УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ
DEVICE TO MEASURE PARAMETERS OF DIELECTRICS AT ULTRAHIGH FREQUENCIES

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нормальной температуре.
Известна измерительная ячейка для измерения параметров диэлектриков на СВЧ, полезная модель RU №24292 U1, G01R27/26, содержащая корпус и установленный на нем цилиндрический резонатор, ось которого расположена вертикально, верхний торец резонатора закрыт неподвижной крышкой, являющейся верхней торцевой стенкой резонатора, при этом элементы связи резонатора с трактом СВЧ расположены на верхней торцевой и/или цилиндрической стенке резонатора, нижняя торцевая стенка резонатора образована поршнем, установленным на вертикальном штоке, внутри которого может быть выполнен канал для установки термопары, шток установлен и укреплен на торце вертикального ходового винта первой винтовой пары, при этом гайка первой винтовой пары связана с приводным механизмом и закреплена с возможностью вращения в обойме на нижнем торце обечайки, имеющей гладкую внутреннюю поверхность и охватывающей закрепленную на корпусе направляющую, расположенную соосно с резонатором и имеющую внутреннюю полость, причем, загрузочное окно для установки образца исследуемого материала выполнено в нижней части цилиндра резонатора или в верхней части направляющей, а на внешней поверхности направляющей выполнена самотормозящая резьба, а на нижнем торце обечайки закреплена с возможностью вращения гайка, снабженная зубчатым венцом, которая образует с направляющей вторую винтовую пару, при этом обечайка удерживается от вращения вокруг направляющей известными методами.
В представленном устройстве имеется два сложных механизма с ручным управлением для перемещения поршня с исследуемым образцом материала. Первый для ускоренного перемещения поршня, применяемого при выполнении подготовительных операций установки образца на поршень, и механизма точного перемещения поршня в объеме резонатора во время измерительной процедуры.
Недостатком этого решения является применение сложного комбинированного механизма для обеспечения процесса измерения диэлектрических параметров образцов различных материалов, что приводит к снижению точности измерения, так как перед началом измерения поршень устанавливается в положение, соответствующее резонансу в резонаторе без образца, при котором на определенной длине отмечается резонанс на фиксированной частоте. После этого осуществляется перемещение поршня вниз для установки образца испытуемого материала через загрузочное окно. Необходимый ход поршня требуется значительный, поэтому используется дополнительный механизм для ускоренного перемещения, обладающий худшей точностью и большим люфтом, который вносит дополнительную погрешность в окончательные результаты. После установки образца поршень, с образцом, перемещается в измерительную зону резонатора, выше точки начального положения. Геометрическая разность между начальным положением поршня в резонансном положении и положением поршня с образцом определяют диэлектрическую проницаемость испытуемого материала.
Наиболее близким к техническому решению является устройство для измерения параметров диэлектриков на СВЧ, авторское свидетельство СССР №1737327 A1, G 01R27/26 от 30.05.92. Устройство включает цилиндрический резонатор, выполненный с возможностью осевого перемещения и ограниченный с одной стороны неподвижной торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой - короткозамыкающим поршнем, на котором расположен образец исследуемого материала, при этом поршень закреплен на штоке, имеющем возможность осевого перемещения. Связующим звеном, обеспечивающим соосное положение волновода СВЧ, резонатора и механизма осевого перемещения является скоба, обеспечивающая также односторонний доступ к цилиндру резонатора, а затем к поршню для установки образца.
Операция осуществляется вручную и при этом отсутствует фиксация цилиндрической части резонатора в любом заданном положении. Перемещение поршня с образцом в резонансное положение в рассматриваемом устройстве осуществляется винтовым механизмом.
Недостатком рассматриваемого устройства является то, что для достижения высокой точности определения диэлектрической проницаемости резонаторным методом необходимо поддержание неизменных геометрических размеров полости резонатора во время измерения. Конструкция представленного устройства выполнена так, что невозможно однозначно установить цилиндрическую часть резонатора до и после операции установки образца на поршень, так как отсутствуют какие-либо устройства, жестко фиксирующие цилиндрическую часть резонатора относительно оси.
Недостатком рассматриваемого устройства является также то, что точность измерения резонансной длины резонатора определяется точностью фиксации положения образца за счет использования винтового механизма. В данном устройстве также отсутствует прямое измерение линейного перемещения штока с образцом, что не позволяет обеспечить многократную воспроизводимость установки поршня в заданное положение. Кроме того, применяемая в устройстве для измерения диэлектрических характеристик методом вариации длины резонатора обычная винтовая пара из-за неизбежного люфта в резьбе не обеспечивает необходимой точности позиционирования поршня с образцом и в итоге возникают недопустимые погрешности измерения.
Целью изобретения является повышение точности измерений и сокращение времени проведения операций за счет автоматизации процесса измерения диэлектрических характеристик.
Цель достигается тем, что предложено устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах, включающее волновод СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны короткозамыкающим подвижным поршнем, установленным с возможностью осевого перемещения внутри резонатора, механизм перемещения поршня и радиоизмерительное оборудование, отличающееся тем, что волновод сверхвысокой частоты, цилиндр резонатора и механизм перемещения размещены в едином корпусе, причем цилиндр резонатора установлен внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и снабжен зажимами для фиксации в корпусе, а короткозамыкающий поршень посредством штока закреплен на платформе модуля осевого перемещения, управляемого от серводвигателя и совмещенного с датчиком линейного перемещения, при этом серводвигатель оснащен системой автоматического управления, связанной с радиометрическим блоком фиксации резонансного положения поршня.
Авторы при анализе работы экспериментального макета установили, что заявляемое устройство, обладающее представленной совокупностью конструктивных признаков, обеспечивает более точное измерение резонансной длины в резонаторе, по сравнению с прототипом, что повышает точность определения диэлектрических характеристик исследуемых материалов. Кроме того, отличительной особенностью устройства является то, что процесс измерения осуществляется в автоматическом режиме.
На приведенном чертеже изображен общий вид заявляемого устройства.
Конструкция устройства для измерения параметров диэлектриков включает корпус 1, в верхней части корпуса размещен ввод диэлектрический 2. Внутри корпуса с минимальным зазором (до 0,005 мм) установлен медный цилиндр резонатора. Зажимы 4 связаны с резонатором и имеют возможность фиксации в продольных пазах корпуса. Медный поршень 5 соединен со штоком 6, который неподвижно закреплен на платформе 7 модуля осевого перемещения 8, управляемого серводвигателем 9. Микрометрический отсчет перемещения поршня с образцом 10 обеспечивает линейный измеритель расстояния 11, имеющий разрешение до 0,1 мкм, и неподвижно закрепленный поршень 5 соединен со штоком 6, который неподвижно закреплен на платформе 7 модуля осевого перемещения 8, управляемого серводвигателем 9. Микрометрический отсчет перемещения поршня с образцом 10 обеспечивает линейный измеритель расстояния 11, имеющий разрешение до 0,1 мкм и неподвижно закрепленный на платформе модуля линейного перемещения 8. Для установки и выемки образца в корпусе предусмотрено загрузочное окно 12 соответствующих размеров.
Устройство для измерения параметров диэлектриков работает следующим образом.
Перед началом измерений поршень 5 устанавливается напротив загрузочного окна 12 корпуса 1. Посредством зажимов 4 резонатор 3 поднимается вверх, при этом открывается доступ к поршню для установки на нем исследуемого образца. Затем резонатор 3 опускают вниз до полного перекрытия загрузочного окна 12 и фиксируют зажимами 4.
Дальнейшее управление процессом измерения осуществляется автоматически (в автономном режиме) блоком 13 по программе, связывающей включение серводвигателя 9, модуля линейного перемещения 8 и линейного измерителя расстояния 11. Работа указанных механизмов обеспечивает необходимое перемещение поршня с образцом до резонансного положения «L», регистрируемое блоком формирования и обработки СВЧ-сигналов 14.
Измерение диэлектрической проницаемости «ε» материала заключается в измерении разности длины «L» без образца и с установленным на поршне образцом. Из полученных значений разности резонансной длины аналитически и определяется значение диэлектрической проницаемости.
Заявляемая конструкция устройства для измерения параметров диэлектриков отличается от известных аналогов более высокой точностью измерений и значительным сокращением времени на проведение цикла измерения.
Источники информации
1. Свидетельство на полезную модель №24292 U1 RU от 13.11.2001 г. МПК G01R 27/26.
2. Авторское свидетельство СССР, №1737327 А1 МПК G01R 27/26 от 30.05.92/.