Способ определения диэлектрической проницаемости материала

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике измерений макроскопических параметров сред и материалов, и, в частности, может использоваться при неразрушающем контроле параметров диэлектрических материалов, из которых выполнены законченные промышленные изделия. Целью изобретения является разработка более технологичного способа определения относительной диэлектрической проницаемости исследуемого материала без разрушающего воздействия и достижения более высокой точности за счет учета удельной проводимости материала. Способ включает возбуждение электромагнитных колебаний в микрополосковой линии с известными параметрами комплексной диэлектрической проницаемости, измерение ее импеданса в режимах холостого хода и короткого замыкания при размещении микрополосковой линии на поверхности исследуемого образца материала и при отсутствии исследуемого образца и вычисление диэлектрической проницаемости исследуемого образца материала. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике измерений макроскопических параметров сред и материалов, и, в частности, может использоваться при неразрушающем контроле параметров диэлектрических материалов, из которых выполнены законченные промышленные изделия (защитные колпаки, оптекатели и т.п.).

Известны способы определения диэлектрической проницаемости материала (см. , например, авт. св. СССР N 1385091, кл. G 01 R 27/26, 1985 и авт. св. СССР N 1679413, кл. G 01 R 27/26, 1991). Однако, известные способы - аналоги обладают невысокой точностью измерения и, кроме того, как правило, приемлемы только в случаях простых форм исследуемого образца материала (пластина, параллелепипед и т.п.).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу определения диэлектрической проницаемости материала является способ, описанный в авт. св. СССР N 1651237, кл. G 01 R 27/04 от 21.02.89.

Способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных колебаний в исследуемом образце с предварительно нанесенными на него формирующими и зондирующими фотопроводниками, определении скорости распространения этих колебаний с дальнейшим вычислением диэлектрической проницаемости.

Однако, способ-прототип имеет ряд недостатков.

Узкая полоса частот, в которой достигается требуемая точность. Ограничение связано с применением оптического диапазона волн. Для соблюдения условий применимости способа на частотах оптического диапазона волн необходимо, чтобы длина ленточного проводника микрополосковой линии составляла несколько длин волн, что приводит к практически нереализуемым устройствам на частотах ниже 1 ГГц.

Невысокая точность измерения заключается в том, что при определении диэлектрической проницаемости фактически не учитываются проводящие свойства материала, обусловленные возникновением токов проводимости, т.к. при заметном значении удельной проводимости исследуемого материала σ происходит искажение фронта отраженного импульса и, следовательно, снижение точности его регистрации. Другими словами, способ-прототип приемлем только для высококачественных диэлектриков.

Способ не технологичен, т.к. предполагает плоскую поверхность исследуемого образца. В случаях же криволинейных поверхностей образца необходимо изготовить из него фрагмент с плоской поверхностью, т.е. произвести разрушающее монолитность образца действие.

Целью заявляемого изобретения является разработка более технологичного способа определения относительной диэлектрической проницаемости исследуемого материала без разрушающего воздействия при одновременном достижении более высокой точности за счет учета удельной проводимости материала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения диэлектрической проницаемости материала, заключающемся в возбуждении в нем электромагнитных колебаний, измерении параметров возбужденного электромагнитного поля и вычислении по результатам измерений диэлектрической проницаемости, предварительно на поверхность исследуемого образца материала накладывают микрополосковую линию, ленточным проводником обращенную к поверхности исследуемого образца и имеющую подложку из диэлектрического материала с известными параметрами комплексной диэлектрической проницаемости , где ε_r1, σ₁ и λ - соответственно диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость материала подложки и длина волны, на которой выполняются измерения. Затем возбуждают в этой линии электромагнитные колебания и последовательно измеряют ее импеданс в режимах холостого хода (Z_xx2) и короткого замыкания (Z_кз2). После этого снимают микрополосковую линию с исследуемого образца материала и вновь возбуждают в ней электромагнитные колебания. Повторно измеряют ее импеданс в режимах холостого хода (Z_xx0) и короткого замыкания (Z_кз0), после чего по результатам измерений диэлектрическую проницаемость исследуемого материала вычисляют по формуле: - диэлектрические проницаемости, вычисленные соответственно по результатам измерений при возбуждении микрополосковой линии в отсутствие исследуемого образца и при возбуждении микрополосковой линии, размещенной на исследуемом образце, l - длина ленточного проводника микрополосковой линии; ω = 2πf - круговая частота; f - частота измерений; μ₀, ε₀ - магнитная и электрическая постоянные; σ₂ - проводимость исследуемого образца материала; λ - длина волны, на которой выполняются измерения.

Благодаря новой совокупности существенных признаков оказывается возможным учесть величину удельной проводимости материала и влияние окружающего пространства на результат измерения, что повышает точность измерения.

Заявленный способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан вариант наложения микрополосковой линии на поверхность исследуемого образца материала; на фиг. 2 - разрезы A- A и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 - степень изменения электромагнитного поля при возбуждении микрополосковой линии в зависимости от сред, ее окружающих; на фиг. 4 - вариант исполнения микрополосковой линии; на фиг. 5 - схема подключения МПЛ к измерительному прибору; на фиг. 6 - результаты сравнительных измерений.

Возможность реализации заявленного способа определения диэлектрической проницаемости материала объясняется следующим. Известно, что входное сопротивление Z_вх микрополосковой линии (МПЛ) определяется как ее собственными параметрами (длиной l, высотой диэлектрической подложки h и диэлектрической проницаемостью материала, из которого она выполнена, соотношением ширины узкого проводника W и ширины экрана A), так и параметрами ее нагрузки (см. фиг. 3). Кроме того, в значительной мере Z_вх МПЛ будет определяться и параметрами окружающей среды, а именно ее комплексной диэлектрической проницаемостью . В общем случае входное сопротивление МПЛ Z_вх = Z_в · thγl , где Z_в - волновое сопротивление собственно МПЛ, определяемое по известным соотношениям через ее конструктивные параметры (см. например книгу: Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. /Под редакцией В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982, с. 58-66.); γ = α + iβ - комплексный коэффициент распространения, реальная часть которого α - характеризует величину коэффициента затухания, а мнимая часть β - коэффициента фазы. В зависимости от упомянутых факторов можно в широких пределах изменять γ в линии путем размещения МПЛ вблизи среды с резко отличающимися от воздуха параметрами. Это приведет к значительным изменениям входных параметров МПЛ. Кроме того, изменение нагрузки Z_н, подключаемой к МПЛ, также будет изменять входное сопротивление. Возможность учета возникающих изменений Z_вх МПЛ при ее размещении в разных средах и положено в основу определения параметров исследуемой среды.

При возбуждении МПЛ в режиме К3 (Z_н=0) входное сопротивление линии определяется как Z_кз0=Z_в· thγ₀l , при возбуждении линии в режиме XX (Z_н= ∞ ) Z_хх0= Z_в· cthγ₀l . Очевидно, если МПЛ разместить на образце, выполненном из материала с резко отличными от воздуха характеристиками, то это приведет к резкому возмущению электромагнитного поля (ЭМП), возбуждаемого в МПЛ, и электромагнитного поля, вызванного краевыми эффектами. Если при этом вновь измерить Z_вх в режимах XX и K3, то получим новую пару Z_кз2 и Z_xx2 и соответственно новое значение вычисленного коэффициента γ₂ , которые в неявном виде учитывают макроскопические параметры материала исследуемого образца, т. е. ε_r2 и σ₂. .

При возбуждении МПЛ характеристика ЭМП в значительной мере будет определяться соотношением объемов собственно диэлектрической подложки и окружающей ее среды, в пределах которых сосредоточено связанное с МПЛ ЭМП. Степень влияния такого соотношения можно охарактеризовать эквивалентной диэлектрической проницаемостью, учитывающей как габариты подложки, так и часть среды вне объема подложки (см. фиг. 2). Величину этой эквивалентной диэлектрической проницаемости можно вычислить по результатам измерений Z_вх МПЛ в режимах XX и К3. Так, если первоначально измерить входные параметры МПЛ в условиях ее окружения только воздушным пространством (значение ε_r0 известно), то получим в режимах XX и К3: Z_кз0 = Z_в·thγ₀l и Z_xx0 = Z_в·cthγ₀l , отсюда . Используя известное выражение, связывающее значение диэлектрической проницаемости ε_r с параметрами коэффициента распространения γ = α + iβ , а именно:
ε_r = (β²-α²)/ω²μ₀ε₀,
и принимая обозначение , значение эквивалентной диэлектрической проницаемости ε_r0 при возбуждении МПЛ в отсутствии исследуемого образца можно записать в виде:

Далее, накладываем МПЛ на поверхность исследуемого образца материала, причем ленточным проводником, обращенным к поверхности. Повторно измеряем ее импеданс в режимах К3 и XX: Z_кз2=Z_в· и Z_xx2=Z_в· thγ₂l , отсюда коэффициент распространения может быть вычислен по формуле: . Тогда эквивалентная диэлектрическая проницаемость, определенная при возбуждении МПЛ, размещенной на исследуемом образце, вычисляется как:

где .

Окончательное эмпирическое выражение для расчета диэлектрической проницаемости используемого образца получено на основе экспериментальных исследований:

Данное выражение справедливо при выполнении условия ε_r2 ≥ 1, 1ε_r1 . Таким образом, реализация способа сводится к следующему. При необходимости определить неразрушающим способом диэлектрическую проницаемость исследуемого образца 1, например, имеющего полусферическую форму (см. фиг. 1) с толщиной стенок H, на него устанавливают МПЛ. МПЛ длиной l (см. фиг. 3) состоит из ленточного проводника 2, диэлектрической подложки 3 и экрана 4. Элементы МПЛ имеют размеры: ширина ленточного проводника W; ширина экрана A; высота подложки h и выполнена она из материала с диэлектрической проницаемость ε_r1 . МПЛ устанавливают на поверхность образца 1 комформно ленточным проводником 2, обращенным к поверхности образца 1. При такой установке большая часть связанного ЭМП будет охватываться материалом образца (см. фиг. 2б). Затем МПЛ подключают с помощью фидера 5 к измерителю комплексного сопротивления (например, к выпускаемому промышленностью прибору Р4-38 или Р4-37). Центральный проводник коаксиального фидера 5 подключают к торцу ленточного проводника 2 МПЛ (точка "а" на фиг. 4), а экран фидера 5 связан электрически с экраном МПЛ (точка "б"). Режимы XX и К3 обеспечиваются путем замыкания с противоположного конца линии перемычкой 6. При подключении перемычки 6 к экрану 4 и ленточному проводнику 2 МПЛ достигается режим К3, а при отключении - режим XX. После измерений входного сопротивления МПЛ, наложенной на образец в режиме XX и К3, аналогичные измерения производят повторно в отсутствии исследуемого образца. После этого по приведенной выше формуле рассчитывают искомую диэлектрическую проницаемость.

Правомерность теоретических рассуждений проверялась экспериментально путем измерения заявленным способом диэлектрических проницаемостей образцов различной формы, для которых были заранее известны значения ε_r2 и σ₂, и сравнения их со значениями, полученными по итогам измерений. В качестве исследуемых образцов использованы полусферический обтекатель с диаметром основания 2 м и толщиной H 0,2 м, полый цилиндр высотой 0,5 м, диаметром 1,5 м и толщиной стенок 0,06 м и параллелепипед длиной 0,3 м, высотой 0,08 м и шириной 0,05 м. Исследуемые образцы выполнены из полимербетона с ε_r2 =3,4, фторопласта с ε_r2 =2 и стеклотекстолита с ε_r2 =4 соответственно. МПЛ имела следующие параметры l= 0,17 м, h=0,001 м и A=0,04 м. Ленточный проводник выполнен из медной полосы шириной W=0,0016 м. Z_в такой МПЛ составило 50 Ом. В качестве фидера 5 использовался кабель РК-50 длиной 2 м. Измерения проводились в диапазоне 750-2500 МГц. Результаты измерений представлены на фиг. 5. Сплошной линией показаны паспортные данные образца, точками приведены результаты измерений заявленным способом. Из графика на фиг. 5 следует, что погрешность в определении заявленным способом не превышает 5% от паспортных данных диэлектриков, что является вполне приемлемым для практики.

Длину МПЛ целесообразно выбрать в пределах (0,15 - 0,25) длины волны, соответствующей частоте измерения, а расстояние от произвольной точки МПЛ до края измеряемого образца должно составлять не менее 1/2 длины МПЛ. Для достижения более высокой точности измерений соотношение толщин исследуемого образца H и подложки МПЛ h должно удовлетворять H/h ≥ 4. При невыполнении указанных требований возникают высшие типы волн и краевые эффекты, а это снижает точность измерения, что было доказано экспериментально.

Отмеченное дает основание ожидать снижения временных и материальных затрат, связанных с неразрушающим контролем параметров изготовленных диэлектрических материалов, из которых выполнены законченные промышленные изделия.

Формула изобретения

1. Способ определения диэлектрической проницаемости материала, заключающийся в возбуждении в нем электромагнитных колебаний, измерении параметров возбужденного электромагнитного поля и вычисления по результатам измерений диэлектрической проницаемости, отличающийся тем, что на поверхность исследуемого образца материала накладывают микрополосковую линию, ленточным проводником обращенную к поверхности исследуемого образца и имеющей подложку из диэлектрического материала с известными параметрами комплексной диэлектрической проницаемости где ε_r1, σ₁, λ соответственно диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость материала подложки и длина волны, на которой выполняются измерения, затем возбуждают в этой линии электромагнитные колебания и последовательно измеряют ее импеданс в режимах холостого хода (Z_xx2) и короткого замыкания (Z_кз2), после чего микрополосковую линию снимают с исследуемого образца материала, вновь возбуждают в ней электромагнитные колебания и повторно измеряют ее импеданс в режимах холостого хода (Z_xx0) и короткого замыкания (Z_кз0), после чего по результатам измерений вычисляют диэлектрическую проницаемость исследуемого образца материала ε_r2.
2. Способ определения диэлектрической проницаемости материала по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическую проницаемость исследуемого материала вычисляют по формуле

где


диэлектрические проницаемости, вычисленные соответственно по результатам измерений при возбуждении микрополосковой линии в отсутствие исследуемого образца и при возбуждении микрополосковой линии, размещенной на исследуемом образце,

μ_o, ε_o- магнитная и электрическая постоянные;
l длина ленточного проводника микрополосковой линии;
ω = 2πf - круговая частота;
f частота измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6