ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ РАССТРОЕК РЕЗОНАНСНЫХ ДАТЧИКОВ

April 8, 2012 by admin Комментировать »

Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф., Шевченко К. Л. Киевский национальный университет технологий и дизайна ул. Немировича-Данченко, 2, Киев – 01011, Украина Тел.: 38 (044) 2562993; e-mail: autom@i.com. и а

Material

Return Loss Sn (dB)

Insertion

Loss

Si2(dB)

APBN rectangular rods (without coating)

-19.62

0.0

Carbon-coated rod #1

-19.64

-2.9

Carbon-coated rod #2

-11.60

-4.8

Carbon-coated rod #3

-11.83

-4.3

Alumina cylindrical rod

-20.83

0.0

Iron-coating

-13.73

-3.9

Nickel-coating

-17.00

-2.4

Аннотация – Рассмотрена структура измерителя частотных расстроек СВЧ резонансных датчиков, обеспечивающая повышение точности измерений за счет исключения влияния нестабильности элементов измерительного тракта и изменения добротности резонатора при его взаимодействии с исследуемым материалом.

I.  Введение

Сверхвысокочастотные резонансные датчики широко используются при контроле диэлектрической проницаемости, влажности, толщины и других параметров диэлектрических материалов. При взаимодействии резонансного датчика с исследуемой средой происходит смещение положения резонансной кривой на частотной оси. О величине контролируемого параметра судят по сдвигу резонансной частоты взаимодействующего со средой резонатора.

II.  Основная часть

Простейший способ оценки частотной расстройки резонансного датчика заключается в том, что частоту генератора, возбуждающего резонатор, выбирают такой [1], что бы при смещении частоты резонанса она оставалась на одном из склонов резонансной кривой датчика. При измерениях регистрируют разность амплитуд СВЧ колебаний, детектируемых амплитудным детектором при пустом и нагруженном средой резонансном датчике. Амплитуда детектируемых колебаний в итоге определяется расстройкой частот резонатора и возбуждающего генератора. Однако, неизбежное изменение добротности резонатора из за вносимых материалом потерь, нестабильность амплитуды СВЧ генератора и отсутствие стабильного нуля в амплитудной схеме индикации резонанса не позволяют обеспечить высокую точность измерения, особенно при малых сдвигах частоты.

Для измерения малых расстроек используют волноводный тройник, в полости которого размещен диэлектрический резонатор [2]. СВЧ генератором, подключенным к тройнику, возбуждают резонатор, а два других плеча волноводного тройника через направленные ответвители связывают с амплитудными детекторами. Сигналы с выходов амплитудных детекторов подают на входы панорамного индикатора. При работе СВЧ генератора в режиме развертки частоты панорамный индикатор регистрирует падающие и отраженные от резонатора сигналы. При отсутствии в датчике исследуемого материала схема калибруется так, что бы уровни падающей и отраженной волн при их сравнении давали нулевой результат. При сдвиге частоты резонатора на выходах детекторов возникает разностное напряжение, пропорциональное расстройке резонатора. Недостатками такой схемы являются нестабильность и неиден- тичность характеристик направленных ответвителей и амплитудных детекторов, приводящие к нестабильности нуля и снижению точности измерений.

Авторами разработана двухчастотная одноканальная схема измерения расстройки частоты резонатора (рис. 1), позволяющая повысить точность измерения за счет исключения влияния нестабильности элементов измерительного тракта и изменения добротности резонатора при взаимодействии с исследуемым материалом.

где Sx – крутизна характеристики балансного модулятора;– амплитуды перемножаемых сигналов и их начальные фазы; сос = со+Q – разностная и суммарная частоты; кх ,

k2, (ръ, (p4 – коэффициенты передачи фильтров и вносимые ими фазовые сдвиги.

В двойном волноводном тройнике U7 сигналы (1) и (2) складывают и возбуждают полученным сигналом резонатор U10. Сигналы разностной U P(t) и суммарной Uс (t) частот проходят через резонатор с некоторым ослаблением.

Ослабленные резонатором сигналы UP(t) и Uc(t) поступают на первый вход балансного смесителя U11. На его второй вход через делители мощности U5, U6 и СВЧ переключатели U8, U9, управляемые противофазными импульсами, поступают сигналы (1) и (2). В результате смешивания образуются низкочастотные сигналы разностной частоты 2Q и СВЧ сигнал суммарной частоты 2а>0.

При периодической работе СВЧ переключателей U8 и U9 через полосовой фильтр Z3 проходят пакеты низкочастотных сигналов, имеющих частоту 2Q и

длительность полупериода коммутации

Эти пакеты проходят через амплитудный детектор U13, на выходе которого формируются импульсы, величина которых обусловлена расстройкой частоты резонатора U10. Импульсы проходят через управляемый делитель напряжения U14 и усиливаются широкополосным усилителем А1. Низкочастотная огибающая этих импульсов усиливается избирательным усилителем А2, выпрямляется фазочувствительным выпрямителем U15 и поступает на измерительный прибор Р.

При ненагруженном резонаторе коэффициенты передачи на боковых частотах равны и выходное напряжение будет равно нулю при изменении параметров любых элементов измерительной схемы.

При взаимодействии резонатора с исследуемым материалом его собственная частота уменьшается и происходит смещение полосы пропускания резонатора. При этом зондирующий сигнал разностной частоты остается в пределах полосы пропускания, а сигнал суммарной частоты выходит за ее пределы. В результате на выходе усилителя А1 появляется переменная составляющая напряжения, пропорциональная относительной расстройке нагруженного резонатора. Для устранения влияния нестабильности параметров элементов высокочастотной части схемы использована система автоматического регулирования коэффициента усиления, состоящая из генератора опорного напряжения G2, дифференциального усилителя АЗ и интегратора U16.

При использовании высокодобротного резонатора поступающее на измерительный прибор Р результирующее напряжение U , пропорциональное относительной частотной расстройке резонатора, приводится к виду

где КА2 – коэффициент усиления усилителя А2; U02

–   напряжение опорного источника G2; ЛР – относительная расстройка резонатора на частоте тР .

В соответствии с выражением (3) показания индикатора 3 пропорциональны относительной расстройке резонатора, а коэффициент пропорциональности определяется коэффициентами да и и умножителя U1 и делителя U2 частоты, стабильностью опорного напряжения генератора G2 и коэффициентом усиления усилителя А2.

Таким образом, в разработанной авторами схеме результат измерения не зависит от потерь, вносимых контролируемым материалом, изменения добротности резонатора, нестабильности амплитуд напряжений (1), (2) и нестабильности параметров высокочастотных цепей измерительной схемы. Благодаря этому удается в 3…5 раз снизить погрешности измерения частотных расстроек СВЧ резонансных датчиков.

IV.  Список литературы

[1 ] Sucher М., FoxJ. Handbook of microwave measurements.

Polytechnic press, John Wiley and sons, New-York, 1963.

[2]    Брандт А. А. Исследование диэлектриков на СВЧ. – М.: Физматгиз, 1963, С. 403.

INCREASE OF MEASUREMENT ACCURACY OF FREQUENCY MISTUNINGS OF RESONANT SENSORS

Skripnik Yu., Shevchenko K.

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 – The structure of a meter of frequency mistuning of the microwave of the resonant sensors providing rise of accuracy of measurements at the expense of exception of influence of instability of units of a measuring path and change of good quality of the resonator at its interaction with a researched material are considered.

I.  Introduction

Super high-frequency resonant sensors are widely used at the control of dielectric permeability, humidity, width and other parameters of dielectric materials. The value of the inspected parameter is analysed taking into account shift of resonant frequency of the resonator interacting with the environment.

II.  Main part

Authors develop the two-frequent one-channel circuit of measurement of mistuning of frequency of the resonator (Fig. 1), permitting to raise accuracy of measurement at the expense of exception of influence of instability of units of a measuring path and change of good quality of the resonator at its interaction with a researched material.

When using resonator quality factor, the resulting power acting on measuring instrument P is proportional to relative frequent mistuning of the resonator and leads to sort [3].

According to expression [3], indications of indicator Z are proportional to relative mistuning of the resonator, and the coefficient of proportionality is defined by coefficients and multiplier U1 and divider U2 of frequency, stability of basic power of generator G2 and an amplification factor of amplifier A2.

III. Conclusion

Thus, in the circuit developed by the authors the result of measurement does not depend on the losses brought by the inspected material, change of good quality of the resonator, instability of amplitudes of powers [1], [2] and instability of parameters of high-frequency chains of a measuring circuit. Due to this it is possible to lower errors of measurement of frequent mistuning of the microwave of resonant sensors in 3…5 times.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты