Широкополосный измеритель параметров диэлектриков

 

ЩИРОКОПОЛОСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ . ПА АИЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ, содержащий автогенератор, последовательно соединенные первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом автогенератора , перЁый полосовой фильтр, частотный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор, первый интегратор и индикатор, а также измерител1 ный датчик, первый вывод которого соединен с корпусом устройства, последовательно соединенные второй смеситель и второй полосовой фильтр, первый кварцевый генератор, переключатель, один из крайних контактов которого соединен с выходом первого кварцевого генератора , коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, и блок развертки, вькод которого соединен с синхронизирующим входом индикатора , отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения мальк приращений емкости. ii 13 связанных с дисперсией диэлектрических свойств гетерогенных сред, в полосе частот, в него введены второй кварцевый генератор, выход которого соединен с вторым крайним контактом переключателя, свип-генератор, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, фазоинвертор , выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, второй интегратор, выход которого соединен с регулирующим входом автогенератора, прерыватель, один из контактов которого соединен с входом второго интегратора, образцовьй датчик , первый вывод которого соединен с корпусом устройства, коммутатор, (Л крайние контакты которого соединены с вторыми выводами измерительного и образцового датчиков соответственно, а средний контакт - с времязадающей § цепью автогенератора, и делитель частоты, выход которого соединен с управляющими входами фазоинвертера, о со а прерывателя и коммутатора, кроме того , выход второго полосового фильтра соединен с вторым входом первого смесителя, средний контакт переклю чателя соединен с вторым -входом второго смесителя, выход блока развертки соединен с входом свип-генератора , выкод синхронного детектора соединен с вторым контактом прерывателя , а выход коммутационного ге .нератора - с : входами фазоинвертора и делителя частоты.

„„SU„„1109670

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК з(ю G01R27 26

OllHGAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbITMA (21) 3578271/18-21 (22) 12. 04 . 83 (46) 23.08.84 . Бюл . ¹ 3 1 (72) Б.А.Иванов, Ю.А.Скрипник, П.T.Захаров, В.И.Ручкин, И.А.Федорина, Н.P .Ïàïåíêo и Н.А.Покалюхин (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (53) 621.317. 75 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 949541, кл. С 01 R 27/26, 1982. (54) (57) gHPOKOIIOJIOCHbIA ИЗМЕРИТЕЛЬ

ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ, с одержащий автогенератор, последовательно соединенные первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом автоге" нератора, первый полосовой фильтр, частотный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор, первый интегратор и индикатор, а также измерительный датчик, первый вывод которого соединен с корпусом устройства, последовательно соединенные второй смеситель и второй полосовой фильтр, первый кварцевый генератор, переключатель, один из крайних контактов которого соединен с выходом первого кварцевого генератора, коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, и блок развертки, выход которого соединен с синхронизирующим входом индикатора, отличающийся . тем, .что, с целью повышения точности измерения малых приращений емкости, связанных с дисперсией диэлектрических свойств гетерогенных сред, в полосе частот, в него введены второй кварцевый генератор, выход которого соединен с вторым крайним контактом переключателя, свип-генератор, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, фазоинвертор, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, второй интегратор, выход которого соединен с регулирующим входом автогенератора, прерыватель, один из контактов которого соединен с входом второго интегратора, образцовый датчик, первый вывод которого соединен с корпусом устройства, коммутатор, крайние контакты которого соединены с вторыми выводами измерительного и образцового датчиков соответственно, а средний контакт — с времязадающей р цепью автогенератора, и делитель частоты, выход которого соединен с управляющими входами фазоинвертора, прерывателя и коммутатора, кроме то- („ „ ) го, выход второго полосового фильтра Я, ) соединен с вторым входом первого Я смесителя, средний контакт переключателя соединен с вторым входом 1 р второго смесителя, выход блока развертки соединен с входом свил-генератора, выход синхронного детектора соединен с вторым контактом прерывателя, а выход коммутационногб ге.нератора — с: входами фазоинвертора и делителя частоты.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля гетерогенных сред и может быть использовано как для исследования диэлектрических свойств композиционных материалов и веществ в непрерывном диапазоне частот, так и для экспресс-аналйза технолоцических параметров иэделий на основе сложных диэлектриков по их частотным характеристикам.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для контроля физико-механических параметров сложных диэлектриков, основанное на измерении малых приращений емкости датчика, обусловленных дисперсией диэлектрических свойств исследуемой среды в полосе частот и преобразуемых в регистрируемые фаэовые сдвиги зондирующего сигнала, и содержащее автогенератор, последовательно соединенные первый . смеситель, первый полосовый фильтр, частотный детектор, ниэкочастотный усилитель и синхронный детектор, выход которого соединен с регулирующим входом автогенератора, фазосдвигающую ячейку с измерительным датчиком, первый вывод которого соединен

30 с корпусом устройства, последовательно соединенные второй смесителд, вто. рой полосовой фильтр, фазовый детектор, опорный вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра, и индикатор, а также варикап, пер- 35 вый вывод которого соединен с корпусом устройства, образцовый генератор, выход которого соединен с первыми входами смесителей, переключатель, один из крайних контактов

40 которого соединен с вторым выводом варикана, а средний контакт - с времязадающей цепью образцового генератора, коммутационный генератор, выход которого соединен с управляю45 щими входами переключателя и синхронного детектора и блок развертки, выход которого соединен с вторым выводом варикапа, регулирующнии входами полосовых фильтров и синхронизирующии входом индикатора, кроме того, выход автогенератора соединен с вторым входом первого смесителя и входои фазосдвигающей ячейки, выход которой соединен с вторым выводом измерительного датчика и вторым входом второго смесителя 113.

4 1109Ь70 2

Однако известное устройство обладает недостаточной точностью изме рения малых приращений емкости, поскольку при частотной развертке образцового генератора, осуществля5 еиой с помощью варикапа и необходимой для перестройки зондирующего сигнала автогенератора в полосе исследуемых частот, изменяются не только абсолютные значения опорных частот, которыми являются несущие частоты частотно-импульсно-модулированного сигнала на выходе образцового генератора и которые используются для сопоставления с частотой зондирующего Сигнала, но и интервал между опорныии частотами и, как следствие, средняя величина (за период модуляции) интервала между зондирующей и опорными частотами, т.е. смещаются рабочие точки фазового и частотного детекторов, что приводит к значительным искажениям показаний измерителя из-за нелинейности частотных характеристик обоих детекторов и в виду сложности перестройки полосовых фильтров, осуществляемой для изменения их полосы пропускания, существенно ограничивает полосу. частот зондирующего сигнала и возможности расширения диапазона измерения приращений емкости как в сторону болях, так и в сторону малых значений. Кроме того, температурный дрейф собственных параметров измерительного датчика влечет за собой неинформативные изменения фазы зондирующего сигнала, которые вызывая дрейф нуля измерителя, являются источником дополнительной погрешности при измерении малых приращений емкости.

Целью изобретения является повы- . шение точности измерения малых приращений емкости, связанных с дисперсией диэлектрических свойств гетерос генных сред, в полосе частот, Поставленная цель достигается тем, что в широкополос ный измерительь параметров диэлектриков, содержащий автогененатор, последовательно соединенные первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом автогенератора, первЫй полосовой фильтр, частотный детектор, низкочастотный усилитель, синхронный детектор, первый интегратор и индикатор, а также измерительный датчик, первый вывод которого соединен с корпу

1 1096 70

° 25

50 сом устройства, последовательно соединенные второй смеситель и второй полосовой фильтр, первый кварцевый генератор, переключатель, один из крайних контактов которого соединен с выходом первого кварцевого генератора, коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющим входом переключателя, и блок развертки, выход которого соединен с синхронизирующим входом индикатора, введены второй кварцевый генератор, выход

«I которого соединен с вторым крайним контактом переключателя, свип-гене ратор, выход которого соединен с первым входом второго смесителя, фазоинвертор, выход которого соединен с управлявшим входом синхронного детектора, второй интегратор, выход которого соединен с регулирующим входом автогенератора, прерыватель, один иэ контактов которого соединен с входом второго интегратора, образцовый датчик, первый вывод которого соединен с корпусом устройства,.коммутатор, крайние контакты которого соединены с вторыми выводами измерительного и образцового датчиков соответственно, а средний контакт с времязадающей цепью автогенератора, и делитель частоты, выход которого соединен с управляющими входами фазоинвертора, прерывателя и коммутатора, кроме того, выход второго полосового фильтра соединен с вторым входом первого смесителя, средний контакт переключателя соединен с вторым входом второго смесителя, выход блока развертки соединен с входом свип-генератора, выход синхронного детектора соединен с вторым контактом прерывателя, а выход коммутационного генератора — с входами фазоинвертора и делителя частоты.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого измерителя на фиг.2 а2 б — спектры частот свип-генератора, кварцевых генераторов, области спектра зондирующего сигнала автогенератора, лежащие у нижнего (а) и верхнего (б) пределов полосы исследуемых частот, и соответствующие этим частотам области спектра несущих частот сигнала на выходе первого полосового фильтра; на фиг.2 в2 е„ 3 а — 3 е — эпюры напряжений на выходе некоторых блоков схемы измерителя, а именно: коммутационного генератора, делителя частоты, первого полосовог о фил ьтра, частот ного детектора, низкочастотного усилителя, фазоинвертора, синхронного детектора, прерывателя, второго и первого интеграторов соответствен- но, причем индексы у осей ординат указывают к какому блоку относится представленный график.

Измеритель содержит автогейератор 1, второй полосовой фильтр 2, коммутатор 3, первый 4 и второй 5 смесители, измерительный датчик 6 с объектом 7 контроля, первый кварцевый генератор 8 фиксированной частотыи „, блок 9 развертки, образ«фь цовый датчик 10, первый полосовой фильтр 11, переключатель 12, второй кварцевый генератор 13 фиксированной частоты ю„, свип-генератор 14 с полосой частот и „-lu частотный сН св" детектор 15, второй интегратор 16, последовательно соединенные коммутационный генератор 17 частоты лЯ и делитель 18 частоты коммутационного генератора на л, где n — число, кратное десяти, последовательно соединенные низкочастотный усилитель

19 частоты коммутации лЯ и синхронный детектор 20, фазоинвертор 21, прерыватель 22, первый интегратор

23 и индикатор 24.

-Выход автогенератора 1 через последовательно соединенные первый смеситель 4, первый полосовой фильтр 11, частотный детектор 15, низкочастотный усилитель 19 соединен с входом синхронного детектора

20, выход которого через первый интегратор 23 соединен с индикатором

24 и через прерыватель 22 — с входом второго интегратора 16, выход которого соединен с автогенератором 1.

Измеритель работает следующим образом °

С выхода автогененатора 1 на один из входов первого смесителя

4 (фиг. 1) поступает сигнал, частота которого определяется уровнем постоянного напряжения на регулирующем входе автогенератора и зависит от величины суммарной расстройки зондирующей частоты, вызванной температурным дрейфом собственных параметров измерительного 6 и образцового

10 датчиков, поочередно (с частотой сигнала коммутации Я ) подключенных с помощью коммутатора 3 к ap< ìÿзадающей цепи автогенератора, н

11096

S, информативным приращением емкости измерительного датчика, обусловленным диэлектрическими свойствами объекта 7 контроля, причем частотная развертка зондирующего сигнала в полосе исследуемых частот (и„„-ш ) осуществляется при изменении уровйя напряжения на регулирующем входе ав тorенератора.

Одновременно на другой вход сме- 10 сителя 4 с выхода второго полосового фильтра 2 поступает сигнал, несущая частота которого формируется. из разностных частот, образующихся в результате взаимодействия двух пбс- 1 тупалщих на второй смеситель 5 разночастотных сигналов. На один из входов смесителя через контакты переключателя 12, управляемого коммутационным генератором 17, с выходов 2п первого 8 и второго 13 кварцевых генераторов поочередно (с частотой сигнала управления пй) подаются гармонические сигналы, частоты кото-— рых фиксированы и равны соответст- 2 венно ь ф и ю ф . В то же Время на другой вход второго смесителя с выхода . свил-генератора 14 поступает синусоидальный сигнал, частота которого плавно возрастает в пределах от со „ до и. по.линейному закону, задаваемому пилообразным напряжением блока 9 развертки, Причем частоты кварцевых генераторов 8 и !3 (иг1ф и ы, соответственно) лежат ниже полосы частот свип-генератора 14 (ш „ — gg) и выше частот автогенератора 1 („,— и ) в пределах которых исследуются диэлектрические свойства объекта.

Вследствие частотной манипуляции одного из входных сигналов второ. го смесителя 5 и плавной развертки частоты сигнала на его другом входе, на выходе второго смесителя образуется частотно-модулированное напря45 жение, модулирующая частота которо- . го задается коммутационным генера— тором 17, вырабатывающим напряже— ние частоты пЯ прямоугольной формы, подаваемое на управляющий вход переключателя 12, а значения комбинационных частот, составляющих спектр несущей частоты, одновременно плавно изменяются вслед за изменением частоты свип-генератора. При этом I 55 одна из составляющих, равная разности частот свип-генератора 14 и первого кварцевого генератора 8 (ю„ф), изменяется в интервале частот от и),„!

70 Ь до Ш,, а другая составляющая, равная разности частот свип-генератора и второго кварцевого генератора 13 (cv>+), принимает непрерывный ряд значений ото „до cu . Обе состав-. оМ ляющих выделяются вторым полосовым фильтром, полоса пропускания которого выбрана так, чтобы обеспечить перекрытие диапазона частот от w до 0016, в который входят оба интервала разностных частот, и исключить паразитное прохождение несущих частот входных сигналов второго смесителя и комбинационных частот, равных сумме указанных несущих.

Предположим, что в начальный момент после калибровки измерителя частоты зондирующего сигнала автогенератора 1 равна ж„„, а частота свип-генератора 14 фиксирована и соответствует нижнему пределу его полосы частот (ос„, т.е. начальному моменту периода частотной развертки. При поочередном подключении измерительного 6 и образцового 10 датчиков к времязадающей цепи автогенератора частота зондирующего сигнала периодически изменяется, принимая поочередно значения щН и <и . соответственно, период следованйя которых задается периодом сигнала управления (2 Ti /Я ), поступающего на управляющий вход коммутатора 3 с выхода делителя 18 частоты. Сигнал управления формируется делением частоты Я коммутационного генератора 17 на число о, кратное десяти. В результате с выхода автогенератора в первый смеситель 4 поступает квазигармонический сигнал, расстройка несущей частоты которого в один из полупериодов /7(Я (при, подключении образцового датчика) зависит только от неинформативных факторов и равна did а в следующий полупериод работы коммутатора 3 (при подключении измерительного датчика с объектом контроля) суммарная расстройка несущей частоты пропорциональна информативному приращению емкости измерительного датчика, связанному с диэлектрическими свойст вами объекта 7, и неинформативному приращению, вызванному температурным дрейфом собственной емкости измерительного датчика, и равна соответственно Ьшн + Дрок, Одновременно на второй вход смесителя 4 с выхода второго полосового

7 11096 фильтра 2 подается частотно-модулированный сигнал, несущая частота которого с частотой модуляции h9 поочередно принимает два значения " о1Н и дроги . При этом частота квар цевых генераторов и 1 и и 4, и частота и С„, соответствующая нижнему пределу полосы частот свип-генератора, подобраны так, что в начальный момент времени, соответствующий 1р началу периода частотной развертки, одна из выделяемых вторым полосовым фильтром разностных частот (смог„) г лежит ниже, а другая (юо1н) — выше зондирующей частоты м1„ автогенератора, которая является нижним пределом полосы исследуемых частот.

Из смеси несущих частот сигналов, поступающих на соответствующие входы первого смесителя 4, первый полосовой фильтр 11 выделяет и формирует (ограничивая по амплитуде и устраняя паразитную амплитудную модуляцию) частотно-модулированный сигнал, модулирующая частота которого равна hQ несущая определяется разностью несущих частот входных сигналов смесителя, т.е. в один из полупериодов

У/Я (при подключении обра з цовог о датчика 10 к времязадающей цепи ав30 тогенератора 1) несущая частота выделяемого фильтром 11 разностного сигнала принимает поочередно (с частотой о1 н кн ) " ("кн %гД а при включении измерительного датчика 6 с объектом 7 контроля— (4)р в wH ) и (шн w p2H) Интервал между мгновенными значениями несущих (Kî H H LoÎ2 ) выд огн вторым полосовым фильтром 2 сигнала остается постоянным в течение всего периода частотной развертки и всегда равен разности фиксированных частот кварцевых генераторов(и> — vrz4,), что позволяет избавиться от необходимости перестройки первого полосового

45 фильтра 11 и за счет выбора оптимального разноса опорных частот, в качестве которых избираются два последовательных мгновенных значения несущей частоты сигнала, выделяемого вто- О рым фильтром 2 за один период 2л/пЯ работы переключателя 12, дает возможность использовать интервал между ними (опорными частотами) в качестве меры для определения величины девиации частоты зондирующего сигнала.

Кр.оме того, при выборе оптимального разноса опорных частот следует

70 учесть изменения величины расстройкизондирующей частоты автогенератора, вызванные изменениями информативного приращения емкости измерительного датчика 6 в полосе исследуемых частот, обусловленными дисперсией диэлектрических свойств объекта 7 контроля, оптимальный разнос опорных частот, задаваемьп разностью частот кварцевых генераторов, должен быть таким, чтобы максимальная величина информативной расстройки (Лм „)зондирующей частоты не превышала половины интервала между опорными частотами. При этом. частоты кварцевых генераторов и нижний предел полосы частот свип-генератора выбираются так, чтобы в момент начала частотной развертки соблюдались условия баланса опорных частот (мгновенных значений несущей частоты сигнала на выходе второго полосового фильт— ра 2) и несущей частоты выходного сигнала автогенератора, которые в отсутствие неинформативных факторов определяются соотношениями сО а со + и

02Н 1Н >Õ 01И

hw ох (с и 1Н

dry> юах

01H 02H (1)

P значение зондирующей час. тоты автогенератора 1, соответствую.цие нижнему пределу полосы исследуемых частот и определяемое только собственными параметрами измерительного 6 и образцового 10 датчиков (которые после калибровки в отсутствие объекта 7 контроля идентичны); максимальная величина информативного приращения несущей частоты зондирующего сигнала в полосе исследуемых частот, обусловленная дисперсией диэлектрических свойств объекта 7 контроля; мгновенные значения несущей частоты частотномодулированного напряжения на выходе второго полосового фильтра 2, соответствующие одному периоду 2й пЯ работы переключателя 12 в начальный момент периода частотной развертки;

1109670

Ю вЂ” среднее значение разносР ти между несущей частотой зондирующего сигнала на выходе автогенератора 1 и несущими частотами частотно-модулированного сигнала на выходе второго полосового фильтра 2, которое в течение всего периода частотной раз- 10 вертки остается неизменным и определяется выражением гдето и сс> — фиксированные частоты

1Е первого 8 и второго 13 кварцевых генераторов соответственно.

После частотного детектирования 20 разностного частотно-модулированного сигнала в частотном детекторе 15 на вход низкочастотного усилителя 19 поступает амплитудно-модулированное напряжение прямоугольной формы с не- 25 сущей частотой пЯ, амплитуда которого зависит от девиации среднего значения несущей частоты (со ) разP иост ного частотно-модулированного сигнала на входе частотного детектора которое определяется выражением (2) ° При подключении образцового датчика 10 к времязадающей цепи автогенератора 1 девиация пропорциональна неинформированному приращениюДй> несущей частоты зондирующегс

Кн сигнала u „, вызванному температурным дрейфом собственных параметров образцового датчика, и при подключении измерительного датчика 6 с объектом 1 контроля девиации определяется суммарным приращением с н+ЛЬ кн зондирующей частоты которое в этом случае обусловлено информативньщ приращением емкости изме45 рительного датчика под влиянием ди— электрических свойств объекта контро. ля и неинформативными факторами.

Причем в последнем случае неинформативные факторы могут стать причи50 ной грубых искажений, если девиация настолько черезмерная, что вызывает смещение текущего значения несущей частоты входного сигнала частотного детектора в область нелинейности его частотной характеристики, прямолинейность которой обеспечивается на ограниченном участке частсгного диапазона.

Низкочастотный усилитель 19, настроенный на первую гармонику частоты nQ, выделяет из выходного прямоугольного амплитудно-модулированного напряжения частотного детектора синусоидальный сигнал, амплитуда. которого в один из полупериодов F/ß пропорциональна алгебраической сумме информативного и неинформативногс приращений частоты зондирующего сигнала, а в следующий полупериод содержит информацию только о неинформативных факторах, влияющих на изменения частоты того же сигнала.

С выхода усилителя 19 амплитудно-модулированный сигнал частоты пЯ подается на сигнальный вход синхронного детектора 20, на управляю— щий вход которого с выхода коммутационного генератора через фазоинвертор 21 поступает прямоугольное на-! пряжение той же частоты. Фаза этого напряжения синхронно инвертируется в моменты переключения датчиков по сигналу частоты. Я, одновременно поступающему с делителя 18 частоты на управляющие входы фазоинвертора

21 и коммутатора 3. После синхронного детектирования (по двухтактной схеме) амплитудно-модулированного сигнала на выходе детектора 20 образуется последовательность пакетов выпрямленных полуволн синусоиды, полярность которых изменяется с частотой Я, при этом длительность пакета равна 7/Я., а амплитуда полуволн синусоиды частоты лЯ в пакетах одной полярности (одного знака) пропорциональна амплитуде входного синусоидального сигнала детектора в соответствующий полупериод Г/Я

Прерыватель 22, включенный на выходе синхронного детектора, замыкается по сигналу управления с делителя частоты в моменты подключения образцового датчика 10 к времязадающей цепи автогенератора 1, в результате чего на выходе прерывателя формируется периодическая последовательность пакетов длительностью и/Й, следующих с частотой Я и состоящих из полуволн синусоиды (частоты пЯ ) одной полярности, амплитуда которых пропорциональна только неинформативному приращению Дсо несукн щей частоты зондирующего сигнала и>„н . В результате усреднения пакетного однополярного напряжения на выходе второго интегратора 16 об11096 70 12 р зуется пульсирующее напряжение, постоянная составляющая которого приводит к изменению уровня постоянного напряжения на регулирующем входе автогенератора и, следовательно, к изменению несущей частоты зондирующего сигнала. При правильном выборе постоянной времени второго интегратора (i ) и при соответствующем выборе фазовых соотноше-, ний между входным сигналом первого смесителя 4, пропорциональным неинформативному приращению среднего значения несущей частоты зондирующего сигнала среднее значение зондирующей частоты автогенератора определяется как полусумма опорных частот сигнала сопоставления, т.е. в момент начала частотной развертки среднее значение зондирующей частоты равно полусумме текущих значении 1оЬ н и ь о2н несУЩей частоты вы

01 н ходного сигнала второго полосового фильтра 2, и корректирующим выходным сигналом второго интегратора

16, пропорциональным девиации. среднего значения несущей частоты разностного сигнала на выходе первого полосового фильтра 11 (и> ), обусловленной только неинформативными факторами, уровень постоянного напряжения на регулирующем входе автогенератора изменяется до тех пор, пока не выполнится условие равенства между текущим значением несущей частоты зондирующего сигнала (u) ) и ее средним значением, задаваемым полусуммой опорных частот сигнала

+со сопоставления и — О1" о» 1 т.е. н 2

1 пока для замкнутой системы, состоящей из элементов автогенератор 1 смеситель 4 " фильтр 11 — детектор

15 — усилитель 19 — детектор 20— прерыватель 22 и интегратор 16 автогенератор 1, с точностью до .ошибки некомпенсации не выполнится условие симметрии, определяемое соотношением

0) -Ш =Ш -Щ (31

О.| К KH KH 02H где (u текущее значение несущей частоты зондирующего сигнала, определяемое только. неинформативными факторами (когда времязадающая цепь автогенератора соединена с образцовым датчиком) . Замкнутая система обеспечивает снижение и стабильность уровня помех, связанных с медленными

45 температурными дрейфами собственных параметров измерительного датчика и параметров времяэадающей цепи автогенератора, лишь при условии идентичности собственных параметров измерительного и образцового дат— чиков (для чего датчики изготавливаются по единой технологии на одной подложке, соединены по дифференциал ьной схеме и находятся в одинаковых климатических условиях) и при соответствии постоянной времени замкнутой системы соотношению

С „, » 2Л/Я, (4.1 где à — постоянная времени второго интегратора 16; некоторая постоянная, пропорциональная времени, в течение которого неинформативные факторы, обусловившие приращение Ды„„зондирующей частоты ьо автогенератора, 1н остаются неизменными, т.е. текущее значение зондирующей частоты (u „H ) остается постоянным.

Частотная развертка свип-генератора должна осуществляться с достаточно малой скоростью с тем, чтобы за время установления переходных процессов, связанных с коррекцией текущего значения несущей ч; стоты зондирующего сигнала по условию симметрии (3), среднее значение зондирующей частоты автогенератора практически не изменялось. Поэтому период частотной развертки свипгенератора выбирается значительно большие времени установления переходных процессов в цепи коррекции частоты автогенератора, т.е ° больше постоянной времени второго интегратора МЬ1 определяемой из соотношения (4) . При указанных условиях плавное изменение частоты свип-генератора 14 от ьо

С

po e влечет за собой изменение опорных частот по тому же линейному закону и возрастание девиации среднегэ значения несущей частоты частотно-модулированного сигнала на входе частотного детектора 15, что вызывает пропорциональное изменение амплитуды выходного сигнала детектора и после онисанных преобразований в цепи последовательно соединенных элементов усилитель 19 — детектор

20 — прерыватель 22 — интегратор

16 приводит к изменению уровня постоянного напряжения на регулирующем входе автогенератора, часто-

13 11096 та которого синхронно. с частотной разверткой свип-генератора плавно изменяется в пределах полосы иссле1 дуемых частот (4u М б г, ширина н которой задается шириной полосы частот свип-.генератора. Причем разнос опорных частот, которые в начальный момент периода развертки определяются соотношениями

- > (5) 10

01Н СН 14 02H CH гф а в конце периода частотной развертки — соотношениями

016 СИ 1ф 025 Cg Яф

20

50 где и3 „и ыС вЂ” соответственно нижний и верхний пределы полосы частот свип-генератора 14, (о „н, м 2 — мгновенные значения несущей частоты частотно-модулированного напряжения на выходе второго полосового фильтра 2, соответствующие одному пеРиоду (2л t Я ) работы переключаИ теля, 12 в момент окончания периода

Р i звертки, остается неизменным в те чение всего периода частотной развертки и равным разности частот кварцевых генераторов. Рабочая точка частотного детектора 15, определяемая как среднее значение разности между несущей частотой зондирующего сигнала и опорными частотами, также не зависит от частотной развертки, поэтому нелинейность частотной характеристики детектора

15 не влияет на показания измерителя, если в пределах полосы исследуемых частот выполняются условия баланса опорных частот и .зондирующей частоты (1), поскольку линейность частотной характеристики детектора 15 обеспечивается в этом случае в пределах узкого диапазона частоты +дw „„,Кроме того, стабилизация разноса опорных частот

45 .позволяет повысить помехозащищенность входных цепей аналогового тракта за счет сужения полосы пропускания первого полосового фильтра 11.

Остаточное напряжение .корректирующего сигнала на регулирующем входе автогенератора, связанное с ошибкой некомпенсации замкнутой системы, не искажает результат измерений и увеличивает погрешность нуля измерителя в том случае, если оно обусловлено медленным дрейфом частоты автог енератора, свя занным с

14 температурными изменениями параметров времязадающей цепи и собственных параметров измерительного и образцового датчиков (т.е. если выполнены условия (1) и (4) для замкнутой системы), поскольку неинформативные составляющие выходного сигнала синхронного детектора, пропорциональные приращению частоты автог енератора, вызванному внешними неинформативными факторами, взаимокомпенсируются в первом интеграторе 23 благодаря инверсии полярности пакетов полуволн синусоиды, следующих поочередно с выхода синхронного детектора

20 на первый интегратор и вызывающих периодический процесс перезаряда

его накопительных элементов. Поэтому на выходе первого интегратора 23 появляется пульсирующее напряжение, уровень постоянной составляющей ко- . торого пропорционален некомпенсированной величине информативного приращения со„ частоты со„ выход н ного сигнала автогенератора, которое вызывается приращением емкости измерительного датчика 6, связанным с диэлектрическими свойствами объекта 7 контроля на данной частоте.

Неинформативное приращение этой частоты, связанное с неидентичностью собственных параметров измерительного 6 и образцового 10 датчиков, устраняется перед началом измерений в режиме калибровки.

Режим калибровки проводится в отсутствие объекта контроля и заключается в ручной регулировке с помощью подстроечного элемента параметров времязадающей цепи автогенератора и в подстройке емкости образцового датчика с помощью триммера (регулирующие элементы автогенератора и образцового датчика не показаны). Блок развертки на время калибровки измерителя отключается. Регулировки ведутся до тех пор, пока на индикаторе 24 не установится нулевое показание, что происходит когда частота автогенератора соответствует условию, устанавливаемому для текущего значения зондирующей частоты и соответствующих значений опорных частот соотношением (3) в оба такта работы коммутатора 3, т.е. когда собственные емкости измерительного и образцового датчиков становятся идентич- ными с точностью до погрешности отсчета нулевого-показания.

1109670

5

ЗО

Пульсация выходного напряжения первого интегратора 23 сглаживается при соответствующем подборе постоянной интегрирования 2, которая должна быть близкой величине постоянной времени t второго интегратора 16 и соответственно должна удовлетворять аналогичным условиям (4) . Период развертки частоты свипгенератора выбирается гораздо большим времени установления переходных процессов в цепи коррекции частоты автогенератора, поэтому постоянйая времени блока 9 развертки должна быть выше постоянных времени первого и второго интеграторов, т.е. минимальный период частотной развертки должен быть сравним с постоянной времени Г определяемой соотношеOl 7 нием (4) .

Блок 9 развертки, необходимый для перестройки частоты свип-генератора 14, служит одновременно для со здания част от ных, меток на и ндикаторе 24, постоянное напряжение на сигнальном входе которого изменяется в зависимости от изменений информативного приращения емкости измерительного датчика 6, связанных с дисперсией диэлектрических свойств объекта 7 контроля, при частотной развертке зондирующего сигнала автогенератора в полосе частот (м„-М„е) .

1н 18

Таким образом, введение свипгенератора и второго кварцевого генератора обеспечивает формирование такого сигнала (используемого для сопоставления с зондирующим сигналом автогенератора), разнос несущих частот которого не зависит от абсолютных значений этих частот, что позволяет за счет выбора оптимальных соотношений между опорными частотами и несущими частотами зондирующего сигнала подавить влияние нелинейности частотной характеристики частотного детектора при развертке частоты зондирующего сигнала и за счет сужения полосы пропускания первого полосового фильтра существен но повысить помехозащищенность цепей высокочастотной, части аналогового тракта. Введение в цепь автоподстройки зондирующей частоты прерывателя с вторым интегратором и во времязадающую цепь автогенератора образцового датчика с коммутатором позволяет с точностью до ошибки некомпенсации замкнутой цепи коррекции исключить медленные дрейфы частоты зондирующего сигнала, связанные с температурно-временной нестабильностью параметров времязадающей цепи автогенератора и собственных параметров измерительного датчика. Кроме того, введение фазоинвертора с делителем частоты в управляющую цепь синхронного детектора позволяет разделить информативный и неинформативные параметры информационного сигнала и при послефующем интегрировании исключить погрешность, определяемую величиной ошибки некомпенсации корректирующего сигнала, т.е. позволяет осуществить автоматическую установку нуля в процессе измерения, что в сравнении с известным устройством дает возможность существенно повысить точность измерения малых приращений емкости, связанных с дисперсией диэлектрических свойств гетерогенных сред, в полосе частот.

Предлагаемый измеритель может быть использован на предприятиях химической и легкой промышленности, выпускающих изделия на основе композиционных полимерных диэлектриков, для автоматизации операций, связанных с контролем .технологических параметров выпускаемой продукции, что обеспечит оптимальное управление режимами технологических процессов и позволит повысить качество готовых изделий. Кроме того, использование измерителя для экспрессанализа технологических параметров готовой продукции или полуфабрикатов по частотной зависимости от диэлектрических свойств позволит снизить трудоемкость операций при проведении анализов и сократить затраты ручного труда. I 109670

Фиа!

E l()967ll

3

04 alN «faн. с,, еь «ь т,„

„Л 4имвнФ

ab

»О9Е7О

Составитель Л.Сорокина

Редактор И.Шулла Техред Т.Фанта КоРРектоР М.Щароши

Заказ 6025/30 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул . Проектная, 4