Спектрометр комплексной диэлектрической проницаемости

 

Изобретение относится к исследованию диэлектрических характеристик полимерных и других непроводящих материалов, в частности к измерению составляющих комплексной и диэлектрической проницаемости при разных частотах. Целью изобретения является повьпиение точности измерения диэлектрических характерист.ик и расширение функциональных возможностей измерителя . Для этого в спектрометр введены генератор 4 линейно изменяющегося напряжения, блок 6 запоминания, блок 7 вычитания и цифровой вычислитель 8. Кроме того, спектрометр содержит измерительный конденсатор 1, в который помещен образец 2 из испытуемого материала, образцовый резистор 3, электрометрический усилитель 5. Спектрометром определяется как полная вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости, так и ,ее релаксирующая составляющая. 1 ил. i СО

союз советских социАлистичесних

И=аЪЬЛИН дд 4 G 01 R 27/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1) 3906273/24-21 (22) 10.06.85 (46) 30.01.87. Бюп. ¹ 4 (7 1) Институт механики полимеров

АН ЛатвССР . (72) В.Д.Штраус, А.В.Калпиньш, Я.А.Калниньш и Ю.Ю.Ротбахс (53) 621.317 ° 335(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 855536, кл. G 01 R 27/26, 1981.

Авторское свидетельство СССР № 957127, кл. G 01 R 27/26, 1982. (54) СПЕКТРОМЕТР КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ (57) Изобретение относится к исследованию диэлектрических характеристик полимерных и других непроводящих материалов, в частности к измерению

„„SU„„1287043 А1 составляющих комплексной и диэлектрической проницаемости при разных частотах. Целью изобретения является повышение точности измерения диэлектрических характеристик и расширение функциональных возможностей измерителя. Для этого в спектрометр введены генератор 4 линейно изменяющегося напряжения, блок 6 запоминания, блок

7 вычитания и цифровой вычислитель

8. Кроме того, спектрометр содержит измерительный конденсатор 1, в который помещен образец 2 из испытуемого материала, образцовый резистор 3, электрометрический усилитель 5.

Спектрометром определяется как полная вещественная часть комплексной диэлектрической проницаемости, так и ее релаксирующая составляющая. 1 ил.

1 1287043 2

Изобретение относится к исследо- тельного конденсатора, в образце 2 ванию диэлектрических характеристик начинается процесс поляризации, вызыполимерных и других непроводящих ма- вающий ток поляризации через материал териалов, а более точно к измерению i(t). Ток поляризации, создает падение составляющих комплесной диэлектри- 5 напряжения U(t) на образцовом резисческой проницаемости при разных час- торе 3 тотах.

Цель изобретения — повьппение точности измерения диэлектрических характеристик и расширение функцио- 10 нальных возможностей измерителя, заключающихся в обеспечении определения как полной вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости, так и ее релаксирующей составляющей и высокочастотной диэлектрической проницаемости.

На чертеже представлена блок-схема спектрометра диэлектрической проницаемости. 20

Блок-схема предлагаемого устройства содержит измерительный конденсатор, 1, в котором помещен образец 2 из испытуемого материала — диэлектрика, образцовый резистор 3, генератор 4 линейно изменяющегося напряжения, электрометрический усилитель 5, блок 6 запоминания, блок 7 вычитания и цифровой вычислитель 8.

Выход генератора 4 линейно изме- 30 няющегося напряжения через измерительный конденсатор 1 соединен с образцовым резистором 3 и электрометрическим усилителем 5, выход которого соединен с входом блока 6.и одним 35 из входов блока 7 вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока 6 и одним из входов цифрового вычислителя 8, второй вход которого соединен с выходом блока 7 вычитания, 40 а управляющие входы генератора 4 линейно изменяющегося напряжения и блока 6 соединены с соответствующими выходами цифрового вычислителя 8.

Спектрометр комплексной диэлектри- 45 ческой проницаемости работает следующим образом.

На первом управляющем выходе 9 цифрового вычислителя 8 вырабатывается сигнал,.который разрешает генератору 4 генерировать линейно изменяющееся напряжение. Одновременно с упомянутым сигналом на втором выходе 10 цифрового вычислителя 8 вырабатывается кратковременный импульс, упРав- 55 ляющий блоком запоминания 6.. !

Iocae запуска генератора 4 линейно, изменяющегося напряжения, выход которого подключен к электродам измериv„(t) = R,i(t), где К вЂ” величина образцового резистора 3.

Сигнал V,(С) поступает на вход электрометрического усилителя 5. Так как коэффициент усиления электрометрического усилителя выбран равным

К

Rî Со К где С вЂ” величина емкости измерительного конденсатора в вакууме;

К вЂ” скорость нарастания на выходе генератора 4 линейно изменяющегося напряжения, то на его выходе появляется сигнал

Е (ju) — E = I9 (t)e dt, (2) о где — круговая частота;

= 1 !

Рассмотрим отклик диэлектрика, который помещен в однородное переменное электрическое поле E(t), создаваемое между электродами плоскопараллельного измерительного конденсатора, когда на.электроды измерительного конденсатора подается линейно изменяющееся напряжение

Кг., при t> 0;

Н t)

О, при t (0 . (3) U (t) = К U,(t) = R,КС

1 о сК

1 1

+ 6+P(i)a = Е„+ I Ф()Д (1) о о

1 о = 8,85 10 Р/г — электрическая постоянная (абсолютная проницаемость вакуума);

Я>(t) — функция спадания, которая является реакцией диэлектрика на воздействие напряженности электрического поля в виде дельта-функции.

Функция спадания P(t) через одностороннее преобразование Фурье связана с частотной зависимостью комплексной диэлектрической проницаемости

1287043

Определение составляющих комплексной диэлектрической проницаемости с () 6 « () в спектрометре осуществляется путем цифровой реали5 зации решения в виде 6

1,С ) A), Ре) (С" ) (12) н

ЕР(а) = — L В„хр,„(с„), (13) О )=1

Учитывая, что где А„ и В„ — постоянные коэффициенты, в которых отсчеты входной функf5 ции ре„(С) выбраны согласно закону геометрической прогрессии со знаменателем 2

Ч 2

t (> (14) (6) 20

В случае использования плоскопараллельного измерительного конденсатора с вакуумной емкостью С„

Е,Б

25 (7) где S — ппощадь электродов измерительного конденсатора полный ток поляризации через конден- 30 сатор равен (с) = 3(с) Б = Е„кс +

+ КС 9 (К )й (8)

О

Первая часть выражения (8) представляет собой вклад в полный ток упругих видов поляризации, а вторая часть— релаксационной поляризации. Обозначая ток релаксационной поляризации в виде40 ре)((t) Kco J Ð ()()" (9) о определяем функцию спадания ср () 1 Й\Рел (t) (10)

КС dt

Так как формула (10) выражает функцию спадания через ток релаксационной поляризации ре„ (t) т.е. через величину, которая фактически измеряется

50 в предлагаемом спектрометре, то, основываясь на уравнении (2), можно определить частотную зависимость комплексной диэлектрической проницаемости согласно

1 (11) Е(с) = = —, при с ЪО, (4)

U(t) Kt где h — - расстояние между электродами измерительного конденсатора, получаем выражение к и(с) = 8.(с „+ — „ Р(с—

Дифференцируя (5) по времени, получаем плотность тока поляризации через диэлектрик где — константа, 1

Блок запоминания 6 запоминает величину напряжения, присутствующего на его входе во время кратковременного управляющего импульса. Так как импульс на втором управляющем выходе

10 цифрового вычислителя 8 вырабатывается одновременно с моментом запуска генератора линейно изменяющегося напряжения 4, то блок запоминания

6 запоминает напряжение, пропорциональное первому члену выражения (1) — 1. . Так как величина сопротивления образцового резистора 3 выбирается достаточной малой, чтобы пренебречь экспоненциальной составляющей тока поляризации, и время выборки блоком Ь достаточно мало, чтобы пренебречь напряжением на измерительном конденсаторе 1. После вычитания в блоке 7 из напряжения U (t) величины напряжения, зафиксированного в блоке 6 получаем напряжение U>(t), пропорциональное току релаксационной поляризации

11,(с) = 3 (-) -, О которое далее поступает на второй аналоговый вход 11 цифрового вычислителя 8. Цифровой вычислитель 8 реализует выполнение алгоритмов (12) и (13) над входным сигналом. Так как расширение функциональных возможностей спектрометра включает определение вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости с ((д), то необходимо к получаемой величине (Е (ОО) — g j прибавить высокочастотную диэлектрическую прониСоставитель А. Кринов

Техред N.Õoäàíè÷ Корректор О.Луговая

Редактор Т.Парфенова

Заказ 7710/47

Тираж.730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4.

5 i28 цаемость . Для этого на первый аналоговый вход 12 цифрового вычислителя 8 с выхода блока запоминания

6 подается напряжение, пропорциональное Е . После выполнения изложенных действий результаты вычислений — с (); F (>); (Е (>) -E);

Е выводятся на индикатор пульта оператора.

Формула изобретения

Спектрометр комплексной диэлектрической проницаемости, содержащий последовательно соединенные измерительный конденсатор с испытуемым мате- риалом и образцовый резистор, к .общему выводу которых подключен электрометрический усилитель, б т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения диэлектрических характеристик, в него

7043

6 введены генератор линейно изменяющегося напряжения, блок запоминания, блок вычитания и цифровой вычислитель, причем выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с другим выводом измерительного конденсатора, а управляющий вход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с первым управляюfp щим выходом цифрового вычислителя, выход блока запоминания подключен к первому входу блока вычитания и первому аналоговому входу цифрового вы числителя, вход блока запоминания

15 соединен с выходом электрометрического усилителя и вторым входом блока вычитания, а управляющий вход блока запоминания соединен с вторым управляющим выходом цифрового вычисgp лителя, выход блока вычитания соединен с вторым аналоговым входом цифрового вычислителя.