Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов

Изобретение относится к технике определения диэлектрической проницаемости материалов методом объемного резонатора.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости (ε) в объемном резонаторе при фиксированной резонансной длине, ГОСТ Р 8.623-2006 (в новой редакции ГОСТ Р 8.623-2015). Измерения по этому способу выполняют следующим образом:

- настраивают резонатор длиной L_T на частоту , соответствующую - постоянной распространения в пустой части резонатора без образца для , λ_кр=С⋅R - критическая длина волны в цилиндрическом волноводе для волны типа H₀₁, , ν₀₁=3,832 - численное значение корня уравнения для функции Бесселя при рассмотрении распространения волны H₀₁ в круглом волноводе;

- отводят подвижный поршень вниз и помещают образец материала толщиной d в резонатор;

- возвращают подвижный поршень в исходное положение, восстанавливая длину L_T;

- перестраивают частоту в сторону уменьшения до появления резонанса на частоте , соответствующей - постоянной распространения ;

- измеряют и записывают частоту ƒ₂ резонатора с образцом испытуемого материала;

- вычисляют диэлектрическую проницаемость по формуле:

где - постоянная распространения в области расположения образца, преобразуют окончательно:

Достоинством метода определения ε при фиксированной длине резонатора является высокая точностью определения резонансных частот, а недостатком является то, что в методе реализуются неидентичные условия возбуждения резонансных колебаний из-за различия величин частот измерения пустого резонатора и резонатора с помещенным в него образцом материала. Определение длины пустого резонатора происходит на частоте ƒ₁, соответствующей β_V1, а измерение резонатора с образцом испытуемого материала происходит на частоте ƒ_2, соответствующей β_V2, поэтому погрешности измерений частоты ƒ₁ соответствующей ей длины L_T, как видно из формулы (1), также влияют на точность определения диэлектрической проницаемости. Кроме того, при проведении операции по перестройке частоты в сторону уменьшения сдвиг по частоте происходит по диапазону на значительную величину частот, до появления резонанса, при этом изменяются условия возникновения резонансных колебаний и нет однозначности при определении нужного резонанса по типу колебаний и соответствии его диэлектрической проницаемости образца испытуемого материала.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения диэлектрической проницаемости (ε) в объемном резонаторе при фиксированной резонансной частоте, ГОСТ Р 8.623-2006 (в новой редакции ГОСТ Р 8.623-2015). Измерения по этому способу выполняют следующим образом:

- настраивают резонатор изменением длины L_T на частоту , соответствующую - постоянной распространения в пустой части резонатора без образца для , λ_кр=С⋅R - критическая длина волны в цилиндрическом волноводе для волны типа H₀₁, , ν₀₁=3,832 - численное значение корня уравнения для функции Бесселя при рассмотрении распространения волны H₀₁ в круглом волноводе;

- отводят подвижный поршень вниз и помещают образец материала толщиной d в резонатор;

- перемещают подвижный поршень вверх, настраивая резонатор в резонанс на частоту ƒ₀₁, соответствующую β_V1;

- фиксируют показания датчика перемещения подвижного поршня L_TS;

- вычисляют диэлектрическую проницаемость по формуле

где - постоянная распространения в области расположения образца.

Достоинством в методе определения ε на фиксированной частоте является реализация идентичных условий возбуждения резонансных колебаний в месте расположения отверстий связи при проведении измерений резонатора без образца и резонатора с образцом, а недостатком является то, что для настройки резонатора на резонансную частоту требуется высокая точность механизма перемещения подвижного поршня для настройки на фиксированную частоту измерения. Для реализации точной настройки резонатора на фиксированную частоту с высокой точностью требуется очень высокая точность измерения длины резонатора. Но точную настройку положения подвижного поршня, соответствующую заранее выбранной частоте с помощью механических систем, обеспечить с высокой точностью невозможно из-за неизбежных люфтов в механизме перемещения, в результате чего возникают погрешности измерения диэлектрической проницаемости.

Целью изобретения является повышение точности определения диэлектрической проницаемости.

Способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов в объемном волноводном резонаторе с помощью анализатора цепей, включающий настройку резонатора без образца испытуемого материала на резонансную частоту перемещением подвижного поршня, помещение образца испытуемого материала в резонатор, настройку резонатора на резонансную частоту резонатора перемещением подвижного поршня, фиксацию показания датчика перемещения подвижного поршня и вычисление диэлектрической проницаемости, отличается тем, что после настройки резонатора с образцом на резонансную частоту фиксируют частоту, на которую настроен резонатор с образцом.

Для предлагаемого способа определения диэлектрической проницаемости в объемном волноводном резонаторе авторы разработали алгоритм расчета диэлектрической проницаемости (ε), заключающийся в решении уравнения:

,

где L_T - длина резонатора без образца, настроенного на частоту , соответствующую - постоянной распространения в пустой части резонатора без образца испытуемого материала для ;

λ_кр=С⋅R - критическая длина волны в цилиндрическом волноводе для волны типа H₀₁, , ν₀₁=3,832 - численное значение корня уравнения для функции Бесселя при рассмотрении распространения волны H₀₁ в круглом волноводе;

d - толщина образца испытуемого материала;

L_TS - длина резонатора с помещенным в него образцом испытуемого материала, настроенного на частоту , соответствующую - постоянной распространения для ;

- постоянная распространения в области расположения образца для , а .

На приведенной Фиг. 1 изображен общий вид устройства, реализующего заявляемый способ.

Устройство для определения диэлектрической проницаемости включает объемный резонатор 1, в верхней части корпуса которого размещены устройства ввода и вывода СВЧ-энергии. Внутри объемного цилиндрического резонатора с минимальным зазором установлен подвижный поршень, показанный на чертеже в двух положениях: в положении 2 - для настроенного в резонанс резонатора без образца, и в положении 3 для настроенного в резонанс резонатора с образцом 4. Измерение положения резонансной кривой на частотной оси осуществляется анализатором цепей 5. Перемещение подвижного поршня осуществляется с помощью механизма перемещения 6, а измерение положения подвижного поршня осуществляются измерителем 7. Управление, сбор информации, обработка и отображение информации осуществляется процессорным устройством 8.

Устройство, реализующее заявленный способ определения диэлектрической проницаемости, работает следующим образом.

На анализаторе цепей устанавливают заданную частоту , соответствующую - постоянной распространения в пустой части резонатора без образца испытуемого материала для , λ_кр=С⋅R - критическая длина волны в цилиндрическом волноводе для волны типа H₀₁, , ν₀₁=3,832 - численное значение корня уравнения для функции Бесселя при рассмотрении распространения волны H₀₁ в круглом волноводе. Устанавливают необходимую для наблюдения резонанса полосу обзора.

Настраивают резонатор без образца в резонанс перемещением подвижного поршня с помощью механизма 6 и фиксируют показания датчика перемещения подвижного поршня 7 L_T в устройстве 8.

Толщину образца испытуемого материала d вводят в устройство 8.

С помощью механизма 6 подвижный поршень резонатора выводят из резонатора, помещают на него образец испытуемого материала 4 и вводят поршень в резонатор и настраивают резонатор с образцом в резонанс на резонансную частоту, перемещая подвижный поршень и наблюдая резонансную кривую на анализаторе цепей 5.

В устройстве 8 фиксируют показание датчика перемещения подвижного поршня 7 L_TS и частоту , соответствующую - постоянной распространения для , с помощью анализатора цепей 5.

В устройстве 8 после сбора информации об измерении производят расчет диэлектрической проницаемости (ε) по формуле:

,

- постоянная распространения в области расположения образца для , а .

Авторами проведена экспериментальная проверка предложенного способа на установке для измерения диэлектрической проницаемости в объемном цилиндрическом резонаторе с волной H_01n диаметром 50 мм, настроенным на частоту f₁=9,45 ГГц, с добротностью Q=27000, при измерении стандартного образца из стекла диоксида кремния с диэлектрической проницаемостью ε=3,815 и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=9⋅10^-5.

При проведении измерений настройка резонатора с образцом в резонанс подвижным поршнем производилась с отклонениями от начальной длины L_TS, соответствующей частоте резонанса ƒ₂, и фиксировались величина отклонения по длине ΔL и отклонение по частоте Δƒ.

Предложенный способ измерения диэлектрической проницаемости предполагает, что при введении образца в резонатор произошло изменение длины резонатора и частоты измерения, которые фиксируются и используются в расчете. Вместо операции настройки на резонансную частоту вводится операция фиксации частоты, на которую настроен резонатор с образцом, что позволяет снизить требования к точности установки резонансной частоты, но повысить точность измерения диэлектрической проницаемости.

На фиг. 2 показаны относительные отклонения от величины диэлектрической проницаемости Δε в процентах от величин Δƒ. Из фиг. 2 видно, что при значительных отклонениях по частоте Δƒ, более 1 МГц, изменения диэлектрической проницаемости составили не более 0,01%.

На фиг. 3 показаны относительные отклонения от величины диэлектрической проницаемости Δε в процентах от величин ΔL при проведении измерений по предлагаемому способу и для сравнения приведены измерения, проведенные по существующему способу измерения вариации длины резонатора на фиксированной частоте измерения. Из фиг. 3 видно, что при возрастании отклонений по длине ΔL изменения диэлектрической проницаемости для существующего способа измерения на фиксированной частоте значительно возрастают до 0,146%, а для измерений по предлагаемому способу при максимальном отклонении равному 0,028 мм составили не более 0,01%.

Заявляемый способ заключается в определении диэлектрической проницаемости е материала на основе уточнения расчета разности электрических длин резонатора без образца и с образцом испытуемого материала , реализованной за счет фиксации частоты, на которую настроен резонатор с образцом, в отличии от известного способа, основанного на определении диэлектрической проницаемости ε материала по разности геометрических длин на фиксированной частоте резонатора без образца и с образцом испытуемого материала ΔL=L_T-L_TS.

Внесенные, в заявляемом способе определения диэлектрической проницаемости изменения в измерительную процедуру позволяют повысить точность определения диэлектрической проницаемости образца испытуемого материала в объемном цилиндрическом резонаторе.