиг. 1; G(0,0) - значение нормированной диаграммы направленности антенной системы радиометра в направлении его оси. При этом интеграл по диаграмме направленности антенной системы по всем телесным углам dΩ=dαdβ равен единице.

При втором режиме измерений, рис. 2, ось излучателя направлена на гладкую поверхность исследуемого вещества под углом падения θ. При такой геометрии измерений удобно изобразить мнимое изображение излучателя в положении 3', которое эквивалентно рисунку 1 за исключением того факта, что на пути лучей имеется отражающая поверхность раздела. При этом термодинамическая температура исследуемого вещества TS=T0, а эффективное расстояние L от радиометра до мнимого изображения излучателя должно быть таким же, как в первом режиме измерений. При этом измеряемая радиометром антенная температура составит величину:

где Tа,отр - антенная температура, измеряемая радиометром при отражении излучения излучателя от поверхности раздела, фиг. 2. Из (1) и (3) для коэффициента отражения получим:

Учитывая линейную связь сигналов радиометра U и антенной температуры Та, измеряемой радиометром:

U0=А+В⋅Та,0, Uпр=А+В⋅Та,пр, Uотр=А+В⋅Та,отр

Получим выражение для коэффициента отражения:

В предложенном способе не требуется абсолютная калибровка радиометра и получение калибровочных коэффициентов А и В, что улучшает точность измерений.

Особенность коэффициентов отражения заключается в том, что наибольшая чувствительность коэффициентов отражения к углу диэлектрических потерь наблюдается для поляризации в плоскости падения в окрестности угла Брюстера, фиг. 3. По этой причине один из коэффициентов отражения следует измерять именно в окрестности угла Брюстера.

Примером использования способа может служить измерение диэлектрической проницаемости морской воды при температуре TS=25° в безэховой камере, имеющей такую же температуру T0=TS. Радиометр, работает на частоте 37ГГц и на вертикальной поляризации p=v. Первоначально ось диаграммы направленности радиометра направляют на стены безэховой камеры и регистрируют сигнал U0, пропорциональный антенной температуре, которая совпадает с температурой камеры Та,00.

Затем на оси диаграммы направленности радиометра на расстоянии L=3м устанавливают излучатель, имеющий яркостную температуру Tизл≥2Т0, излучение которого, как и радиометр, имеет вертикальную поляризацию p=v в плоскости падения. Измеряют сигнал радиометра Uпр, идущий прямо от излучателя к радиометру, фиг. 1.

На следующем шаге радиометр устанавливают над поверхностью измеряемого вещества - морской воды, которая налита в ванну в безэховой камере, на расстоянии L/2 от центра ванны. Ось радиометра ориентируют под углом падения θ1=30°, фиг. 2. Излучатель также устанавливают над поверхностью морской воды на расстоянии L/2 от центра ванны под тем же углом θ1=30°. Плоскости поляризации радиометра и излучателя вертикальны (находятся в плоскости падения). При такой геометрии измеряют сигнал радиометра Uотр1). Коэффициент отражения Rv1) вычисляют по формуле:

Например, получаем значение Rv1=30)=0.4902.

Затем аналогично измеряют сигнал радиометра Uотр2) при угле падения θ2=78°, который близок к углу Брюстера, и вычисляют второй коэффициент отражения Rv2):

Например, получаем значение Rv2=78)=0.0698.

Две неизвестных величины - действительную и мнимую части диэлектрической проницаемости воды однозначно вычисляют по двум формулам Френеля для вертикальной поляризации:

Решение двух уравнений дает комплексную величину диэлектрической проницаемости морской воды ε=17,35+i⋅27,24 (для частоты 37 ГГц и температуры Т=25°).

Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Литература

1. Еременко З.Е., Ганапольский Е.М. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, Харьков, 61085, Украина. http://nauchebe.net/2013/01/svch-izmereniya-dielektricheskoj-pronicaemosti-silno-pogloshhayushhej-zhidkosti-v-malom-obeme/

2. Завьялов А.С. Измерение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве Методические указания. http://window.edu.ru/resource/663/46663/files/tsu004.pdf

1. Радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения Rp на заданных поляризациях излучения p при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля,

отличающийся тем, что измерения проводят в безэховой камере при температуре Т0, равной температуре измеряемого вещества TS, измеряют сигнал радиометра U0 при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра Uпр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо на ось диаграммы направленности излучателя (имеющего яркостную температуру, большую, чем Т0), измеряют сигнал радиометра Uотр, после отражения излучения излучателя от поверхности вещества под заданным углом падения θ и при том же расстоянии от радиометра до мнимого изображения излучателя, как при измерении Uпр, а коэффициент отражения Rp(θ) вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по формуле:

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хотя бы один из коэффициентов отражения измеряют на поляризации, перпендикулярной плоскости падения при любом угле падения, или на поляризации, лежащей в плоскости падения в диапазоне углов падения, меньших 45°, и хотя бы один коэффициент отражения измеряют на поляризации, лежащей в плоскости падения при угле Брюстера или вблизи угла Брюстера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для контроля состояния конденсаторов связи на энергообъектах, может быть использовано для определения начала процесса разрушения конденсатора связи и своевременной его замены.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости материала в свободном пространстве. Предложен способ определения диэлектрической проницаемости материала, основанный на явлении отражения электромагнитной энергии от пластины из диэлектрического материала, согласно изобретению измеряют толщину пластины из диэлектрического материала и зависимость сдвига фазы отраженной волны относительно падающей и прошедшей волн в диапазоне частот, по которой определяют частоту, соответствующую полуволновой толщине пластины из диэлектрического материала, а диэлектрическую проницаемость материала рассчитывают по формуле: ,где с - скорость света; f - частота измерения, соответствующая полуволновой толщине пластины из диэлектрического материала; - геометрическая толщина пластины из диэлектрического материала; - угол падения волны на пластину из диэлектрического материала; - диэлектрическая проницаемость пластины из диэлектрического материала.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости материала в свободном пространстве. Предложен способ определения диэлектрической проницаемости материала, основанный на явлении отражения электромагнитной энергии от пластины из диэлектрического материала, согласно изобретению измеряют толщину пластины из диэлектрического материала и зависимость сдвига фазы отраженной волны относительно падающей и прошедшей волн в диапазоне частот, по которой определяют частоту, соответствующую полуволновой толщине пластины из диэлектрического материала, а диэлектрическую проницаемость материала рассчитывают по формуле: ,где с - скорость света; f - частота измерения, соответствующая полуволновой толщине пластины из диэлектрического материала; - геометрическая толщина пластины из диэлектрического материала; - угол падения волны на пластину из диэлектрического материала; - диэлектрическая проницаемость пластины из диэлектрического материала.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для контроля состояния конденсаторов связи на энергообъектах, может быть использовано для определения начала процесса разрушения конденсатора связи и своевременной его замены.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиотехническим измерениям параметров катушек индуктивности, применяемых в радиотехнических устройствах различного назначения.

Использование: для высокоточного измерения добротности резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. Сущность изобретения: способ измерения добротности резонатора заключается в том, что при измерении добротности контура методом расстройки частоты на частоте измерения контур настраивают в резонанс путем изменения емкости настройки, при этом точная настройка контура в резонанс не требуется, затем производят регистрацию цуга синусоидального колебания на контуре за некоторый промежуток времени, после чего регистрируют цуги синусоидальных колебаний на двух частотах в пределах верхней части резонансной кривой ниже и выше резонансной частоты за аналогичные промежутки времени, каждый из трех зарегистрированных цугов синусоидальных колебаний сглаживают с помощью регрессии в виде синусоиды и определяют амплитуды колебаний каждого из цугов, после чего по трем значениям частоты и рассчитанным соответствующим им амплитудам напряжений на контуре расчетным путем определяют величину добротности.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения по меньшей мере одной характеристики измерительной катушки, например катушки, в которую погружается исполнительный элемент, например, на педали автомобиля или над которой скользит такой исполнительный элемент.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, в частности к контролю систем электропитания. Предложены способ и устройство (10) контроля для выборочного определения емкости (Се) утечки подсистемы в незаземленной системе (2) электропитания, которая состоит из основной системы (4) и по меньшей мере одной подсистемы (6).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения физических величин емкостными датчиками, и может быть использовано во встраиваемых вычислительных системах контроля и управления.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения физических величин емкостными датчиками, и может быть использовано во встраиваемых вычислительных системах контроля и управления.

Использование: для измерения комплексной диэлектрической проницаемости вещества. Сущность изобретения заключается в том, что радиометрический способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости ε вещества путем измерения коэффициентов отражения Rp на заданных поляризациях излучения p при двух или более углах падения на поверхность вещества и вычисления ε по формулам Френеля, при этом измерения проводят в безэховой камере при температуре Т0, равной температуре измеряемого вещества TS, измеряют сигнал радиометра U0 при ориентации его оси диаграммы направленности на стены безэховой камеры, измеряют сигнал радиометра Uпр при ориентации его оси диаграммы направленности прямо на ось диаграммы направленности излучателя, измеряют сигнал радиометра Uотр, после отражения излучения излучателя от поверхности вещества под заданным углом падения θ и при том же расстоянии от радиометра до мнимого изображения излучателя, как при измерении Uпр, а коэффициент отражения Rp вычисляют без абсолютной калибровки радиометра по указанной формуле, в открытом пространстве путем измерения коэффициентов отражения от поверхности вещества и использования формул Френеля. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх