基于LabWindows／CVI介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于labwindowscvi介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)介電常數(shù)是表征介質(zhì)材料電磁特性最重要的參量之一，為使其付諸用法，必需精確地知道介質(zhì)材料的復(fù)介電常數(shù)。本文介紹一套介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)軟件，它主要依據(jù)矩形腔微擾法對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)舉行測(cè)量。該辦法是測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的一種常用辦法，其具有計(jì)算簡(jiǎn)便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。該測(cè)試系統(tǒng)采納基于gpib的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為硬件平臺(tái)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中集成了帶有g(shù)pib接口的實(shí)際測(cè)量?jī)x器，能夠保證系統(tǒng)具有很高的測(cè)量精度。軟件開發(fā)平臺(tái)則采納圖形化軟件labwindowscvi，其優(yōu)點(diǎn)是集圖形化編程和文本語(yǔ)言編程于一體，其界面友好，操作簡(jiǎn)便，可大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)

2、周期。1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)該測(cè)試系統(tǒng)采納labwindowscvi開發(fā)環(huán)境，為使自動(dòng)測(cè)試軟件具有良好的儀器擴(kuò)展性，便于升級(jí)，采納模塊化編程風(fēng)格，使功能程序與驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)自立。功能程序是一個(gè)包括多個(gè)子程序模塊的可執(zhí)行文件，它通過(guò)調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)儀器的控制，并協(xié)調(diào)儀器間的工作，以完成滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試任務(wù)，同時(shí)提供與用戶交互的友好界面，完成數(shù)據(jù)處理。按照以上思路可得流程圖，1所示。首先，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)舉行參數(shù)設(shè)置，主要包括測(cè)量頻段的選定、測(cè)量點(diǎn)數(shù)的設(shè)定、通道的挑選等。然后，通過(guò)gpib-卡控制矢網(wǎng)測(cè)出空腔狀態(tài)下的諧振頻率f0和品質(zhì)因素q0，再加入樣品，測(cè)試負(fù)載時(shí)的諧振頻率fd和qd，再利用這兩組數(shù)據(jù)

3、，按照計(jì)算公式和樣品尺寸及腔體尺寸計(jì)算出相對(duì)介電常數(shù)和損耗正切角。11 校準(zhǔn)模塊該校準(zhǔn)模塊分為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)兩個(gè)部分。標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)采納slot法，即短路器、開路器、匹配負(fù)載及直通法。用戶只要按照軟件的提醒在矢網(wǎng)的兩端口依次接人開路器、短路器、匹配負(fù)載，最后直通，即可完成標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)采納的是stl法，即短路板、精密波導(dǎo)、直通法。非標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)后，可以保存校準(zhǔn)文件，下次測(cè)量的時(shí)候，可以挺直導(dǎo)人校準(zhǔn)文件而不需要再舉行手動(dòng)校準(zhǔn)。閱歷證，該校準(zhǔn)基本可以達(dá)到要求。12 矢網(wǎng)控制模塊計(jì)算機(jī)與矢網(wǎng)分析儀銜接主要有串口、并口、gpib等方式。該軟件采納gpib銜接計(jì)算機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，其優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)、

4、指令容易，有專為儀器控制設(shè)計(jì)的接口信號(hào)和牢固的接插件，其數(shù)據(jù)傳輸速率為15 mbs，徹低可以滿足用戶的要求。用法時(shí)只需要安裝包含visa庫(kù)函數(shù)的驅(qū)動(dòng)軟件即可以挺直調(diào)用用法相對(duì)容易的visa標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，再協(xié)作相應(yīng)的命令即可控制儀器。目前，通過(guò)對(duì)hp8753es網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制，軟件運(yùn)行良好，2所示。13 計(jì)算模塊該測(cè)試系統(tǒng)采納的是利用微擾法對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)舉行測(cè)量，該辦法具有測(cè)量簡(jiǎn)便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。按照微擾理論，有：式中：r'和r"分離為介電常數(shù)的實(shí)部和虛部；f0為諧振腔諧振頻率；f為微擾后的頻偏；q0和qs分離為微擾前后的品質(zhì)因數(shù)；為電導(dǎo)率；介質(zhì)桿的體積vs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于腔

5、體的體積v0。按照以上理論，該測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程分為q值計(jì)算、相對(duì)介電常數(shù)計(jì)算、損耗角正切計(jì)算三部分。對(duì)于給定的測(cè)量系統(tǒng)，計(jì)算精度主要取決于測(cè)量腔體的尺寸誤差。因?yàn)榧庸ぞ鹊南拗疲瑢?shí)際加工的腔體與設(shè)計(jì)的腔體在尺寸上存在差別。在軟件上，因?yàn)榍惑wq值及其讀數(shù)辨別率的影響，使f0和微擾后頻率fs的測(cè)量浮現(xiàn)誤差，也即給f帶來(lái)了誤差。2 測(cè)量結(jié)果在常溫條件下，對(duì)試驗(yàn)室的一些樣品測(cè)量結(jié)果如表1所示(參考值指文獻(xiàn)10中的值)。從表中可以看出，測(cè)出的結(jié)果基本與標(biāo)稱值吻合。3 誤差分析該測(cè)量系統(tǒng)的誤差主要分為兩部分：校準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差和測(cè)試系統(tǒng)的誤差。校準(zhǔn)系統(tǒng)的誤差主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：校準(zhǔn)波導(dǎo)的反射沒(méi)有被考慮；雖然校準(zhǔn)波導(dǎo)的反射很小，但是反射的部分會(huì)在校準(zhǔn)過(guò)程中加入到附加網(wǎng)絡(luò)中去，而這部分誤差在測(cè)量反射參數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生影響，尤其當(dāng)被測(cè)件的反射比較小時(shí)；波導(dǎo)校準(zhǔn)和測(cè)量過(guò)程中，為了操作便利，同時(shí)也為了庇護(hù)儀器，在每次銜接波導(dǎo)時(shí)，總是將同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換從同軸電纜上取下，這就會(huì)造成每次重新銜接時(shí)，存在一定的復(fù)位誤差。測(cè)試系統(tǒng)的誤差主要體現(xiàn)在測(cè)量腔體的尺寸誤差和讀數(shù)辨別率的影響。另外，不能徹低滿足微擾條件而帶來(lái)的非線性問(wèn)題也是誤差的一個(gè)主要來(lái)源。4 結(jié)語(yǔ)該測(cè)試系統(tǒng)完成了利用微擾法對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的自動(dòng)測(cè)試，