SU1281986A1 - Способ определени коэффициента пропускани средой волны электромагнитного излучени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технич. физике. Цель изобретени  - повьшение точности измерений - достигаетс  изменением плотности энергии падающей волнп на величину, кратную порогу чувствительности измерительного преобразовател  (ИИ), и в пределах квазилинейного участка его передаточной хар-ки, фиксированием измененных плотностей потоков энергии преломленной X.j и падающей Х волн. Коэф. пропускани  Т определ етс  по ф-ле

Description

ю

00

Итобретение отнпситс  к технической физике и может найти применение при исследовани х сред, отногитель- FIO прозрачных в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн, и мо- жет использоватьс  дл  контрол  или анализа электрофизических характеристик полупровод щих и диэлектрических материалов с применением бесконтактных методов измерений, а так- же при автоматическом контроле или акапизе сред с помощью вычислительно-управл ющих комапексов на базе спетщализированных микро-ЭВМ, при измерени х пропусканий сред с помощью акустических или радиоактивных источников излучений (рентгеновского, гамма- или корпускул рного), а также методологически при измерени х незлектрических величин.

Цель изобретени  - повышение точности измерений.

На фиг.1 приведена структурна  электрическа  схема устройства, реализующего способ определени  коэффициента пропускани  средой волны электромагнитного излучени ; на фиг.2 и 3 - варианты устройства; на фиг.А - графики, по сн ющие способ .

Устройство (фиг.О содержит управл емый СВЧ-генератор 1, соединенный с передающей антенной 2, между которой и приемной антенной 3 ввод т исследуемую среду 4, Выход приемной антенны 3 соединен с измерительным преобразователем 5, выход которого, в свою очередь, соединен с последовательной цепью, состо щей из вычислительно-управл ющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительно-управл ющего блока 6 команды упралени  подаютс  на СВЧ-генератор 1.

Устройство (фиг.2) содержит упра л емый СВЧ-генератор 1, соединенный через симметричный разветвитель СВЧ-мощности с измерительным 9 и опным 10 каналами, выходы которых подключены к входам управл емого пере- ключател  11 каналов. В измерительн канале 9 установлена волноводна   чка 12 с исследуемой средой А, а вых управл емого переключател  11 каналов соединен с последовательной це- пью, состо щей из измерительног о преобразовател  5, вычислительно- управл ющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительнп-уп

5

5

0 0

-5 5 д

0

0

рав;г ющего блока Ь команды упраплс.- ни  подаютс  на СВЧ-генератор I и переключатель )1 каналов.

Устройство (фиг.З) состоит из управл емого лазера 13, пол ризованное излучение которого через управл емый ослабитель 14 падает на поверхность исследуемой среды А. Пре- лог-1ленное излучение на выходе его из исследуемой среды 4 фокусируетс  коллиматором 15, с выхода которого подаетс  на вход измерительного преобразовател  5, выходом соединенного с последовательной цепью, состо щей из вычислительно-управл ющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительно-управл ющего блока 6 команды управлени  подаютс  на управл емый лазер 13 и управл емый ослабитель 14. Схема устройства допускает изъ тие исследуемой среды 4 из измерительного тракта.

На фиг.4 показаны два рабочих участка () и (У,- У ), т.е. В, В и Г, Гг , передаточной характеристики измерительного преобразовател  5 в параметрическом

У AI+ К, (1)

У Аг+ (2)

и временном

У Fdj- Т,)} (3) У А(Т4- Т,) (4)

ее представлени х,

где А,, начальные уровни выход- ныз сигналов измерительного преобразовател  5 на первом и втором участках его передаточной характеристики ,

К,, чувствительности измерительного преобразовател  5 по отношению к входным сигналам X на первом и втор ом участках его передаточной характеристики ,

п,, п,- показатели нелинейности первого и второго участков передаточной характеристики измерительного преобразовател  5, (T- lj) () -врем  уравновешивани  выходного сигнала У измерительного преобразовател  на квазилинейных отрезках В, В,и Г, Г его передаточной характеристики .

При этом У - выходной сигнал - отклик измерительного преобразовател  5 на входной сигнал X.

Вследствие квазилинейности участков В, Г, Г передаточной характеристики

п, n 1 (5)

а соотношени  (1) и (2) преобразуютс  к виду

У А,+ К,Х (6) У А,,+ (7) В исходном состо нии исследуема  среда 4 вьшедена из измерительного тракта (промежутка между передающей 2 и приемной 3 антеннами).

Первоначально по команде вычислительно-управл ющего блока 6 включают СВЧ-генератор 1 и устанавливают мощность Р, его квазймонохроматичес- кого излучени . Затем фиксируют датчиком измерительного преобразовател  5 нормальную составл ющую СВЧ- мсмцности PJ (точка А на квазилинейном учасгке Г, Г передаточной характеристики измерительного преобразовател  5, фиг,4), после чего отмечают на выходе измерительного преобразовател  5 результат У, фиксировани  им мощности Р, , который аналитически описьшают квазилинейной зави симостью вида

У, А,+ К, Р, , (8) где А, - начальньм уровень выходного сигнала У, измерительного преобразовател  5 в момент измерени  мощности Р, ; крутизна в точке А квазиК .

линейного участка Г, Г передаточной характеристики .

Далее ввод т в запоминающее устройство вычислительно-управл ющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У измерительного преобразовател  5, алгоритм аналитического описани  (В) выходного сигнала У, .

Затем ввод т в промежуток между передающей 2 и приемной 3 антеннами исследуемую среду 4 таким образом , что исследуема  область ее- находитс  в минимуме отражени  падающего , зондирующего излучени  мощностью Р, (т.е. в максимуме пропускани ) . Исследуемую среду 4 - - полупроводниковый материал в зтом случае ориентируют по исследуемому кристаллографическому направлению характеризукицемус  веро тным про-5

fO

f5

30

81986

пусканием Т,

падающего, зондирующего излучени  мощностью Р, , после чего фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составл ющую падающей СВЧ-мощности Р, на выходе ее из исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность

PJ . (9) (точка Б на квазилинейном участке В,В передаточной характеристики измерительного преобразовател  5 (фиг.4).

Далее отмечают на выходе измерительного преобразовател  5 результат Yj фиксировани  им мощности Р , который аналитически описьшают квазилинейной зависимостью вида

К (,) (10)

Аг

К,Р2

V

где А- - начальный уровень выходного сигнала У измерительного преобразовател  5 в момент измерени  мощности Р, ; Kj - крутизна в точке Б квази- линейного участка В, Bj передаточной характеристики.

Затем ввод т в запоминающее устройство вычислительно-управл ющего . блока 6 кодовое значение выходного сигнала У, алгоритм аналитического описани  (10) выходного сигнала У . После зтого по команде вычислительно-управл кнцего блока 6 измен ют мощность излучени  Р СВЧ-генератора 1, падающую на исследуемую среду , на величину (-Р, ) , кратную порогу чувствительности измерительного преобразовател  5 в пределах соотношени 

40

(dP.I ЭеР,

nip

(11)

где

5

je - 2 - 3 - коэффициент пропорциональности ; Рдф - известное значение пороговой чувствительности измерительного преобразовател  5 с учетом внутренних (шумовых ) и сторонних (фоновых) помех. Слабое изменение (+ЛР,) падающей мощности Р, , в пределах соотношени  (11), вызывает на передаточной ха- с рактеристике (фиг.4) квазилинейную вариацию

(, ) БВ (12)

или же квазилинейную вариацию

0

(-T,,(iP, ) BBj (13)

нормальной составл ющей мощности P в пределах соотношени 

Р, Т(Р, + йР, ) , (14) где мойщост PJ - результат преломлени  исследуемой средой 4 падающей на нее мощности (Р, ± 4 Р, ) СВЧ- генвратора 1.

Как видно из графической зависимости (фиг.4) слабое изменение (- UP, ) падающей мощности Р( , в пределах соотношени  (11), вызывает на передаточной характеристике квазилинейную вариацию (13), и так как точка Bj находитс  ближе к значению Г„ф измерительного преобразовател  5 нежели точка В., то естественно, что квазилинейна  вариаци  (13) приводит к возрастанию суммарной относительной погрешности измерительного преобразовател  5.

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

Далее фиксируют датчиком измерительного преобразовател  5 нормальную сост-авл ющую падающей СВЧ-мощ- ности (Р, + д 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 преобразовател  5 результат У фиксировани  им мощности Р, который аналитически описьюают квазилинейной зависимостью вида У, A,,+ , А,+ (Р, +лР,)

(15)

где AJ- начальный уровень выходного сигнала измерительного преобразовател  5 в момент измерени  им мощности РЗ. После этого ввод т в запоминающее устройство вычислительно-управл ющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала Уд, алгоритм анали- ,тического описани  (15) выходного сигнала Уд . Далее вывод т исследуемую среду 4.

Фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составл ющую мощности

Р (Р, + ДР, ) (16) излучени  СВЧ-генератора 1, что соответствует точке Fj на квазш1иней- ном участке Г,Г передаточной характеристики измерительного преобразовател  5 (фиг.4), после че го отмечаfO

30

819866

ют на выходе измерительного преобразовател  5 рез ультат У фиксировани  им мощности Р, которьй аналитически описывают квазилинейной зависимостью вида

У4 А4+ К,Р4 К,(Р, + ДР, ) (17) где А - начальный уровень выходного сигнала У измерительного преобразовател  5 в момент измерени  мощности Р . Далее ввод т в запоминающее устройство вычислительно-управл ющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У, алгоритм аналитического 5 описани  (17) выходного сигнала У .

Как показали экспериментальные результаты применени  предлагаемого способа измерени , суммарное врем  проведени  четырех измерительных Тактов (8), (10), (15) и (17), учи- тьша  и врем  вьмислени  значени  Т вычислительно-управл ющим блоком 6, находитс  в пределах 0,6, - 0,8с. Это позвол ет прин ть в пределах квазилинейного участка передаточной характеристики (фиг.4) измерительного преобразовател  5

А AS (18)

в пределах квазилинейного участка Г, Fjj передаточной характеристики (фиг.4) измерительного преобразовател  5

А,- А4 (19)

20

25

Затем ввод т в запоминающее уст- 35 ройство вычислительно-управл ющего блока 6 услови  (18) и (19), после чего вычислительно-управл ющий блок 6 определ ет промежуточные результаты:

У,- У К,Т,Р, ЛР, i

40

У - У( К,Р, Ь Р J

1

К,

к.

45

У

У

уГ

(20) (21)

(22)

50

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

Далее ввод т в запоминающее устройство вычислительно-управл ющего блока 6 алгоритмы

55

к, Ко (1 + йК.) ; (23)

(1 ЬК,) (24)

к - к о

аналитических описаний чувствитель- ностей К, и К2 измерительного преобразовател  5 на квазилинейных

7 и В, В,

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

Затем вьпшслительно-управл ющий блок 6 на основании введенных в его запоминаюо;ее устройство алгоритмов (23) и (2Д) определ ет промежуточный результат

12

Т

(25)

После этого ввод т в запоминающе устройство вычислительно-управл ющего блока 6 кодовые значени  погрешностей л К, и AKg чувствительности измерительного преобразовател  5 на квазилинейных участках Г, Г и В , В его передаточной характеристики (фиг.4).

Далее вычислительно-управл ющий блок 6 на основании введенных в его запоминающее устройство кодовых значений выходных сигналов У - У измерительного преобразовател  5 и погрешностей К, и К его чувствительности определ ет по алгоритму (25) значение пропускани  Т исследуемой средой 4 квазимонохроматического , зондирующего излучени  Р, СВЧ-генератора 1.

.1

По команде вычислительно-управл щего блока 6 индицируют результат измерени  пропускани  Тл исследуемой среды 4 на цифровом индикаторе 7 после чего по команде вычислительно управл ницего блока 6 устанавливают первоначальное значение Р, мощности СВЧ-генератора 1 и выключают его.

На этом процесс измерени  пропускани  1 исследуемой средой 4 падак цего, квазимонохроматического, зондирующего излучени  Р, СВЧ-генератора 1 оканчивают.

Из соотношени  (25) видно, что пр предлагаемом способе измерений точность определени  пропускани  Т. исследуемой среды 4 зависит лишь от остаточных мультипликативных погрешностей ДК,,йК2 чувствительности измерительного преобразовател  5 на квазилинейных участках (У4--У, ), (УЗ - У) его передаточной характеристики (фиг.4). Это  вл етс  повьш1ени- ем точности измерени  пропускани  исследуемой средой волны электромагнитного излучени  в сравнении с известными способами измерений.

й

1281986

Использование устротЧства по фиг ,2 позвол ет устанавливать стационарно в измерительном канале 9 исследуемую среду 4. При этом результаты (18) с и (17) фиксировани  СВЧ-мощностсй

Р, и Р получают при подключении опорного канала 10 к входу измерительного преобразовател  5, результаты (10) и (15) фиксировани  СВЧ -мощностей PJ и PJ получают при подключении измерительного канала 9 к входу измерительного преобразовател  5. Измерительный 9 и опорный 10 каналы подключают к входу измерительного

преобразовател  5 с помощью управл емого переключател  11, управл емого (по программе) вычислительно- управл ющим блоком 6. В остальном

процесс измерени  пропускани  Тд исследуемой средой 4 с использованием структурной схемь по фиг.2 полностью идентичен процессу измерени  пропускани  Т, исследуемой средой 4 с использованием структурной схемы по

фиг.1.

Недостаток этого варианта устройства (фиг.2) состоит в необходимости нулевой балансировки измерительного 9 и опорного 10 каналов перед установкой исследуемой среды 4 в  чейку

измерительного канала 9. Так как суммарное врем  проведени  четьфех измерительных тактов (8), (10), (15) и (17), учитыва  и врем  вычислени 

значени  f вычислительно-управл ющим блоком 6, находитс  в пределах 0,6-0,8 с, то уход нул  балансировки незначителен в течение времени измерени  и им можно пренебречь.

Использование устройства по фиг.З позвол ет определ ть пропускани  Тл исследуемой средой 4 в оптическом диапазоне длин волн квазимонохроматических излучений управл емого лазера 13.

Процесс измерени  методологически идентичен процессу измерени  с использованием устройства по фиг.1. Датчик измерительного преобразовател  5 фиксирует нормальные составл ющие интенсивностей Л, - 3 потоков зондирующих излучений, при этом результаты У фиксирований интенсивностей 3 аналитически описьшают квазилинейными зависимост ми

У А + КЗ ,

характеризующими квази.аинейные участки В, Bj и Г, Г передаточной харак9I

теристики измерительного преобразовател  5 (фиг.4).

Слабое изменение интенсивности 3 излучени  управл емого лазера 13 провод т по команде вычислительно-уп- ;равл ющего блока бис помощью ослабител  14. При этом так же, как и при использовании устройства по фиг.1, In 1 - VF .

I Mil - fl nip

35 т, (3,± u:i,) 3 ± ,

Claims (1)

1. (соотношени  (11) и (14)). Формула изобретени 

   Способ определени  коэффициента пропускани  средой волны электромагнитного излучени , основанный на облучении среды квазимокохроматичес- ким излучением и фиксировании измерительным преобразователем плотностей потоков энергий падающей X, и преломленной X,j волн, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , измен ют плотность энергии падающей волны на величину, кратную порогу чувствитель28198610

   ности измерительного преобразовател  и Б пределах квазилинейного участка его передаточной характеристики, фиксируют измененные плотности пото- 5 ков энергий пр,еломпенной Х и падающей Х волн, а коэффициент пропускани  Т определ ют по формуле

   10 Т

   ( &К,) (у, - yj

   ( 1 + лк) . (у - у7Т

   где ЛК , ЛК

   l а У4

   погрешности чувствительности измерительного преобразовател  на квазипиМейных участках его передаточной характеристики,

   результаты фиксировани  измерительным преобразователем плотностей потоков энергий волн зондирующего

   излучени  Х, Х, . Х соответственно.

   3

   1

   . /

   . //г.

   Ф.