Сверхширокополосный прибор для измерения комплексной диэлектрической проницаемости сред на основе экранированной копланарной линии

• Автор: Филоненко, Виталий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 137 с. : ил.

1. Обзор Литературы
2. Исследование экранированной нагруженной диэлектриком копланарной линии. Измерительная ячейка на основе отрезка копланарной линии
2.1. Теория экранированной копланарной линии, нагруженной средой
2.2. Определение основных параметров экранированной нагруженной средой копланарной линии. Теоретические калибровочные
кривые измерительных ячеек
2.3. Выбор метода измерения эффективной постоянной
распространения копланарной линии, нагруженной диэлектриком
2.4. Методики расчета диэлектрической проницаемости исследуемого материала, нагружающего копланарную линию
2.5. Экспериментальные исследования макета измерительной ячейки
3. Измерения комплексных диэлектрических проницаемостей
эталонных сред
3.1. Описание экспериментальных установок с использованием коаксиальной измерительной ячейки
3.2. Эксперимент с парафином
3.3. Эксперимент со спиртовыми растворами
3.4. Эксперимент с песком различной весовой влажности
3.5. Эксперимент с черноземом
4. Измерения эффективной диэлектрической проницаемости
эталонных сред
4.1. Описание экспериментальных установок с использованием измерительной ячейки на основе копланарной линии
4.2. Исходные данные, полученные в эксперименте с водными
спиртовыми растворами
4.3. Исходные данные, полученные в эксперименте с песком различной весовой влажности
5. Калибровка измерителя комплексной диэлектрической проницаемости
5.1. Описание методов обработки результатов экспериментов
5.2. Калибровочные кривые
5.3. Полевой прибор для измерений диэлектрической проницаемости
сред без нарушения их структуры
Заключение
Список литературы
Актуальность темы. В данной работе исследована возможность создания прибора и соответствующего метода для измерения комплексной диэлектрической проницаемости твердых, жидких, сыпучих сред в УКВ и СВЧ диапазонах без нарушения их структуры. Данная задача является актуальной во многих областях, в том числе в геофизике и радиофизике. Существует большое разнообразие методов и приборов для подобных измерений. Однако для исследования электрических свойств сред без нарушения их структуры известно крайне небольшое число методов и приборов. Это резонансные, волноводные и квазистатические методы.
В миллиметровом диапазоне длин волн используют квазистатические методы. Они методы позволяют измерять электрические параметры сред без нарушения их структуры, однако в интересующем нас частотном диапазоне установки чрезвычайно громоздки и проведение исследований в ряде случаев вызывает значительные затруднения.
Приборы, в основе которых использован резонансный метод, отличаются следующими недостатками
• узкий диапазон измеряемых потерь, как правило, малых,
• ограниченный диапазон частот,
Другим возможным вариантом устройства для определения диэлектрической проницаемости, основой которого является измерительная ячейка выполненная на основе микрополосковой линии (МПЛ). Анализ известных конструкций измерительных ячеек показывает, что измерения параметров сред со средними и большими потерями возможен при использовании нерезонансных отрезков линий передачи. Для неразрушающего контроля подходят только плоские конструкции, например, в виде несимметричной МПЛ, щелевой и копланарной линий. Первая имеет самую слабую связь из перечисленных типов линий с исследуемым диэлектриком, что ограничивает снизу диапазон измеряемых диэлектрических проницаемостей. Для получения близких к стандартным значений волнового сопротивления зазор в щелевой линии должен мыть менее 0.1 мм, что не дает возможности измерять параметры материалов с характерными размерами частиц более 0.01 - 0.02 мм. Было предложено использовать копланарную линию (КЛ), которая имеет два свободных геометрических параметра: ширину активного проводника и ширину щелей (зазоров) между ним и боковыми заземленными электродами. Оказалось возможным выбрать максимально возможную ширину

щелей и подобрать такую ширину активного проводника, при которых волновое сопротивление линии не сильно отличается от стандартных значений. Необходимое волновое сопротивление нагруженной копланарной линии может быть достигнуто даже при ширине щелей Д ~ 5-7 мм. Это делает такую конструкцию измерительной ячейки, с одной стороны, слабо критичной к величине зазора между материалом и проводниками копланарной линии, с другой стороны, позволяет измерять проницаемость гранулированных сред характерные размеры которых в несколько раз меньше ширины щелей.
Целью диссертационной работы создание прибора и разработка метода для неразрушающего экспресс контроля диэлектрической проницаемости материалов и сред при отсутствии жестких требований к величине зазора между измерительной ячейкой и поверхностью исследуемого вещества. При этом преодолеваются недостатки известных схем для измерений комплексной диэлектрической проницаемости по величине потерь (^<1), что дает возможность измерять электрические параметры сыпучих и неоднородных сред со средними и большими потерями с заметными средними размерами их структурных элементов, например песок, гравий, бетон и т.п.
Главными задачами реализации прибора для измерения комплексной диэлектрической проницаемости сред являлись:
• выбор и обоснование типа линии измерительной ячейки, слабо критичной к зазорам между исследуемым материалом и рабочей поверхностью линии;
• определение калибровочных зависимостей, то есть связи между измеряемой эффективной комплексной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью нагружающего измерительную ячейку исследуемого вещества. Для этого было необходимо провести расчет электрических параметров нагруженной исследуемым диэлектриком отрезка копланарной линии;
• обоснование и разработка метода измерения эффективной постоянной распространения нагруженной копланарной линии;
• расчет эффективной диэлектрической проницаемости копланарной линии по измеренным частотным зависимостям напряжения в фиксированных точках линии;

2.3. Выбор метода измерения эффективной постоянной распространения копланарной линии, нагруженной диэлектриком

3500 3000 2500 2000 1500 1000
1 2 3 < 5 5 7 8 9 13 11 13 13 1« 15 13 17 13 19 20 21 22 23 24 23 20 27 23 29
^зфф
Рис. 2.19. Зависимости 1пт{£) в диапазоне частот от 500 до 4000 МГц для координат датчиков: х,=0.13м, х2=0.157м и х3=0.2215м для разомкнутой линии в метрах.
Возможно еще большее укорочение длины КЛ, если использовать емкостную нагрузку. Однако нагрузка эта частотно зависима, что приводит к определенным осложнениям при обработке результатов измерений.