способ измерения свойств анизотропного диэлектрического материала и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения свойств анизотропного диэлектрического материала, включающий размещение образца исследуемого материала в объемном СВЧ-резонаторе, возбуждение в упомянутом резонаторе в области размещения образца двух резонансных мод колебаний с взаимно ортогональной ориентацией их электрических полей, измерение функции сдвигов частот резонансных мод резонатора, обусловленных их взаимодействием с исследуемым материалом, и определение его свойств по измеренной величине, отличающийся тем, что упомянутые резонансные моды колебаний возбуждают на разных частотах, выбранных из условия исключения возможности возникновения связи между ними, а в качестве функции сдвигов частот резонансных мод колебаний измеряют однозначную функцию их отношения и/или суммы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве функции отношения сдвигов частот резонансных мод колебаний измеряют величину f₁ f₂, где f₁ и f₂ сдвиги частот соответственно первой и второй резонансных мод колебаний резонатора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве функции отношения сдвигов частот резонансных мод колебаний измеряют величину 1 f₁ / f₂.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве функции суммы сдвигов частот резонансных мод колебаний измеряют величину (f₁ / K) + f₂, где K коэффициент, зависящий от относительного заполнения исследуемым материалом электрических полей используемых резонансных мод колебаний.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что дополнительно измеряют функцию отношения сдвигов частот резонансных мод колебаний (1 K f₂ / f₁) / (1 + K f₂ / f₁).

6. Устройство для измерения свойств анизотропного диэлектрического материала, содержащее измерительную ячейку, выполненную в виде объемного СВЧ-резонатора с возможностью возбуждения в нем двух взаимно ортогональных резонансных мод колебаний, устройство связи, выполненное с возможностью передачи сигналов обеих мод колебаний упомянутого резонатора и подключенное к его выходу, блок формирования функции сдвигов частот указанных мод и подключенное к его выходу регистрирующее устройство, отличающееся тем, что объемный СВЧ-резонатор выполнен с возможностью возбуждения в нем каждой резонансной моды колебаний на частоте, отличающейся от частоты другой резонансной моды, а между выходом устройства связи и входом блока формирования функций включен двухканальный преобразователь частот.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что каждый канал преобразователя частот содержит гетеродинный генератор, настроенный на частоту соответствующей резонансной моды колебаний резонатора, и смеситель, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигналов и соединенный первым входом с выходом гетеродинного генератора, при этом устройство связи содержит два элемента связи, один из которых настроен на передачу сигнала одной моды колебаний резонатора и подключен к второму входу смесителя одного канала, а другой настроен на передачу сигнала другой моды колебаний резонатора и подключен к второму входу смесителя другого канала, а блок формирования функций выполнен в виде делителя частот сигналов с двумя входами, один из которых подключен к выходу смесителя одного канала, а другой к выходу смесителя другого канала преобразователя частот.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что первый канал преобразователя частот содержит первый и второй смесители, последовательно соединенные друг с другом и выделяющие разностную частоту поступающих на входы сигналов, и первый гетеродинный генератор, настроенный на частоту, равную разности частот первой и второй резонансных мод колебаний резонатора, и подключенный своим выходом к второму входу второго смесителя, второй канал преобразователя частот содержит третий смеситель частот, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигналов, и второй гетеродинный генератор, настроенный на частоту второй резонансной моды колебаний резонатора и подключенный своим выходом к первому входу третьего смесителя, при этом устройство связи содержит два элемента связи, один из которых настроен на передачу сигналов обеих мод резонатора и подключен к входу первого смесителя, а другой настроен на передачу сигнала второй моды резонатора и подключен к второму входу третьего смесителя, а блок формирования функций выполнен в виде делителя частот сигналов с двумя входами, один из которых подключен к выходу второго смесителя, а другой к выходу третьего смесителя преобразователя частот.

9. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что первый канал преобразователя частот содержит смеситель, выделяющий разностную частоту поступающих на входы сигналов, гетеродинный генератор, настроенный на частоту одной резонансной моды колебаний резонатора и подключенный своим выходом к первому входу смесителя, и делитель частоты, вход которого соединен с выходом смесителя, второй канал преобразователя частот содержит смеситель, выделяющий разностную частоту поступающих на входы сигналов, гетеродинный генератор, настроенный на частоту другой резонансной моды колебаний резонатора и подключенный своим выходом к первому входу смесителя, при этом устройство связи содержит два элемента связи, один из которых настроен на передачу сигнала одной моды колебаний резонатора и подключен к второму входу смесителя первого канала, другой настроен на передачу сигнала второй моды колебаний резонатора и подключен к второму входу смесителя второго канала преобразователя частот, а блок формирования функций содержит счетчик-сумматор с двумя входами, соединенный одним входом с выходом делителя частоты, а другим с выходом смесителя второго канала преобразователя частот.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что блок формирования функций дополнительно содержит делитель частот сигналов с двумя входами, один из которых соединен с выходом смесителя первого канала, а другой с выходом смесителя второго канала преобразователя частот.

11. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что двухканальный преобразователь частот содержит общий для обоих каналов гетеродинный генератор с двумя выходами, настроенный на частоту F₀ (F₁ + K F₂) / (1 + K), первый канал преобразователя частот содержит последовательно соединенный смеситель, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигналы, и делитель частоты, второй канал преобразователя частот содержит смеситель, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигналов, при этом устройство связи содержит два элемента, один из которых настроен на передачу сигнала одной моды резонатора и подключен к первому виду смесителя первого канала, второй вход которого соединен с первым выходом общего гетеродинного генератора, второй элемент настроен на передачу сигнала другой моды резонатора и подключен к первому входу смесителя второго канала, второй вход которого соединен с вторым выходом общего гетеродинного генератора, а блок формирования функций содержит вычитающее устройство, соединенное одним входом с выходом делителя частоты, а другим с выходом смесителя второго канала преобразователя.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что в первый канал преобразователя частот дополнительно введены второй и третий смесители, выделяющие соответственно суммарную и разностную частоты поступающих на их входы сигналов, и гетеродинный генератор, настроенный на частоту F 2 (F₂ F₁) / (K + 1), а блок формирования функций дополнительно содержит делитель частот сигналов, при этом первый вход второго смесителя подключен к выходу делителя частоты, второй вход к выходу смесителя второго канала преобразователя частот, а выход к первому входу третьего смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродинного генератора первого канала преобразователя частот, один вход делителя частот сигналов подключен к выходу третьего смесителя, а другой вход- к выходу вычитающего устройства.

13. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что двухканальный преобразователь частот содержит общий для обоих каналов гетеродинный генератор с двумя выходами, каждый канал преобразователя частот содержит смеситель, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигалов, устройство связи содержит два элемента, один из которых настроен на передачу сигнала одной моды резонатора и подключен к первому входу смесителя одного канала, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродинного генератора, другой элемент настроен на передачу сигнала другой моды резонатора и подключен к первому входу смесителя другого канала, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродинного генератора, блок формирования функций выполнен в виде микропроцессора с двумя входами, один из которых подключен к выходу смесителя одного канала, другой- к выходу смесителя другого канала преобразователя частот.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, связанной с измерением свойств анизотропных диэлектрических материалов, таких как полупродукты хлопчатобумажного производства (лента или ровница), бумага, древесина и т. п. в которых ориентация волокон обуславливает различие диэлектрической постоянной по разным направлениям. В частности, изобретение направлено на измерение степени анизотропии и линейной плотности таких материалов и может быть использовано для их контроля в технологическом процессе.

Известен способ измерения свойств анизотропных диэлектрических материалов, состоящий в воздействии на движущийся материал электрическим полем, перпендикулярным оси образца, и полем, ориентированным вдоль оси образца [1] Указанные поля создают с помощью радиального и осевого конденсаторов. Степень анизотропии определяют по разности и/или отношению емкостей конденсаторов.

Устройство для реализации этого способа содержит радиальный и осевой конденсаторы с электродами, выполненными в виде частей колец. Через конденсаторы проходит исследуемый материал, а электроды подключены к измерителю емкостей [1]

Недостатки известного способа и устройства связаны с тем, что использование конденсаторов подразумевает работу на сравнительно низких частотах, т. е. квазистатический случай электродинамики. При этом невозможно создать независимые электрические поля, перпендикулярные друг другу, в одной области пространства. Поэтому конденсаторы придется разносить вдоль исследуемого материала и измерять ими разные его участки, что приведет к дополнительной погрешности. Предложенный способ непригоден для измерения линейной плотности анизотропных материалов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения свойств анизотропного диэлектрического материала [2] состоящий в том, что исследуемый материал размещают в объемном СВЧ-резонаторе и возбуждают в нем две идентичные резонансные моды колебаний одной и той же частоты с взаимно ортогональной ориентацией их электрических полей. Вследствие взаимодействия материала с электрическими полями резонансных мод происходит сдвиг их частоты на разные величины. Исследуемый материал размещают так, чтобы измеряемое свойство максимально оказывало влияние на одну из мод, тогда как другая мало бы изменялась. Измеряют разность частот колебаний мод и определяют по ней линейную плотность исследуемого материала. Если измеряемое свойство влияет на обе моды, как, например, в случае листа или пленки, расположенных в плоскости полей обеих мод, по разности частот мод можно судить об анизотропии этого свойства в плоскости образца.

Устройство для реализации этого способа содержит измерительную ячейку, выполненную в виде объемного СВЧ-резонатора с возможностью возбуждения в нем двух взаимно ортогональных мод колебаний, устройство связи, выполненное с возможностью передачи сигналов обеих мод колебаний упомянутого резонатора и подключенное к его выходу, блок формирования функции сдвигов частот резонансных мод колебаний, выполненный в виде смесителя частот, вход которого соединен с выходом устройства связи, и регистрирующее устройство, подключенное своим входом к выходу смесителя частот [2]

Недостатком известного технического решения является относительно высокая погрешность измерений, связанная с известным эффектом "затягивания" частот двух источников колебаний с близкими частотами. В результате в сигнале каждой моды появляется сигнал, связанный с модой другой ориентации. Кроме того, высокая погрешность измерений будет наблюдаться при использовании данного технического решения для измерения линейной плотности материалов с большой величиной анизотропии диэлектрической постоянной, так как разность частот колебаний резонансных мод является функцией как линейной плотности материала, так и анизотропии его диэлектрической постоянной.

Изобретение решает задачу повышения точности измерений свойств диэлектрического анизотропного материала, таких как степень анизотропии диэлектрической постоянной и связанных с этим свойств, а также линейной плотности.

Для решения этой задачи в предлагаемом способе резонансные моды колебаний резонатора возбуждают на разных частотах, выбранных из условия исключения возможности возникновения связи между ними, а в качестве функции сдвигов частот резонансных мод колебаний, обусловленных взаимодействием их электрических полей с исследуемым материалом, измеряют функцию их отношения и/или суммы. В качестве функции отношения сдвигов частот можно измерять величину f1/f2, либо (1 f1/f2), либо (1 k f2/f1)/(1 + k f2/f1), где f1 и f2 сдвиги частот соответственной первой и второй резонансных мод колебаний резонатора; k коэффициент, зависящий от относительного заполнения исследуемым материалом электрических полей используемых резонансных мод колебаний. В качестве функции суммы сдвигов частот резонансных мод колебаний измеряют величину (f1/k) + f2. По измеренному значению функции отношения сдвигов частот резонансных мод колебаний резонатора определяют степень анизотропии диэлектрической постоянной исследуемого материала, а по измеренному значению функции суммы сдвигов частот линейную плотность материала.

Использование для измерений двух резонансных мод колебаний резонатора с взаимно ортогональными электрическими полями, возбужденных на разных частотах, позволяет определить с высокой точностью как степень анизотропии, так и линейную плотность исследуемого материала. Обусловлено это тем, что в сигнале, соответствующем сдвигу частоты каждой моды, отсутствует доля сигнала другой моды. При этом каждый из сигналов пропорционален только величине диэлектрической постоянной материала вдоль соответствующей оси и его плотности на данном участке. Поэтому отношение этих сигналов характеризует только анизотропию диэлектрической постоянной материала, и не зависит от его линейной плотности. Как указывалось выше, речь идет о материалах, в которых анизотропия вызвана ориентацией имеющихся в них волокон. В них увеличение сдвига частоты для резонансной моды колебаний с направлением электрического поля по одной оси при изменении ориентации волокон, т.е. при изменении анизотропии материала, автоматически означает уменьшение сдвига частоты резонансной моды колебаний с электрическим полем, направленным по ортогональной оси. При этом в линейном приближении сумма сдвигов частот пропорциональна линейной плотности и не зависит от анизотропии при условии, что значения f1 и f2 для изотропного материала одинаковы. На практике эти значения могут отличаться вследствие того, что образец исследуемого материала в резонаторе занимает неодинаковые области электрических полей разных мод колебаний. Коэффициент k учитывает эти различия, его выбирают из условия, чтобы для изотропного материала f1/k равнялась f2.

В предложенном устройстве объемный СВЧ-резонатор выполнен с возможностью возбуждения в нем каждой резонансной моды колебаний на частоте, отличающейся от частоты другой моды, а между выходом устройства связи и входом блока формирования функцией включен двухканальный преобразователь частот.

В двухканальном преобразователе частоты с помощью известных приемов фильтрации выделяют составляющие f1. f2 сигналов или их комбинации, необходимые для формирования указанных выше функций.

На фиг.1 изображен объемный двухмодовый СВЧ-резонатор с образцом исследуемого материала; на фиг. 2-8 примеры блок-схем устройств, реализующих предлагаемый способ; на фиг.9 график, представляющий в относительных единицах выходные показания макета предлагаемого устройства в зависимости от коэффициента распрямленности волокон, характеризующего анизотропию полупродуктов хлопчатобумажного производства; на фиг.10 возможности предлагаемого способа для случая измерения линейной плотности таких полупродуктов.

В качестве СВЧ-резонатора можно использовать прямоугольный резонатор 1 с резонансными модами колебаний Е110 на частоте F1 и Е011 на частоте F2 (фиг. 1). (Направления электрических полей этих мод показаны на чертеже стрелками). Прямоугольный резонатор представляется наиболее удобным из конструктивных соображений, но возможно использование и других типов резонаторов, например цилиндрического с колебаниями типа Е010 и Н111. Расчет таких резонаторов производят по известным формулам (Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. Изд. 2-е, перераб. и дополн. М. Радио и связь, с.328-336).

Для размещения исследуемого материала в резонаторе выполнена щель 2. Можно разместить щель 2 так, чтобы для изотропного материала сдвиги частот f1 и f2 были одинаковы, т.е. k 1. Место расположения щели определяют по расчету отношения сдвигов частот для образца изотропного материала, помещенного в определенном месте СВЧ-резонатора, в котором возбуждены резонансные моды колебаний с известным распределением полей. По известным формулам электродинамики для материала, у которого диэлектрическую постоянную можно представить в виде

е 1 + а, сдвиг f частоты F конкретной резонансной моды колебания можно определить по формуле:

где Е(r) электрическое поле резонансной моды колебания в точке резонатора с радиусом-вектором r; V₁ объем образца V объем резонатора.

Тогда в предлагаемом устройстве при возбуждении двух резонансных мод колебаний с частотами F1 и F2



Зная конфигурацию электрических полей резонансных мод колебаний, можно выбрать такое расположение образца исследуемого материала, при котором это отношение равно единице. В этом случае для измерения линейной плотности можно использовать функцию f1 + f2.

Возбудить в резонаторе две резонансные моды колебаний на разных частотах можно несколькими известными способами. Простейший из них состоит в выборе соответствующих размеров прямоугольного резонатора. У колебания Е110 частота не зависит от размера резонатора вдоль оси Z, а у колебания Е011 вдоль оси Х. Это позволяет использовать размеры вдоль этих осей для получения резонанса на разных частотах. Например, если размеры полости резонатора таковы: вдоль оси Х а 100 мм, вдоль оси Y b 100 мм, вдоль оси Z1 103 мм, то частота Е110, равна 2,121 ГГц, а Е011 2,090 ГГц.

Покажем, как в этом случае разметить щель так, чтобы f1/f2 1. Пусть поперечное сечение образца исследуемого материала таково: w вдоль оси Х, h вдоль оси Y. Вдоль оси Z образец занимает весь резонатор, т.е. его длина l. Для колебания Е110.

E(z) sinsin

Для колебания Е011

E(x) sinsin

В этом случае

1- sincos где d координата по оси Х центра сечения образца. При известных F1, F2, а, w и f1/f2= 1 рассчитываем d и делаем в резонаторе соответствующую щель. Для численных значений, приведенных выше, d 74,75 мм и слабо зависит от w.

если пропустить образец через центр соответствующей стороны такого резонатора (d a/2) то k 2.

Точное значение коэффициента k определяют при калибровке прибора. Как указывалось выше, величины f1 и f2 пропорциональны линейной плотности при заданной степени анизотропии. Если при калибровке используют изотропный материал, то k f1/f2. Если же для калибровки используют материал, анизотропия которого зависит от ориентации волокон в нем, то k определяют с помощью следующей процедуры. Пусть r характеризует степень анизотропии образца, т.е. например, ориентацию волокон в полупродуктах хлопчатобумажного производства вдоль оси Z. Величину r можно измерять независимым ручным классическим способом. Тогда в простейшей модели сдвиги частот определятся как

f1 k q r T;

f2 q (1 r) T,

где q коэффициент пропорциональности;

Т линейная плотность исследуемого материала.

Тогда

k

Это значение k реализуют или аппаратным образом либо используют его при обработке сигналов f1 и f2. Частоты возбуждаемых мод следует выбирать как можно ближе друг к другу, но разнесенными настолько, чтобы исключить возможность возникновения связи между ними. Эта связь может возникнуть как конструктивно, так и в результате перерождения одной моды в другую вследствие их взаимодействия с исследуемым материалом. Вторая причина, как правило, приводит к большей связи, поэтому практически надо лишь измерить отклик каждой из резонансных мод колебаний на исследуемый материал, чтобы определить достаточное разнесение частот выбранных мод.

Для возбуждения соответствующих резонансных мод колебаний резонатор соединен с двумя усилителями 3 через элементы связи 4 и 5, выполненные в виде петель или штырей, расположенных в соответствии с конфигурацией полей возбуждаемых резонансных мод колебаний.

Выходные сигналы из резонатора выводят с помощью устройства связи 6, которое может быть выполнено из двух элементов в виде петель, по одному на каждую резонансную моду колебаний с учетом конфигурации их полей. Но его можно выполнить и из одного элемента, например, в виде петли, которая ориентирована так, чтобы охватывать магнитные силовые линии как одной моды колебания, так и другой. Устройство связи может быть выполнено также из двух элементов, один из которых настроен на передачу сигналов обеих мод, а другой на передачу сигналов одной из них. Их разделение осуществляется при дальнейшей обработке сигналов. Настройку элементов связи на передачу сигналов соответствующей моды выполняют известными в СВЧ-технике способами: выбором типа элемента связи (штырь или петля), выбором места расположения с учетом конфигурации полей данной резонансной моды колебаний и выбором ориентации элемента связи относительно этих полей.

Предлагаемое устройство в варианте, показанном на фиг.2, предназначено для измерения степени анизотропии. Оно содержит объемный резонатор 1, выполненный как описано выше, двухканальный преобразователь частот 7 и блок формирования функций, представляющий собой делитель 8 частот сигналов. Преобразователь частот 7 содержит два канала 9 и 10. Канал 9 содержит гетеродинный генератор 11, настроенный на частоту F1 одной резонансной моды колебаний резонатора 1, и смеситель 12, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигналов и соединенный первым входом с выходом гетеродинного генератора 11. Канал 10 содержит гетеродинный генератор 13, настроенный на частоту F2 другой резонансной моды колебаний резонатора, и смеситель 14, выделяющий разностную частоту поступающих на его входы сигналов и соединенный первым входом с выходом гетеродинного генератора 13.

Резонатор 1 соединен с преобразователем частот 7 через устройство связи 6, выполненное из двух элементов, один из которых настроен на передачу сигнала одной моды резонатора 1 и подключен к второму входу смесителя 12 канала 9 преобразователя частот, а другой настроен на передачу сигнала другой моды резонатора 1 и подключен к второму входу смесителя 14 канала 10 преобразователя частот.

Делитель 8 частот сигналов выполнен с двумя входами, один из которых подключен к выходу смесителя 12, а другой к выходу смесителя 14 преобразователя частот. К выходу 8 частот сигналов подключается регистрирующее устройство.

Устройство, показанное на фиг.3, также предназначено для измерения степени анизотропии материалов. Оно отличается от описанного выше тем, что первый канал 9 преобразователя частот 7 дополнительно содержит смеситель 15, выделяющий разностную частоту поступающих на его вход сигналов и подключенный своим выходом к одному входу смесителя 12, а гетеродинный генератор 11 этого канала настроен на частоту, равную разности частот F1 F2 первой и второй резонансных мод резонатора 1 и подключен своим выходом к второму входу смесителя 12. При этом устройство связи 6 содержит два элемента, один из которых настроен на передачу сигналов обеих мод резонатора и подключен к входу смесителя 15 канала 9 преобразователя частот, а другой настроен на передачу сигнала второй моды резонатора 1 и подключен к входу смесителя 14 преобразователя частот.

Устройство, показанное на фиг.4, предназначено для измерения линейной плотности материала. Оно выполнено аналогично показанному на фиг.2, за исключением того, что в канал 9 преобразователя частот дополнительно введен делитель 16 частоты, вход которого соединен с выходом смесителя 12, а блок формирования функций представляет собой счетчик-сумматор 17, один вход которого соединен с выходом делителя частоты 16, а другой с выходом смесителя 14.

Устройство, показанное на фиг.5, позволяет измерить как линейную плотность, так и степень анизотропии исследуемого материала. Оно отличается от показанного на фиг.4 тем, что блок 18 формирования функций дополнительно содержит делитель 8 частот сигналов, один вход которого соединен с выходом смесителя 12, а другой с выходом смесителя 14.

Устройство, показанное на фиг.6. предназначено для измерений линейной плотности материала. Оно отличается от показанного на фиг.4 тем, что преобразователь 7 частот вместо двух гетеродинных генераторов содержит один общий для обоих каналов генератор 19 с двумя выходами, настроенный на частоту Fo (F1 + k F2)/(1 + + k) и соединенный одним своим выходом с входом смесителя 12, а другим с входом смесителя 14. Блок формирования функций в этом варианте выполнен в виде вычитающего устройства 20, один вход которого соединен выходом делителя 16 частоты, а другой с выходом смесителя 14 второго канала преобразователя частот. Преимущество данного устройства по сравнению с описанными выше в том, что вместо двух высокочастотных генераторов оно содержит один низкочастотный, что упрощает схему устройства и повышает его стабильность.

Устройство, показанное на фиг.7, позволяет измерить линейную плотность и степень анизотропии материала независимо друг от друга. Это устройство включает в себя схему, показанную на фиг.6. В первый канал дополнительно введены второй 21 и третий 22 смесители, выделяющие соответственно суммарную и разностную частоты, поступающих на их входы сигналов, и гетеродинный генератор 23, настроенный на частоту F 2 (F2 F1)/(k + 1). Блок 18 формирования функций в этом устройстве дополнительно содержит делитель 8 частот сигналов. Первый вход второго смесителя 21 подключен к выходу делителя 16 частоты, второй вход к выходу смесителя 14 второго канала преобразователя частот, а выход к первому входу третьего смесителя 22, второй вход которого соединен с выходом гетеродинного генератора 23. Делитель 8 частот сигналов подключен одним входом к выходу третьего смесителя 22, а другим входом к выходу вычитающего устройства 20.

Устройство, показанное на фиг.8, отличается от описанных тем, что в качестве блока формирования функций оно содержит микропроцессор 23, например, на основе микросхем серии 1802. В этом случае преобразователь 7 частот содержит общий для двух каналов гетеродинный генератор 19 и по одному смесителю 12 и 14 в каждом канале, выделяющему разностную частоту поступающих на входы сигналов. К входам смесителей 12 и 14 подключен резонатор 1 и гетеродинный генератор 19 аналогично тому, как в устройстве, показанном на фиг.6. Выходы смесителей 12 и 14 соединены с входами микропроцессора. Гетеродинный генератор 19 настроен на частоту F, выбранную из условийF F1| F_пр иF F2| F_пр, где F_пр максимальная рабочая частота микропроцессора 24.

Предложенный способ реализуют с помощью устройства, показанного на фиг. 2, следующим образом. Образец 25 (фиг.1) исследуемого материала помещают в щель 2 резонатора 1 и возбуждают в последнем две моды колебаний с взаимно ортогональной ориентацией электрических полей. В частности, возбуждают моду Е110 на частоте F1, электрическое поле которой направлено вдоль образца исследуемого материала по оси Z, и моду Е011 на частоте F2 с электрическим полем, ориентированным поперек образца по оси Х. Частоты F1 и F2 отличаются на некоторую величину, исключающую связь между модами, и определяются выбранными размерами резонатора, как описано выше. В результате взаимодействия образца 25 с электрическими полями указанных резонансных мод частоты последних изменяются на некоторую величину. В частности, частота F1 моды Е110 уменьшается на величину f1, пропорциональную величине диэлектрической постоянной образца вдоль оси Z и его линейной плотности, а частота F2 моды Е011 уменьшается на величину f2, пропорциональную величине диэлектрической постоянной образца вдоль оси Х и его линейной плотности. Сигнал моды Е110 с частотой F1 f1 через один элемент устройства связи 6 подают на вход смесителя 12 (фиг.2) первого канала 9 преобразователя 7 частот, на другой вход которого поступает с гетеродинного генератора 11 сигнал с частотой F1.

В смесителе 12 происходит выделение разностной частоты f1 поступивших на его входы сигналов, и с его выхода сигнал частоты f1 поступает на один вход делителя 8 частот сигналов. Аналогичным образом происходит обработка сигнала моды Е011 с частотой F2 f1 во втором канале 10 преобразователя 7 частот, в результате чего сигнал частоты f2 поступает с выхода смесителя 14 на второй вход делителя 8 частот сигналов. В последнем происходит деление частот поступивших на его входы сигналов. Полученная величина f1/f2 характеризует степень анизотропии исследуемого образца.

Аналогичным образом измеряют степень анизотропии с помощью устройств, показанных на фиг.3. Отличие заключается в обработке сигналов в преобразователе 7 частот. В частности, сигналы обеих мод колебаний резонатора подают через элемент устройства связи 6 на вход смесителя 15 первого канала 9 преобразователя 7 частот. В смесителе 15 происходит выделение разностной частоты (F1 F2 f1 + f2) поступивших на его вход сигналов. С выхода смесителя 15 полученный сигнал поступает на один вход смесителя 12, на другой вход которого с гетеродинного генератора 11 поступает сигнал с частотой F1 F2. В смесителе 12 происходит выделение разностной частоты (f2 f1) поступивших на его входы сигналов и с его выхода сигнал частоты (f2 -f1) поступает на один вход делителя 8 частот сигналов. Обработка сигнала второй моды резонатора осуществляется в канале 10 преобразователя частот аналогично тому, как и в канале 10 устройства, показанного на фиг.2 Сигнал частоты f2, полученный в результате этой обработки, поступает с выхода смесителя 14 на второй вход делителя 8 частот сигналов. Выходной сигнал последнего представляет собой функцию (1 f1/f2), характеризующую степень анизотропии исследуемого материала.

Измерение линейной плотности материала предложенным способом производят с помощью устройства, показанного на фиг.4. При этом сигналы обеих мод, полученные в результате взаимодействия исследуемого материала с их электрическими полями, обрабатывают аналогично тому, как описано выше для устройства по фиг.2. Отличие заключается в том, что сигнал частоты f1 c выхода смесителя 12 подают на вход делителя 16 частоты, где происходит деление его на коэффициент k. Как указывалось выше, этот коэффициент учитывает различие конфигурации электрических полей возбуждаемых мод колебаний резонатора.

Сигнал частоты f1/k поступает с выхода делителя 16 частоты на один вход счетчика-сумматора 17, на другой вход которого поступает сигнал частоты f2 с выхода смесителя 14. Сигнал на выходе счетчика-сумматора 17 представляет собой сумму (f1/k) + f2, характеризующую линейную плотность исследуемого образца.

Линейную плотность материала с помощью устройства, показанного на фиг.6, измеряют, как описано выше для устройства по фиг.4. Отличие состоит в том, что на вторые выходы смесителей 12 и 14 подают сигнал частоты Fo с общего гетеродинного генератора 19. Частота Fo (F1 + k F2)/(1 + +k) и занимают промежуточное значение между F1 и F2. Сигнал разностной частоты Fo F1 + f1 с выхода смесителя 19 поступает в делитель 16 частоты, где происходит его деление на коэффициент k. Результирующий сигнал частоты (Fo F1 + f1)/k поступает на первый вход вычитающего устройства 20, на второй вход которого поступает сигнал разностной частоты F2 f2 -Fo с выхода смесителя 14. Выходной сигнал частоты (f1/k) + f2 вычитающего устройства характеризует линейную плотность исследуемого материала.

Аналогичным образом измеряют линейную плотность с помощью устройства, показанного на фиг.7. Для измерения степени анизотропии сигнал с выхода делителя 16 частоты подают на первый вход смесителя 21, на второй вход которого поступает сигнал частоты F2 f2 F_o с выхода смесителя 14 второго канала 10 преобразователя частот. Смеситель 21 выделяет суммарную частоту поступивших на его входы сигналов. Результирующий сигнал частоты 2 (F2 -F1)/(k + 1) + (f1/k- f2) поступает на один вход смесителя 22, на другой вход которого поступает сигнал частоты 2 (F2 F1) с выхода гетеродинного генератора 23. Сигнал разностной частоты f1/k f2 с выхода смесителя 22 поступает на первый вход делителя 8 частот сигналов, на второй вход которого поступает сигнал частоты f1/k + f2 с выхода вычитающего устройства 20. Выходной сигнал делителя 8 частот представляет собой функцию (1 k f2/f1)/(1 + k f2/f1) и характеризует степень анизотропии диэлектрической постоянной исследуемого материала.

С помощью устройства, показанного на фиг.8, предложенный способ реализуют следующим образом. В отсутствие образца в резонаторе 1 возбуждают две резонансные моды колебаний с частотами F1 и F2, как описано выше. Сигнал одной моды подают на вход смесителя 12, сигнал другой моды на вход смесителя 14. На другие входы смесителей поступает сигнал с частотой F гетеродинного генератора 19. С выхода смесителя 12 сигнал частотойF2 F1| поступает на другой вход микропроцессора 24, в блоке памяти которого запоминаются указанные значений частот. Далее в резонатор 1 помещают образец исследуемого материала и повторяют измерения. При этом с выхода смесителя 12 на первый вход микропроцессора 24 поступает сигнал частотойF1 f1 F| а с выхода смесителя 14 на второй вход микропроцессора 24 сигнал частотойF2 f2 F| В микропроцессоре 24 происходит выделение сдвигов частот f1, f2 резонансных мод колебаний или их комбинаций и формирование любой из указанных выше функций f1 и f2 по алгоритму, аналогичному алгоритму работы описанных выше устройств.

П р и м е р. Измерялись линейная плотность и анизотропия плотных полупродуктов хлопчатобумажного производства.

Аналогично фиг.1 рабочий резонатор был изготовлен в виде куба со стороной 10 см. Щель шириной 5 мм заканчивается круглым отверстием диаметром 10 мм. Для снижения искажения распределения поля из-за щели она снабжена медными щечками шириной 20 мм, образующими запредельный волновод. Частоты резонансных мод Е110 и Е011 оказались близки к 2.1 ГГц с разницей около 50 МГц. Значения этих частот практически совпадают с расчетом по приведенным выше формулам несмотря на наличие щели.

Для измерения анизотропии полупродуктов хлопчатобумажного производства измеряли функцию f1/f2 в соответствии с п.2 формулы предлагаемого способа. На фиг.9 по оси абсцисс отложен коэффициент распрямленности волокон, которым можно характеризовать анизотропию таких полупродуктов. Практически его измеряют ручным способом по методу Леонтьевой-Линдслея (C.H.Lindsley. Textile Research Journal, 1951, v. 21, N 1, p.39; Леонтьева И.С. Технология текстильной промышленности, 1964, N 2, с.58). Чем больше распрямлены волокна, тем лучше они расположены вдоль оси полупродукта, тем больше анизотропия такого образца. По оси ординат отложены значения f1/f2, полученные с помощью макета предлагаемого устройства. Для измерения использовались полупродукты различной технологии приготовления (а значит с различной распрямленностью волокон) с линейной плотностью от 3 до 5 ктекс. Результаты измерения ложатся на одну прямую независимо от линейной плотности. Видно, что отношение сдвигов частот f1/f2 пропорционально коэффициенту распрямленности волокон, т.е. степени анизотропии таких образцов.

На фиг.10 показаны результаты одновременного измерения предложенным способом линейной плотности и анизотропии полупродукта. Измерения проводили с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг.5. Опыт состоял в следующем. Сначала измеряли линейную плотность хлопчатобумажной ленты плотностью около 3,57 ктекс и коэффициент распрямлемнности волокон предлагаемым способом с шагом перемещения вдоль ленты 1 см. Для сравнения линейную плотность того же участка ленты измеряли с помощью современного прибора, первичный преобразователь которого представляет собой плоский конденсатор с электрическим полем, перпендикулярным плоскости ленты. После этого ленту туго перевязывали нитью из искусственного волокна толщиной около 15 мкм. Это заведомо не искажало линейной плотности ленты, но заметно уменьшало ориентацию волокон вдоль ленты вблизи перевязи, уменьшая анизотропию образца. Все измерения повторяли с перевязанным участком ленты.

На фиг. 10 по оси абсцисс отложена координата точки измерения. Ординаты всех трех кривых, показанных на фиг.10, представляют собой отношения соответствующих величин в этих двух последовательных сериях измерений. Это позволяет наглядно представить относительные изменения всех измеряемых величин при контролируемом изменении структуры полупродукта. Кривая А показывает уменьшение отношения f1/f2 примерно на 15% на месте перевязи, т.е. уменьшение степени анизотропии в этом месте; кривая В результаты измерения линейной плотности предложенным способом (отклонения на исследуемом участке не превосходят 2%); кривая С результат измерения линейной плотности того же участка стандартным современным датчиком линейной плотности. Он зарегистрировал ложное увеличение линейной плотности, так как в результате перевязи увеличилась доля участков волокон, направленных вдоль поля, а значит возросла эффективная диэлектрическая постоянная материала по оси, перпендикулярной плоскости ленты. То же произойдет при измерении линейной плотности в подобном эксперименте с помощью способа, описанного в прототипе, так как там для этого используют лишь одну моду, имеющую определенное направление электрического поля, а значит реагирующую и на изменение степени анизотропии.

Предлагаемый способ позволяет измерять линейную плотность безотносительно к степени анизотропии волокон в ленте.