阻抗法測(cè)量材料介電譜的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、本課題源于項(xiàng)目《材料的介電譜檢測(cè)》，創(chuàng)新性的提出了利用微弱信號(hào)正交檢測(cè)技術(shù)測(cè)量待測(cè)材料在不同頻率下的阻抗譜，從而間接獲得材料介電譜的方法。該方法試圖在109Hz內(nèi)的頻段范圍探索在外加高頻激勵(lì)電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)材料在弛豫過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生諧振，反映到介電譜上即是否有譜峰的存在。該方法若能實(shí)用化，將在違禁品的檢測(cè)，生物醫(yī)藥的成份分析，珠寶鑒定等諸多領(lǐng)域都具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 該檢測(cè)系統(tǒng)主要由I～V轉(zhuǎn)換單元，正交信號(hào)發(fā)生單元，矢量檢

2、測(cè)單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。目標(biāo)是在寬廣的頻率范圍內(nèi)能夠檢測(cè)到損耗角正切值在10-3數(shù)量級(jí)以?xún)?nèi)的介電材料的矢量信號(hào)以獲得與頻率相關(guān)的阻抗譜，再根據(jù)該材料的阻抗同其介電常數(shù)對(duì)應(yīng)的矢量關(guān)系獲得介電譜。由于該檢測(cè)方法尚屬探索實(shí)踐階段，加之實(shí)驗(yàn)條件的限制，頻段暫定在100Hz至2MHz的范圍內(nèi)，而這己大大超過(guò)常見(jiàn)的RLC測(cè)試儀的測(cè)量范圍。 本文通過(guò)建立電路的數(shù)學(xué)模型，分析說(shuō)明了目前較成熟的阻抗譜檢測(cè)方法存在的優(yōu)勢(shì)和不足。在此基礎(chǔ)上，確定了

3、通過(guò)提取與待測(cè)材料相關(guān)的電流和電壓的正交分量來(lái)獲取材料的幅度及相位信息的阻抗譜檢測(cè)方案。通過(guò)理論分析與大量的仿真和實(shí)驗(yàn)電路測(cè)試，論證了方案的可行性，并對(duì)電路方案進(jìn)行了多次優(yōu)化。整個(gè)電路的設(shè)計(jì)是具有創(chuàng)新性的。 本文的新穎之處在于：在正交信號(hào)發(fā)生單元，通過(guò)最簡(jiǎn)單的邏輯電路產(chǎn)生相位可與檢測(cè)的正弦信號(hào)保持同步的高質(zhì)量的正交方波信號(hào)；在I～V轉(zhuǎn)換單元，設(shè)計(jì)了電流量程跨越5個(gè)數(shù)量級(jí)(1nA至10μA)的高靈敏度I～V轉(zhuǎn)換電路，提高了不同頻段

4、測(cè)量的精度和范圍；在矢量正交檢測(cè)單元，提出的方波和正弦波相乘以提取待測(cè)材料的幅度和相位信息的新方法不僅能保證測(cè)量精度，而且大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中已證明了該方法的可行性；為了濾除高頻分量及噪聲，采用歸一化法設(shè)計(jì)了截止帶寬10Hz的高陡峭度MFB低通濾波器。另外，包含待測(cè)材料相幅信息的直流分量通過(guò)MATLAB平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以獲得待測(cè)材料的阻抗譜。最后，文章還對(duì)目前設(shè)計(jì)中存在的不足之處進(jìn)行了分析，提出了部分更為合理的電路解決方案與