Винахід відноситься до радіотехніки, а саме до техніки вимірювань макроскопічних параметрів середовищ і матеріалів, і, зокрема, може використовуватися при неруйнівному контролі параметрів діелектричних матеріалів, з яких виконані закінчені промислові вироби. Метою винаходу є розробка більш технологічного способу визначення відносної діелектричної проникності досліджуваного матеріалу без руйнівного впливу і досягнення більш високої точності за рахунок обліку питомої провідності матеріалу. Спосіб включає збудження електромагнітних коливань в микрополосковой лінії з відомими параметрами комплексної діелектричної проникності, вимір її імпедансу в режимах холостого ходу і короткого замикання при розміщенні мікрополоскової лінії на поверхні досліджуваного зразка матеріалу і при відсутності досліджуваного зразка і обчислення діелектричної проникності досліджуваного зразка матеріалу. 1 з.п. ф-ли, 6 мул.
Винахід відноситься до радіотехніки, а саме до техніки вимірювань макроскопічних параметрів середовищ і матеріалів, і, зокрема, може використовуватися при неруйнівному контролі параметрів діелектричних матеріалів, з яких виконані закінчені промислові вироби (захисними ковпачками, оптекателі і т.п.).
Відомі способи визначення діелектричної проникності матеріалу (див., Наприклад, авт. Св. СРСР N 1385091, кл. G 01 R 27/26, 1985 і авт. Св. СРСР N 1679413, кл. G 01 R 27/26, 1991) . Однак, відомі способи - аналоги володіють невисокою точністю вимірювання і, крім того, як правило, прийнятні тільки у випадках простих форм досліджуваного зразка матеріалу (пластина, паралелепіпед і т.п.). Найбільш близьким за своєю технічною суттю до заявленого способу визначення діелектричної проникності матеріалу є спосіб, описаний в авт. св. СРСР N 1651237, кл. G 01 R 27/04 від 21.02.89. Спосіб-прототип полягає в порушенні електромагнітних коливань в досліджуваному зразку з попередньо нанесеними на нього формують і зондувальними фотопровідника, визначенні швидкості поширення цих коливань з подальшим обчисленням діелектричної проникності. Однак, спосіб-прототип має ряд недоліків. Вузька смуга частот, в якій досягається необхідна точність. Обмеження пов'язане з використанням оптичного діапазону хвиль. Для дотримання умов застосовності способу на частотах оптичного діапазону хвиль необхідно, щоб довжина стрічкового провідника мікрополоскової лінії становила кілька довжин хвиль, що призводить до практично нереалізованим пристроїв на частотах нижче 1 ГГц. Невисока точність вимірювання полягає в тому, що при визначенні діелектричної проникності фактично не враховуються провідні властивості матеріалу, обумовлені виникненням струмів провідності, тому що при помітному значенні питомої провідності досліджуваного матеріалу 
відбувається спотворення фронту відбитого імпульсу і, отже, зниження точності його реєстрації. Іншими словами, спосіб-прототип прийнятний тільки для високоякісних діелектриків. Спосіб не технологічний, тому що передбачає плоску поверхню досліджуваного зразка. У випадках же криволінійних поверхонь зразка необхідно виготовити з нього фрагмент з плоскою поверхнею, тобто провести руйнівну монолітність зразка дію. Метою винаходу є розробка більш технологічного способу визначення відносної діелектричної проникності досліджуваного матеріалу без руйнівного впливу при одночасному досягненні більш високої точності за рахунок обліку питомої провідності матеріалу. Поставлена мета досягається тим, що у відомому способі визначення діелектричної проникності матеріалу, що полягає в порушенні в ньому електромагнітних коливань, вимірюванні параметрів порушеної електромагнітного поля і обчисленні за результатами вимірювань діелектричної проникності, попередньо на поверхню досліджуваного зразка матеріалу накладають Микрополосковая лінію, стрічковим провідником звернену до поверхні досліджуваного зразка і має підкладку з діелектричного матеріалу з відомими пар діаметром комплексної діелектричної проникності 
, де 
r1, 1 і 
- відповідно діелектрична проникність, провідність матеріалу підкладки і довжина хвилі, на якій виконуються вимірювання. Потім збуджують в цій лінії електромагнітні коливання і послідовно вимірюють її імпеданс в режимах холостого ходу (Zxx2) і короткого замикання (Zкз2). Після цього знімають Микрополосковая лінію з досліджуваного зразка матеріалу і знову порушують в ній електромагнітні коливання. Повторно вимірюють її імпеданс в режимах холостого ходу (Zxx0) і короткого замикання (Zкз0), після чого за результатами вимірювань діелектричну проникність досліджуваного матеріалу обчислюють за формулою: 
- діелектричні проникності, обчислені відповідно за результатами вимірювань при порушенні мікрополоскової лінії за відсутності досліджуваного зразка і при порушенні мікрополоскової лінії, розміщеної на досліджуваному зразку, 
l - довжина стрічкового провідника мікрополоскової лінії; 
= 2 
f - кругова частота; f - частота вимірювань; 
0, 0 - магнітна і електрична постійні; 2 - провідність досліджуваного зразка матеріалу; - довжина хвилі, на якій виконуються вимірювання. Завдяки новій сукупністю суттєвих ознак виявляється можливим врахувати величину питомої провідності матеріалу і вплив навколишнього простору на результат вимірювання, що підвищує точність вимірювання. Заявлений спосіб пояснюється кресленнями. На фіг. 1 показаний варіант накладення мікрополоскової лінії на поверхню досліджуваного зразка матеріалу; на фіг. 2 - розрізи A- A і Б-Б на фіг. 1; на фіг. 3 - ступінь зміни електромагнітного поля при порушенні мікрополоскової лінії в залежності від середовищ, що її оточують; на фіг. 4 - варіант виконання мікрополоскової лінії; на фіг. 5 - схема підключення МПЛ до вимірювального приладу; на фіг. 6 - результати порівняльних вимірів. Можливість реалізації заявленого способу визначення діелектричної проникності матеріалу пояснюється наступним. Відомо, що вхідний опір Zвх мікрополоскової лінії (МПЛ) визначається як її власними параметрами (довжиною l, висотою діелектричної підкладки h і діелектричної проникністю матеріалу, з якого вона виконана, співвідношенням ширини вузького провідника W і ширини екрану A), так і параметрами її навантаження (див. фіг. 3). Крім того, в значній мірі Zвх МПЛ буде визначатися і параметрами навколишнього середовища, а саме її комплексної діелектричної проникністю 
. У загальному випадку вхідний опір МПЛ Zвх = Zв 
th 
l, де Zв - хвильовий опір власне МПЛ, що визначається за відомим співвідношенням через її конструктивні параметри (див. наприклад книгу: Довідник з розрахунку і конструювання НВЧ Полоскова пристроїв. / За редакцією В.І. Вольман. М .: Радио и связь, 1982 , с. 58-66.); = 
+ i 
- комплексний коефіцієнт поширення, реальна частина якого - характеризує величину коефіцієнта загасання, а уявна частина - коефіцієнта фази. Залежно від згаданих факторів можна в широких межах змінювати в лінії шляхом розміщення МПЛ поблизу середовища з різко відрізняються від повітря параметрами. Це призведе до значних змін вхідних параметрів МПЛ. Крім того, зміна навантаження Zн, яка підключається до МПЛ, також буде змінювати вхідний опір. Можливість обліку виникаючих змін Zвх МПЛ при її розміщенні в різних середовищах і покладено в основу визначення параметрів досліджуваної середовища. При порушенні МПЛ в режимі К3 (Zн = 0) вхідний опір лінії визначається як Zкз0 = Zв th 0l, при порушенні лінії в режимі XX (Zн = 
) Zхх0 = Zв cth 0l. Очевидно, якщо МПЛ розмістити на зразку, виконаному з матеріалу з різко відмінними від повітря характеристиками, то це призведе до різкого обурення електромагнітного поля (ЕМП), що збуджується в МПЛ, та електромагнітного поля, викликаного крайовими ефектами. Якщо при цьому знову виміряти Zвх в режимах XX і K3, то отримаємо нову пару Zкз2 і Zxx2 і відповідно нового значення обчисленого коефіцієнта 2, які в неявному вигляді враховують макроскопічні параметри матеріалу досліджуваного зразка, т. Е. r2 і 2.. При порушенні МПЛ характеристика ЕМП в значній мірі буде визначатися співвідношенням обсягів власне діелектричної підкладки і навколишнього її середовища, в межах яких зосереджено пов'язане з МПЛ ЕМП. Ступінь впливу такого співвідношення можна охарактеризувати еквівалентної діелектричної проникністю, що враховує як габарити підкладки, так і частина середовища поза об'ємом підкладки (див. Фіг. 2). Величину цієї еквівалентної діелектричної проникності можна обчислити за результатами вимірювань Zвх МПЛ в режимах XX і К3. Так, якщо спочатку виміряти вхідні параметри МПЛ в умовах її оточення тільки повітряним простором (значення r0 відомо), то отримаємо в режимах XX і К3: Zкз0 = Zв th 0l і Zxx0 = Zв cth 0l, звідси 
. Використовуючи відомий вислів, що зв'язує значення діелектричної проникності r з параметрами коефіцієнта поширення = + i , а саме: r = ( 2 2) / 2 0 0,
і приймаючи позначення 
, Значення еквівалентної діелектричної проникності r0 при порушенні МПЛ у відсутності досліджуваного зразка можна записати у вигляді: 
Далі, накладаємо МПЛ на поверхню досліджуваного зразка матеріалу, причому стрічковим провідником, зверненим до поверхні. Повторно вимірюємо її імпеданс в режимах К3 і XX: Zкз2 = Zв 
і Zxx2 = Zв th 2l, звідси коефіцієнт поширення може бути обчислений за формулою: 
. Тоді еквівалентна діелектрична проникність, певна при порушенні МПЛ, розміщеної на досліджуваному зразку, обчислюється як: 
де 
. Остаточне емпіричне вираження для розрахунку діелектричної проникності використовуваного зразка отримано на основі експериментальних досліджень: 
Цей вираз справедливо при виконанні умови r2 
1, 1 r1. Таким чином, реалізація способу зводиться до наступного. При необхідності визначити неразрушающим способом діелектричну проникність досліджуваного зразка 1, наприклад, має напівсферичну форму (див. Фіг. 1) з товщиною стінок H, на нього встановлюють МПЛ. МПЛ довжиною l (див. Фіг. 3) складається з стрічкового провідника 2, діелектричної підкладки 3 і екрану 4. Елементи МПЛ мають розміри: ширина стрічкового провідника W; ширина екрану A; висота підкладки h і виконана вона з матеріалу з діелектричної проникність r1. МПЛ встановлюють на поверхню зразка 1 комформность стрічковим провідником 2, зверненим до поверхні зразка 1. При такій установці велика частина пов'язаного ЕМП буде охоплюватися матеріалом зразка (див. Фіг. 2б). Потім МПЛ підключають за допомогою фідера 5 до вимірника комплексного опору (наприклад, до випускається промисловістю приладу Р4-38 або Р4-37). Центральний провідник коаксіального фідера 5 підключають до торця стрічкового провідника 2 МПЛ (точка "а" на фіг. 4), а екран фідера 5 пов'язаний електрично з екраном МПЛ (точка "б"). Режими XX і К3 забезпечуються шляхом замикання з протилежного кінця лінії перемичкою 6. При підключенні перемички 6 до екрану 4 і стрічковому провіднику 2 МПЛ досягається режим К3, а при відключенні - режим XX. Після вимірювань вхідного опору МПЛ, накладеної на зразок в режимі XX і К3, аналогічні вимірювання проводять повторно у відсутності досліджуваного зразка. Після цього за наведеною вище формулою розраховують шукану діелектричну проникність. Правомірність теоретичних міркувань перевірялася експериментально шляхом вимірювання заявленим способом діелектричної проникності зразків різної форми, для яких були заздалегідь відомі значення r2 і 2, і порівняння їх зі значеннями, отриманими за підсумками вимірювань. Як досліджуваних зразків використані півсферичний обтічник з діаметром підстави 2 м і товщиною H 0,2 м, порожній циліндр висотою 0,5 м, діаметром 1,5 м і товщиною стінок 0,06 м і паралелепіпед довжиною 0,3 м, висотою 0 , 08 м і шириною 0,05 м. Досліджувані зразки виконані з полімербетону з r2 = 3,4, фторопласта з r2 = 2 і склотекстоліти з r2 = 4 відповідно. МПЛ мала наступні параметри l = 0,17 м, h = 0,001 м і A = 0,04 м. Стрічковий провідник виконаний з мідної смуги шириною W = 0,0016 м. Zв такий МПЛ склало 50 Ом. Як фідера 5 використовувався кабель РК-50 довжиною 2 м. Вимірювання проводилися в діапазоні 750-2500 МГц. Результати вимірювань представлені на фіг. 5. Суцільний лінією показані паспортні дані зразка, точками наведені результати вимірювань заявленим способом. З графіка на фіг. 5 випливає, що похибка в визначенні заявленим способом не перевищує 5% від паспортних даних діелектриків, що є цілком прийнятним для практики. Довжину МПЛ доцільно вибрати в межах (0,15 - 0,25) довжини хвилі, що відповідає частоті вимірювання, а відстань від довільної точки МПЛ до краю вимірюваного зразка має становити не менше 1/2 довжини МПЛ. Для досягнення більш високої точності вимірювань співвідношення товщини досліджуваного зразка H і підкладки МПЛ h має задовольняти H / h 4. При невиконанні зазначених вимог виникають вищі типи хвиль і крайові ефекти, а це знижує точність вимірювання, що було доведено експериментально. Зазначене дає підстави очікувати зниження тимчасових і матеріальних витрат, пов'язаних з неразрушающим контролем параметрів виготовлених діелектричних матеріалів, з яких виконані закінчені промислові вироби.
формула винаходу
1. Спосіб визначення діелектричної проникності матеріалу, що полягає в порушенні в ньому електромагнітних коливань, вимірюванні параметрів порушеної електромагнітного поля і обчислення за результатами вимірювань діелектричної проникності, що відрізняється тим, що на поверхню досліджуваного зразка матеріалу накладають Микрополосковая лінію, стрічковим провідником звернену до поверхні досліджуваного зразка і має підкладку з діелектричного матеріалу з відомими параметрами комплексної діелектричної прони аемості 
де r1, 1, відповідно діелектрична проникність, провідність матеріалу підкладки і довжина хвилі, на якій виконуються вимірювання, потім порушують в цій лінії електромагнітні коливання і послідовно вимірюють її імпеданс в режимах холостого ходу (Zxx2) і короткого замикання (Zкз2), після чого Микрополосковая лінію знімають з досліджуваного зразка матеріалу, знову збуджують в ній електромагнітні коливання і повторно вимірюють її імпеданс в режимах холостого ходу (Zxx0) і короткого замикання (Zкз0), після чого за результатами виміру й обчислюють діелектричну проникність досліджуваного зразка матеріалу r2.
2. Спосіб визначення діелектричної проникності матеріалу по п.1, що відрізняється тим, що діелектричну проникність досліджуваного матеріалу обчислюють за формулою 
де 
діелектричні проникності, обчислені відповідно за результатами вимірювань при порушенні мікрополоскової лінії за відсутності досліджуваного зразка і при порушенні мікрополоскової лінії, розміщеної на досліджуваному зразку, 
o, o- магнітна і електрична постійні;
l довжина стрічкового провідника мікрополоскової лінії; = 2 f - кругова частота;
f частота вимірювань.
МАЛЮНКИ
Малюнок 1 , малюнок 2 , малюнок 3 , малюнок 4 , малюнок 5 , малюнок 6