Пристрій для реєстрації частотних характеристик діелектричних властивостей матеріалів

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для контроля диэлектрических свойств непроводящих и полупроводниковых материалов по частотной дисперсии диэлектрической проницаемости в непрерывном диапазоне частот. В различных областях науки и техники (при производстве изделий электронной техники, в электрохимии, медицине, биологии, геофизике, при создании высокочастотных датчиков физических величин и др.) все чаще возникают задачи, требующие для своего решения знания частотных зависимостей диэлектрической проницаемости материалов и веществ в широком частотном диапазоне. Задача усложняется из-за существенного влияния на диэлектрические свойства материалов электропроводности и диэлектрических потерь в образцах исследуемых материалов. Скомпенсировать влияющие факторы при работе измерительных схем в непрерывном диапазоне частот чрезвычайно трудно, так как сами элементы схем часто зависимы и обладают нестабильными частотными свойствами. Известно устройство для регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств материалов (Арш Э.И., Красин Л.А, Метод автоматизации измерений частотных характеристик параметров диэлектриков. Автометрия, 1966, №3, с. 32-36), содержащее два автогенератра качающейся частоты, в конденсатор колебательного контура одного из которых помещен исследуемый диэлектрик. Сравнение амплитуд колебаний этих автогенераторов позволяет измерить частотные изменения диэлектрической проводимости в диапазоне перестройки частоты автогенераторов. Однако амплитуда колебаний автогенератора с исследуемым диэлектриком в значительной мере зависит также от тангенса угла потерь в этом диэлектрике и его проводимости. Поэтому точность измерения и регистрации диэлектрических свойств материалов, особенно с большими потерями или проводимостью, оказывается низкой. Известно автоматическое устройство для измерения частотных свойств емкостных объектов с активной проводимостью (Агама-лов Ю.Р., Кнеллер В.Ю., Курчавое В.И. Преобразователь емкости и проводимости, работающий в непрерывном диапазоне частот. - Приборы и системы управления, 1978, N? 1, с. 21-23), содержащее генератор регулируемой частоты, к выходу которого параллельно подключены блок преобразования фазовращатель и блок коррекции, блок дифференцирования и блок суммирования, один вход которого соединен с выходом блока преобразования, второй - с выходом фазовращателя через управляемый делитель напряжения, управляющий вход которого через усилитель постоянного тока и фазочувствительный выпрямитель соединен с выходом блока суммирования, а управляющий вход фазочувствительного выпрямителя через формирователь опорного напряжения подключен к выходу фазовращателя. Для исключения влияния переменной частоты и непостоянства значения напряжения генератора на результат преобразования емкости в напряжение к выходу блока суммирования и блока дифференцирования необходимо дополнительно подключать логометр переменного тока или цифровой вольтметр постоянного тока с двойным интегрированием с предвключенным преобразователем переменного напряжения в постоянное. При столь сложной схеме частотный диапазон устройства не превышает 20 кГц, а именно (50-20000) Гц. Это объясняется сложностью технической реализации фазовращателя со стабилизированным по амплитуде выходным напряжением в широком диапазоне частот. Не меньшие трудности возникают и при построении широкодиапазонного управляемого делителя напряжения с малыми частотными погрешностями. Необходимость в блоке коррекции, с помощью которого устраняется влияние на точность преобразования емкости в напряжение корректирующих емкостей и проводимостей, введенных в основной блок преобразования, еще более усложняет задачу расширения частотного диапазона устройства в сторону более высоких частот. Таким образом, этому устройству присущ узкий частотный диапазон и большие погрешности при измерении диэлектрической проницаемости материалов в области повышенных и высоких частот из-за частотных погрешностей используемых блоков. Известно также "Устройство для регистрации характеристик диэлектрических свойств веществ" (авт. св. СССР №381044, кл. G 01 R 31 /00,1971), содержащий высокочастотный свип-генератор, к выходу которого подключены емкостные делители напряжения, состоящие из симметрично смонтированных друг к другу и по отношению к выходным и входным цепям добавочных конденсаторов и емкостных датчиков, в поле одного из которых помещается исследуемое вещество, а выходы датчиков соединены с входами блока деления и входами двух множительных блоков, при этом входы одного множительного блока соединены с выходами датчиков непосредственно, а другого множительного блока - через два фазовращателя, выходы множительных блоков соединены с входами второго блока деления, а выходы первого и второго блоков деления подключены к регистрирующим приборам. Недостатком известного устройства является невысокая точность регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств веществ и материалов из-за влияния диэлектрических потерь в исследуемом объекте на его диэлектрическую проницаемость. Поэтому с помощью известного устройства частотные характеристики определяются расчетным путем по частотным изменениям кажущейся диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь. Однако большие погрешности широкополосных фазовращателей и нестабильность параметров реальных множительных блоков (вектомерных фазометров) снижают точность определения тангенса угла потерь в широком диапазоне частот, а следовательно, и точность регистрации частотных изменений истинной диэлектрической проницаемости (погрешность не менее 7-10%). В основу изобретения поставлена задача создать устройство для регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств материалов, в котором путем совершенствования системы регистрации частотной характеристики независимо от уровня диэлектрических потерь и сквозной проводимости исследуемого материала за счет обеспечения работы фазочувствительной измерительной схемы в нулевом режиме повысилась бы точность измерения устройства. Поставленная задача решается тем, что в устройство для регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств материалов, содержащее высокочастотный генератор с блоками перестройки частоты, емкостный делитель напряжения, состоящий из добавочного конденсатора и емкостного датчика, в поле которого помещается исследуемый материал, два множительных блока и автоматический потенциометр, согласно изобретению введены: - низкочастотный генератор фиксированной частоты; - делитель частоты; - переменный аттенюатор; - реостатный датчик; - два автоматических переключателя, соединенных следующим образом входы первого из автоматических переключателей соединены с выходом низкочастотного генератора непосредственно и выходом высокочастотного генератора через переменный аттенюатор, выход первого автоматического переключателя соединен со входом второго автоматического переключателя, входом емкостного делителя напряжения и первыми входами множительных блоков, второй вход первого множительного блока соединен с выходом емкостного делителя напряжения, второй вход второго множительного блока соединен с одним из выходов второго автоматического переключателя непосредственно, с другим выходом - через автоматический потенциометр, выход первого множительного блока через дополнительно введенные последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель переменного напряжения, фазочувствительный выпрямитель и интегратор соединен с управляющим входом аттенюатора, выход второго множительного блока -через дополнительно введенные вторые последовательно соединенные фильтр низких частот, усилитель переменного напряжения и фазочувствительный выпрямитель и интегратор входом соединен с автоматическим потенциометром, автоматический потенциометр, включающий контакт измерительного реохорда кинематически соединен с подвижным контактом реостатного датчика, лентопротяжный механизм автоматического потенциометра кинематически соединенный с блоком перестройки частоты высокочастотного генератора, управляющие входы автоматических переключателей и фазочувствительных выпрямителей соединены с выходом делителя частоты, подключенного к низкочастотному генератору фиксированной частоты. Введение новых элементов и связей, осуществляемых указанным образом, обеспечивают повышение точности регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств материалов. Это достигается путем автоматической регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств исследуемого материала независимо от его диэлектрических потерь. При этом результат измерений не зависит от непостоянства уровня опорного и измерительного напряжения и коэффициентов преобразования блоков устройства, так как благодаря работе преобразовательных каналов в нулевых режимах исключена нестабильность параметров введенных в устройство усилителей, фазочувствительных выпрямителей и аттенюаторов. На чертеже приведена структурная схема устройства для регистрации частотных характеристик диэлектрических свойств материалов. Устройство содержит низкочастотный генератор 1 фиксированной частоты, высокочастотный генератор 2 с блоком 3 перестройки частоты, переменный аттенюатор 4, автоматические переключатели 5 и 6, емкостной делитель напряжения, состоящий из добавочного конденсатора и планерного емкостного датчика 8, содержащий диэлектрическое основание 9, высокопотенциальный электрод 10 и ниэкопотенциальный (заземленный) электрод 11, реостатный датчик 12, автоматический потенциометр 13, множительные блоки 14, 15, фильтры 16, 17 нижних частот, усилители 18,19 переменного напряжения, фазочувствительные выпрямители 20, 21, интеграторы 22, 23, делитель 24 частоты. Позицией 25 обозначен исследуемый материал. Низкочастотный генератор 1 и высокочастотный генератор 2 с управляемым аттенюатором 4 через автоматический переключатель 5 соединены с добавочным конденсатором 7 и пленарным емкостным датчиком 8. К выходу автоматического переключателя 5 подключены также входом автоматический переключатель 6 и множительные блоки 14, 15 по одному из входов. Другой вход множительного блока 14 соединен с выходом емкостного делителя напряжения 7, 8, другой вход множительного блока 15 соединен с выходами переключателя 6 непосредственно и через реостатный датчик 12. К выходу множительного блока 14 подключены последовательно соединенные фильтр 16 нижних частот, усилитель 18 переменного напряжения, фаэочувствительный выпрямитель 20 и интегратор 22, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 4. К выходу множительного блока 15 подключены также последовательно соединенные фильтр 17 нижних частот, усилитель 19 переменного напряжения и фазочувствительный выпрямитель 21, соединенный выходом через интегратор 23 с автоматическим понтенциометром 13. Контакт измерительного реохорда автоматического потенциометра 13 кинематически соединен с подвижным контактом реостатного датчика 12, а лентопротяжный механизм автоматического потенциометра 13 кинематически соединен с блоком 3 перестройки частоты высокочастотного генератора 2. Управляющие входы автоматических переключателей 5, 6 и фазочувствительных выпрямителей 20, 21 соединены с выходом делителя 24 частоты, который подключен к выходу низкочастотного генератора 1 фиксированной частоты. Исследуемый материал 25 помещен в электрическое поле планарного емкостного датчика 8. Устройство работает следующим образом. Напряжение низкочастотного генератора 1 фиксированной частоты w 1=const и напряжение высокочастотного генератора 2 регулируемой частоты w 2=var через автоматический переключатель 5 поочередно подают на емкостной делитель напряжения, состоящий из добавочного конденсатора 7 и планарного емкостного датчика 8. В электрическом поел планарного датчика 8, создаваемом высокопотенциальными и низкопотенциальными электродами 10, 11, помещен исследуемый материал 25. Низкочастотное напряжение фиксированной частоты используют в качестве опорного, а высокочастотное напряжение регулируемой частоты - в качестве измерительного. Опорное и измерительное напряжения подают на емкостный делитель напряжения поочередно в виде пакетов напряжения с частотой W=const, которая формируется делителем 24 частоты с коэффициентом деления n=50-100/W< w 1/ В один полупериод коммутации переключателя 5 на вход емкостного делителя поступает напряжение U1=Um1sin/ w 1 t+ j1/, в другой полупериод – U2=Um2sin/ w 2 t+ j2/. Выходное напряжение емкостного делителя определяется соотношением емкостей С0 конденсатора 7 и Сх датчика 8 на опорной и измерительной частотах. Емкость Со добавочного конденсатора выбирают в 100-200 раз меньше емкости Сх датчика с материалом. В этом случае выходное напряжение емкостного делителя практически определяется падением напряжения на емкостном датчике 8 от емкостного тока, задаваемого конденсатором 7. На низкой частоте ω ι при параллельной схеме замещения выходное напряжение емкостного делителя имеет вид а на высокой частоте w 2 соответственно где g1 и g2 - коэффициенты относительных изменений опорного и измерительного напряжений, учитывающие нестабильность генераторов 1 и 2; b1 и b2 - реактивные проводимости датчика на частотах и g1 и g2 - активные проводимости датчика на частотах и d 1 и d 2 - фазовые углы, определяемые диэлектрическими потерями и сквозной проводимостью исследуемого материала на частотах w 1 и w 2. Реактивная проводимость емкостного датчика 8 зависит как от величины диэлектрической проницаемости ε, так и ее частотной дисперсии De (w 1), которая увеличивается с ростом частоты измерительного напряжения. Поэтому реактивные проводимости можно представить в виде где Κ1 - коэффициент пропорциональности, определяемый геометрическими размерами емкостного датчика; e (w 1) - диэлектрическая проницаемость исследуемого материала на низкой фиксированной частоте; - относительное частотное изменение диэлектрической проницаемости (относительная дисперсия). В множительном блоке 14 перемножают выходное напряжение емкостного делителя напряжения 7, 8 с его входным напряжением. В один полупериод коммутации низкочастотное напряжение U3 с выхода делителя 7, 8 перемножается с опорным напряжением U1 и фильтром 16 нижних частот выделяется постоянная составляющая напряжения где К2- масштабный коэффициент множительного блока 14; К3 - коэффициент передачи фильтра 16 нижних частот. В другой полупериод коммутации перемножается высокочастотное напряжение U4 с выхода делителя 7, 8 с измерительным напряжением U2 и выделяется постоянная составляющая напряжения Учитывая, что фазовые углы d 1=arctg g1/b1, d 2=arctg g2/b2 получаем поочередно на выходе фильтра 16 нижних частот импульсы напряжений с амплитудами: При неравенстве напряжений U7 и U8 на выходе фильтра 16 нижних частот присутствует переменная составляющая частоты W коммутации где sig n sin Wt - прямоугольная огибающая последовательности импульсов. Напряжение U9 усиливается усилителем 18 переменного напряжения и выпрямляется фазочуьствительным выпрямителем 20, который управляется выходным напряжением делителя 24 частоты, которое одновременно управляет и автоматическим переключателем 5. Выпрямленное напряжение заряжает интегратор 22, выходное напряжение которого изменяет коэффициент передачи управляемого аттенюатора 4. В результате этого изменяется амплитуда измерительного напряжения частоты w 2, воздействующего поочередно с опорным напряжением на емкостной делитель 7, 8 напряжения до значения. где К4 - коэффициент передачи аттенюатора 4. Соответственно этому изменяется амплитуда импульсов Us на выходе фильтра 16 нижних частот до значения Процесс автоматического изменения коэффициента передачи управляемого аттенюатора 4 заканчивается при обнулении заряжающего напряжения на входе интегратора 22. Поскольку при этом исчезает и переменная составляющая напряжения U9, то устанавливается равенство амплитуд импульсов U8'=U7, откуда следует, что установившееся значение коэффициента передачи управляемого аттенюатора 4 В множительном блоке 15 в один полупериод коммутации перемножается опорное напряжение U1 частоты w 1 с этим же напряжением, ослабленным реостатным датчиком 12 до значения U’1=K5Um1(1 + +g1)sin(w t+ j1), где К5 - коэффициент передачи реостатного датчика. В другой полупериод коммутации перемножается измерительное напряжение U’2 само с собой. В результате этого на выходе фильтра 17 нижних частот поочередно выделяются импульсы напряжений с амплитудами где К6 и К7 - масштабный коэффициент множительного блока 15 и коэффициент передачи фильтра 17 нижних частот соответственно. Усилителем 19 переменного напряжения усиливается переменная составляющая выходного напряжения фильтра 17 нижних частот Усиленное переменное напряжение U12 выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 21 и заряжает интегратор 23. Выходное напряжение интегратора 23 регистрируется автоматическим потенциометром 13. Контакт измерительного реохорда автоматического потенциометра 13 кинематически соединенный с контактом реостатного датчика 12, перемещает его подвижный контакт, изменяя опорное напряжение U1'. Процесс регулирования коэффициента передачи автоматического потенциометра длится до исчезновения выпрямленного напряжения, а следовательно, и переменного напряжения U12. При установившемся показании автоматического потенциометра 13 /U12=0/ имеет место равенство импульсов напряжений U10=U11 откуда следует, что коэффициент передачи автоматического потенциометра принимает значение Подставляя в это выражение значение квадрата коэффициента передачи аттенюатора К42, получаем K5=1- de (w 2). Блок 3 перестройки частоты, кинематически соединенный с лентопротяжным механизмом автоматического потенциометра 13, плавно изменяет частоту генератора 2, создающего измерительное напряжение. Частоту измерительного напряжения изменяют в частотном диапазоне w 2min- w 2mах, при этом частоту опорного напряжения выбирают в 10-20 раз меньше минимальной частоты измерительного напряжения w 2min £(10-20) w 1. При минимальном значении частоты измерительного напряжения автоматической потенциометр 13 устанавливают в крайнем (верхнем) положении, что соответствует коэффициенту передачи К5=1. В процессе увеличения частоты измерительного напряжения возрастает дисперсия диэлектрической проницаемости исследуемого материала и движок автоматического потенциометра 13 перемещается в другое крайнее (нижнее) положение вместе с контактом измерительного реохорда. При этом перемещение а контакта измерительного реохорда пропорционально относительному частотному изменению диэлектрической проницаемости где К - коэффициент пропорциональности. Таким образом, с помощью стандартного прибора с автоматическим потенциометром автоматически регистрируется частотная характеристика диэлектрических свойств исследуемого материала независимо от его диэлектрических потерь. При этом результаты измерения de (w 2) не зависят от непостоянства уровня как опорного g1, так и измерительного g2 напряжения, которое неизбежно изменяется при перестройке частоты высокочастотного генератора. Не влияет на результат регистрации частотной характеристики непостоянство коэффициентов преобразования и других блоков (8,14, 15, 16 и 17) измерительной схемы (Κ1, К2, К3 и К4). Не сказывается на работе устройства и нестабильность параметров усилителей 18, 19 фазочувствительных выпрямителей 20, 21 и аттенюаторов 22, 23 благодаря работе преобразовательных каналов в нулевых режимах. Благодаря синхронной работе автоматических переключателей 5 и 6 реостатный датчик 12 работает только на низкой фиксированной частоте (1 кГц) опорного напряжения при изменении частоты измерительного напряжения в широком диапазоне, что исключает влияние частотных погрешностей автоматического потенциометра на регистрируемую характеристику диэлектрических свойств материала, в качестве автоматического потенциометра может быть использован КСП-4 постоянного тока. В качестве реостатного датчика может быть использован переменный резистор с уравновешивающим двигателем моста переменного тока типа КСМ-4. Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет за счет исключения частотных погрешностей блоков измерительной схемы существенно (не менее, чем в 5-10 раз) повысить точность регистрации частотных характеристик диэлектрических материалов в широком диапазоне частот (до 30-50 МГц), уменьшить погрешность измерения частотной дисперсии до 0.5%.