Способ определения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов

 

Изобретение относится к радиоизмерениям параметров поглощающих диэлектрических материалов на СВЧ, в частности к измерению комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь композиционных материалов типа углепластиков. Техническим результатом является повышение точности измерения фазы комплексного коэффициента отражения от композиционных материалов типа углепластиков, имеющих шероховатую поверхность. Измеряют шероховатость поверхности образца материала, затем выбирают эталонный короткозамыкатель с такой же шероховатостью, как и измеряемый материал, затем производят измерение комплексного коэффициента отражения от эталонного короткозамыкателя и измеряемого образца и производят обработку результатов измерений с вычислением значений комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений параметров поглощающих диэлектрических материалов на СВЧ, в частности к измерению комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь композиционных материалов типа углепластиков, характеризующихся большими значениями комплексной относительной диэлектрической проницаемостью , имеющих шероховатую поверхность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.]. Измерения проводятся в два этапа, вначале к волноводному фланцу подключается эталонный короткозамыкатель 1 и производится калибровка установки (см. фиг.1), затем к волноводному фланцу взамен эталонного короткозамыкателя крепится исследуемый плоский образец диэлектрика (фиг.1). От СВЧ-генератора по волноводу 1 подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитудах и фазах отраженных волн, т.е. в комплексном коэффициенте отражения. Для измерения коэффициента отражения могут применяться одиночные и многозондовые измерительные линии, автоматические измерительные линии, автоматические измерители полных сопротивлений и т.п. Обработка результатов производится по методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963, 192 с.].

Недостатком описанного прототипа является низкая точность измерения комплексной относительной диэлектрической проницаемости.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что известный способ имеет низкую точность измерения больших значений диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, при которых |Г|_→1, а ϕ-->180^o из-за большой крутизны зависимости ε(ϕ), tgδ(ϕ) в области ϕ-->180^o (см. фиг.2). При этом инструментальные и методические погрешности способа приводят к большим ошибкам измерения ε и tgδ Одной из причин погрешностей является отличие в величине шероховатостей поверхности эталонного короткозамыкателя 2 (см. фиг.1,а) и измеряемого образца 2 (см. фиг.1,б).

Из-за отклонения плоскости прилегания образца 3 (см. фиг.1а,б) к волноводу 1 от поверхности отражения 4 (см. фиг.1.б) зондирующей электромагнитной волны появляется методическая ошибка, величина которой по фазе равна где Δх - отклонения плоскости отражения зондирующей волны от плоскости прилегания образца, λ_в - длина волны в волноводе.

Ошибка является недопустимо большой при |ε|> 100 при Δх=5 мкм и λ_в=8 мм Δϕ=0,45^o=27', что соответствует измерениям образцов с шероховатостью поверхности не лучше 5-6 класса (высота микронеровностей 3-7 мкм) и измерениям в 8 мм диапазоне длин волн. Например, фазовая ошибка в 1^o для материала из углепластика дает погрешность вычисления относительной комплексной диэлектрической проницаемости на 70% и более.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В процессе измерения и обработки результатов измерений не учитывается шероховатость поверхности измеряемого образца и эталонного короткозамыкателя, с которым производится сравнение. Такое допущение приводит к погрешности измерения фазы, которое для традиционных методов и традиционных материалов вносит погрешность в допустимых пределах при вычислении комплексной относительной диэлектрической проницаемости, для углепластиков же (имеющих одновременно большие значения относительной диэлектрической проницаемости более 100 и тангенса угла диэлектрических потерь до 1 и более) эта погрешность дает недопустимо большую ошибку при вычислении комплексной относительной диэлектрической проницаемости. Поэтому для повышения точности измерения фазы в качестве эталона предлагается использовать короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал. Например, такой короткозамыкатель можно изготовить из образца измеряемого материала, на который нанесено металлическое отражающее покрытие, например, методом вакуумного напыления.

Такой эталон повторяет рельеф шероховатой поверхности исследуемого материала и устраняет паразитный набег фазы, вызванный несовпадением шероховатости поверхности измеряемого материала и эталонного короткозамыкателя.

Технический результат - повышение точности измерения фазы комплексного коэффициента отражения от композиционных материалов типа углепластиков, имеющих шероховатую поверхность.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе измерения комплексного коэффициента отражения, включающем открытый на конце прямоугольный волновод, заканчивающийся фланцем, эталонный короткозамыкатель и измеряемый образец материала, использующийся в качестве замыкающей пластины, особенность заключается в том, что сначала производят измерение шероховатости поверхности измеряемого образца материала, затем выбирают эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал, или изготавливают такой которокозамыкатель, который имеет такую же шероховатость. Это устраняет паразитный набег фазы, вызванный разностью шероховатостей поверхности измеряемого материала и эталона.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения; - замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены, - исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; - увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий; - выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между другими.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Способ реализуется с помощью устройства, приведенного на фиг.1,б, где 1 - волновод, 2 - измеряемый образец, 3 - плоскость прилегания измеряемого образца, 4 - плоскость отражения измеряемого образца.

Вначале производят измерение шероховатости поверхности измеряемого образца материала. Далее выбирают эталонный короткозамыкатель с шероховатостью, повторяющей шероховатость измеряемого образца, или изготавливают такой которокозамыкатель, который имеет такую же шероховатость. После этого измеряют комплексный коэффициент отражения от эталонного короткозамыкателя и измеряемого образца и обрабатывают результаты измерений с вычислением значений комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Для проведения измерений больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов производят измерение комплексного коэффициента отражения от шероховатой поверхности измеряемого материала. Берутся два образца, на один образец наносят (напыляется металл) материал с высокими отражающими свойствами, например серебро. Этот образец используется в качестве эталонного короткозамыкателя. Второй образец используется как измеряемый образец. Измерения проводятся в два этапа, с образцом с нанесенным на него покрытием и с замыкающей пластиной образца. От СВЧ-генератора по волноводу на образец подается зондирующая электромагнитная волна. Информация о параметрах материала заключается в амплитуде и фазе отраженной волны, т.е. в комплексном коэффициенте отражения.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно...

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Способ определения больших значений комплексной диэлектрической проницаемости импедансных материалов, заключающийся в измерении комплексного коэффициента отражения от волновода, на конце которого устанавливают эталонный короткозамыкатель, а затем измеряемый образец материала, с последующей обработкой результатов, отличающийся тем, что вначале, производят измерение шероховатости поверхности измеряемого образца материала, затем выбирают эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как и измеряемый материал, после этого измеряют комплексные коэффициенты отражения от выбранного эталонного короткозамыкателя и измеряемого образца и производят обработку результатов измерений с вычислением значений комплексной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2