Устройство для измерения изменений диэлектрических параметров
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ (61) Дополнительное к авт, сеид-ву— (22) Заявлено 181278 (21) 2697647/18-21 с присоединением заявки Ио (23) Приоритет—
Опубликовано 151280.Бкзллетвиь М 46
Дата опубликования описания 20.12.80 (51) М. Кл.
G 01 R 17/10
Государственный комитет
СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 317. ,733(088.8) (72) Авторы изобретения.ков".
A С. Евсеев, Б. П. Мурзон и Э. П. Хорош (71} Заявитель (54 ) УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕИИЯ ИЭМЕИЕНИЙ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Изобретение относится к электроизмерительной технике, может быть использовано преимущественно при измерениях изменений диэлектрических пара— метров материалов или металлгиэлектри-5 ческих конструкций в момент воздействия на них импульсных возмущений.
Известно устройство для измерения изменений относительной диэлектрической проницаемости ь с / с и тангенса 1Î угла потерь tg д материалов, которое выполнено на основе мостовой резонансной схемы измерения активного и реактивного компонентов комплексного тока, протекающего через образец в момент f5 воздействия на него импульса радиации t1 1.
Известное устройство содержит довольно сложную мостовую схему измерения, требующую, для регистрации на 2О экране электронного осциллографа сигналов а & / E, ytg d, создание специальных преобразователей (например, для измерения ztgd необходимо использовать малоинерционный высокочувствиЖ тельный фасонный детектор, требующий подачи в измерительную схему стабилизированной частоты), Цель изобретения — упрощение устройства для измерения диэлектрических 3() параметров образца и воэможность более простого преобразования активного и реактивного компонентов комплексного тока, протекающего через образец в-момент воздействия на него импульсного возмущения, в сигналы дС и
atgd, регистрируемые на экране осциллографа.
Эта цель достигается тем, что в устройство для измерения изменений диэлектрических параметров, содержащее четырехплечевую резонансную мостовую схему с включеннымн конденсатором, катушкой индуктивности и резисторами, генератор, включенный в диагональ питания мостовой схемы, и осциллограф, включенный в измерительную диагональ мостовой схемы, в два плеча мостовой схемы включены резисторы, а в два других плеча мостовой схемы включен колебательный контур, образованный последовательно соединенными конденсатором, катушкой индуктивности и резистором, параллельно резистору которого включен амплитудный детектор, содер;кащий две параллельно соединенные цепи, каждая иэ которых сосгоит из последовательно соединенных диода и резистора, причем один дифференциальный вход осциллографа подклю788013 чен парс1ллельнО pEзисторам амплитуд— ного детектора, а другой диффере!!циальный вход включен в измерительную диагональ мостовой схемы.
11а чертеже изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения изме— нений диэле«три !Осе<их параметров.
Устройство содержит образец 1, включенный как конденсатор в последовательный колебательный контур„ состо-.
ЯIЕ!ий и 3 1 :!дуе<ти в ности 2 и ре зис тОра
3. Колебаталье!ые! контур вклесчен в мостовую схему из мере ния, состоящую из двух последовательно включенных резисторов 1, 5, в диагональ питBIIH5I которой подключен генератор синусои-- Я дального напряжения б.
Параллельно резистору 3 колебательного контура включен амплитудный детектор, состояций из двух параллельно соединенных цепей, каждая из которых содержит последовательHo соединенные резистор 7 или 8 H диод 9 или 10.
Причем параллельно резисторам 7, 8 к клеммам 11, 12 IJOJJI Устройство работает следу!э!!!ИМ образом. Перед измерением последовательный ЗО колебателье1ьй контур 1, 2, 3 ввог;,!т-ся в резонанс напряжений с помощью генератора б, затем балансируется мос товая схема измерения с помощью перемеI!нОгО резистора 5 . В каI3eoTEiе инд1! — 3 Я катора баланса используеTOЯ электронный осциллограф, подключенный }; клеммам 13, 14. При воздействии на образец 1, например импульса радиации, пpo II сходит из мененHF Oго тBH Гc .:Iса у Г ед ла потерь и емкости, что ведет к из— менению амплитуды и фазы сигнала на резисторе 3. Для рeãèñòðàöèè изменения амплитуды сигнала его детектируют с помощью диодов 9, 10 и фильтру10т с помощью дифференциального усилителя эле!<тро11ного осциллографа, поде<лючее111ог o K клеммам 11, 12 параллельно резисторам 7, 8. Для регистрации изменения фазы сигнала Hсполь-зуют другой дифференциальный усили>О тель электронного осциллографа, подключенный в диагональ моста к клемxaIq 13, 14. Изменение фазы сигнала на резисторе 3 ведет к разбалансу моста, что регистрируетoÿ Iia экране осциллографа. Осуществить связь изменения диэлектрических параметров образца. с измеряемыми сигналами можHG с помощью предварительной градуировки экрана осциллографа в значениях JI() gtgg и рС, для чего необходимо подключить вместо исследуемого образца эталонные образцы с известными значениями tg СГ<, и C„ rо приведенным ниже формулам, Изменение тангс:!са угла потерь образца равно! Е С1 а ! It g К о у,„ 11 О 1"ДЕ, Г изменение актив!!ого сопротивления образца, 1,0 м; — реактивное сопротивление Образца, 1,0 м частота приложенного в C > - PÌ,II Н а П Р ЯЖ Е Н и Я, е-! а ч а т! е, 1-! <1 е з н а -! е и и е е м! М Е-! Е 1 + с .! a. O 1(! Е! J.: Ñ,, Ток, про в момент ре где V — амплитуда синусоидального I напряжения генератора, Б; R — сопротивление резистора, 3,0 м; г — активное сопротивление инG I. дуктивности, 2,0 м; активное началь Еое сoripo с .o тивление образе!а, 1, 0 и. В случае изменения только активного сопротивления образца ток в конту— ре Rl С равен 1. I се.I +ra Π— r<1.о откуда 1 -Е С .О, ЧЕ— "i-i.O V „" У . СЕ.L O О ЕЕ! - Г, Ч»r = R R O!.O q„ Подставив (4) в (3), получим (4) (Ji + Е = Ч R. — !" a o 1 iqXR,Ð „ (5) При детектировании синусоидального сигнала с помощью диодов 8, 9 имеет место частичное падение напряжения на самих диодах. Поэтому с резисторов 12, 13 снимается однополупериодный сигнал, уменьшенный по амплитуде по отношению к сигналу на резисторе 3 в К раэ q,+Ч1, Ч„ Ч И— (б) !2 12Р 1 2 где !/ — -.ме1литуда падения напряжения 11а реэистОре ) дО ВОЗ действия на образец импульса радиации, В; максимальное изменение амР плитуды напряжения на резисторе 3 в момент максимума импульса радиации, воздействующего на образец, В,. Из (2) имеем 788013 у??и<ожив и разделив на K праву?о часть формулы (5}, получим л . оо —, „,,м,, лтР-
V — амплитуда падения на-. тр ??ряжения на резисторе 12 до воздействия на образец импульса радиации, В; максимальное из<меняв "12 ние амплитуды напряжения на резистора 12, регистрируемое на экране осциллографа в момент максимума импУль"а рэ нации Ом, Таким образом, для определения эHàчения tg ф образца необходимо значение
В случае изменения только емкости образца изменится только фаза сигнала ча резисторе 3 на величину .т с=ьгл (-: с.<.я где Ot? = 21<.f — частота приложенного наттояжения L — индуктивность ?<атут(?ки индуктивности. Так как в момент резонанса uL го из (8) следует, что о " ? -ОМ (? Общет<звестно, что -,обротность контура 3 R L C QITpBдяляетс<т т<ат< (» î 0>Co{ < О <Л- < С .О С,. Тогда (9) можно записать в в?де откуда + .ъС С0 Ho} 4х Со 4 -1 Ю(л,я "Рр -1Ч ро Разбаланс моста (кле?.<<ты 13, 14) за счет изменения фазы сигнала на резисторе 3 определяется по формуле (P V { %)j ={? — Ч,. СОЬЬ Р) (1,-g1
Экспериме??таль?то определено, что при «10%, Ч ««10, (?С с .55 пОэтому мох<нО принять V <:o s ф = V йр Р ? тогд с9 = -"-« — - .(((М
Подставив (11) в (10), получим 69 +ЬС,< ИЛ l + С 4 {М1 С. ВР Рс Разбаланс моста, кле;. мь 1 14) за счет изменения à- û с? гна;.л (иэ-за иэменениЯ емкОсти Со) и эа счет (тзменения амплитуды сигна:.а <нэ-за изменения «(сГО) на резистсрс 3 требует корректировки формулы (131 в видя (7) и (1) (1(4) или {1 3) о.т(< w t а g 42Р «< : С Со установлено, что разб «ланс мостово?т схе? <ьт ироисхОдит в ОсновнОМ за счет изменения фазы cllãl?àëà на резисторе 3 то есть эа счет изменения емкости образца. Из??ене?тие тангенса угла потерь в 10-100 раэ составляет в разбалансе моста не более +25% от разбагтанса эа с«чет иэмяняния емкости на 10+0, 1 Ъ . (Iэ: <е Hå???<å т ангенса угла потерь обр""-ца,конденсатср С) в колебательном контуре (<<.С приводит к измене т?но SHIH: амплитуды сигнала на резисторе 3 в -.,påäëàãàållîì устройстве. В качестве примера п<о?:вядетт расчя-. разбаланса ";ac.òîHîé схемы от изменения емкости Образца ?.а 0,1. и изменение На .а-льные параметры схемы измерения: 0 Рц, V ? 2Б, 7, 8,=-100 MB < 12 О rр = 4 1 х 10 ф, „(, 0 17р, = 170 V О, ЗВ, C =. 4,5 х Ом, R = 7 5 Ом 1,8 мБ. -2. 10 (? с — 0 1Ъ = 1- 10 (д 1,-Р4} Из (13) имеем ъ (Q . 1 1 1, 0,664 МВ; 1< О 8,86 (О Иэ (1) имеем Cj (<(= 10 — — 8,8 Ом? - 5 (О 678 4 (о" Из (7) получим 2. Улгр л" alo мБ, 6,8. ((У1 <г?.о «< <( (2 0,0125 ОО ",, ° (,F Яв -b.C, Л,,<{ <}=. М,"рК Со Мя р Та:<им образом, настроив схему нзм рення ptq С„, f, можно определить значения ztgg и т?С((<. Образца при воздействии на него :?мпу;lü. СИГ?<.=ëH
778013 ли,. согласно (6), имеем Формула изобретения (. Составитель И. Бахтина Редактор H. Кешеля Техред Н,Бабурка 1(орректор Н. Ывыдкая Заказ 8344/52 Тираж 1019 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 — О, 166 мВ :ледовательно, разбаланс мостовой схемы эа счет изменения в 100 раз составляет по отношению к разбалансу от изменения ел кости на 0,1Ъ величину, равную: с"= -100% = - 100% = 25Ъ О 16Ь ЬЧ„aV 0664 При расчете по ЬС/Со по формуле (14 ), которая. Учитывает разбаланс моста ""-а счет . у д, точность значительно повь;шается. Использование.предлагаемого устрой- стл. †. для измерения изменений диэгектритеск гх параметров по сравнению с известным имеет преимущества, так как имеет более простую схему измерения, не требует для преобразования сигнаJ".ов применения неста.ндартной аппаратуры, а значит более дешево и упрощает проведение экспериментов. Устройство для измерения изменений диэлектрических параметров, содержащее четырехллечевую резонанснук. мостовую схему с включенными конденсатором, катушкой индуктивности, резисторами, генератор, включенный в диаго— наль питания мостовой схемы, и осциллограф, включенный в измерительную диагональ мостовой схемы, о т л и ч а ю щ е с с я тем, что, с целью упрощения устройства, в два плеча мостовой схемы включены резисторы, а в два других плеча мостовой схемы включен колебательный контур, образованный последовательно соединен.ными конденсатором, катушкой индуктивности и резистором, параллельно резистору которого включен амплитудный детектор, содержащий две параллель— но соединенные цепи, каждая иэ которых состоит из последовательно соединенных диода и резистора, причем один дифференциальный вход осциллографа подключен параллельно резисторам амплитудного детектора, а другой дифференциальный вход включен в иэ— мерительную диагональ мостовой схе— мы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Высокомолекулярные соединения", 1967, том Л, Р 12, с. 2746-2750, 
