Пристрій для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів

Корисна модель відноситься до галузі дослідження властивостей матеріалів з використанням мікрохвиль і може бути використана для визначення залежності електрофізичних характеристик матеріалів (коефіцієнтів пропускання, відбиття та ін.) від інтенсивності електромагнітного поля. Багато діелектричних матеріалів, особливо на основі високомолекулярних полімерів, композитів, анізотропних волокнистих і шаруватих структур і т.п., проявляють різні поглинаючі, пропускаючі та відбиваючі властивості у слабких і сильних електромагнітних полях. Особливо це властиво матеріалам біологічного походження (шкіра, вовна, рослинні волокна). Це пов'язано із тим, що електрофізичні параметри таких матеріалів (діелектрична і магнітна проникності, питома провідність і ін.) залежать від інтенсивності електромагнітного поля [див. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей). М.: Гостехиздат, 1949; Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Физматгиз, 1958]. Оцінка нелінійності електрофізичних характеристик проводиться шляхом вимірювання коефіцієнта пропускання або коефіцієнта відбиття електромагнітної хвилі досліджуваним матеріалом при різних інтенсивностях електромагнітного поля в діапазоні надвисоких частот (НВЧ). При цьому безпосередньо вимірюється залежність потужності прониклої або відбитої хвилі від потужності зондуючої хвилі [див. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С.194-196]. Складність визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів полягає в тому, що потужність зондуючих коливань НВЧ необхідно змінювати від одиниць Вт до піко Вт і менш, щоб зафіксувати нелінійність в декілька відсотків і менше. При цьому нелінійність характеристик НВЧ-підсилювачів та інших активних елементів вимірювальної схеми одного порядку або навіть перевищує нелінійність характеристик досліджуваного матеріалу. На цьому фоні практично неможливо зафіксувати нелінійність електрофізичних параметрів досліджуваних матеріалів. Відомий пристрій для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів (див. Головко Д.Б., Скрипник Ю.О., Яненко О.П. Надвисокочастотні методи та засоби вимірювання фізичних величин: Навч.посібник. - К.: Либідь, 2003, - С.190-192), що містить НВЧ-генератор, випромінюючу і приймальну антени, регульований аттенюатор, НВЧ-підсилювач, детектор та вимірювальний прилад. Між випромінюючою і приймальною антенами розміщують досліджуваний матеріал. При збільшенні потужності зондуючого НВЧ-випромінювання регульованим аттенюатором, що включений на виході приймальної антени, добиваються постійності потужності НВЧ-коливань на вході НВЧ-підсилювача, що виключає вплив нелінійності його характеристики на результат вимірювання. Проте при великому діапазоні змін потужності, а, отже, і великих компенсуючих змінах ослаблення, що вноситься аттенюатором, важко зафіксувати невеликі інформативні зміни в коефіцієнті передачі аттенюатора, які обумовлені саме нелінійністю досліджуваного матеріалу. Аналогічні складнощі виникають і в пристроях з додатковим (опорним) каналом через неідентичність та нелінійність вхідних характеристик блоку порівняння (компаратора). Відомий також пристрій для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів [див. Автор. свід. СРСР №1185199, МПК G01N22/00, 1985, Бюл. №38], що містить НВЧ-генератор, НВЧ-гетеродин, передавальну і приймальну антени, послідовно з'єднані НВЧ-підсилювач, балансний змішувач, вхід якого підключений до виходу НВЧ-гетеродина, і підсилювач проміжної частоти, комутаційний генератор, перший фільтр нижніх частот, та послідовно з'єднані синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і вольтметр. Крім того, відомий пристрій містить подільник потужності, другий балансний змішувач, лінію затримки, перший і другий амплітудні обмежувачі, двопозиційний перемикач, генератор рахункових імпульсів, подільник частоти, часовий селектор, лічильник імпульсів, регістр та генератор розгортки. При зміні потужності зондуючих НВЧ-коливань, особливо в області великих значень, змінюються власні параметри балансних змішувачів, підсилювачів, фільтрів і інших елементів двоканальної схеми порівняння. Через неідентичність і нелінійність параметрів елементів схеми порівняння виникає паразитний різницевий сигнал, сумірний з інформативним сигналом від змін електрофізичних параметрів досліджуваного матеріалу. В результаті виникає велика похибка в оцінці нелінійності характеристик матеріалу в електромагнітному полі різної інтенсивності. Значний внесок в похибку вимірювання вносить непостійність коефіцієнтів перетворення НВЧелементів. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів, в якому шляхом введення нових елементів і зв'язків забезпечилась би стабілізація потужності НВЧ-коливань на вході вимірювальної схеми порівняння при можливості зміни потужності зондуючих матеріал НВЧ-коливань в широкому діапазоні значень, що дозволить виявляти і вимірювати малі зміни в характеристиках матеріалів від нелінійності їх електрофізичних параметрів з підвищеною чутливістю і точністю. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів, що містить НВЧ-генератор, НВЧ-гетеродин, передавальну і приймальну антени, послідовно з'єднані НВЧ-підсилювач, балансний змішувач, вхід якого підключений до виходу НВЧ-гетеродина, і підсилювач проміжної частоти, комутаційний генератор, перший фільтр нижніх частот, та послідовно з'єднані синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і вольтметр, згідно з корисною моделлю, в нього введеш квадратичний детектор, функціональний перетворювач, вибірковий підсилювач частоти комутації, два НВЧ-ключі і три НВЧ-атенюатора, перший з яких включений між виходом НВЧ-генератора і входом передавальної антени, другий і третій - включені послідовно між виходом приймальної антени і входом НВЧ-підсилювача, при цьому паралельно першому і другому НВЧ-атенюаторам включені НВЧ-ключі, керуючі входи яких підключені до протифазних виходів комутаційного генератора, квадратичний детектор входом з'єднаний із виходом підсилювача проміжної частоти, а виходом через перший фільтр нижніх частот з'єднаний із входом функціонального перетворювача, до виходу якого, через вибірковий підсилювач частоти комутації підключений вхід синхронного детектора, керуючі входи якого з'єднані з протифазними виходами комутаційного генератора. Доцільно, щоб функціональний перетворювач містив в собі операційний підсилювач з регульованим коефіцієнтом підсилення, два диференціальні підсилювачі, джерело стабілізованої напруги, подільник напруги та інтегратор, виходом з'єднаний з керуючим входом операційного підсилювача, входи якого з'єднані із виходами першого та другого диференціальних підсилювачів, при цьому один вхід першого диференціального підсилювача з'єднаний з виходом першого фільтру нижніх частот, другий вхід з'єднаний через подільник напруги з джерелом стабілізованої напруги, вхід другого диференціального підсилювача з'єднаний з входом вибіркового підсилювача частоти комутації, а вихід із входом інтегратора. Введення в схему запропонованого пристрою квадратичного детектора, функціонального перетворювача, вибіркового підсилювача частоти комутації, двох НВЧ-ключів і трьох НВЧ-атенюаторів, з'єднаних зазначеним чином, дозволяє зондувати досліджуваний матеріал електромагнітним полем регульованої інтенсивності, яка встановлюється НВЧ-атенюаторами, зберігаючи постійність потужності НВЧ-коливань на вході НВЧпідсилювально-перетворюючого тракту за рахунок протифазної роботи НВЧ-ключів, що шунтують два з трьох НВЧ-атенюаторів. За допомогою квадратичного детектора формують послідовність прямокутних відеоімпульсів, амплітуди яких пропорційні радіопрозорості досліджуваного матеріалу, розміщеного між передавальною і приймальною антенами, причому амплітуда одного з відеоімпульсів пропорційна радіопрозорості матеріалу в слабкому полі, а амплітуда іншого відеоімпульса - в сильному полі. За допомогою вибіркового підсилювача частоти комутації виділяється напруга огинаючої відеоімпульсів, амплітуда якої пропорційна різниці коефіцієнтів радіопрозорості в електромагнітному полі різної інтенсивності. Використання синхронного детектора з фільтром нижніх частот забезпечує отримання вихідного сигналу, пропорційного коефіцієнту нелінійності, у вигляді постійної напруги. Завдяки використанню функціонального перетворювача у складі операційного підсилювача, двох диференціальних підсилювачів, джерела стабілізованої напруги, подільника напруги та інтегратора забезпечується отримання вихідного сигналу у формі відносної різниці коефіцієнтів радіопрозорості матеріалу в слабких і сильних полях, яка виключає вплив непостійності потужності зондуючого НВЧ-генератора, НВЧгетеродина і нестабільності коефіцієнтів перетворення НВЧ-тракта порівняння на вихідний сигнал, що дозволяє виявляти і вимірювати малі зміни в електрофізичних характеристиках матеріалів від їх нелінійності з підвищеною чутливістю і точністю. На кресленні представлена електрична функціональна схема пристрою для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів. Пристрій містить НВЧ-генератор 1, до виходу якого підключені НВЧ-атенюатор 2, паралельно якому включено НВЧ-ключ 3, і передавальна антена 4. До приймальної антени 5 підключені НВЧ-атенюатор 6, паралельно якому включено НВЧ-ключ 7, послідовно включені НВЧ-атенюатор 8, НВЧ-підсилювач 9 і балансний змішувач 10, до другого входу якого підключений НВЧ-гетеродин 11. До виходу балансного змішувача 10 підключені послідовно з'єднані підсилювач 12 проміжної частоти, квадратичний детектор 13, перший фільтр 14 нижніх частот і функціональний перетворювач 15. До складу функціонального перетворювача 15 входять: диференціальний підсилювач 16, до виходу якого підключений операційний підсилювач 17 з регульованим коефіцієнтом підсилення, вихід якого з'єднаний з одним із входів диференціального підсилювача 18, другий вхід якого з'єднаний з джерелом стабілізованої напруги 19 та із входом подільника напруги 20, який виходом з'єднаний з іншим входом диференціального підсилювача 16. Керуючий вхід операційного підсилювача 17 з'єднаний через інтегратор 21 з виходом диференціального підсилювача 18. До виходу функціонального перетворювача 15 підключені послідовно з'єднані вибірковий підсилювач 22 частоти комутації, синхронний детектор 23, другий фільтр 24 нижніх частот та вольтметр 25. Керуючі входи синхронного детектора 23 з’єднані з протифазними виходами комутаційного генератора 26 низької частоти, до кожного з яких підключені керуючі входи НВЧ-ключів 3 і 7. Позицією 27 позначено досліджуваний матеріал, розташований у вільному просторі між передавальною антеною 4 і приймальною антеною 5. Пристрій для визначення нелінійності електрофізичних характеристик матеріалів працює таким чином. Коливання НВЧ-генератора 1 великої потужності Р1 поступають через НВЧ-атенюатор 2 на передавальну антену 4. Випромінювані коливання проходять через досліджуваний матеріал 27 і сприймаються приймальною антеною 5. При проходженні коливань через досліджуваний матеріал відбувається поглинання і відбиття частини електромагнітної енергії. В результаті зменшується потужність коливань, що приймаються антеною 5, до значення Р2= К1ТР1, (1) де К1 - коефіцієнт передачі НВЧ-атенюатора 2; Т - коефіцієнт радіопрозорості досліджуваного матеріалу 27. Інтенсивність електромагнітного поля, в якому розміщений досліджуваний матеріал 27, регулюють НВЧатенюатором 2. Оскільки коефіцієнт радіопрозорості матеріалу залежить від інтенсивності електромагнітного поля, то вираз (1) слід представити у вигляді Р2=К1(Т+DТ)Р1=К1Т(1+g)Р1 (2) DT g= T - коефіцієнт нелінійності матеріалу, що залежить від встановленої потужності опромінення (К1Р1). де НВЧ-коливання з потужністю Р2 при замкнутому НВЧ-ключі 7 проходять через НВЧ-атенюатор 8 і впливають на вхід НВЧ-підсилювача 9. Для забезпечення постійності потужності НВЧ-коливань на вході НВЧ-підсилювача 9 прийняті антеною 5 коливання (2) додатково послаблюють НВЧ-атенюатором 8 до значення Р3=К1Т(1+g)К2Р1, (3) де К2 - коефіцієнт передачі НВЧ-атенюатора 8. При цьому коефіцієнт передачі К2 НВЧ-атенюатора 8 встановлюють зворотно пропорційним коефіцієнту К1 НВЧ-атенюатора 2, тобто К1К2=К1min, (4) де К1min - мінімальне значення коефіцієнта передачі НВЧ-атенюатора 2 при його максимальному послабленні. Так, якщо встановлюють мінімальне значення К1, що забезпечує слабке поле між антенами 4 і 5, то коефіцієнт К2 роблять рівним одиниці. Збільшуючи К1 відповідно (4), зменшують коефіцієнт К2, що при зростанні інтенсивності поля (К1Р1) забезпечує постійність потужності НВЧ-коливань на вході НВЧ-підсилювача 9. Посилені НВЧ-коливання поступають на один вхід балансного змішувача 10, на інший вхід - коливання НВЧгетеродина 11. В результаті змішування коливань НВЧ-генератора 1 та НВЧ-гетеродина 11 утворюються коливання проміжної (різницевої) частоти, які виділяються і підсилюються підсилювачем 12 проміжної частоти. Напруга проміжної частоти піддається квадратичному детектуванню детектором 13. В результаті усереднення продетектованої напруги першим фільтром 14 нижніх частот утворюється постійна складова напруги U1=SK1T(1+g)К2Р1 (5) де S - крутизна гетеродинного перетворення НВЧ-сигналу (3) в постійну напругу, що визначається потужністю НВЧ-гетеродина 11. При замиканні НВЧ-ключа 3 і розмиканні НВЧ-ключа 7 НВЧ-коливання ослабляються на виході приймальної антени 5 НВЧ-атенюатором 6, коефіцієнт передачі якого К3 встановлюється рівним коефіцієнту передачі НВЧатенюатора 2 (К3=К1). В цьому випадку результуюча потужність прийнятих НВЧ-коливань залишається незмінною. При періодичному перемиканні НВЧ-ключів 3 та 7, які керуються протифазними напругами комутаційного генератора 26 низької частоти, досліджуваний матеріал 27 по черзі опиняється то в слабкому полі, то в сильному. Слабке поле має місце при розімкненому НВЧ-ключі 3 і замкненому НВЧ-ключі 7. У замкненому положенні НВЧключа 3 і розімкненому НВЧ-ключа 7 створюється сильне поле. У слабкому полі можна вважати, що коефіцієнт нелінійності матеріалу g»0, а в сильному полі виявляються нелінійні властивості матеріалу і g>0. Тому НВЧ-сигнал на вході НВЧ-підсилювача 9 навіть при виконанні умови (4) виявляється модульованим по амплітуді з частотою комутації генератора 26 низької частоти. В результаті модуляції вихідна напруга квадратичного детектора 13 з урахуванням усереднення першим фільтром 14 нижніх частот змінюється від значення U1=SK1TK2(Pl+P0) (6) до значення U3=SK3T(1+g)К2{Р1+Ро)=SK1T(1+g)К2(Р1+Р0), (7) де P0 - потужність власних шумів НВЧ-підсилювача 9 і гетеродинного тракту перетворення частоти (10, 11 і 12). При незмінному коефіцієнті підсилення НВЧ-підсилювача 9 та постійності потужності НВЧ-гетеродина 11 потужність власних шумів P0 залишається постійною (P0=const). Врахування впливу власних шумів Р0 обумовлено тим, що стабілізація сигналу на вході НВЧ-підсилювача 9 можлива тільки при мінімальному значенні добутку (4), який відповідає максимальному ослабленню, що вноситься НВЧ-атенюатором 2 або 6. При затуханні в 120 - 140 дБ НВЧ-атенюатора 2 вхідний сигнал НВЧпідсилювача 9 стає сумірним з його власними шумами, що спотворює результат вимірювання. При періодичному перемиканні НВЧ-ключів 3 і 7 вихідний сигнал першого фільтру 14 нижніх частот має форму послідовності прямокутних відеоімпульсів з амплітудами (6) та (7). Для отримання інформації про значення коефіцієнта нелінійності у відеоімпульси (6) і (7) піддаються функціональному перетворенню в блоці 15. Кожен із послідовності відеоімпульсів поступає на один вхід диференціального підсилювача 16, на другий вхід якого поступає опорна напруга від джерела стабілізованої напруги 19 через подільник напруги 20. Рівень опорної напруги вибирають з умови придушення впливу власних шумів на амплітуду відеоімпульсів. Для цього між антенами 4 і 5 вводиться металевий екран і за допомогою подільника напруги 20 добиваються відсутності постійної напруги на виході диференціального підсилювача 16. За наявності досліджуваного матеріалу 27 між антенами 4 і 5 на виході диференціального підсилювача 16 з'являються відеоімпульси: U4=SK1TK2K4P1 (8) U5=SK1T(l+g)K2K4P1 (9) де К4 - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача 16. Послідовність видеоімпульсов (8) і (9) підсилюється операційним підсилювачем 16 з регульованим коефіцієнтом підсилення. Постійна складова напруги цієї послідовності, враховуючи що g