Прибор для определения диэлектрической проницаемости материалов

Радио 2008 №9

Прибор может быть полезным в радиолюбительской практике при оценке диэлектрической проницаемости образцов пластмасс, керамики, других изоляционных материалов, а также специалистам и коллекционерам при идентификации и систематизации образцов минералов. При разнообразии конструкций ёмкостного датчика можно существенно расширить возможности устройства.

Прибор предназначен для определения диэлектрической проницаемости пластмасс, минералов и керамики и идентификации их по этому параметру. Идея создания прибора и разработка датчика принадлежат канд. хим. наук Г. Г. Петржику. Устройство может найти применение у радиолюбителей и специалистов, занимающихся сбором, коллекционированием и обработкой минералов. Принцип определения диэлектрической проницаемости основан на увеличении ёмкости датчика при плотном соприкосновении его поверхности со шлифованной поверхностью диэлектрика (минерала) и соответствующем увеличении коэффициента передачи высокочастотного сигнала в измерительной цепи с этим ёмкостным датчиком.

Рис.1

На рис. 1 показана электрическая схема прибора. На транзисторе VT1, катушке индуктивности L2, конденсаторах С1-С3 и резисторах R1- R3 собран генератор гармонических колебаний с частотой около 2,5 МГц. С выхода генератора сигнал поступает на один электрод гребенчатой структуры ёмкостного датчика В1. С другого подобного электрода наводимый через ёмкость датчика сигнал поступает на детектор, выполненный на диоде VD1 и интегрирующей RC-цепи R10C9. Этот детектор отличается относительно низким входным сопротивлением и поэтому мало подвержен ВЧ наводкам и помехам. Минимизации наводок от сети на датчик служит и дроссель L3, представляющий для низких частот малое сопротивление. Выпрямленное напряжение на входе аналого-цифрового преобразователя почти пропорционально диэлектрической проницаемости подложки датчика и расположенного на датчике образца материала. АЦП с 3,5-разрядным цифровым ЖК индикатором (HG1) выполняет роль милливольтметра. Инвертор на транзисторе VT2 создаёт сигнал, необходимый для высвечивания точки между вторым и третьим знаками индикатора. Максимальное значение диэлектрической проницаемости, показываемое индикатором, равно 19,99.

Питание прибора - автономное от батареи "Корунд" или аккумуляторной батареи на напряжение 9 В (например, "Ника", 7Д-0125Д).

Рис.2

На рис. 2 представлен эскиз конструкции измерителя диэлектрической проницаемости с ёмкостным датчиком, который расположен снаружи пластмассового корпуса с размерами 80x70x35 мм, использованного автором от антенного усилителя (ТАУ-1). Второй вариант конструкции отличается от показанного на рис. 2 тем, что датчик расположен со стороны, противоположной индикатору. В этом случае прибор оказывается удобно накладывать на крупный массив идентифицируемого минерала сверху.

Внутри корпуса прибора расположены батарея питания и печатная плата с остальными элементами устройства - с одной стороны платы, и ЖК индикатор - с другой. Для индикатора и датчика в корпусе вырезаны прямоугольные отверстия соответствующих размеров. Отверстия для регулировки подстроечных резисторов должны быть доступны и расположены так, чтобы при калибровке не мешать расположению образца на поверхности датчика и наблюдению за показаниями.

Пластина ёмкостного датчика В1 выполнена из односторонне фольгированного стеклотекстолита с вытравленными или вырезанными из металлизации обкладками с шириной проводников и зазоров между ними 0,8...1 мм при ширине "гребёнок" 8...10 мм. Датчик прикреплён к корпусу потайными винтами М2,5 на изоляционных втулках высотой 8...10 мм. Возможны и другие варианты крепления датчика. Внутри корпуса между датчиком и электронным блоком на расстоянии не ближе 10 мм нужно поместить электрический экран из бронзовой или медной фольги для уменьшения влияния рук на показания при калибровке и измерении. Провода, соединяющие датчик с устройством, и головки винтов не должны выступать над гребёнками. Наложенный на датчик образец исследуемого материала должен закрывать всю поверхность "гребёнки".

Колебательный контур генератора выполнен на основе дросселя ДПМ-0,1 (L2) и конденсаторов С2, С3. Катушка связи L1 имеет 20 витков провода ПЭЛШО 0,15, намотанного поверх катушки дросселя. Такой же дроссель использован в качестве индуктивности L3.

Конденсаторы С1-С3, С7, С9, С11, С12 - слюдяные, керамические термостабильных групп ТКЕ (т. е. кроме Н10-Н90) или плёночные группы К73; С5, С8 - тоже керамические.

Вместо диода Д9Е можно использовать другой германиевый - например, Д18, ГД503А.

Перед началом измерений прибор необходимо откалибровать, для чего, включив питание, с помощью подстроенных резисторов R4, R7, выведенных в отверстия в корпусе для регулировки под шлиц, добиваются показаний индикатора, соответствующих относительной диэлектрической проницаемости воздуха е_r = 1 и образца материала с известным значением параметра е_r. Напряжение постоянного тока на выходе детектора должно быть в пределах, достаточных для установки подстроечным резистором R4 показаний индикатора в трёх разрядах - 1,00. Затем, приложив плотно к датчику гладкую (шлифованную) поверхность образца материала с известной диэлектрической проницаемостью, имеющей небольшой разброс (например, гетинакс - его е_r = 5), посредством подстроечного резистора R7 выставить показания ЖК индикатора в соответствии со значением диэлектрической проницаемости выбранного калибровочного материала. Повторяя калибровку подстройкой резистора R4, добиваются уточнения показаний, соответствующих значениям диэлектрической проницаемости воздуха и используемого образца. Поверхности идентифицируемых материалов, имеющие площадь касания меньше размеров датчика, должны быть одинаковыми по толщине и площади с образцом, используемым для калибровки. В иных условиях и задачах датчик может иметь другую конструкцию, обусловленную формой, размерами и физическим состоянием образцов.

В качестве материалов калибровочного образца можно также рекомендовать полистирол, оргстекло, мрамор (в таблице указаны значения относительной диэлектрической проницаемости твёрдых диэлектрических материалов, используемых, в частности, в радиотехнике и электронике). Для указанных размеров ёмкостного датчика толщина исследуемого диэлектрика должна быть не менее 5 мм, иначе реальное значение параметра окажется заниженным.

От редакции. Прибором фактически проводят относительные измерения, сравнивая диэлектрические свойства известного диэлектрика и образца исследуемого материала. Чем ближе они по значению оцениваемого параметра, тем меньше погрешность в измерении параметра; близкие размеры и просушка образцов также способствуют повышению точности показаний.

Л. КОМПАНЕНКО, г. Москва

BACK