Измеритель параметров диэлектриков

 

ИЗМЕРга:ЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ ,- содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление , liC -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненной в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управлякщим входом синхронного детектора, я отсчетно-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивности, а средний вьгаод катушки индуктивности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора , отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений малык приращений емкости, в него введены второй иС -контур, образованный второй катушкой индук тивноСти и измерительным датчиком, второе активное сопротивление, через которое средний вывод катушки введенного контура соединен с в1 1ходом генератора, второй амплитудный детек тор , частотный модулятор, ькчзд ко- . торого соединен, с модулирующим вхо . дом высокочастотного генератора, а вход - с выходом коммутационного генератора, последовательно соеди- : ненные регулятор частоты к генератор; иг пульсов, два вентиля, входы кото- : г Iрьк соединены с выходом усилителя постоянного тока и с входом регуляО ) iTopa частоты, два ключевых блока, управляющий вход каждого из которых соединен с выходом одного из венти-, лей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которогосоединен с выходом одного из ключевых блоков, управляемая образцовая емкость , подключенная во второй LC контур параллельно его катзтаке индуктивности , и измерительному датчику, и реверсивньй счётчик импульсов, выход которого соединен с входом отсчетно-регистрирующега блока, а каждый из разноименныхвходов под .ключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входай реверсивного шагового двигателя, выход которого связан с .регулируняцин входом управляемой образцовой емкости , причем.один из детекторов и один из вентилей включены в прямом, а другие - соответственно в обратном

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

09) (И) А

ЭС51 C, 01 " 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 д (Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НРМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) .3591896/24-21 (22) 18.05.83 (46) 07.12,84. Бюл. N 45 (72) Б. А. Иванов, П.Т.Захаров, В.И.Руч" кин, И .А.Федорина, А.H.Ковалев, H.A.Ïoêàëþõèí и Н.P. Папенко (71) Киевский технологический институт.легкой промышленности (53).621.317.333(088.8) (56) 1. Патент. США 1Ф 4045728, кл. 01 R 27/26, 324-59, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 949424, кл. и 01 R 27/26, 1982 (прототип). (54)(57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ; содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление, С -контур, в r:oòîðoì параллельно соединены катушка индуктивности и выполненнЫй в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, вьмод которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, и отсчетно-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивности, а средний вывод .катушки.индуктивности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности

I измерений малых приращений емкости, в него введены второй .LC .-контур, образованный второй катушкой индуктивности и измерительным датчиком, второе активное сопротивление, через которое средний вывод катушки введенного контура соединен -с вьмодом. генератора, второй амплитудный детек" тор, частотный модулятор, вьмод которого соединен. с модулирующим вхо. дом высокочастотного генератора,.а вход — с выходом коммутационного генератора, последовательно соединенные регулятор частоты и генератор, импульсов, два вентиля, входы кото- : ,рых соединены с выходом усилителя

I постоянного тока и с входом регуля.тора частоты, два ключевьм блока, управляющий вход каждого из которьм соединен с выходом одного из вентилей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которого соединен с выходом одного из ключевых блоков, управляемая образцовая ем- . кость, подключенная во второй LC контур параллельно его катушке индук" тивности.и измерительному датчику, 1© и реверсивный счетчик импульсов, фф выход которого. соединен е входом отсчетно-регистрирующего блока, а .каждый из разноименных входов подключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входам реверсивного шагового двигателя ° вьмод которого связан с .регулирующим входом управляемой образцовой ем.. кости, причем. один из детекторов и один из вентилей включены в прямом, а другие - соответственно в обратном направлениях, при этом входы детек торов соединены с. выводами датчика, !

1i 28196 а выходы — с входом фильтра нижних частот.

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля непроводящих сред, например полимерньи композиций на основе диэлектриков, и может быть использовано как для исследования композитных материалов, изменение физико-механических ° свойств которых влияет на их диэлектрические характеристики, так и для контроля кинетики физико-химических процессов 10 структурообразования или твердения в производстве ряда материалов и изделий, диэлектрические свойства которых зависят от технологических параметров. 35

Известно устройство для контроля параметров реактивных элементов, индуктивностей или емкостей, основанное на измерении величины отклонения (приращения) реактивной сос- 2О тавляющей комплексного сопротивле ния контролируемого элемента от образцового значения, и содержащее два автогенератора, переключатель, вьиод которого подключен к времяза- 25 дающей цепи первого автогенератора, измерительный и образцовый реактивные элементы (емкости или индуктивности), общий вывод которых соединен с корпусом устройства, а два ЗО других подключены соответственно к

:входам. переключателя, а также низ;кочастотный генератор, вьиод .которо го соединен с управляющим входом переключателя, частотный преобразователь, входы которого подключены к выходам автогенераторов, и,индикатор (1$ .

Недостатком данного устройства является невысокая точность измере- 40 ния из-за погрешности, обусловленной асимметрией -каналов переключателя; вызванной конструктивной неидентичнос тью его проходных (паразитньи) емкостей, нестабильностью (температур- 45

:ной или,временной) .реактивных параметров сравниваеьых элементов и коммутационными помехами, возникающиии:. при переключении сравниваемых элемен-,, тов.и изменяющими спектр зондирующего сигнала, что приводит к дрейфу

"нуля" устройства. Кроме того, наличие электромеханического коммутатора (переключателя) ограничивает быст. родействие и снижает надежность устройства.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устрой, ство для контроля технологических параметров непроводящих материалов, основанное на сравнении амплитуд двух сигналов, снимаемых с колебательного контура в разные такты коммутации.образцовой и измерительной емкостей дифференциального датчика, и содержащее высокочастотный генератор, емкость связи, LC -контур, последовательно соединенные варикап и конденсатор, дифференциальный ем-. костной датчик, два переключателя, разноименные входы которых соединены между собой и подключены к высокопотенциальным электродам датчика, последовательно соединенные детектор, узкополосный фильтр низкой частоты, избирательный усилитель низкой частоты, синхронный детектор и отсчетно-регистрирующее устройство, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющими. входами переключателей.и синхронного детектора, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора,: источник опорного напряжения и дефференциальный усилитель постоянного .тока, один из входов которого соедийен с вьиодом фильтра нижних частот, другой вход подключен к выходу источника опорного напряжения, а вьиол соединен с первыми выходами варикапа и конденсатора, причем второй вывод конденсатора соединен с входом амплитудного детектора, с выходом первого переключателя и .с одним иэ выводов LC -контура, второй вывод которого соединен с вторым выводом

1128196 варикапа, с выходом второго переключателя, с низкопотенциальными электродами датчиков,и с корпусом устройства, а средний вывод индук.тивности 4С -контура соединен через емкость связи" с выходом высокочастотного генератора (2) .

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения малых приращений контролируемого параметра.

Цель изобретения — повышение точ,ности измерения малых приращений емкости.

25

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель параметров диэлектриков, содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление, С -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненный в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, и отсчетно-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен. с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивнос- 35 ти, а средний вывод катушки индуктивности через активное сопротивление соединен е выходом высокочастотного генератора, введены второй LC -кон-. тур, образованный второй катушкой 40 индуктивности и измерительным датчиком, второе активное сопротивле- . ние, через которое. средний вывод катушки введенного контура соединен . с выходом генератора, второй ампли- 45 тудный детектор,.частотный модулятор, выход которого соединен с модулирующим входом высокочастотного генератора, а вход — с выходом коммутационного генератора, последова- 50 тельно соединенные регулятор частоты и генератор импульсов, два венти« ля, входы которых соединены с выхо.дом усилителя постоянного тока и с входом регулятора частоты, два клю- 55 чевых блока, управляющий вход каждого из которых соединен с выходом одного из вентилей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которого соединен с выходом одного из ключевых блоков., управляемая образцовая емкость, подключенная во второй L C -контур параллельно его катушке индуктивности и измерительному датчику, и реверсив-; ный счетчик импульсов, выход которого соединен с входом.отсчетно-регист-! рируюнего блока, а каждый из разноименных входов подключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входам реверсивного шагового двигателя выход которого связан с. регулирующим входом управляемой образцовой емкости, причем ,один из детекторов и один из вентилей включены в прямом, а. другие— соответственно в обратном направленй ! ях, при этом входы детекторов соединены с выводами- датчика, а выходы — с входом фильтра нижних частот.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого измерителя;. на фиг ° 2 — амплитудно-частотные харак-, теристики первого (пунктирной линией) и второго (сплошная линия) LC -контуров,в исходном состоянии, т.е.

I после установки "нуля" (фиг. 2 а) и при внесении объекта измерения в поле измерительного датчика первого

LC-контура-в случае равенства (фиг. 2 б) и различия (фиг 2 в) крутизны характеристик обоих конту" ров, .на фиг. 3 - эпюры напряжений на выходе. высокочастотного генерато ра (а), на выходе первого (б) и вто" рого (в) выпрямителей, на входе фильтра нижних частот (пунктирная линия) и на входе усилителя постоян-. ного тока (сплошная линия, фиг.3 r), на выходе усилителя низкой частоты ., (д) и на выходе синхронного детектора (е), кроме того, на фиг. 3 r штрих-пунктирной линией показан уровень постоянной составляющей выходного напряжения. усилителя постоянного тока, а на фиг. 3 е пунктиром обозначен уровень напряжения на выходе..усредняющего звена синхронного детектора, причем индексы у осей ординат на фиг. 3 указывают,к како му блоку измерителя относится изображенный график.

Устройство содержит высокочастот ° ный генератор 1. с кварцевой стабищи

1128196 зацией частоты, частотный, модулятор

2, два активных сопротивления, 3 и

4, первый LC -контур 5, коммутационный генератор б, включенные в первый ьС -контур катушку 7 индуктив- 5 ности и первую секцию 8 измеритель:ного датчика 9 с объектом измерения, катушку 10 индуктивност, управляе1 мую образцовую емкость 11 и вторую",. секцию 12 измерительного датчика, образующие второй 1С -контур 13, детекторы 14 и 15, синхронный детек- тор 16» фильтр 17 нижних частот, . усилитель 18 постоянного тока УПТ, усилитель 19 низкой частоты, регулятор 20 частоты, вентили 21 и 22, ::генератор 23,импульсов, ключевые

;блоки 24 и 25, реверсивный шаговый двигатель 26, реверсивный счетчик 27 импульсов и оУсчетно-регистрирую- 2О :щий блок 28.

При этом выход генератора 1 через

:активные сопротивления 3 и 4,соеди ;нен со средними выводами катушек 25 7 и 10 индуктивности контуров 5 и, 13 соответственно; Одни из крайних выводов катушек 7 и 10 индуктивности соединены с общим выводом измеритель, í0ãî датчика и корпусом устройства, а вторые — с выводами секций 8 и 12

:,измерительного датчика и входами де. текторов 14 и 15, выход которых .через фильтр нижних частот 17 и

УПТ 18 соединен с входами регулятора 20 частоты и вентилей 21 и 22.

Вь1ход регулятора частоты соединен с управляющим входом генератора 23 импульсов, выход которого соединен с одним из входов блоков 24 и 25, 40 вторые входы которых соединены с выходами вентилей. Выходы блоков 24 и 25 соединены с входами реверсивно го двигателя и счетчика 27, выход которого соединен с входом. отсчетно-

45 регистрирующего блока. Реверсивный двигатель управляет..управляемой образцовой емкостью 11, включенной в контур 13, параллельно секции 12 . измерительного датчика. Выход УПТ t8, соединен также с входом усилителя

19 низкой частоты выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора 16, управляющий вход которого соединен с выходом коммутационного генератора 6, а выход— с выходами амплитудных детекторов., Выход генератора через модулятор 2 соединен с..управляющим входом генератора 1

Измеритель работает следующим образом.

С выхода высокочастотного генератора 1 через активные сопротивле ния 3 и 4 напряжение частоты М, подается соответственно на два LC контура 5 и 13 (фиг. 1), расстроенные относительно частоты высокочастотного генератора так, что их рабочие точки в исходном состоянии (без объекта 9, измерения) находятся на правом склоне резонансных характеристик, где имеются относительно большие линейные участки. Причем ра-, бочее напряжение (т.е. рабочая точка) каждого из контуров соответствует приблизительно 0,7 своего резонансного значения, кроме того, собственные параметры элементов второго LC †.контура 13 — индуктивность катушки 10 и секция 12 измерительного датчика — эквивалентны собственным параметрам однотипных элементов (индуктивности катушки 7 и секции 8 измерительного датчика без объекта измерения) первого .4С -контура 5, который конструктивно идентичен с вторым и в исходном состоянии в отсутствие внешних воздействий настроен так, что собственные резонансные частоты обоих контуров И к и

И равны некоторому значению, которое в соответствии с положением рабочих точек лежит ниже значения час-: тоты высокочастотного генератора (фиг, 2 .а).

Поскольку оба 1,С -контура нагружены на встречно включенные детекторы 14 и 15, то напряжение, поступающее в исходном состоянии на фильтр t7 нижних частот и являющееся суммой полуволн синусоидальных сигналов, снимаемых через детекторы с обоих контуров, равно нулю. При внесении объекта 9 измерения в поле секции

8 измерительного датчика происходит увеличение ее емкости, т.е. снижение резонансной частоты У1„ первого С контура 5, что приводит к перемещению его рабочей точкй (точка А на фиг. 2 б) вниз по склону резонансной характеристики, в результате чего напряжение, поступающее на первый детектор 14, уменьшается и на фильтре нижних частот появляется постоянная составляющая, величина и знак которой зависит от изменения емкости секции 8 измерительного датчика.

1128196

55

После масштабирования в усилителе;

18 постоянного тока это напряжение поступает через вентиль 22 или в за-: висимости от знака постоянной составляющей.через вентиль 21 на управляю- 5 щий вход ключевого .блока 25 (или, 24), открывая его. Через .открытый ключевой блок 25 на параллельно включенные рЕверсивный шаговый двигатель 26 и реверсивный счетчик 27 импульсов с генератора 23 импульсов будут поступать импульсы, по которым реверсивный шаговый двигатель будет изменять значение управляемой образцовой емкости 11 до тех пор, . 15 пока не совместятся рабочие точки обоих LL -контуров, т.е. пока не выравняются их коэффициенты передачи, при этом напряжение на выходе усилителя 18 постоянного тока, пропор- 20 циональное разности потенциалов IUD между точками А и Б (фиг. 2 б), будет стремиться к нулю, а соответст- вующий ключевой блок 25 (или 24). прекратит подачу импульсов на входы 25 реверсивного шагового двигателя и

: реверсивного счетчика импульсов.

Так как число импульсов, поступающих на двигатель 26 и счетчик 27,пропорционально приращению управляемой. щ образцовой емкости 11, необходимому для компенсации влияния измеряемой величины, то показания отсчетно-регистрирующего блока 28 будут пропорциональны приращению емкости измерительного датчика, определяемому . значением диэлектрической проницаемости объекта 9 измерения, внесенного в поле секции 8 датчика.

Разность потенциалов между рабочими точками обоих 4С -контуров, возникающая при внесении объекта измерения в поле одной из секций измерительного датчика, может измениться вследствие изменения парамет. ров элементов .LC -контуров (температурный дрейф) и появления, разностй между крутизнами их резонансных характеристик, кроме того, из-за случайных дрейфов могут изменяться и коэффициенты преобразования детекторов, что в конечном итоге приводит к погрешности измерения. Для уменьшения этой погрешности в измеритель введен частотный модулятор 2, который изменяет частоту выходного напряжения высокочастотного. генератора

1 по гармоническому. закону, задаваемому синусоидальным напряжением коммутационного генератора 6, подаваемым на вход частотного модулятора.

В результате частотной модуляции, зондирующего сигнала (фиг. 3-a) высокочастотного генератора 1.происходит перемещение рабочих точек LC контуров по склонам их резонансных характеристик (фиг. 2 в) и на выходе детекторов 14 и 15 появляются ампли-. тудно частотно-модулированные сигна". лы из полуволн синусоиды соответствующего знака (фиг. 3 б, в), причем амплитуда огибающей каждого из этих сигналов пропорциональна коэффициенту передачи .соответствующих цепей и девиации 3(d частоты высокочастот. ного генератора. При различной.крутизне рабочих склонов резонансных характеристик LС -контуров 5 и 13 на входе усилителя постоянного тока

18 появится амплитудно-модулирован.ное напряжение, частота которого определяется частотой коммутационного генератора 6, а амплитуда огибающей этого напряжения пропорциональна разности коэффициентов передачи

, - kzL 6у соответствующих цепей.

Усилитель 19 низкой частоты, настроенный на частоту коммутационного гене-, 1 ратора, выделяет первую гармонику час тоты огибающей (фиг. 3 д),. которая после синхронного детектирования (фиг.. 3 е) подается с выхода синхрон-. ного детекгора 16 в общую точку детей. торов ° 14 и 15,.противофазно изменяя их проводимости (коэффициенты преобразования) и регулируя, таким образом, добротности С. -контуров 5 и 13 и коэффициенты передачи указан.. ных цепей. При соответствующем

1 выборе фазовых соотношений по цепи коррекции, состоящей из фильтра 17 ° усилителей 18-19, детектора 16, в общей точке детекторов -14 и 15 будет устанавливаться потенциал, компенсирующий неидентичность крутизны резонансных характеристик С -контуров.

Внесение объекта 9 измерения поле секции 8.измерительного датчика приводит к расстройке первого,LC"-кон тура 5 и при равенстве добротностей обоих кочтуров 5 и 13 - к смещению . резонансной .характеристики соответствующего контура параллельно самой

1 себе без,изменения крутизны- ее склона. Поэтому на входе усилителя 18 постоянного тока изменяется лишь пос1128196.тоянная составляющая (штрнх-пунктирная линия на фиг. 3 r), являющаяся результатом суммирования выпрямленнмх полуволн гармрнического. напряжения противоположных знаков (фиг.З б и в). Далее это напряжение преобразуется .в цифровую форму по описанному алгоритму.

Управляемая образцовая емкость ,11 выполнена так, что ее величина при воздействии .на реверсивный шаго-.. вый двигатель 26 последовательности импульсов изменяется по линейному закону ступенями фиксированного значения. Регулятор .20 частоты позволяет повысить быстродействие измерителя, не ухудшая переходных процессов.при .перестройке. второго.l C контура 13. Поскольку при большом уровне постоянной составляющей напряжения на выходе усилителя 18 постоянного тока регулятор частоты независимо от знака этого напряжения повышает частоту импульсов генератора 23 и, тем Свиаее, увеличивает 1 скорость отработки,р версивного шагового двигателя и перестройки второго LC -контура управляемой образцовой емкостью 11, а по мере ре5 гулировки этой емкости амплитуда постоянной составляющей на выходе усилителя 18 падает и соответственно под воздействием регулятора частоты уменьшается частота генератора им10 пульсов, что исключает возможность перерегулирования,при подходе измерителя к состоянию равновесия.

Таким образом, введение частотной.

15 модуляции несущей частоты.напряжения высокочастотного генератора, питающего LC -контуры, позволило осуществить коррекцию добротности двухканальной части аналогового трак20 та в процессе измерения и дало возможность исключить наиболее нестабильные с точки зреиия динамической погреш ности звенья, каковыми являются электромеханические коммутаторы, надежность которых также невысока.

1128196

1128196 ь а ему

L Составитель В.Стукан

Редактор С.Патрушева Техред С.Легеза Корректор В.Синицкая

Заказ 9024/34 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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