阻抗法測量材料介電譜的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、本課題源于項目《材料的介電譜檢測》，創(chuàng)新性的提出了利用微弱信號正交檢測技術(shù)測量待測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電場作用下，電介質(zhì)材料在弛豫過程中是否會發(fā)生諧振，反映到介電譜上即是否有譜峰的存在。該方法若能實用化，將在違禁品的檢測，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)用價值。 該檢測系統(tǒng)主要由I～V轉(zhuǎn)換單元，正交信號發(fā)生單元，矢量檢

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

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

4、測量的精度和范圍；在矢量正交檢測單元，提出的方波和正弦波相乘以提取待測材料的幅度和相位信息的新方法不僅能保證測量精度，而且大大簡化了電路的設(shè)計，實驗過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)計了截止帶寬10Hz的高陡峭度MFB低通濾波器。另外，包含待測材料相幅信息的直流分量通過MATLAB平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以獲得待測材料的阻抗譜。最后，文章還對目前設(shè)計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