Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов

 

Использование: в контрольно-измерительной технике, позволяет производить измерения как толщины, так и диэлектрической проницаемости диэлектрика. Сущность изобретения: в устройстве для измерения параметров диэлектрических материалов, обеспечивающем двухпараметровые измерения, в измерительную камеру, содержащую активный элемент, введены СВЧ-детектор и СВЧ-фильтр, расположенный между СВЧ-детектором и активным элементом, и ключ, один вход которого подключен к СВЧ-детектору, второй - к ВЧ-детектору, а выход подключен к входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. 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 (а. с. N1161898, кл. G 01 R 27/26, 1992), 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, 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 с входом операционного усилителя, соединенного через первый ключ с усилителем, на входе которого включен элемент памяти, а выход подключен к 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.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении конструкции устройства при увеличении его чувствительности по СВЧ-цепи.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения параметров диэлектрических материалов, обеспечивающем двухпараметровые измерения, содержащем измерительную камеру с установленным в ней активным элементом с резистором в цепи питания, к которой через разделительный конденсатор подключен ВЧ-колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, и к которому подключен ВЧ-детектор, блок питания активного элемента и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к прямому входу операционного усилителя, соединенного через первый ключ с усилителем, на входе которого включен элемент памяти, выход усилителя подключен к инверсному входу операционного усилителя, выход которого соединен с индикатором, и второй ключ, введены установленные в измерительной камере СВЧ-детектор и СВЧ-фильтр, который расположен между активным элементом и СВЧ-детектором, при этом один вход второго ключа подключен к СВЧ-детектору, другой вход к ВЧ-детектору, а выход подключен к входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Не известно использование для измерения параметров материалов генератора, работающего одновременно в режиме генерации СВЧ- и ВЧ-колебаний и содержащего в своей конструкции СВЧ-фильтр. Авторами была впервые обнаружена возможность реализации двухпараметровых измерений с помощью предлагаемой конструкции измерителя, в котором в результате введения СВЧ-фильтра устраняется влияние изменения СВЧ-цепи на ВЧ-цепь, то есть обеспечивается разделение информации по СВЧ- и ВЧ-цепям. Таким образом, на основе ранее не использовавшихся физических особенностей СВЧ-фильтров 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, 3 - резистор, 4 разделительный конденсатор, 5 конденсатор, 6 катушка индуктивности, 7 усилитель, 8 ВЧ-детектор, 9 операционный усилитель, 10 первый ключ, 11 усилитель, 12 элемент памяти, 13 индикаторный прибор, 14 блок питания, 15 СВЧ-детектор, 16 СВЧ-фильтр, 17 второй ключ.

Устройство 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 включены резистор 3 и через разделительный конденсатор 4 колебательный контур, состоящий из конденсатора 5 и катушки 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 элемент памяти 12, например, в виде конденсатора, а выход подключен к инверсному входу операционного усилителя 9, выход которого подсоединен к индикаторному прибору 13. В измерительной камере 1 наряду с активным элементом 2 расположен СВЧ-детектор 15 и установленный между ними СВЧ-фильтр 16. К СВЧ-детектору 15 подключен один из входов второго ключа 17, другой вход которого подключен к ВЧ-детектору 8, а выход подключен к входу усилителя 7 с регулируемым коэффициентом усиления. К активному элементу через резистор 3 подключен источник питания 14.

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 для измерения параметров диэлектрических материалов работает следующим образом.

ВЧ-сигнал снимается с колебательного контура, состоящего из конденсатора 5 и катушки индуктивности 6, и через детектор 8, второй ключ 17, переведенный в положение I, и 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 ячейкой памяти 12 на входе. При кратковременном замыкании первого ключа 10 происходит запоминание ячейкой памяти 12 уровня сигнала, относительно которого будет производится отсчет изменения сигнала на индикаторном приборе 13. При этом сигнал на индикаторном приборе 13 пропорционален толщине диэлектрика и не зависит от его диэлектрической проницаемости благодаря тому, что СВЧ-фильтр, обладая резонансными свойствами, существенно ослабляет влияние СВЧ-нагрузки на параметры СВЧ-генератора на диоде Ганна, существенно уменьшая модулирующий фактор изменения СВЧ-нагрузки на амплитуду ВЧ-колебаний.

При переводе второго ключа 17 в положение II на вход усилителя 7 поступает сигнал с СВЧ-детектора и сигнал на индикаторе 13 оказывается пропорциональным диэлектрической проницаемости исследуемого диэлектрика. В этом случае СВЧ-фильтр выполняет функцию частотно-амплитудного преобразователя, изменяя при изменении СВЧ-нагрузки, мощность СВЧ-колебаний в измерительной камере, в которой установлен СВЧ-детектор, между СВЧ-фильтром и СВЧ-нагрузкой. При этом за счет крутизны АЧХ СВЧ-фильтра, увеличивается чувствительность устройства по С ВЧ-цепи.

Таким образом, введение СВЧ-фильтра в описанное устройство позволяет повысить его чувствительность по СВЧ-цепи и проводить двухпараметровые измерения диэлектрических материалов без использования в его конструкции СВЧ-переключателя, что приводит к упрощению устройства.

Предложенное устройство отличается от известных простотой в эксплуатации, конструктивной простотой, экономичностью. Оно опробовано и готово к серийному выпуску.

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов, содержащее измерительную камеру с установленным в ней активным элементом с резистором в цепи питания, к которой через разделительный конденсатор подключен ВЧ-колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, и к которому подключен ВЧ-детектор, блок питания активного элемента и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к прямому входу операционного усилителя, соединенного через первый ключ с усилителем, на входе которого включен элемент памяти, выход усилителя подключен к инверсному входу операционного усилителя, выход которого соединен с индикатором, и второй ключ, отличающееся тем, что введены установленные в измерительной камере СВЧ-детектор и СВЧ-фильтр, который расположен между активным элементом и СВЧ-детектором, при этом один вход второго ключа подключен к СВЧ-детектору, другой вход к ВЧ-детектору, а выход подключен к входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.

РИСУНКИ

Рисунок 1