Шевченко К. Л., Скрипник Ю. А., Горкун В. В. Київський національний університет технологій та дизайну вул. Немировича-Данченка, 2, Київ – 01011, Україна Тел.: 38 (044) 2562993; e-mail: autom@i.com. і а

Анотація – Розглянуто можливість конструктивної оптимізації НВЧ резонансних коаксіальних датчиків, що використовуються при контролі діелектричної проникності пластин і листових матеріалів.

I. Вступ

При контролі діелектричної проникності листових діелектричних матеріалів широко використовуються коаксіальні резонансні датчики. Конструкція коаксіального резонатора забезпечує високу напруженість електромагнітного поля в зоні розташування матеріалу. Завдяки цьому досягається висока чутливість до змін діелектричної проникності. Однак при цьому значно зростає вплив неінформативних параметрів, зокрема, товщини контрольованого матеріалу.

II. Основна частина

Для контролю діелектричної проникності часто використовують резонансні датчики у вигляді чвертьхвильові відрізків коаксіальної лінії [1]. На одному з торців резонатора виконано вікно, прикрите пластиною з радіопрозорого матеріалу. При взаємодії з розташованим біля відкритого торця матеріалом, змінюються параметри датчика, зокрема, його резонансна частота. Резонансні датчики такої конструкції зручні з точки зору полегшеного доступу до матеріалу, проте, вимагають щільного і рівномірного розташування його у торцевого вікна. Крім того, на результат вимірювання сильний вплив робить зміна товщини контрольованого матеріалу, а низька добротність відкритого резонатора істотно знижує точність реєстрації частоти резонансу.

У деяких конструкціях резонансних датчиків матеріал притискають до торцевого вікна металевою пластиною. Цим досягається щільне і рівномірне розташування контрольованого матеріалу у торцевого вікна датчика. Одночасно, за рахунок зниження розсіювання електромагнітного поля істотно зростає добротність резонатора. Проте вплив на результат вимірювання змін товщини матеріалу виключити не вдається.

Для зниження впливу товщини на результат вимірювання діелектричної проникності в [2] запропоновано використовувати датчик, що складається з двох резонаторів. Резонатори в датчику розташовані таким чином, що їх торці знаходяться в одній площині, а роль торцевих кришок виконує металева пластина, що має можливість плоско паралельно переміщатися відносно площини торців резонаторів. Контрольований матеріал поміщають між торцевим вікном одного з резонаторів і рухомий металевою пластиною. В результаті, резонансна частота одного з резонаторів визначається діелектричною проникністю і товщиною контрольованого матеріалу, а другого – величиною повітряного зазору між торцем резонатора і металевою пластиною. З урахуванням коефіцієнтів, що враховують крутість перетворення резонаторів, шукане значення діелектричної проникності буде визначатися ставленням зсувів резонансних частот резонаторів. При товщині матеріалу 1 … 3 мм забезпечується ефективна компенсація впливу коливань товщини. Однак, при товщині менше 0,5 мм складно забезпечити паралельність переміщення пластини щодо торців через наявність зазорів, що забезпечують рухливість пластини.

Авторами розроблена конструкція резонансного датчика, що забезпечує компенсацію при товщині матеріалу 0,1 мм і менше (рис. 1).

де kl, k2 – Коефіцієнти пропорційності; SN – Площа, що пронизує нормальної складової потоку; г – середній радіус кола, концентричної торцевої поверхні електродів; / – середня довжина дуги, по якій проходять уявні силові лінії дотичній складової потоку; dx, D , d2 – Товщина торцевій кришки,

матеріалу і ізолюючої пластини.

Зіставлення виразів (1) і (2) показує, що зміна товщини матеріалу D викликає протилежне за характером зміна складових ЗCN і Сск. Отже, умовою компенсації впливу товщини можна вважати відшукання на кривих зміни Зси і Сск таких ділянок, на яких зміна товщини викликає однакові за абсолютною величиною зміни складових CCN і Сск . Критерієм виконання такої вимоги служить рівність кутів нахилу кривих СCN і Сск , Задане ввигляді

Взяття приватних похідних від виразів (1) і (2) і виконання нескладних перетворень призводить до вирішення квадратного рівняння щодо величини d2, Що забезпечує компенсацію впливу товщини матеріалу.

III. Висновок

Експериментальна перевірка описаного підходу показала, що при зміні товщини матеріалу від 0,2 до 1 мм відносна зміна показань приладу з запропонованим резонансним датчиком склало 4%. Для резонатора відкритого типу відносні зміни показань перевищили 300%.

IV. Список літератури

[1] Брандт А. А.. Дослідження діелектриків на НВЧ. -М.: Фізматгіз, 1963, С. 403.

[2] Танюк Б. А., Шевченко К. П. Трехрезонаторний резонансний НВЧ вологомір / В сб: Структурні методи підвищення точності, чутливості і швидкодії вимірювальних приладів та систем, Житомир, 1985, С. 68.

MATERIAL THICKNESS DECREASE INFLUENCE AT MEASUREMENTS OF DIELECTRIC PERMEABILITY

SkripnikYu., Shevchenko K., Gorkun V.

Kiev National University of Technologies and Design 2, Nemirovicha-Danchenko St., Kiev – 01011, Ukraine Tel.: 38 (044) 2562993, e-mail: autom@i.com.ua

Abstract – an opportunity of constructive optimization of the microwave of the resonant coaxial gauges used at the control of dielectric permeability of sheet materials is considered.

I. Introduction

At the control of dielectric permeability of sheet dielectric materials widely use coaxial resonant gauges. The design of the coaxial resonator provides high tension of an electromagnetic field in a zone of a material location. Due to these high sensitivity changes of dielectric permeability is reached. However, thus influence of not informative parameters, in particular, thickness of a controllable material considerably grows.

II. Main part

For the control of dielectric permeability frequently use resonant gauges as quarter wave pieces of a coaxial line [1]. On one of end faces of the resonator the window covered with a plate from a radiotransparent material is executed. At interaction with the material located at an open end face, parameters of the gauge, in particular, its resonant frequency change. Resonant gauges of such design are convenient from the point of view of the facilitated access to a material, however, demand dense and its uniform arrangement from a face window. Besides on result of measurement strong influence renders change of thickness of a controllable material, and low quality factor of the open resonator essentially reduces accuracy of registration of frequency of a resonance.

In some designs of resonant gauges a material press to a face window a metal plate. It reaches a dense and uniform arrangement of a controllable material at a face window of the gauge. Simultaneously, due to decrease in dispersion of an electromagnetic field quality factor of the resonator essentially grows. However, influence on result of measurement of changes of thickness of a material to exclude it, is not possible.

For decrease in influence of thickness on result of measurement of dielectric permeability in [2], it is offered to use the gauge consisting of two resonators. Resonators in the gauge are located in such manner that their end faces are in one plane, and the role of face covers is carried out with the metal plate having an opportunity plainly parallel to move concerning a plane of end faces of resonators. A controllable material should be located between a face window of one of resonators and a mobile metal plate. At thickness of a material 1 …3 mm effective indemnification of influence of fluctuations of thickness is provided. However, at thickness less than 0.5 mm it is difficult to provide parallelism of moving of a plate concerning end faces by virtue of presence of the necessary backlashes providing mobility of a plate.

Authors develop the design of the resonant gauge providing indemnification at thickness of a material of 0.1 mm and less (Fig. 1).

The gauge contains the metal screen 1, plates made of a radiotransparent material 2 and 4, a controllable material 3 and the coaxial resonator 5.

III. Conclusion

Experimental check of the described approach has shown the conclusion, that at change of thickness of a material from 0.2 up to 1 mm relative change of instrument readings with the offered resonant gauge has made 4 %. For the open resonator relative changes of indications have exceeded 300 %.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»