Способ измерения толщины диэлектрических материалов
Союз Советски к
Социалистические
Республик
ОП ИСАКИИ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ к лвто скомь свидатюльствю
Дата опубликования описания 05.02,82 (5! )М. Кл.
G 01 l4 22/00
Гасударственный квинтет
СССР по делам изобретений к открытей (53) УДК 621.
;3 17(088.8) 1 " -Ъ
Л. A. Гпазков, Ю. А. Скрипник и В. И. Во отовэгрт р д"::.-.,.,.: (72) Авторы изобретения
Ре": чутя:, Киевский технологический институт легкой промыил@цтосги (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛШИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения толщины синтетических материалов, тканей, резины и других диэлектрических материалов в процессе их изготовления.
Известен способ измерения толщины диэлектрических материалов, основанный на возбуждении тракта контрольным сверхвысокочастотным сигналом и измерении
10 его электрической длины при наличии исследуемого диэлектрического материала и при его отсутствии П1.
Однако при измерении известным способом имеется ограничение точности измерения толщины диэлектрического материала из-оа относительно низкой точности сверхвысокочастотных устройств измерения фазы.
Бель изобретения - повышение точности измерений..
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения толщины диэлектрических материалов, основанном на возбуждении гракга контрольным сверхвысо« кочасгогным сигналом и измерении его электрической длины при наличии исследуемого диэлектрического материала и при его отсутствии, увеличивают частоту контрольного сверхвысокочастогного сигнала до момента совпадения значений электрических длин тракта прп наличии иссле» дуемого диэлектрического материала и при его отсутствии, измеряют при этом величину приращения частоты (контрольного сверхвысокочасготного сигнала, атолщину диэлектрического материала определяют по формуле где 5 =* 1, 2, 3 ... коэффициент учитывающий соотношение толщины контролируемого диэлектрического материала и длину всйтны контрольного сверхвысокочас» тотного сигнала, К вЂ” постоянный коэффициент преобразования.
901890 ф. дачи со слабой дисперсией, например, е коаксиальной линии с воздушным заполнением, при равенстве путей распространения этик волн описывается выраженный 5 ем, аналогичным (1). х- Выходной сигнал фазового детектора 4, фиксирующего указанную разность ен- фаз, имеет вид о1.С Ыа+ 0611 4, : Ъ
=5(< )2x(f лД t> ° л 0
1 где
4О где гф- приращение частогы
p.(- разность длин параллельных коаксиальных трактов; - время задержки.
Приравняв (2) и (3), получаем
45 б(Д 2л + фЬ -а U = со
На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для р ализации предлагаемого способа.
Устройство содержит сверхвысокоч тотный (СВЧ) генератор 1, управляем двухпозиционный переключатель 2, тре канальный разветвитель 3, фазовый детектор 4, излучающую и чриемную ант ны Б и 6, контролируемый диэлектрический материал 7, опорный канал 8, упра-10 вляемый двухпозиционный переключатель
9, замедляющие пластины 10 и 11, управляющий генератор 12, СВЧ генератор
13, усилитель 14 низкой частоты (УНЧ), синхронный детектор 16, фильтр 16 ниж- 15 них частот (ФНЧ), интегратор 17, балансный смеситель 18, ФНЧ 19, цифровой частотомер 20, линию 21 задержки.
Сущность технического решения состоит в следующем. ю
B свободном пространстве сверхвысокочастотная электромагнитная волна проходит без отражений грехслойный диэлектрик, относительная диэлектрическая проницаемость первого и третьего слоев 25 которого равна сред»егер.метрическому значению относительных проницаемостей второго слоя и воздуха. Разность фаз электромагцитнь;х волн, одной — прошедшей (преломлен»ой), второй — падающей, обе из которых от»ачала р с»равеле»ня до некоторой плоскости, где разность фаз фиксируется, проходят одинаковый путь в свободном просгранстве, определяется выражением 35
- частота;
Е;у — относительная диэлектрическаяя проница емос ть в торого слоя;
d — голщина второго слоя
, — относительная диэлектрическая проницаемость первого и третьего слоев;
h — суммарная толщина первого и третьего слоев;
С вЂ” скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве (скорость света).
Разность фаз двух электромагнитных волн, из которых преломленная волна проходит излучающую антййну 5, трех° слойный диэлектрик, второй слой которо го представляет собой контролируемый материал 7 и приемную антенну 6, а падающая волна проходит по линии переО = S8 $) 23if . " +AU, (2) где — чувствительность фазового детектора 4;
y — относительная погрешность чувствительности фазового детектора 4; — относительная диэлектрическая проницаемосrb контролируемого материала 7;
d - толщина контролируемого материала 7; . о — относительная диэлектрическая проницаемость замедляющих пластин 10 и 11 (слоев); — суммарная толщина двух замедляющих пластин 10 и 11; до — абсолютная погрешность нуля фазового детектора 4.
Такая >ке разность фаз фиксируется фазовым детектором 4 при прохождении падающей электромагнитной волны другой частоты по тому же коаксиальному тракту и по тракту другой длины, где она задерживается на некоторое время:
U — S(e Q аж -+аУ) — ° а U гА или откуда при выборе суммарной толщины замедляющих пластин 10 и 11 Ь так, чтобы получим о, с.
901890
Из последнего выражения видно, что по измеренной величине приращения частоты электромагнитных колебаний, обеспечивающей равенство разности фаз элекгФ ромагнитных волн, распределяюшихся по различным каналам во времени и в пространстве, при известных и постоянных
/ значениях Со, t., с"„и f- определяется толщина контролируемого материала 7. р
Устройство работает следующим обра зом.
Сигнал СВЧ генератора 1, стабилизированного по частоте, через управляемый двухпозиционный переключатель 2 поступа-15 ет на вход трехканального разветвителя
3. На один вход фазового детектора 4 поступает сигнал, прошедший через измерительную ячейку, образованную излучающей и приемной антеннами 5 и 6, напри- 2р мер, логопериодического типа, между которыми помещен контролируемый диэлектрический материал 7, а на второй вход поступает сигнал, прошедший по опорному каналу 8, выполненному в виде коаксиальА5 ной линии с воздушным заполнением, как и остальные сверхвысокочастотные тракты устройства. Состояние управляемого двухпозиционного переключателя 9 при этом обеспечивает указанное прохождение 30 сигналов к фаэовому детектору 4. На поверхностях контролируемого материала 7 установлены замедляющие пластины 10 и
1 l, относительная диэлектрическая проницаемость которых обеспечивает прохож- 35 дение электромагнитной волны через контролируемый материал 7 без отражений, а суммарная толщина их обеспечивает необходимое замедление электромагнитной волны, как показано в предлагаемом спо- 4р собе. Управляемые двухпозиционные пе- реключатели 2 и 9 переключаются управляюшим генератором 12.
B другом положении управляемых двух. 4 позиционных переключателей 2 и 9 на один вход фазового детектора 4 поступает сигнал СВЧ генератора 13, прошедший через линию 21 задержки, например, спиральную замедляющую систему, à íà второй вход фазового детектора 4 поступает сигнал того же СВЧ генератора 13, прошедший по опорному каналу 8. Переменная составляющая выходного сигнала фазового детектора 4 после ее усиления УНЧ 14
55 поступает на вход синхронного детектора
l5, управляемого управляющим генератором 12. Выходной сигнал ФНЧ 16 через интегратор 17 поступает на управляюший вход СВЧ генератора 13, регулируемого по частоте. Этот сигнал, пропорциональный интегралу ol разности выходных напряжений фазового детектора 4 за период коммутации, так изменяет частоту
СВЧ генератора 13, чтобы выходной сигнал фазового детектора. 4 оставался неизменным при двух положениях управляемых двухпозиционных переключателей 2 и О.
Сигналы СВЧ генераторов l и 13 смешиваются балансным смесителем 18.
На выходе ФНЧ 19 цифровой частотомер
20 измеряет разностную частоту СВЧ генераторов 1 и 13.
Как следует из выражения (4), а также с учетом соотношеннячасгог СВЧ. генераторов l и l3, разностная частота определяется выражением
= — — dn = Kd 11,,ГР. со t ) где К вЂ” постоянный коэффициент преобразования измерительного устройства;
0 = <,2 3 — натуральный ряд чисел, учитывающий неоднозначность пока« заний частотомера, обусловленную соотношением контролируемой толщины и длиной волны СВЧ колебаний.
Таким образом, при реализации предлагаомого способа .достигается повышение гочиости и скорости измерения, потому . что устранены сосгавляюшие погрешности иэмерешм фазы на сверхвысокой часгоге и ьО, повышена скорость иэмерония, гак как огпала необходимость извлекать контролируемый материал 7 из избирательной ячейки для коррекции погрешности aV фазометра (для установки нуля фазометра). Процесс измерения толщины диэлектрических материалов 7 полностью автоматизирован, а отсчет кони ролируемой голшины производится по цифровому табло частотомера 20 с постоянным коэффициентом пропорциональности.
Остаточная погрешность предлагаемого способа зависит от стабильности коэффициента преобразования К, который, в свою очередь, определяется составляющими <", . Стабильность частоты генератора сверхвысокочастотных колебаний / обеспечивается высокой известными средствами, постоянство времени задержки, определяемое постоянством геометрических размеров эамедляюшей системы, также высокое. Относительная диэлекгричес901890
Составитель В. Маврин
Редактор E. Папп Техред Т.Маточка Корректор Н, Стец
Заказ 12368/52 Тираж 882 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 кая проницаемость определяется известны« ми средствами с погрешностью, не превышающей 2 0,1%. Таким образом, достижимая точность измерения по предлагаемому способу определяется остаточной погрешностью менее +0,1%.
Экономический эффект предлагаемого технического решения состоит в повышении производительности контрольных операций, повышении качества выпускаемой продук- 10 ции и экономии исходных материалов, Формула изобретения
Способ измерения толщины диэлектрических материалов, основанный на возбуж денни тракта контрольным сверхвысокочастотным сигналом и измерении его электрической длины при наличии исследу- gg емого диэлектрического материала и при его отсутствии, о г л и ч а ю ш и и с я тему что, с целью повьццения точности измерений, увеличивают частоту контрольного сверхвысокочастотного сигнала до момента совпадения значений электрических длин тракта при наличии исследуемого диэлектрического материала и при его отсутствии, измеряют при этом величину приращения частоты Я контрольного сверхвысокочастотного сигнала, а толшину d диэлектрического материала определяют по формуле d =-ф —,„, где й= 1, 2, 3 ...-коэффициент, учитываюший соотношение толщины контролируемого диэлектрического материала и длину вол- ны контрольного сверхвысокочастотного сигнала, К вЂ” постоянный коэффициент преобразования.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Бондаренко И. K. и др. "Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов.
М.,"Советское радио,1969,с. 243-244 (прототип) .
