Способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения

 

Изобретение относится к технич. физике. Цель изобретения - повьшение точности измерений - достигается изменением плотности энергии падающей волнп на величину, кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя (ИИ), и в пределах квазилинейного участка его передаточной хар-ки, фиксированием измененных плотностей потоков энергии преломленной X.j и падающей Х волн. Коэф. пропускания Т определяется по ф-ле

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1

am SU <в (5И 4 С 01 М 22 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3614552/24-09, 3714914/24-09 (22) 30. 06. 83 (46) 07.01.87, Бюл. М 1 (72) B. А. Таран, Ю, А. Скрипник и В.И.Водотовка (53) 621.317,34 1(088.8) (56) Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. — М.. Высшая школа, 1970, т.1, с. 100.

Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники./Под ред.

Б.Х.Кривицкого и В.Н.Дулина. — М.:

Энергия, 1977, т.1, с. 220. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ СРЕДОЙ ВОЛНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к технич. физике. Цель изобретения — повышение точности измерений — достигается изменением плотности энергии падающей волны на величину, кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя (ИП), и в пределах квазилинейного участка его передаточной хар-ки, фиксированием измененных плотностей потоков энергии преломленной Х> и падающей Xq волн. Коэф. пропускания Т> определяется по ф-ле

Т = P(1+5K, ). (У> — У))/((1+6K ) х х (У, — У, )), где йК,,ЬК вЂ” погрешности чувствительности ЙП на квазилинейных участках его передаточной хар-ки, У, У>, Уз, У вЂ” результаты фиксирования ИП. 4 ил!

? 81986!!зобретение относится к техниче<"кой физике и может найти применение при исследованиях сред, относительно прозрачных в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн, и мо- 5 жет использоваться для контроля или анализа электрофизических характеристик полупроводящих и диэлектрических материалов с применением бесконтактных методов измерений, а также при автоматическом контроле или анализе сред с помощью вычислительно-управляющих комплексов на базе специализированных микро-381 при измерениях пропусканий сред с помощью акустических ипи радиоактивных источников излучений (рентгеновского, гамма- или корпускулярного), а также методологически при измерениях неэлектрических величин.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства, ре25 ализующего способ определения коэфI фициента пропускания средой волны электромагнитного излучения; на фиг.2 и 3 — варианты устройства; на фиг.4 — графики, поясняющие способ.

Устройство (фиг.1) содержит управляемый СВЧ-генератор 1, соединенный с передающей антенной 2, между которой и приемной антенной 3 вводят исследуемую среду 4, Выход приемной антенны 3 соединен с измерительным преобразователем 5, выход которого, в свою очередь, соединен с последовательной цепью, состоящей из вычислительно-управляющего блока 6 и циф40 рового индикатора 7. От вычислительно-управляющего блока 6 команды управления подаются на СВЧ-генератор 1, Устройство (фиг. 2) содержит управ- 45 ляемый СВЧ-генератор 1, соединенный через симметричный разветвитель 8

СВЧ-мощности с измерительным 9 и опорным 10 каналами, выходы которых подключены к входам управляемого переключателя 11 каналов. В измерительном канале 9 установлена волноводная ячейка 12 с исследуемой средой 4, а выход управляемого переключателя 11 каналов соединен с последовательной цепью, состоящей из измерительного преобразователя 5, вычислительноуправляющего блока 6 и цифрового инппкатopR 7. От вычислительно-упра вл яюще го блока 6 команды v1Ip Rnnn" ния подаются н» 8 !-генератор и переключатель !1 каналов.

Устройство (фиг.3) состоит из управляемого лазера 13, поляризованное излучение которого через управляемый ослабитель 14 падает на поверхность исследуемой среды 4. Преломленное излучение на выходе его из исследуемой среды 4 фокусируется коллиматором 15, с выхода которого подается на вход измерительного преобразователя 5, выходом соединенного с последовательной цепью, состоящей из вычислительно-управляющего блока 6 и цифрового индикатора 7.

От вычислительно-управляющего блока 6 команды управления подаются на управляемый лазер 13 и управляемый ослабитель 14. Схема устройства допускает изъятие исследуемой среды 4 из измерительного тракта.

На фиг.4 показаны два рабочих участка (У -У,) и (У. — У< ), т.е.

В, В и Г, Г, передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 в параметрическом

У= А,+ К,Х; (1)

У = А,+ К,Х" (2) и временном

У = Р(Т, — Т ) (3)

У = А(Т вЂ” Тз) (4) ее представлениях, где А,, А, — начальные уровни выходных сигналов измерительного преобразователя 5 на первом и втором участках его передаточной характеристики, К,, К - чувствительности измерительного преобразователя 5 по отношению к входным сигналам Х на первом и втором участках

его передаточной характеристики, n, n — показатели нелинейности первого и второго участков передаточной характеристики измерительного преобразователя 5, (Т-Т)(Т-$) -время уравновешивания выходного сигнала У измерительного преобразователя на квазилинейных отрезках В,В,и Г, Г его передаточной характеристики.

3 12819

При этом У вЂ” выходной сигнал—

"отклик" измерительного преобразователя 5 на входной сигнал Х.

Вследствие квазилинейности участков В, В и Г, Г передаточной характеристики

n,=n= 1 (5) а соотношения (1) и (2) преобразуются к виду

У = А,+ К,Х (6) f0

У = А,+ К Х (7)

В исходном состоянии исследуемая среда 4 выведена из измерительного тракта (промежутка между передающей

2 и приемной 3 антеннами). 15

Первоначально по команде вычислительно-управляющего блока 6 включают СВЧ-генератор 1 и устанавливают мощность P, его квазимонохроматического излучения. Затем фиксируют дат- 20 чиком измерительного преобразователя 5 нормальную составляющую СВЧмощности P (точка А на квазилинейI ном участке Г< Г передаточной характеристики измерительного преобразователя 5, фиг.4), после чего отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У< фиксирования им мощности Р<, который аналитически описывают квазилинейной зави- 30 симостью вида

У,- A,+ К,Р,, (8) где А — начальный уровень выходно<

ro сигналаУ, измерительного преобразователя 5 в момент измерения мощности Р,;

К вЂ” крутизна в точке А квазиl линейного участка Г, Г передаточной характеристики. 40

86 4 пусканием Т падающего, зондирующего излучения мощностью Р<, после чего фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составляющую падающей СВЧ-мощности Р, на выходе ее иэ исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность

Р,= т Р< (9) (точка Б на кваэилинейном участке

В, В передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 (фиг.4).

Далее отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У фиксирования им мощности Рг, который аналитически описывают квазилинейной зависимостью вида

72= г+ КгРг= A + г тя где А — начальный уровень выходного

2 сигнала Уг измерительного преобразователя 5 в момент измерения мощности Р<, К вЂ” крутизна в точке Б кваэиг линейного участка В, В передаточной характеристики.

Затем вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала Уг, алгоритм аналитического описания (10) выходного сигнала У

После этого по команде вычислительно-управляющего блока 6 изменяют мощность излучения Р< СВЧ-генератора 1, падающую на исследуемую среду, на величину (P< ), кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя 5 в пределах соотношения (аР,(=жР„(11) Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У измерительного преобразоI вателя 5, алгоритм аналитического описания (8) выходного сигнала У< .

Затем вводят в промежуток между передающей 2 и приемной 3 антеннами исследуемую среду 4 таким образом, что исследуемая область еенаходится в минимуме отражения падающего, зондирующего излучения мощностью Р< (т.е. в максимуме пропускания). Исследуемую среду 4— полупроводниковый материал в этом случае ориентируют по исследуемому кристаллографическому направлению характеризующемуся вероятным проЮ где Ж вЂ” 2 — 3 — коэффициент пропорциональности;

F известное значение

45. пороговой чувствительности измерительного преобразователя 5 с учетом внутренних (шу50 мовых) и сторонних (фоновых) помех.

Слабое изменение (+дР< ) падающей мощности Р,, в пределах соотношения (11), вызывает на передаточной ха55 рактеристике (фиг.4) квазилинейную вариацию (+Т аР, ) = БВ„(12) или же квазилинейную вариацию ют на выходе H3Mpрительного преобразователя 5 результат У4 фиксирования им мощности Р, который аналитически описывают кваэилинейной зависимостью вида

У< = А + К P = А4+ К< (P, + аР< ) (17) где А — начальный уровень выходно4 го сигнала У измерительФ ного преобразователя 5 в момент измерения мощности Р .

Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У, апгоритм аналитического описания (17) выходного сигнала У4 .

Как показали экспериментальные результаты применения предлагаемого способа измерения, суммарное время проведения четырех измерительных

1актов (8), (10), (15) и (17), учитывая и время вычисления значения Т вычислительно-управляющим блоком 6, находится в пределах 0,6 — 0,8.с.

Это позволяет принять в пределах

25 квазилинейиого участка В<В передаточной характеристики (фиг.4) изме.рительного преобразователя 5

А = Аз (18) в пределах квазилинейного участка

З0 Г, Г передаточной характеристики (фиг.4) измерительного преобразователя 5

1О

А< = А (19)

Затем вводят в запоминающее уст35 ройство вычислительно-управляющего блока 6 условия (18) и (19), после чего вычислительно-управляющий блок 6 определяет промежуточные результаты:

К< Уз — У

Т и е (22)

К У вЂ” У<

45 на оснований введенных в его запоминающее устройство .алгоритмов (8) (10), (15) и (17) и условий (18) и (19).

50 Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 алгоритмы аналитических описаний чувствительностей К, и К измерительного преобразователя 5 на квазилинейных

5 !281986 (-Т аР, ) = БВ (13) нормальной составляющей мощности Р в пределах соотношения

Р = Т (Р, + hP< ) = Р + Т АР (14) где моб ностц Р— результат преЭ ломления исследуемой средой 4 падающей на нее мощности (P, + h P, ) СВЧгенератора 1.

Как видно иэ графической зависимости (фиг.4) слабое изменение (- 6Р< ) падающей мощности Р<, в пределах соотношения (11), вызывает на передаточной характеристике кваэилинейную вариацию (13), и так как точка В находится ближе к значению

F„ измерительного преобразователя 5 нежели точка В<, то естественно, что квазилинейная вариация (13) приводит к возрастанию суммарной относительной погрешности измерительного преобразователя 5.

С учетом указанного при предлагаемом способе используют преимущественно квазнлинейную вариацию (12).

Далее фиксируют датчиком измерительного преобразователя 5 нормальную составляющую падающей СВЧ-мощности (Р, + 4 Р, ) на выходе ее из исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность Р— соотношение (14), что соответствует точке В, (фиг.4).

Затем отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У фиксирования им мощности P который аналитически описывают квазилинейной зависимостью вида

У» = А + К Рз А + К Т (Р, +< Р<) (15) где А - начальный уровень выходного з сигнала измерительного преобразователя 5 в момент измерения им мощности Р>.

После этого вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У> алгоритм анали<тического описания (15) выходного сигнала У« . Далее выводят исследуемую среду 4. фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составляющую мощности

Р = (P, + hP,) (16) излучения СВЧ-генератора 1, что соответствует точке Г на квазилинейном участке Г, Г передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 (фиг.4), после чего отмечаУ - У = К Т Р< Р< > (20) К<= Ко (1 + 4K ) > (23) (1 + hKz) 1281986

g cTKé Г, Г H В, В > eI o передаточной характеристики (фиг.4) .

Затем вычислительно-управляющий блок 6 на основании введенных в его запоминающее устройство алгоритмов (23) и (24) определяет промежуточный результат

1 + К» У вЂ” Уг

Т = (25)

+ Кг У4 t0

После этого вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовые значения погрешностей 6 К, и а Кг чувствительности измерительного преобразователя 5 на квазилинейных участках

Г, Г и В, В г его передаточной характеристики (фиг.4).

Далее вычислительно-управляющий блок 6 на основании введенных в его запоминающее устройство кодовых значений выходных сигналов У, — У измерительного преобразователя 5 и погрешностей К, и Кг его чувствительности определяет по алгоритму (25) значение пропускания Т> исследуемой средой 4 квазимонохроматического, зондирующего излучения Р<

Ф

СВЧ-генератора 1.

По команде вычислительно-управляющего блока 6 индицируют результат измерения пропускания Т исследуе h 35 мой среды 4 на цифровом индикаторе 7, после чего по команде вычислительноуправляющего блока 6 устанавливают первоначальное значение Р мощности

СВЧ-генератора 1 и выключают его.

На этом процесс измерения пропускания Т> исследуемой средой 4 падающего, квазимонохроматического, зондирующего излучения P СВЧ-генератора 1 оканчивают.

Иэ соотношения (25) видно, что при предлагаемом способе измерений точность определения пропускания Т> исследуемой среды 4 зависит лишь от остаточных мультипликативных погрешностей А К<,6 К чувствительности измерительного преобразователя 5 на кваэилинейных участках (У - У,), (У> — Уг ) его передаточной характеристики (фиг.4). Это является повьппением точности измерения пропускания исследуемой средой волны электромагнитного излучения в сравнении с известными способами измерений.

Использование устройства по фиг.2 позволяет устанавлинать стационарно в измерительном канале 9 исследуемую среду 4. При этом результаты (18) и (17) фиксирования СВЧ-мощностей

Р, и Р получают при подключении опор— ного канала 10 к входу измерительного преобразователя 5, результаты (10) и (15) фиксирования СВЧ -мощностей Р и Р получают при подключении измерительного канала 9 к входу измерительного преобразователя 5, Измерительный 9 и опорный 10 каналы подключают к входу измерительного преобразователя 5 с помощью управляемого переключателя 11, управляемого (по программе) вычислительноуправляющим блоком 6, В остальном процесс измерения пропускания Тд исследуемой средой 4 с использова ием структурной схемы по фиг.2 полностью идентичен процессу измерения пропускания Т исследуемой средой 4 с исЭ пользованием структурной схемы по фиг. 1.

Недостаток этого варианта устройства (фиг.2) состоит в необходимости

"нулевой" балансировки измерительного

9 и опорного 10 каналов перед установкой исследу-емой среды 4 в ячейку измерительного канала 9, Так как суммарное время проведения четырех измерительных тактов (8), (10), (!5) и (17)„ учитывая и время вычисления значения Т вычислительно-управляю% щим блоком 6, находится в пределах

0,6-0,8 с, то уход "нуля" балансировки незначителен в течение времени измерения и им можно пренебречь.

Использование устройства по фиг.3 позволяет определять пропускания Т> исследуемой средой 4 в оптическом диапазоне длин волн квазимонохроматических излучений управляемого лазера 13.

Процесс измерения методологически идентичен процессу измерения с использованием устройства по фиг.1.

Датчик измерительного преобразователя 5 фиксирует нормальные составлякнцие интенсивностей 3, — 3 потоков зондирующих излучений, при этом результаты У фиксирований интенсивностей 3 аналитически описывают квазилинейными зависимостями

У=А+К) характеризующими квазилинейные участки В, Вг и Г, Гг передаточной харак10 Т (1 + ьк,) (У - Vi) 9 1 281 теристики измерительного преобразователя 5 (фиг,4).

Слабое изменение интенсивности „ излучения управляемого лазера 13 проводят по команде вычислительно-уп- 5

-равляющего блока 6 и с помощью ослабителя 14. При этом так же, как и при использовании устройства по фиг.1 (-1 у

,- Т (S,+ ЬЗ„) = З, + Т З, (соотношения (11) и (14) ) .

986 10 ности измерительного преобразователя и в пределах квазилинейного участка его передаточной характеристики, фиксируют измененные плотности потоков энергий преломленной Х> и падающей Х волн, а коэффициент пропускания Т> определяют по формуле

Формула изобретения

Способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения, основанный на облучении среды квазимонохроматическим излучением и фиксировании изме20 рительным преобразователем плотностей потоков энергий падающей Х и преI ломленной Х волн, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения, изменяют 25 плотность энергии падающей волны на величину, кратную порогу чувствитель1 У, У, Уэ, У результаты фиксирования измерительным преобразователем плотностей потоков энергий волн зондирующего излучения Х,, Х, Х

Х соответственно. где ЬК<, ЬК - погрешности чувствительности измерительного преобразователя на квазнлинейных участках его передаточной характеристики, 1281 9Ч6

Фиг. Я

1 т

®ua 0

СоставитЕль Ю.Мамонтов

Редактор И.11иколайчук Техред Jt.|:åðäâêîâà Корректор А. Ильин

Заказ 7258/41 Тираи 776 Подписное

RHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4