RU2528130C1 - Device for measurement of property of dielectric material - Google Patents
Device for measurement of property of dielectric material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2528130C1 RU2528130C1 RU2013114136/28A RU2013114136A RU2528130C1 RU 2528130 C1 RU2528130 C1 RU 2528130C1 RU 2013114136/28 A RU2013114136/28 A RU 2013114136/28A RU 2013114136 A RU2013114136 A RU 2013114136A RU 2528130 C1 RU2528130 C1 RU 2528130C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- arm
- waveguide
- tee
- waveguide tee
- attenuator
- Prior art date
Links
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title abstract description 9
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 25
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 238000012369 In process control Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000010965 in-process control Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.
Известно устройство, реализующее радиометрический контроль состава и свойств диэлектрических материалов по уровню их радиотеплового электромагнитного излучения (Куценко В.П. и др. «Радиометрический контроль состава и свойств диэлектрических материалов», Международная Крымская микроволновая конференция (КрыМиКо' 2006) «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», материалы конф., Т.2, секция 7/1: Измерение параметров материалов. - Ст.7.11. - С.762-764). В устройстве, содержащем приемную антенну, ее электрический эквивалент, аттенюатор, СВЧ переключатель, избирательный приемник, генератор, АЦП, микроэвм, цифровой индикатор и регистрирующий прибор, измерением мощности (энергетического спектра) на основе алгоритма обработки информации определяют искомый параметр.A device is known that implements radiometric control of the composition and properties of dielectric materials by the level of their radio thermal electromagnetic radiation (V. Kutsenko et al. “Radiometric control of the composition and properties of dielectric materials”, International Crimean Microwave Conference (KryMiKo '2006) “Microwave Technology and telecommunication technologies ”, materials conf., T.2, section 7/1: Measurement of material parameters. - Art. 7.11. - S.762-764). In the device containing the receiving antenna, its electrical equivalent, attenuator, microwave switch, selective receiver, generator, ADC, microcomputer, digital indicator and recording device, by measuring the power (energy spectrum) based on the information processing algorithm, determine the desired parameter.
Недостатком этого известного устройства является сложность процедуры приема мощности слабых радиоизлучений и создания алгоритма обработки информативного сигнала.The disadvantage of this known device is the complexity of the procedure for receiving power of weak radio emissions and creating an algorithm for processing an informative signal.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип амплитудно-фазовый измеритель свойства материала, работающий по схеме «на прохождение» (С.В. Мищенко, Н.А. Малков. Проектирование радиоволновых (СВЧ) приборов неразрушающего контроля. Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2003, с.12-13). Работа этого известного радиоволного прибора контроля состоит в том, что энергия СВЧ от клистронного генератора подается через вентиль в волновод и аттенюатор к излучающему рупору. Энергия проходит через образец, принимается приемной антенной и через измерительный аттенюатор поступает на детектор, после чего сигнал усиливается и подается на индикаторный прибор. Такая схема позволяет проводить контроль свойств материалов по величине затухания (ослабление мощности) энергии СВЧ в образце, отсчитываемого по шкале аттенюатора, с помощью которого величина сигнала индикаторного прибора поддерживается на постоянном уровне.The closest technical solution to the proposed one is the amplitude-phase meter of material properties adopted by the author for the prototype that works according to the “pass-through” scheme (S. V. Mishchenko, N. A. Malkov. Designing radio wave (microwave) non-destructive testing devices. Textbook Tambov: TSTU Publishing House, 2003, pp. 12-13). The operation of this well-known radio wave monitoring device is that microwave energy from a klystron generator is supplied through a valve to a waveguide and attenuator to a radiating horn. The energy passes through the sample, is received by the receiving antenna and through the measuring attenuator enters the detector, after which the signal is amplified and fed to the indicator device. Such a scheme makes it possible to control the properties of materials by the attenuation (power attenuation) of microwave energy in the sample, measured on the attenuator scale, with which the signal value of the indicator device is maintained at a constant level.
Недостатком этого бесконтактного измерителя свойства материала следует считать невысокую точность измерения из-за нестабильности работы клистронного генератора по мощности.The disadvantage of this non-contact meter of material properties is the low measurement accuracy due to the instability of the klystron generator in power.
Техническим результатом заявляемого решения является повышение точности измерения.The technical result of the proposed solution is to increase the accuracy of measurement.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения свойства диэлектрического материала, содержащее генератор электромагнитных колебаний, первый развязывающий элемент, соединенный выходом со входом фазовращателя, передающую и приемную антенны, детектор, подключенный выходом к блоку обработки информации и аттенюатор, введены первый и второй волноводные тройники и второй развязывающий элемент, причем выход генератор электромагнитных колебаний соединен с первым плечом первого волноводного тройника, второе плечо которого подключено ко входу первого развязывающего элемента, выход фазовращателя через аттенюатор соединен с первым плечом второго волноводного тройника, второе плечо которого подключено к приемной антенне, третье плечо второго волноводного тройника соединено со входом детектора, третье плечо первого волноводного тройника через второй развязывающий элемент соединен с передающей рупорной антенной.The technical result is achieved by the fact that the first and second waveguide are introduced into the device for measuring the properties of the dielectric material containing the electromagnetic oscillation generator, the first decoupling element connected by the output to the input of the phase shifter, the transmitting and receiving antennas, the detector connected by the output to the information processing unit and the attenuator tees and a second decoupling element, the output of the electromagnetic oscillation generator being connected to the first arm of the first waveguide tee, the second arm It is connected to the input of the first decoupling element, the phase shifter output through the attenuator is connected to the first arm of the second waveguide tee, the second arm of which is connected to the receiving antenna, the third arm of the second waveguide tee is connected to the detector input, the third arm of the first waveguide tee is connected to the transmitting element horn antenna.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что изменение разности фаз двух сигналов, обусловленное изменением свойства материала, дает возможность измерять свойство контролируемого объекта.The essence of the claimed invention, characterized by a combination of the above features, is that the change in the phase difference of the two signals, due to a change in the property of the material, makes it possible to measure the property of the controlled object.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить поставленную задачу измерения свойства материала на основе использования фазового сдвига между двумя электромагнитными сигналами с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.The presence in the inventive device of a combination of the listed existing features allows us to solve the problem of measuring the properties of the material based on the use of phase shift between two electromagnetic signals with the desired technical result, i.e. improving measurement accuracy.
На чертеже схематично представлено предложенное устройство.The drawing schematically shows the proposed device.
Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний 1, соединенный выходом с первым плечом первого волноводного тройника 2, первый развязывающий элемент 3, фазовращатель 4, подключенный выходом через аттенюатор 5 к первому плечу второго волноводного тройника 6, детектор 7, соединенный выходом со входом блока обработки информации 8, приемную антенну 9, второй развязывающий элемент 10, подключенный выходом к передающей антенне 11. На чертеже цифрой 12 обозначен объект контроля.The device comprises an electromagnetic oscillation generator 1, connected by an output to the first arm of the first waveguide tee 2, a first decoupling element 3, a phase shifter 4, connected by an output through an attenuator 5 to the first arm of the second waveguide tee 6, a detector 7, connected by an output to the input of the information processing unit 8, the receiving antenna 9, the second decoupling element 10, connected by the output to the transmitting antenna 11. In the drawing, the number 12 indicates the object of control.
Устройство работает следующим образом. С выхода генератора электромагнитных колебаний 1 сигнал поступает в первое плечо первого волноводного тройника 2, после чего сигнал поровну разделяется между вторым и третьим плечами этого тройника. Далее сигналы со второго и третьего плеч поступают на входы первого и второго развязывающих элементов (вентили) 3 и 10 соответственно. Здесь вентили используются для прохождения электромагнитной волны в одну сторону (от первого тройника к передающее антенне и фазовращателю). Сигнал с выхода первого развязывающего элемента подводится на вход фазовращателя 4 и далее поступает на вход аттенюатора 5. После этого выходной сигнал последнего поступает на первое плечо второго волноводного тройника 6. Одновременно с этим выходной сигнал второго развязывающего элемента поступает в передающую антенну 11. Излучающим сигналом передающей антенны зондируют контролируемый материал 12. В данном случае воздействие электромагнитного сигнала на объект приводит к тому, что часть сигнала отражается от раздела двух сред воздух - поверхность материала, а часть - проходит через материал. Прошедший через материал сигнал улавливается приемной рупорной антенной 9 и далее он поступает на второе плечо второго волноводного тройника 6.The device operates as follows. From the output of the electromagnetic oscillation generator 1, the signal enters the first arm of the first waveguide tee 2, after which the signal is equally divided between the second and third shoulders of this tee. Next, the signals from the second and third shoulders are fed to the inputs of the first and second decoupling elements (gates) 3 and 10, respectively. Here, the valves are used to pass the electromagnetic wave in one direction (from the first tee to the transmitting antenna and phase shifter). The signal from the output of the first decoupling element is fed to the input of the phase shifter 4 and then fed to the input of the attenuator 5. After that, the output signal of the last is fed to the first arm of the second waveguide tee 6. At the same time, the output signal of the second decoupling element is transmitted to the transmitting antenna 11. The radiating signal of the transmitting antennas probe the controlled material 12. In this case, the effect of an electromagnetic signal on the object leads to the fact that part of the signal is reflected from the separation of the two media air - the surface of the material, and part passes through the material. The signal passing through the material is captured by the receiving horn antenna 9 and then it enters the second arm of the second waveguide tee 6.
Суть принципа действия предлагаемого устройства состоит в использовании преломления электромагнитной волны в диэлектрических материалах (немагнитные среды). Как известно, при преломлении волны в диэлектрической среде волна, прошедшая через нее, может иметь фазовый сдвиг (закон Снеллиуса) по отношению падающей на поверхность среды волны (угол преломления волны зависит от угла падения падающей волны и диэлектрической проницаемости среды при нулевом значении диэлектрической проницаемости воздуха). В силу этого если сравнить прошедшую через контролируемый материал волну с падающей на поверхность материал волной (здесь допускается сходство падающего на поверхность материала и поступающего на первое плечо второго волноводного тройника сигналов из-за генерации их одним генератором), то между ними должна быть разность фаз. В предлагаемом устройстве для сравнения указанных выше волн используется второй волноводный тройник. Согласно принципу действия волноводного тройника (см. И.В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ. М., «Высш. Школа», 1970, с.165) при совпадении фаз сигналов на первом и втором плечах тройника 6 на третьем его плече должен быть нулевой сигнал. В рассматриваемом случае, так как излучаемый сигнал передающей антенной 11 проходит (часть сигнала) через контролируемый диэлектрический материал, то принимаемый сигнал приемной антенной 9 и далее передаваемый во второе плечо второго волноводного тройника должен быть сдвинут по фазе по отношению сигнала, поступающего в первое плечо второго волноводного тройника. Следовательно, с третьего плеча второго волноводного тройника можно снимать сигнал, соответствующий разности фаз двух подаваемых на первое и второе плечи второго тройника электромагнитных сигналов. В данном случае для отображения информации о свойстве материала сигнал сначала с третьего плеча второго волноводного тройника подается на вход детектора 7, а затем - на вход блока обработки информации 8. Здесь по показаниям последнего можно судить о свойстве контролируемого материала. При этом калибровка нуля блока обработки информации (отсутствие в зоне излучения диэлектрического материала и другие несоответствия сигналов на первом и втором плечах тройника 6) можно произвести с помощью фазовращателя 4. Кроме того, для исключения влияния толщины плоского, например, материала, на результат измерения, необходимым является постоянство толщины материала при его зондировании с различными диэлектрическими проницаемостями и угла падения волны на поверхность материала, а также амплитуд сигналов на первом и втором плечах второго волноводного тройника (в нашем случае для выполнения последнего условия применяется аттенюатор 5). Принимая во внимание то, что разные материалы имеют разные диэлектрические проницаемости, измерением сигнала на выходе детектора посредством блока обработки информации при наличии в зоне излучения между антеннами разных материалов, можно обеспечить определение свойства контролируемого материала.The essence of the principle of action of the proposed device is to use the refraction of an electromagnetic wave in dielectric materials (non-magnetic media). As is known, when a wave is refracted in a dielectric medium, the wave passing through it can have a phase shift (Snell's law) with respect to the wave incident on the surface of the medium (the angle of refraction of the wave depends on the angle of incidence of the incident wave and the dielectric constant of the medium at zero dielectric constant of air) ) Because of this, if we compare the wave transmitted through the controlled material with the wave incident on the material surface (here, the similarity of the signal incident on the surface of the material and arriving at the first arm of the second waveguide tee due to the generation of them by one generator), then there should be a phase difference between them. In the proposed device for comparing the above waves, a second waveguide tee is used. According to the principle of action of the waveguide tee (see I.V. Lebedev. Microwave equipment and instruments. M., "Higher School", 1970, p.165), when the phases of the signals coincide on the first and second shoulders of tee 6 on its third shoulder, be a zero signal. In the case under consideration, since the emitted signal from the transmitting antenna 11 passes (part of the signal) through the controlled dielectric material, the received signal from the receiving antenna 9 and then transmitted to the second arm of the second waveguide tee must be phase shifted with respect to the signal entering the first arm of the second waveguide tee. Consequently, from the third arm of the second waveguide tee, a signal corresponding to the phase difference of the two electromagnetic signals supplied to the first and second arms of the second tee can be taken. In this case, to display information about the property of the material, the signal is first sent from the third arm of the second waveguide tee to the input of the detector 7, and then to the input of the information processing unit 8. Here, according to the testimony of the latter, one can judge the property of the controlled material. In this case, the zero calibration of the information processing unit (the absence of a dielectric material in the radiation zone and other signal mismatches on the first and second arms of the tee 6) can be performed using a phase shifter 4. In addition, to eliminate the influence of the thickness of a flat, for example, material, on the measurement result, necessary is the constancy of the thickness of the material when it is probed with different dielectric constants and the angle of incidence of the wave on the surface of the material, as well as the amplitudes of the signals on the first and second arms of watts cerned waveguide tee (in this case, the attenuator 5 is used to perform the last condition). Considering that different materials have different dielectric constants, by measuring the signal at the output of the detector by the information processing unit when there are different materials in the radiation zone between the antennas, it is possible to determine the property of the material being monitored.
При практической реализации рассматриваемого устройства в качестве источника электромагнитных колебаний может быть использован генератор ГЛПД-1 с частотой и мощностью излучения соответственно 9,6 ГГц и 10 мВт.In the practical implementation of the device in question, a GLPD-1 generator with a frequency and radiation power of 9.6 GHz and 10 mW, respectively, can be used as a source of electromagnetic oscillations.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении, использующем взаимодействие электромагнитных волн с диэлектрическим материалом, на основе фазового сравнения прошедшей через материал волны, с волной, эквивалентной падающей на поверхность материала, можно обеспечить повышение точности измерения свойства материала.Thus, in the proposed technical solution, using the interaction of electromagnetic waves with a dielectric material, based on a phase comparison of the wave that has passed through the material with a wave equivalent to incident on the surface of the material, it is possible to increase the accuracy of measuring the material properties.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013114136/28A RU2528130C1 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Device for measurement of property of dielectric material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013114136/28A RU2528130C1 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Device for measurement of property of dielectric material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2528130C1 true RU2528130C1 (en) | 2014-09-10 |
Family
ID=51540251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013114136/28A RU2528130C1 (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Device for measurement of property of dielectric material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2528130C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU168724U1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-02-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Non-contact control device for electromagnetic parameters of thin films |
| RU169949U1 (en) * | 2016-11-10 | 2017-04-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | A device for the study of semiconductors and dielectrics |
| RU2697473C1 (en) * | 2019-01-10 | 2019-08-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method of measuring electroconductivity of thin metal films |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3913012A (en) * | 1973-02-24 | 1975-10-14 | Frieseke & Hoepfner Gmbh | Microwave moisture measuring system with reflection suppressing means |
| SU813318A1 (en) * | 1979-06-07 | 1981-03-15 | Минский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектно- Конструкторского Института По Ab-Томатизации Предприятий Промышлен-Ности Строительных Материалов | Device for measuring parameters of dielectrics |
| SU1116371A1 (en) * | 1983-05-17 | 1984-09-30 | Киевский технологический институт легкой промышленности | Method of measuring humidity of materials and substances |
| SU1138716A1 (en) * | 1983-02-28 | 1985-02-07 | Pereverten Vitalij | Ultrahigh frequency moisture meter |
| SU1661674A1 (en) * | 1989-03-21 | 1991-07-07 | Организация П/Я А-3560 | Method of determining dielectric constant of materials |
| US7330034B1 (en) * | 2003-12-31 | 2008-02-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture | Moisture measurement system for seed cotton or lint |
-
2013
- 2013-03-29 RU RU2013114136/28A patent/RU2528130C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3913012A (en) * | 1973-02-24 | 1975-10-14 | Frieseke & Hoepfner Gmbh | Microwave moisture measuring system with reflection suppressing means |
| SU813318A1 (en) * | 1979-06-07 | 1981-03-15 | Минский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Проектно- Конструкторского Института По Ab-Томатизации Предприятий Промышлен-Ности Строительных Материалов | Device for measuring parameters of dielectrics |
| SU1138716A1 (en) * | 1983-02-28 | 1985-02-07 | Pereverten Vitalij | Ultrahigh frequency moisture meter |
| SU1116371A1 (en) * | 1983-05-17 | 1984-09-30 | Киевский технологический институт легкой промышленности | Method of measuring humidity of materials and substances |
| SU1661674A1 (en) * | 1989-03-21 | 1991-07-07 | Организация П/Я А-3560 | Method of determining dielectric constant of materials |
| US7330034B1 (en) * | 2003-12-31 | 2008-02-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Agriculture | Moisture measurement system for seed cotton or lint |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU168724U1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-02-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" | Non-contact control device for electromagnetic parameters of thin films |
| RU169949U1 (en) * | 2016-11-10 | 2017-04-07 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") | A device for the study of semiconductors and dielectrics |
| RU2697473C1 (en) * | 2019-01-10 | 2019-08-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Method of measuring electroconductivity of thin metal films |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Weir | Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies | |
| CN106501798A (en) | A kind of self-alignment pair of probe microwave tip clearance test system | |
| Torrisi et al. | Microwave frequency sweep interferometer for plasma density measurements in ECR ion sources: Design and preliminary results | |
| JP2005501224A (en) | Method and apparatus for non-destructive measurement and mapping of sheet material | |
| RU2528130C1 (en) | Device for measurement of property of dielectric material | |
| Zeng et al. | Performance and data analysis aspects of the new DIII-D monostatic profile reflectometer system | |
| Yang et al. | Multi-frequency electric field measurement method for optical under-sampling system | |
| Yao et al. | Rapid microwave phase detection based on a solid state spintronic device | |
| Hasar et al. | A microwave method based on amplitude-only reflection measurements for permittivity determination of low-loss materials | |
| CN109142266A (en) | A kind of Terahertz finely composes survey meter | |
| You et al. | Free-space measurement using explicit, reference-plane and thickness-invariant method for permittivity determination of planar materials | |
| Ghodgaonkar et al. | Microwave nondestructive testing of composite materials using free-space microwave measurement techniques | |
| US9989481B2 (en) | Rapid microwave phase detection with a solid state device | |
| RU2572087C2 (en) | Moisture meter | |
| CN113092876B (en) | Millimeter wave phase change detection method and system based on power combining efficiency theory | |
| US3103627A (en) | Microwave transmission molecular identification system employing wave propagation mode detectors | |
| Granatstein | Microwave scattering from anisotropic plasma turbulence | |
| Hasar | Procedure for accurate and stable constitutive parameters extraction of materials at microwave frequencies | |
| RU2395789C1 (en) | Method of defining loose material layer height | |
| CN211785215U (en) | Interface defect detection system of composite pillar insulator based on microwave reflection signal | |
| Sklarczyk | Microwave, millimeter wave and terahertz (MMT) techniques for materials characterization | |
| Akay et al. | An automated amplitudes-only measurement system for permittivity determination using free-space method | |
| Hasar | Microwave method for thickness-independent permittivity extraction of low-loss dielectric materials from transmission measurements | |
| WO2017064153A1 (en) | Enhanced characterization of dielectric properties | |
| RU168724U1 (en) | Non-contact control device for electromagnetic parameters of thin films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180330 |