Устройство на диоде ганна для измерения параметров диэлектрических материалов

 

Использование: контрольно-измерительная техника, позволяющая производить измерения как толщины, так и диэлектрической проницаемости диэлектрика. Сущность изобретения: в устройство на диоде Ганна для измерения параметров диэлектрических материалов, обеспечивающем двухпараметровые измерения, введены первый ключ, включенный между входом усилителя и резистором, включенным в цепь питания активного элемента в виде диода Ганна, и третий ключ, включенный между ВЧ-детектором и входом усилителя. Блок управления вторым и третьим ключами, подключен к выходу НЧ-фильтра. Четвертый ключ включен между цепью питания и первым и вторым входами блока управления. Второй элемент памяти подключен к входу усилителя, а НЧ-фильтр, состоящий из резистора и конденсатора, включен в цепь индикатора, причем блок питания активного элемента в виде диода Ганна выполнен в виде источника импульсного напряжения пилообразной формы. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет производить измерения как толщины, так и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Известно устройство для измерения параметров диэлектрических материалов (авт.св. N 1161898, кл. G 01 R 27/26), которое содержит измерительную камеру с установленным в ней активным элементом с резистором в цепи питания, индикатор и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого подключен к активному элементу, а выход к прямому входу операционного усилителя, выход которого соединен с индикатором и через последовательно соединенные ключ и усилитель, на входе которого включен элемент памяти, с инверсным входом операционного усилителя.

Однако данное устройство позволяет проводить лишь однопараметровые измерения, а именно диэлектрической проницаемости.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, предназначенное для измерения параметров диэлектрических материалов (патент РФ N 1705766, кл. G 01 R 27/26), которое содержит измерительную камеру с установленным в ней активным элементом с резистором в цепи питания, к которой через разделительный конденсатор подключен колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора, между которым и усилителем включен ВЧ-детектор. Выход усилителя соединен со входом операционного усилителя, соединенного через первый ключ с усилителем, на входе которого включен элемент памяти, а выход подключен ко второму входу операционного усилителя, выход которого подсоединен к индикаторному прибору. В измерительной камере наряду с активным элементом расположен СВЧ-переключатель, через второй ключ подсоединенный к источнику питания. Данное устройство обеспечивает возможность проведения двухпараметровых измерений.

Недостатком указанного устройства является то, что в нем устранение влияния СВЧ-цепи на сигнал в НЧ цепи достигается за счет введения СВЧ-переключателя с блоком питания, конструкция которого является достаточно сложной и наличие которого в измерительной головке уменьшает чувствительность устройства по СВЧ цепи. Кроме этого питание активного элемента в виде диода Ганна от источника постоянного напряжения ухудшает стабильность генератора из-за его саморазогрева во время работы, а, следовательно, ограничивает диапазон измеряемых параметров и точность измерений.

Техническая задача, изобретения упрощение конструкции устройства и повышении стабильности генератора.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения параметров диэлектрических материалов, обеспечивающем двухпараметровые измерения, содержащем измерительную камеру с установленным в ней активным элементом в виде диода Ганна с первым резистором в цепи питания, к которой подключен через разделительный конденсатор колебательный контур, состоящий из первого конденсатора и катушки индуктивности, и подключенный к нему ВЧ-детектор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к прямому входу операционного усилителя, соединенного через первый ключ с усилителем, на входе которого включен первый элемент памяти, а выход которого подключен к инверсному входу операционного усилителя, подсоединенного своим выходом к индикатору, и второй ключ, введены третий ключ, включенный между ВЧ-детектором и входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, блок управления вторым и третьим ключами, подсоединенный к НЧ-фильтру, состоящему из второго резистора и второго конденсатора и включенному в цепь индикатора, четвертый ключ, включенный между цепью питания и первым и вторым входами блока управления, второй элемент памяти, подключенный к входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом блок питания выполнен в виде источника импульсного напряжения пилообразной формы, а второй ключ включен между входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и первым резистором.

Авторами была впервые обнаружена возможность реализации двухпараметровых измерений с помощью предлагаемой конструкции измерителя, в котором в результате введения блока управления вторым и третьим ключами при импульсном питании диода Ганна выбираются по амплитуде такие участки питающего импульса, при которых диод Ганна генерирует либо только ВЧ-, либо только СВЧ- колебания, устраняя этим влияние изменения СВЧ-сигнала на ВЧ-сигнал, т.е. обеспечивается разделение информации по СВЧ- и ВЧ-цепям. Кроме этого, при импульсном питании диода Ганна не происходит разогрева активного элемента в виде диода Ганна.

Таким образом на основе ранее не использовавшихся физических особенностей диода Ганна создан измеритель, свойства которого лишены недостатков известных устройств аналогичного назначения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена эквивалентная схема устройства, где: 1 измерительная камера; 2 активный элемент в виде диода Ганна; 3 первый резистор; 4 разделительный конденсатор; 5 первый конденсатор; 6 катушка индуктивности; 7 усилитель; 8 ВЧ-детектор; 9 операционный усилитель;
10 первый ключ;
11 усилитель;
12 первый элемент памяти;
13 индикаторный прибор;
14 блок питания;
15 второй элемент памяти;
16 второй резистор;
17 второй конденсатор;
18 блок управления ключами;
19 четвертый ключ;
20 второй ключ;
21 третий ключ.

Устройство на диоде Ганна для измерения параметров диэлектрических материалов содержит измерительную камеру 1, которая может быть выполнена в виде отрезка прямоугольного волновода, коаксиальной или микрополосковой линий, диэлектрического резонатора, в которой установлен активный элемент 2 в виде диода Ганна.

В цепь питания активного элемента включен первый резистор 3 и через разделительный конденсатор 4 колебательный контур, состоящий из первого конденсатора 5 и индуктивности 6, к которому подключен ВЧ-детектор 8. Выход усилителя 7 соединен с прямым входом операционного усилителя 9, соединенного через первый ключ 10 с усилителем 11, на входе которого включен первый элемент памяти 12, например, в виде конденсатора, а выход подключен к инверсному входу операционного усилителя 9, выход которого подсоединен к индикаторному прибору 13, выход которого подсоединен к выходу НЧ-фильтра, состоящего из второго резистора 16 и второго конденсатора 17, и входу блока 18 управления вторым и третьим ключами, ко входам которого подключен четвертый ключ 19, соединенный с выходом блока питания 14. Блок управления 18 включает и выключает второй ключ 20 и третий ключ 21, подсоединенные, соответственно, между активным элементом 2 и входом усилителя 7 и между ВЧ-детектором и входом усилителя 7. К входу усилителя 7 подсоединен второй элемент памяти 15. Блок питания 14 выполнен в виде источника импульсного напряжения пилообразной формы.

Катушка индуктивности 6 выполняется в виде, допускающем введение в нее исследуемого диэлектрика, например, может быть через изоляцию намотана на выходной конец отрезка линии передачи, служащего измерительной камерой. Для осуществления прижима диэлектрика к катушке индуктивности 6 используется подпружиненное металлическое основание.

Устройство на диоде Ганна для измерения параметров диэлектрических материалов работает следующим образом.

При подаче импульсного питания на диод Ганна он возбуждает ВЧ и СВЧ колебания. Для детектирования ВЧ-колебаний четвертый ключ 19 включается так, что к цепи питания диода подключается вход I блока управления 18. При этом блок управления 18 реагирует только на то амплитудное значение напряжения питания активного элемента в виде диода Ганна, при котором диод Ганна возбуждает только ВЧ-колебания, замыкая на это время третий ключ 21, и сигнал, таким образом, на вход усилителя 7 поступает с ВЧ-детектора. Для запоминания продетектированного ВЧ-сигнала на входе усилителя 7 установлен второй элемент памяти 15 в виде конденсатора. Далее сигнал через усилитель 7 с регулируемым коэффициентом усиления поступает на прямой вход операционного усилителя 9. На инверсный вход операционного усилителя 9 поступает сигнал от усилителя 11 с первой ячейкой памяти 12 на входе. При кратковременном замыкании первого ключа 10 происходит запоминание первой ячейкой памяти 12 уровня сигнала, относительно которого будет производиться отсчет измерения сигнала на индикаторном приборе 13, который к цепи питания активного элемента подключен через НЧ-фильтр, состоящий из второго резистора 16 и второго конденсатора 17 и сглаживающий колебания напряжения в цепи питания активного элемента 2 в виде диода Ганна. При этом сигнал на индикаторном приборе 13 пропорционален толщине диэлектрика и не зависит от его диэлектрической проницаемости.

При переводе четвертого ключа 19 в положение II блока управления 18 третий ключ 21 разомкнут и замыкается только второй ключ 20 при амплитудном значении импульса питания, при котором диод Ганна возбуждает только СВЧ-колебания. На вход усилителя 7 поступает сигнал с активного элемента 2 в виде диода Ганна и сигнал на индикаторном приборе 13 оказывается пропорциональным диэлектрической проницаемости и толщине исследуемого диэлектрика.

Таким образом, введение блока управления 18 вторым ключом 20 и третьим ключом 21 при запитывании диода Ганна от импульсного источника напряжения в описанное устройство на диоде Ганна позволяет проводить двухпараметровые измерения диэлектрических материалов без использования в его конструкции СВЧ-выключателя, что приводит к упрощению СВЧ-конструкции, повышению его чувствительности по СВЧ-цепи и стабильности, так как использование импульсного питания диода Ганна устраняет его саморазогрев.

Предлагаемое устройство на диоде Ганна отличается от известных простотой в эксплуатации, конструктивной простотой, экономичностью.

Устройство опробовано и готово к серийному выпуску.

Формула изобретения

Устройство на диоде Ганна для измерения параметров диэлектрических материалов, содержащее измерительную камеру с установленным в ней активным элементом в виде диода Ганна с первым резистором в цепи питания, к которой подключен через разделительный конденсатор колебательный контур, состоящий из первого конденсатора и катушки индуктивности, и подключенный к нему ВЧ-детектор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к прямому входу операционного усилителя, соединенного через первый ключ с усилителем, на входе которого включен первый элемент памяти, а выход которого подключен к инверсному входу операционного усилителя, подсоединенного своим выходом к индикатору, и второй ключ, отличающееся тем, что в него введены третий ключ, включенный между ВЧ-детектором и входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, блок управления вторым и третьим ключами, подсоединенный к НЧ-фильтру, состоящему из второго резистора и второго конденсатора и включенному в цепь индикатора, четвертый ключ, включенный между цепью питания и первым и вторым входами блока управления, второй элемент памяти, подключенный к входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, при этом блок питания выполнен в виде источника импульсного напряжения пилообразной формы, а второй ключ включен между входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и первым резистором.

РИСУНКИ

Рисунок 1