Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

диодах Ганна, имеющие почти идентичные электрические и температурные харак-

теристики и питающиеся от источника постоянного напряжения, подсоединяют к симметричным плечам согласованного двойного Т-образного моста. Частота выход-

ного сигнала (разность ( f0 f ) ) является мерой диаметра нити.

Кратковременная нестабильность разности частот двух генераторов типичного варианта такой установки, измеряемая цифровым счетчиком, оказалась менее 5 кГц,

в то время как долговременная нестабильность после получаса прогрева составила около 20 кГц/ч. Источником этой долговременной нестабильности является, глав-

ным образом, различие в «тепловом» поведении генераторов. Существенное улуч-

шение стабильности достигается размещением генераторов в одном металлическом корпусе.

При измерении диаметра нейлонового моноволокна погонной массой от 40 до

80 мг/м с диаметром, соответственно, от 0,21 до 0,29 мм погрешность определения составила менее 1 %.

5.4 Измерение вибраций

Наиболее часто механические колебания (вибрации) представляют собой не-

желательные явления, накладывающиеся на полезные процессы в технологических установках. В то же время, вибрации могут создаваться принудительно и выполнять определенные функции, например в вибрационных питателях и конвейерах, исполь-

зуемых для транспортировки материалов.

Многие используемые для определения вибраций методы требуют контакта чувствительного элемента с проверяемыми объектами, что может привести к нару-

шению контролируемых процессов. СВЧ методы дают возможность безынерционно измерять виброперемещения, то есть амплитуды вибраций, виброскорости и вибро-

ускорения как контактно, так и бесконтактно, причем на достаточно больших часто-

тах, характерных для эксплуатации и испытаний технологических агрегатов [18].

СВЧ методы определения вибраций можно разделить на интерференционные и резонаторные [2]. Методы первой группы предполагают зондирование контроли-

81

руемого объекта ЭМИ СВЧ диапазона с последующим приемом и анализом отра-

женного объектом излучения. В пространстве между излучателем и объектом как результат интерференции будет образовываться стоячая волна. Наличие вибраций порождает амплитудную и фазовую модуляции отраженных волн и формирование сигналов биений. Амплитуда последних оказывается пропорциональной амплитуде вибраций, а частота зависит от частоты вибраций проверяемого объекта. При иполь-

зовании методов второй группы контролируемый объект помещают в ЭМП СВЧ ре-

зонатора. Под воздействием вибраций параметры резонатора меняются.

Интерференционный СВЧ измеритель вибраций может быть реализован на ба-

зе двойного волноводного Т-образного моста, баланс которого нарушается при ко-

лебании объекта (рисунок 5.12).

1 –объект; 2 –антенна; 3 – СВЧ генератор; 4 – двойной T-образный мост; 5 – детек-

тор; 6 – усилитель; 7 – индикатор; 8 – нагрузка Рисунок 5.12 – Схема измерителя вибраций на базе двойного Т-образного моста

ЭМИ, направленное антенной 2 на контролируемый объект 1, отражаются от последнего и принимается той же антенной. Мост 4 предварительно уравновешен для неподвижного объекта, из-за чего сигнал на выходе моста равен нулю. Отсут-

ствие сигнала получают регулировкой переменной нагрузки 8, содержащей, как правило, аттенюатор и подвижный короткозамыкающий поршень. Перемещение объекта выводит мост из равновесия, причем сигнал на выходе моста можно сделать пропорциональным этому перемещению и, следовательно, появляется возможность измерять амплитуды и частоты вибраций, а через них – и виброускорения.

82

Наименьшая фиксируемая усилителем 6 и индикатором 7 величина вибраций для подобной схемы измерителя определяется шумами, мощностью и нестабильностью СВЧ генератора 3, чувствительностью детектора 5, механической стабильностью установки и достигает 100 нм.

В другом варианте измерительная схема содержит трехплечий циркулятор

(рисунок 5.13).

Рисунок 5.13 – Схема измерителя вибраций на основе циркулятора

Колебания с СВЧ генератора 5 через плечи 6 и 4 циркулятора 7 поступают на антенну 2, которая излучает электромагнитные волны в сторону объекта 1, прини-

мает отраженные волны, которые через плечи 4 и 8 циркулятора 7 поступают на де-

тектор 9 и далее на усилитель 10 и индикатор 11. Сюда же поступает через плечи 4 и 8 циркулятора опорный сигнал, отраженный от специального штыря 3, расположен-

ного в волноводе между антенной и плечом 4 циркулятора. Размер опорного сигнала регулируется местом расположения штыря и глубиной его погружения в волновод.

Рассмотрим двухканальный измеритель вибраций с волноводным Т-образным мостом и двумя приемо-передающими антеннами (рисунок 5.14), предназначенный для измерения вибраций прокатываемой металлической полосы и станины в метал-

лургическом производстве.

83

объеме. Абсолютная влажность определяется массой воды, заключенной в единице объема вещества, а относительная влажность, выражаемая в процентах, – отношени-

ем массы воды, заключенной в единице объема вещества, к массе влажного веще-

ства в том же объеме.

СВЧ влагомеры обладают высокой чувствительностью, малыми погрешно-

стями, а также возможностью бесконтактного измерения и интегрального определе-

ния влажности во всем объеме проверяемого вещества [1]. Благодаря указанным до-

стоинствам методы СВЧ влагометрии широко применяются на практике для про-

верки жидкостей, газов, сыпучих и твёрдых объектов различных форм и размеров.

Эти методы основаны на использовании различия комплексной диэлектрической проницаемости воды и веществ, в которых эта вода содержится. Существуют мето-

ды, базирующиеся на определении поглощения ЭМИ влажным веществом в вариан-

тах «на отражение» или «на прохождение», на определении пропорционального вла-

госодержанию фазового сдвига или поляризации волн при их взаимодействии с влажным веществом и другие. Созданы разнообразные варианты конструкций СВЧ измерителей влажности резонаторного и волноводного типов, работа которых осно-

вана на изменении частоты резонатора или амплитуды, фазы, коэффициента отра-

жения и других параметров распространяющейся по направляющей системе волны,

зависящих от влажности находящегося в ЭМП резонатора или направляющей си-

стемы вещества [7].

Следует отметить, однако, что результаты измерения влажности СВЧ метода-

ми зависят от температуры, плотности материала и других неинформативных пара-

метров, что повышает погрешность этих методов. Уменьшить зависимость от плот-

ности и толщины слоя проверяемого вещества можно путем одновременного изме-

рения амплитуды A и фазового сдвига прошедшей через вещество волны.

Одновременное определение этих параметров A и может быть осуществле-

но методом «модулированной поднесущей частоты» с применением гомодинной двухканальной схемы. Затухание амплитуды A может быть определено прямым или уравновешенным, то есть с использованием образцового аттенюатора, преобразова-

нием. Фазовый сдвиг измеряют методом сравнения с помощью образцового фазо-

86

вращателя. Схема измерителя влажности рассматриваемым методом приведена на рисунке 5.15.

1 – генератор Ω; 2, 11 – двойные Т-образные мосты; 3, 12 – каналы, 4 – генератор ω;

5 – модулятор; 6 – фазовращатель; 7 – передающая антенна; 8 – слой проверяемого материала; 9 – приемная антенна; 10 – детектор; 13 – индикатор

Рисунок 5.15 – Схема измерителя влажности методом «модулированной поднесу-

щей частоты»

ЭМИ СВЧ генератора с частотой поступает в каналы 3 и 12. Колебания ка-

нала 3 модулируются частотой и, пройдя сквозь слой проверяемого материала,

смешиваются на детекторе 10 с немодулированными колебаниями канала 12. Вы-

ходной сигнал детектора имеет амплитуду, являющуюся функцией сдвига фазы не-

модулированных колебаний несущей частоты относительно модулированных коле-

баний «поднесущей» частоты.

От количества влаги в проверяемом материале зависят значения действитель-

ной ' и мнимой '' частей его относительной диэлектрической проницаемости:

Описать как функцию влагосодержания W и плотности сухого материа-

ла чаще всего не получается. Для многих мягких с низкой плотностью органических материалов (шерсть, табак, зерно, хлопок и так далее) в СВЧ диапазоне выражения

87

для величин ( '(W , ) 1) и ''(W , ) линейно зависят от плотности материала. Для больших плотностей и высокого влагосодержания эти выражения начинают отли-

чаться от линейных зависимостей, но считается, что результат вычисления по фор-

муле

зависит лишь от содержания влаги. Такое допущение справедливо для многих ис-

пользуемых в промышленности веществ в довольно дольших диапазонах изменения их плотности. Так, на рисунке 5.16 изображены графики экспериментально полу-

Рисунок 5.16 – Графики зависимостей ' , '' от влажности

88

Рисунок 5.17 – Графики зависимостей ' , '' и А от плотности

Эти данные подтверждают, что функция A(W ) постоянна в диапазоне изме-

нения плотности от 0,1 до 0,5 г/см3.

Параметр A(W ) можно определить, поместив контролируемый образец мало-

го размера в полость объемного резонатора. Тогда для этого параметра будет спра-

ведливо выражение

где f – собственная частота резонатора;

Q – добротность резонатора.

89

Индекс «1» соответствует пустому резонатору, индекс «2» – наличию веще-

ства в полости резонатора.

Для нахождения содержания влаги в нефтепродуктах используется практиче-

ски нечувствительный к сортности и температуре нефти способ его определения по разности поглощения ЭМИ в проверяемой нефти и эталонном веществе.

Наибольшей областью взаимодействия с проверяемым потоком нефтепродук-

тов и, значит, максимальной чувствительностью обладают датчики на базе полого металлического волновода, расположенного в трубопроводе и имеющего одинако-

вый с ним радиус внутреннего пространства. Сбор информации осуществляется с охватом всего сечения потока вещества на измерительном участке, то есть имеет место усреднение характеристик принимаемой волны. Так, изображенный на рисун-

ке 5.18 волноводный датчик предназначен для измерения влажности, например,

транспортируемой под давлением нефти.

Рисунок 5.18 – Чувствительный элемент волноводного датчика влажности

Измерительный волновод 1, в котором возбуждаются волны типа H11 , изго-

товлен из нержавеющей стали и имеет внутренний диаметр, равный диаметру тру-

бопровода. Рабочая частота составляет 9,4 ГГц. Возбуждение волн и съем мощности в волноводе осуществляются с помощью элементов связи в виде прямоугольных волноводов 2 и 3 через согласующие трансформаторы. На рисунке 5.19 показан та-

кой заполненный диэлектриком 5 согласующий переход 4 с прямоугольного волно-

вода на круглый.

90