автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Автоматизированная установка и методики для измерения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей материалов, поглощающих СВЧ излучение, волноводным методом в сантиметровом диапазоне волн

' V / С! • " 2; 1 1 ^ '

ГОСУДАРСТВШШД КОМИТЕТ ГСССР ПО ДЕЛЛЫ НАУКИ И ВЫСШЕП ЕКОЛН ¡КАКОВСКИЙ !2!СШУГ СРЖОРОСТРОШтЯ (МШ)

На правах рукописи

Гренкоз Вячеслав Деоилдодач ' 621.317,7

Ш0Ш1Т1!3!Р<ШШАЯ УСТАНОВКА 15 МЕТОДИКИ ДЛЯ4ШЕРЕШ

кожекшщ .диэжктигчЕскоа и млгшшой пронлцАЕ.чостая

МАТЕРИАЛОВ, ПОГЛСЩЛЩИХ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕ, ВОЛНСВОДЦШ МЕТОДОМ Б СЯтШЕГГОВОи ДИАПАЗОНЕ ВОЙ)

05.11.13. Прибери н методы контроля лрнроднсй среди, веществ, материалов и мздеотП.

АВТСРЕ5ЕРАТ

диссертации аа ееисхщше ученой степени кандидата технических наук

Москва - 199С

Работа выполнена с Московском кпзадхтуте приборогтроена и.

Научный руководитель - доктор технических и&ук, .

профессор Холил Н.Н.

Официальные оппоненты: -доктор фяв.-мат наук.прсфэссор

Князев ВД., - кандидат технических паук. Крюков В.А.

Ведущая организация; - Воосоюзный Научцо-Есслодовйтельскя!!

институт еглиропшх татернаяов

Заесть состоится " 4 " О•гсасРр^ ?9Э¿7 г. в -/с'- час.

на оаседшкл специализированного Совета. К 063.93.03 а Московском институте приборостроения по адргсу:

г. Москва, ул. Стромшка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться и СиЗлиотеяе Поскосгкого института приборостроения

Автореферат разослав "^Л. г

Учеш!' сокрс.'ар^ спе"на»лаиро1»аш«огй С о I- ста, кш ш,;

I, и Актуальность темы. Поглощающие материалы находят самое раэ-3. ¡Мсбразное применение в СВЧ технике, в частности, - при иэго-1-ттч5в'>1енин СВЧ приборов. В связи с этим особую актуальность при-вопросы совершенствовалия аппаратуры и методик измерения электромагнитных характеристик таких материалов, комплексных диэлектрической и магнитной пронинаемостей.

Волноводные методы измерения, с применением измерительных линий, зарекомендовали себя на практике как надежные, сравнительно простыв и достаточно точные - для материалов с высокими потерями. Однако процесс измерений этим! методами чрезвычайно трудоемок и малопроизводителен, а ранее имевшие место попытки частично автоматизировать измерения характеристик волну (коэффициента стоячей волны и сдвига фазы) в силу несовершенства использованных технических средств не дали желаемого результата и не получили широкого распространения.

Использование современной технической базы позволяет дости-104^50 аффективно решить вопросы автоматизации, а также разработать более совершенные методики измерений для волнового меюда.

Цель работы - разработка автоматизированной установки для измерения комплексных диэлектрической и магнитной пронипае-мостей магнитодиэлектрь-теских материалов с высокими потерями в сантиметровом диапазоне волн волноводньм методом и новых, более совершенных методик. Поставленная задача в целом была сформулирована после выбора полноводного метода на основе анализа основных известных методов и последующего выявления недостатков ряда методик измерения в волнсводноы методе.

Для ее решения потребовалось:

- сформулировать основное технические требования к разрабатываемой установке, выбрать ее блок-схему;

- разработать электронные схемы нестандартных узлов электронной части установки;

- провести анализ и оценку аппаратурных погрешностей;

- изготовить, собрать и отладить функциональные узлы и установку в целом;

- разработать основной рабочий алгоритм управления и сбора первичных данных;

- провести анализ и сделать оценку погрешностей измерительной линии;

- разработать алгоритмы и программы автоматизированных измерений характеристики детектора, длины волны и коэффициента стоячей волны, реализующие новые, усовершенствованные методики измерений;

- подтвердить экспериментально преимущества новых методик;

- вывести теоретические соотношения и получить алгоритм

и программу расчета комплексных лронииаемостей материалов по результатам измерений для двух произвольных положений образна;

- разработать обобщенную методику измерений комплексных про-нииаемостей материалов, полный алгоритм и программы измерений;

- провести экспериментальные исследования, подтвердить пре- . имущества способа произвольных положений перед способом короткого замыкания - холостого хода, оценить погрешности измерений.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы теории длинных линий и волноводов, методы анализа и расчета электронных цепей, методы программирования,' методы теории электроизиерений и математические методы анализа погрешностей и обработки результатов экспериментов.

Получены новые научные результаты;

1. Разработана инженерная методика автоматизированных измерений характеристики детектора измерительной линли с представлением результата в виде распечаток графика характеристики и погрешностей ее измерения.

2. Разработана инженерная методика автоматизированных измерений длины волны в волноводе, в которой усовершенствован метод вилки, и экспериментально подтверждено повышение точности результатов .

3. Разработана инженерная методика автоматизированных измерений коэффициента стоячей волны в измерительной линии с исполь-эрванием регрессивного анализа и экспериментально подтверждено повьшеше точности результатов.

4. Выведены теоретические соотношения для расчета значении комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей при

. произвольных положениях образцов в волноводном методе.

5. Разработана полная методика автоматизированных измерений комплексных проницаемостей для произвольных положений.

6. Экспериментально подтверждено повшение точности измерений комплексных проницаемостей волновьм методом при использовании способа произвольных положений по сравнению со способом короткого замыкания - холостого хода.

Практическая ценность работы.

Разработанные автоматизированная установка с входящей в ее состав микро-ЭВМ, совокупность алгоритмов и программ и методики автоматизированных измерений обеспечивает определение комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей магнитодиэлек-трических материалов с высокими и средними потерями е сантиметровом диапазоне волн в едином измерительном цикле с высокой производительностью при удовлетворительной точности. Методика изме-■ рений характеристики детектора позволяет бьстро и наглдцко оценивать крутизну и степень ее квадратичноета при смене и подборе диодов СВЧ в качестве детектора измерительной линии. Методики измерений длины волны и коэффициента стоячей волны такие могут быть использованы независимо и обеспечивают белее высокую точность по сравнению с традиционнъми. Ряд алгоритмов и программ удобен для оперативного контроля погрешностей измерительной линии как инструмента и проверки её исправности, благодаря наглядному представлению результатов (в виде распечаток графиков распределения волны напряженности и таблиц погрешностей). Разработанные программный алгоритм и программа перевода позигионных десятичных чисел в код Грея (и обратно) могут боть использованы при необходимости машинной обработки информаши, получаемой от первичных преобразователей в коде Грея.

Реализация результатов работы

На базе разработанного макета опытной установки создан её опытный образец, используемый для лабораторного контроля невьх • материалов в НИИ ВИАМ. Результаты испытаний подтвердили преиыу-

щестиа измерений способом произвольных положений перед способом короткого замыкания - холостого хода для композиционных магкито-циэлектрических материалов со средними и высокими потерями, а также - высокую производительность установки.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ряде семинаров и конференций, основные из которых:

- межреспубликанский семинар "Автоматизация технологии производства изделий электронной техники", - г. Москва, 2-3 октября 1989 г.

- Всесоюзная конференция "Современные проблемы физики к её приложений", - г. Москва, 15-17 апреля, 1990 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ и получено авторское свидетельство.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 4 приложений и содержит 207 листов иапинописного текста (146 листов основного текста), 25 таблиц, 33 рисунков, 9 текстов программ. Список литературы шигочает 102 наименования.

На защиту выносятся:

1. Высокопроизводительная измерительная установка в совокупности с новыми алгоритмами и методиками измерений, обработки и представления информации.

2. Методика определения комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей магнитодиэлектрических материалов со средними и высокими потерями в сантимеройом диапазоне волн способом произвольных положений образца (в волноводном методе).

3. Методика измерений длины волны в волноводе.

4. Методика измерений коэффициента стоячей волны в волноводе.

5. Методика измерений характеристики детектора волноводной измерительной линии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении показана актуальность выбранной темы диссертшгии, :делан краткий обзор основных методов измерений электрофизических параметров материалов в сантиметровом диапазоне волн и аппаратуры с точки ярения автоматизации измерений. Сформулирована пель работы и основные задачи исследований."

Первая глава. .

Выработаны основные .технические требования к разработке уста-ювки, определены структура её блок-схемы и принцип работы. Опи-:ани электрические принципиальные Схемы и работа разработанных !встандартных электронных модулей. Рассмотрены основное аппаратурные погреимости, сделан анализ и оценка динамической погреа-2ости аиалого-1тифрового преобразователя (АЦП), входящего в состав гстановюи

Разработан прогриетп.'Я алгоритм и программа автоматического 1еревода показдатчика положения зонда измерительной лтми !3 кода Грея в позиционный десятичный.

Разработаны основной рабочий алгоритм и программа управлгшчя [ сбора первичных данных, а таюта дополнительней рабочий алгоритм I программа построения графина распределения волга напряженности ¡доль измерительной линии.

Выполнен подробны!* анализ собственных погрешностей измери-■ельной линии и еа погрешностей, обусловленных нестабильностыэ лшлитуды и частоты задеицего СВЧ генератора.

По результатам измерений в полуавтоматическом режима с помоги созданной установки и программ сделаны оценочные расчеты пог-юяноетей измерительной линии в вибранном диапазоне измерения коэф-ишентов стоячей волны и сдвигов фазы при длине оолмы в волково-10 Лв~ 44,54 мм.

Вторая глава.

Разработала новая методика измерения характеристики детектора, аключат)!цая;л в снятии по программе зависимости показаний АЦП, оответствутщих сигналу с СВЧ детектора, от мощности на входе лили, изменяемой с ломощья прецизионного пол.чризаниснного аттедаа-

тора А * f l Р ). В случае квадратичного детектора эта зависимость должна быть линейноЛ. Аппроксимируя измеренную зависимость прямой линией и рассматривая отклонения от прямой как погрешности характеристики детектора, можно заранее определить её рабочий диапазон, в пределах которого квадратичность не наруиа-ется.

В алгоритме и программе снятия характеристики детектора предусмотрено построение её графика на принтере, а также расчет случайных и систематических погрешностей с применением статических методов. Результаты измерений - приведены.

Разработана методика измерения длины волны в измерительной линии, представляющая собой усовершенствованный вариант метода вилки, и к тому же в программной исполнении. Усовершенствование заключается в том, что точное положение узла (пучности) стоячей волны определяется не по двум симметричны* точкам по обеим сторонам от узла (пучности), а по целому ряду (более 30) точек вблизи от него, снятых в программном режиме. Фаза и длина волны в этом случае определяются с большей точностью за счет снижения влияния случайных погрешностей на результат, что подтверждено экспериментально .

Разработана новая методика определения коэффициента стоячей волны (КСВ), обеспечивающая измерение в автоматическом режиме и базирующаяся на регрессии вкспериментальных данных распределения напряженности вдоль измерительной линии к известной теоретической зависимости, которая приводится к виду:

£ - iMb'Çi*-**)?* ,

где Al и Amin - показания АЩ соответственно в I 2 координате Xi и в узле стоячей волны Xmîn • К -коэффициент стоячей волны.

В программной реализации методики дополнительно рассчитываете/ оценочная погрешность измерения КСВ. Экспериментальная проверка показала повьшение точности измерений по новой методике.

Третья глава.

На основе классических результатов теоретического анализа прохождения влектромагкитных волн через среды с потерями при обра/, аовании стоячих волн в волноводе, выведена формула, удобная для

расчета комплексных диэлектрической Е* и магнитной JU* проница-вмостей материалов при двух произвольных положениях образца (см. рис. I и рис. 2):

\де yî , у Л - постояжые распространения соответственно для :реды I (воздуха) и среды 2 (образца материала),

А - толщина образца,'

à - расстояние между обрезном и ближайшим узлом в сторону короткое амьжателя.

Но

- расстояние между образком и ближайшим узлом в сторону источника (генератора).

После математичеекихпреобразований из полученной формулы шражены в явном виде величины /I* и , разработаны алгоритм I программа их расчета по измеряемы* значениям КСВ и сдвигам фаз £ для двух положений, причем S рьссматриваотслСсы. рио. 2) как

S' f-fa+t+A)

Разработаны алгоритмы и программы проведения полного экспери-ента по определение JU* и .

Разработана полная обобщенная методика измерения комплексных ронит'аемостей твердых материалов со средними, и высокими потерями а образцах в виде гонких пластин, включающая весь рабочий процесс: одготовку, калибровку и собственно измерение способом двух проиэ-олных положений с последухицим расчетом результатов по единой рограыме.

Четвертая глава.

В соответствии с разработанной обобщенной методикой проведены »иерени'я с соответствующими эталонными образцами, значения JU* и ^которых были известны заранее с достаточно высокой точность»), с глыо калибровки измерений сдвигов фазы и КСВ отдельно по способу зоизвольных положений и короткого замыкания - холостого хода к.з.-х.х).

Рис. I. Среды прохождения оолш

Рис. Z. Изменения стоячей волны при вводе образца в волновод.

Поело программного расчета поправок строились.поправочнпе урииьчз, а затеи пополнялись коитрольнге иэнсришя учо а другими эталснтгя обраспм.и, ойлпдашцтмз преимуцгствеино вюокики пото-руг*и, по рабочей прогр*«!е тагсга способами произвол»них положений ■.! к. з. -х. х.

Результатм иольтяниЯ показали, что разброс оначгпнй и (¿здеи-налышв погрешности для действительна и мешгж состаил.тц?« /Л9 и оказались существенно шпю для способа произвольных пол опекая, пен к.з.-х.х. (в сродном с 1,5»-2 раза).

ОСНОВНЫЕ РЕЗЭТШГЛШ II шведо

1. Разработала я изготовлена ногая автоматизированная установка для исследования материалов а сантиметровом диапазоне волн, раарайотаи ксиллекс алгоритмов и управляй?« программ

2. Рплработаяи нешэ методики автшат:иирзватп.к изнзрешй:

- характеристики детектора;

- длины волки с волноводе;

- ксо^фшиента стогмеЯ воли« в волноводе.

3. Получмш ?ш«штачеокие выражения для рисчзта кагнитной и диолсптричсскоЯ прсшпоглосуой Еазсрмла образна по результатам есгмсстнкх кзкгрешЯ еолнорздо.м метод см для двуг произвольна пологтегаЯ.

4. РзлраЗотаиз новая обойденная ггетсдака аетскаглзиров&гаии кзксрекШ комплчкекпе р.рсгатас.'.ге-геЗ ебр.аэпоз твердях катердалоз со срйдиишн итоана потерями в сантиметровом диапазоне солн

зпоссбсм прелзвольнкг ГЮЛО^СНКП.

5. СшткгЗ образеп установка используется да* s~ifcpr.Tr п.:; ,;сп1ггп.'пП нотеггедколектрячг^ги- -зердке ьслг../:- -чокмях каториадса з згаоюза потсрг.-Я в 1Ш БШ!.

. Проседснлгс вспиглкд показ ал I петтапю тотосстз резуль-~сэ коисрскиЯ кочллекапх; проктагмоетей у хаз акт к материалов 1<4. > :":}-:ерот,-.-л способов прелзюльдах полопскдА п 1,5:5 раза. Время ия.че-

с ут.сточ ел*'-" д^'....;: 'л '.голепте« «гте.-!яП '¡ггтоггдал величин /Г* *1 по -'Р';'-Не!:Л'0 С рУУ.'-Ц'Л СПСС06С ! СОТО'Г^С'ГСЯ 3 Д6СГГКЛ

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Булгаков В.II., Грекк ob В. Ji., Ep¡ja.kos В.В. ficeuiieiiiis точности намерений автоматизированной установки для исследования радиофизических характеристик материалов lîaroyo. сб. научных трудов "Катвматические методы с иетрологшГ, иод ред. Н.Г.Нгсьр! Da. - ti.: МИЛ, IS89, с. I30-I3S.

2. Булгаков В.И., Гренков Б.Л. "Автоматизированные нзиерыс:! длины вохки а волноводе". Межвуэ. сб. научных трудов "í;^tc.vt.:í!-чгские методы в петрология", под ред. Н.Г.Назарова. - L!.: ШЛ, 1920, 14 с.

3. Гренков В.Л. Автом&тааммя кэморсккЯ в оксперцаентальню исследовЕткх. Программирование 'физических ycpoticïo а стандарте KAüUÍ. Иежвуэ. сб. н&учкгж трудов "Точнуз приборы и иаиерлтелып.; екстеиы", под ред. В. А. Вод к ера. - Б.: ¡Л 21, ШХ), О с.

4. Гренков В.Л. Измергше р&згределскш шлрягешоста a ecu-поводе под управлением ШЙ. - П.: MÍE1, ISîO. Деп.- и Ш1ЖШ 03.09.00, ¡Р> 4BS2-B ÎO. 26 с.

5. Баудлн H.h.,Гренков !}.£.,Педигж Н.В."Коськчесх2о coaso-дованид", т .XXII, шп.6,1954, с.875-^03.

6. Андреев Е.П.(Ееулаи Н.Н.,Шри:сг А.Н.,Граикоз Б.Л. к др. "Цраборн и техника акзлэр2ыонтаи,^3,19В5,о.155-157.

7. Булгаков В.М.,Гренков В.Л. Тввасн доилшдо Dosсоюзкой конференции "Совраменнне проблема фцвикз и ее прпло^эшС ,1'oquí.íí, 15-17 адраля,1Э90,сД4,

ЛИИ« ? «ИЧЕП П,Д, 0ËSPgs tQO .

Ро1впрзш5 ' ШП