Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на свч и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерения электрических величин и может быть использовано в производстве существующих и новых поглощающих низкоимпедансных материалов типа углепластиков, применяемых в СВЧ диапазоне, а также для контроля электрических параметров диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. Технический результат - повышение точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность. Сущность: предлагается способ и устройство для проведения измерений комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов, имеющих шероховатую поверхность, резонаторным методом. Берут эталонный короткозамыкатель и два дополнительных эталонных короткозамыкателя, гладкий и шероховатый, затем производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с эталонными короткозамыкателями и образцом измеряемого материала, по полученным результатам производят вычисление значений комплексной диэлектрической проницаемости. 2 с.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области измерения электрических величин и может быть использовано в производстве существующих и новых поглощающих низкоимпедансных материалов типа углепластиков, применяемых в СВЧ диапазоне, а также для контроля электрических параметров диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

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. - 120 с.]. Измерения проводятся в два этапа, вначале производят измерение резонансной частоты и добротности полого разъемного перестраиваемого цилиндрического резонатора, у которого подвижный поршень является одной из торцевых стенок резонатора и играет роль эталонного короткозамыкателя. От СВЧ генератора по волноводу подается зондирующая электромагнитная волна, производят измерение резонансной частоты и добротности полого резонатора. Затем в цилиндрический резонатор помещают образец измеряемого материала на поршень и также производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с материалом. Информация о параметрах материала заключается в резонансной частоте и добротности резонатора. Обработка результатов производится по методике изложенной [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - 117 с.].

Недостатком описанного прототипа являются большие ошибки измерения ε и tgδ для низкоимпедансных материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и характеризующиеся большими коэффициентами отражения от образца и наличие шероховатой рабочей поверхности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости косвенным методом, включающее СВЧ генератор, измерительное устройство резонансной частоты резонатора, разъемный перестраиваемый цилиндрический резонатор и измеряемый материал [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - 120 с.]. Измерения проводятся в два этапа, вначале производят измерение резонансной частоты и добротности полого разъемного перестраиваемого цилиндрического резонатора, у которого подвижный поршень является одной из торцевых стенок резонатора и играет роль эталонного короткозамыкателя. От СВЧ генератора по волноводу подается зондирующая электромагнитная волна, производят измерение резонансной частоты и добротности полого резонатора. Затем в цилиндрический резонатор помещают образец измеряемого материала на поршень и также производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с материалом. Информация о параметрах материала заключается в резонансной частоте и добротности резонатора. Обработка результатов производится по методике, изложенной [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. – 117 с.].

Недостатком описанного прототипа являются большие ошибки измерения ε и tgδ для низкоимпедансных материалов, имеющих одновременно большие значения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и характеризующиеся большими коэффициентами отражения от образца и наличие шероховатой рабочей поверхности.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что известный способ имеет низкую точность измерения низкоимпедансных материалов, имеющих большие значения комплексной диэлектрической проницаемости. 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 и измеряемого образца.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе измерения и обработки результатов измерений не учитывается различие шероховатостей поверхностей образца измеряемого материала и эталонного короткозамыкателя, с которым производится сравнение, что приводит к погрешностям измерения. Поэтому для повышения точности измерения фазы в качестве эталона предлагается использовать промежуточный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал, шероховатый короткозамыкатель можно изготовить из образца измеряемого материала, на который нанесено металлическое отражающее покрытие, например, методом вакуумного напыления. Шероховатый короткозамыкатель повторяет рельеф шероховатой поверхности исследуемого материала и устраняет ошибку, вызванную различием шероховатости поверхностей образца измеряемого материала и эталонного короткозамыкателя. Но в процессе измерения и обработки результатов измерений не учитывается отличие отражательных свойств нанесенного металлического покрытия от отражательных свойств материала эталонного короткозамыкателя. Для оценки отражательных свойств нанесенного металлического покрытия шероховатого короткозамыкателя производят его сравнения с эталонным короткозамыкателем. Для этого берут эталонный короткозамыкатель и наносят на него отражающее металлическое покрытие, как на шероховатом короткозамыкателе. В результате получают образец измеряемого материала и три эталонных короткозамыкателя:

1 короткозамыкатель - эталонный короткозамыкатель, рекомендуемый ГОСТом для измерения параметров диэлектрических материалов [ГОСТ 8.358-79.ГСИ. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 0,2 до 1 ГГц. - М.: Изд-во стандартов, 1979. - 12 с.];

2 короткозамыкатель - гладкий короткозамыкатель, имеющий частоту обработки поверхности, как эталонный короткозамыкатель 1, один из эталонных короткозамыкателей с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием;

3 короткозамыкатель - шероховатый короткозамыкатель, имеющий частоту обработки поверхности, как измеряемый образец, один из измеряемых образцов с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, как в эталонном короткозамыкателе 2.

По измеренным резонансным частотам и добротностям резонатора от короткозамыкателей (f_peз1, f_рез2, f_рез3, Q₁, Q₂, Q₃) и измеряемого образца материала (f_peз.oбp, Q_oбp) производится обработка результатов измерений и вычисление комплексной диэлектрической проницаемости. По значениям резонансных частот и добротностей (f_peз1, f_peз2, Q₁, Q₂) производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на поверхность эталонного короткозамыкателя с эталонным короткозамыкателем. По уточненным значениям резонансной часты и добротности и (f_рез3, f_рез3,) производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на поверхность эталонного короткозамыкателя с металлическим покрытием, нанесенным на шероховатую поверхность одного образца измеряемого материала. С уточненными параметрами резонансной частоты и добротности производят вычисление комплексной диэлектрической проницаемости образца измеряемого материала по методике [см. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963.].

Технический результат - повышение точности измерения комплексной диэлектрической проницаемости композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность.

Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что в известном способе измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ, заключающемся в измерении резонансной частоты и добротности полого разъемного перестраиваемого резонатора, а затем с помещенным в него образцом измеряемого материала, с последующей обработкой результатов измерений.

Особенность способа заключается в том, что производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с эталонным короткозамыкателем, затем с гладким эталонным короткозамыкателем, вычисляют уточненное значение резонансной частоты и добротности резонатора с гладким эталонным короткозамыкателем, затем производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с шероховатым эталонным короткозамыкателем, вычисляют уточненное значение резонансной частоты и добротности резонатора с шероховатым эталонным короткозамыкателем, затем производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с образца измеряемого материала, затем по значениям резонансной частоты и добротности резонатора с измеряемым образцом и по уточненному значению резонансной частоты и добротности резонатора с шероховатым эталонным короткозамыкателем определяют значения комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала.

Указанный технический результат при осуществлении устройства для измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ, содержащего СВЧ генератор, который подключен к измерительному устройству резонансной частоты резонатора, к противоположному концу измерительного устройства подключен разъемный перестраиваемый цилиндрический резонатор, в который установлен эталонный короткозамыкатель, а затем образец измеряемого материала.

Особенность устройства заключается в том, что введены дополнительно два эталонных короткозамыкателя, причем один из них, гладкий эталонный короткозамыкатель, имеющий такую шероховатость поверхности, как эталонный короткозамыкатель с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, а второй - шероховатый эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности, как измеряемый материал с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата. Способ реализуется с помощью устройства. Вначале изготавливают шероховатый эталонный короткозамыкатель с шероховатостью, повторяющей шероховатость измеряемого образца, затем изготавливают гладкий эталонный короткозамыкатель, повторяющий шероховатость эталонного короткозамыкателя, для оценки отражательных свойств металлического покрытия у шероховатого эталонного короткозамыкателя. После производят измерения резонансной частоты и добротности резонатора с эталонным короткозамыкателем, затем с гладким эталонным короткозамыкателем, затем с шероховатым эталонным короткозамыкателем и с образцом измеряемого материала, затем производят обработку результатов измерений с вычислением значений комплексной диэлектрической проницаемости.

Для проведения измерений комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с образцом измеряемого материала, имеющего шероховатую поверхность. Берут два образца измеряемого материала и два эталонных короткозамыкателя. На один образец измеряемого материала и на один эталонный короткозамыкатель наносят металл с высокими отражающими свойствами, например, серебро, эти образцы используются в качестве шероховатого и гладкого эталонных короткозамыкателей. Второй образец измеряемого материала используется как измеряемый. Измерения проводятся в четыре этапа: с эталонным короткозамыкателем, с гладким эталонным короткозамыкателем, с шероховатым эталонным короткозамыкателем и с образцом измеряемого материала.

От СВЧ генератора к разъемному перестраиваемому цилиндрическому резонатору подается зондирующая электромагнитная волна. Вначале производятся измерения резонансной частоты и добротности резонатора с эталонным короткозамыкателем, затем с гладким эталонным короткозамыкателем, затем с шероховатым эталонным короткозамыкателем и с образцом измеряемого материала. По измеренным резонансным частотам и добротностям резонатора от короткозамыкателей (f_рез1, f_peз2, f_рез3, Q₁, Q₂, Q₃) и измеряемого образца материала (f_{рез.обр}, Q_oбp) производится обработка результатов измерений и вычисление комплексной диэлектрической проницаемости. По значениям резонансных частот и добротностей (f_peз1, f_рез2, Q₁, Q₂) производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на поверхность эталонного короткозамыкателя с эталонным короткозамыкателем. По уточненным значениям резонансной часты и добротности и (f_peз3, f_рез3) производят оценку и уточнение отражательных свойств металлического покрытия, нанесенного на поверхность эталонного короткозамыкателя с металлическим покрытием, нанесенным на шероховатую поверхность одного образца измеряемого материала. Информация о параметрах материала заключается в резонансной частоте и добротности резонатора с образцом измеряемого материала. С уточненными параметрами резонансной частоты и добротности производят вычисление комплексной диэлектрической проницаемости образца измеряемого материала.

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 в измерении параметров диэлектрических материалов;

- 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”.

1. Способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ, заключающийся в измерении резонансной частоты и добротности полого разъемного перестраиваемого резонатора, а затем с помещенным в него образцом измеряемого материала, с последующей обработкой результатов измерений, отличающийся тем, что производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с эталонным короткозамыкателем, затем с гладким эталонным короткозамыкателем, вычисляют уточненное значение резонансной частоты и добротности резонатора с гладким эталонным короткозамыкателем, затем производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с шероховатым эталонным короткозамыкателем, вычисляют уточненное значение резонансной частоты и добротности резонатора с шероховатым эталонным короткозамыкателем, затем производят измерение резонансной частоты и добротности резонатора с образцом измеряемого материала, затем по значениям резонансной частоты и добротности резонатора с измеряемым образцом и по уточненному значению резонансной частоты и добротности резонатора с шероховатым эталонным короткозамыкателем определяют значения комплексной диэлектрической проницаемости измеряемого материала.

2. Устройство для измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов на СВЧ, содержащее СВЧ-генератор, который подключен к измерительному устройству резонансной частоты резонатора, к противоположному концу измерительного устройства подключен разъемный перестраиваемый цилиндрический резонатор, в который установлен эталонный короткозамыкатель, а затем образец измеряемого материала, отличающееся тем, что введены дополнительно два эталонных короткозамыкателя, причем один из них, гладкий эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности как эталонный короткозамыкатель с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием, а второй - шероховатый эталонный короткозамыкатель, имеющий такую же шероховатость поверхности как измеряемый материал, с нанесенным на него отражающим металлическим покрытием.