יסודות של תדירות סוויפסים בדיאלקטרי וטכנולוגיית חומרים

גורים תדירות הם בין הטכניקות החזקות ביותר בשימוש נרחב באפיון חומרים מודרניים.על ידי שינוי שיטתי של אות חשמל יישומי והתבוננות התגובה של החומר, מהנדסים וחוקרים יכולים לחלץ מגוון רחב של תכונות, מקבוע ודיאלקטרי והפסד מכווצים לרי הדהד מכניים ו מוליכות ionic.The Note - על כלי מבחן פשוט - התפתח לתוך כלי יעיל של ייצור של מצעים יציבים, יציבים, כימות אחוריים, יציבים, ועצבניים אלה.

הבנת כיצד לבצע כראוי גורף תדר חיוני עבור כל מי שעובד בחומרים מדע, אלקטרוניקה, או אבטחת איכות. מאמר זה מספק מדריך מקיף, צעד אחר צעד לביצוע גורים תדירות עם גנרטורים אותות מודרניים, כולל בחירת ציוד, התקנה, נהלי מדידה, פרשנות נתונים, ומכשולים נפוצים כדי להימנע.כל חלק נועד לתת לך את הידע המעשי הדרוש כדי להשיג תוצאות חוזרות, משמעותיות מבחינה פיזית.

הפיזיקה מאחורי תדירות

בליבתו, טאטא תדר כרוך ביישום אות סינוסדי של הצורה V(t) = V0 Sin(2 ⁇ ft) לדגימה חומרית ולדיד את התגובה הנוכחית או המתחהיתה של החומר - כמות מורכבת המשתנה עם תדירות - מעל ומעבר למערכת היחסים בין המתח החל לבין הזרם המדוייק, לחומרים ליניאריים, את הדחף יכול להיות שבור לתוך אמיתי (resis) ורכיבים דמיוניים (resis) ורכיבים:

(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כאשר R(f) מייצג פירוק אנרגיה (אובדן או התנהגות) ו- X(f) מייצג אחסון אנרגיה (אפקטים מצטברים או אינדוקטיביים) על ידי ביצוע גורף תדר, אתה מקבל חלקת גודל ושלב על פני טווח התדר שנבחר.מהנתונים, פרמטרים מרכזיים כגון אפקט ההיתר המורכב ε* = ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הכוח של גורף טמונה ביכולתו לחשוף תופעות תלויות בתדר: תהליכי הרפיה, שיאי התחדשות, וכל שינוי הנגרמ על ידי טמפרטורה, לחות או הזדקנות. גורף מעוצב היטב יכול להבחין בין מנגנוני הרפיה מרובים, בנפרד מאפקטים בין-גזעיים, ואפילו להעריך אנרגיות הפעלה בשילוב עם וריאציות טמפרטורה.

בחירת מחולל אותות הנכון וקידום ציוד

לא כל מחוללי האות נוצרים שווים לאופייזציה של החומר, בעוד גנרטור פונקציה בסיסית יכול לייצר גלימות פשוטות, קבלת נתונים אמינים, נמוכים-אין דורש כלי עם יכולות ספציפיות:

  • (FLT:0) טווח ההיקף של טווח ה-FLT:1 – חייב לכסות את אזור העניין של החומר.עבור רוב הדיאלקטרי, טווח 1 הרץ עד 10 MHz הוא מספיק. יישומים מתקדמים עשויים לדרוש עד 1 GHz או יותר.
  • (FLT:0Output amplitude ו- DC Offsetph1) - רמות מתח מכוונן (למשל, 10 מ"ר עד 10 V שיא-to-peak) מאפשרות בדיקה בתחומים חשמליים שונים מבלי לגרום להתמוטטות.
  • (FLT:0) ,Sweep ModeFLT:1 - קואר או גורים לוגיסטיים. ⁇ ⁇ ⁇ thmic ⁇ העדיפו טווחים רחבים (למשל 100 הרץ ל-1 MHz) כי הם מספקים יותר נקודות נתונים בעשור.
  • (FLT:0)Synchronization וגורם ל-FLT:1) הגנרטור חייב להיות מסוגל לייצר דופק מסונכרן או לגרום אותות לתאם עם מכשיר המדידה.
  • (FLT:0) דיוק ויציבות של יציבות 1:1 ; בדרך כלל יותר מ 1 ppm עבור מכשירים נשלטים על ידי קריסטל.

בנוסף ל גנרטור, אתה צריך מכשיר מדידה מדויקת. עבור גורים נמוכים (below 100 kHz), אוקטילוסקופ עם בדיקה שונה הוא לעתים קרובות מספיק. עבור תדרים גבוהים יותר דיוק גבוה יותר, מנתח רשת וקטור (VNA) או מנתח מאויש ייעודי הוא מומלץ מאוד.

תיקונים במבחן הם קריטיים באותה מידה. עבור סרטים מוצקים, קפיטורים מקבילים עם אלקטרודות שמירה למזער שדות מצוק.עבור נוזלים, תאים קואקסיאליים מותאם אישית עם גיאומטריה ידועה משמשים.עבור אבקות או חומרים גרפיים, בעלי דגימות מיוחדים כי שמירה על לחץ מגע עקבי זמינים.

לבסוף, מחשב פועל בקרה ותוכנה רכישה (כגון Labview, MATLAB, או Python עם נהגים כלי רכב) מפשט מאוד אוטומציה והנתונים logging גנרטורים אותות רבים עכשיו לתמוך USB, Ethernet, או ממשקי GPIB.

לשם השוואה מפורטת של שיטות מדידה של כלי מניעה, יש להתייחס לסימן הבקשה של CIR:0 (הדגשה של קימור) על מדידה בלתי נמנעת.

צעד אחר צעד מדריך לביצוע תדירות

1.חיבור ו- Calibrate

התחל על ידי חיבור פלט הגנרטור האות למתקן הבדיקה באמצעות מגע היטב, 50 ⁇ (או 75 ⁇ ) כבל קואקסיאלי.צרף את התיקון לדגימה החומרית, הבטחת אחיד, חידוש מגע.כל פערי אוויר או גסות פני השטח יציגו קפיטי רוח פרזיטית וחילול את המדידה.

בצעו קליברציה פתוחה וקצרת-circuit במטוס ההתייחסות של ה-Cortture. גנרטורים מודרניים רבים ונתחנים נבנות-בשגרה של קלברציה.אם לא, למדוד את האימפולס של תיקון פתוח ותיקון קצר באותו תדרים, ואז להכפיף אותם מן המדידה המתמטית שלך.

2. Set סוויפ Parameters

להחליט על טווח התדר.נקודת התחלה טיפוסית עבור dielectrics הוא 1 kHz ל 1 MHz.אם אתה חושד אפקטים התנהגותיים נמוכים ⁇ ⁇ , המשתרעים עד 1 הרץ או אפילו 0.1 הרץ. הגדר את הסוג גורף כדי ללוגרימי עם לפחות 10 נקודות לעשור - 50 עד 100 נקודות בדרך כלל מספיק עבור רוב החומרים.

בחר את הפלט amplitude. עבור dielectrics ליניארי, כמה וולט שיא-to-peak בטוח.עבור חומרים עם התנהגות לא ליניארית (למשל, ferroelectrics), להשתמש אות AC קטן (למשל, 50-200 מ"א) כדי להימנע מאפקטים היסטריה. הגדר את DC לאפס אלא אם אתה מתכוון ללמוד תכונות עצמאיות.

ציין את הזמן הגורף. A טאטא איטי יותר משפר את יחס האות-ל-אין אבל מגביר את הסחף.עבור רוב המדידות במעבדה, 1-10 שניות לנקודת תדירות הוא מספיק.כמה מכשירים מאפשרים לפרמטר "זמן מנוחה"; להשתמש ב 2-5 פעמים הזמן המיישב של התגובה האיטית ביותר של החומר.

3.הוציאו את המדידה

התחל את הגורף.עקוב אחר המתח הגולמי ואת האותות הנוכחיים על אוקטילוסקופ או את הדחף המורכב על מנתח רשת. Watch עבור קידוד, עיוות או רצפות רעש שיכולים להצביע על עומס יתר או קשרים עניים.

אם משתמשים ב-oscilloscope, ללכוד את המתח על פני הדגימה ואת הזרם דרך זה (או המתח על פני סדרה שורט התנגדות) בכל תדירות. להעביר נתונים אלה למחשב לעיבוד.כלי רבים כוללים כעת Python או Labview נהגים שלוכדים נתונים אוטומטית.

עבור מנתח רשת, המכשיר מספק S-parameters או עכבות ישירות.וודא שאתה מודד את דחיית ההתייחסות הנכונה (בדרך כלל 50 ⁇ ).

4. Analyze את הנתונים

הנתונים הגולמיים מורכבים מגודל ושלב בכל תדירות.המיר לחלקים אמיתיים ודמיוניים במידת הצורך. עבור דיאלקטרי, חישוב ההיתר המורכב באמצעות הגאומטריה:

(ב) ויקרא י"ד): "[דרוש מקור]" (=0 × × ×================2=2=2 × d) × d)/ (=5 × 0 × × × ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

העלילה הן ε ו ε' לעומת תדירות, לעתים קרובות על סולם לוגיסטי-לוג.חפש מישורים, שיאים, שינויים במדרון. A Debye הרפיה יראה צעד ב ε' ושיא ב ε' בתדירות ההרפיה.ההתנהגות מופיעה כעלייה בתדרים נמוכים של ε (lope of -1 על לוג).

עבור האופים המכאני, לוחות דומים באמצעות מודלוס המורכב מראה מודוללוס G' והפסד Modulus G. " Resonances מופיעים כפסגות חדות בתדירות הטבעית.

התייחסות מצוינת לפירוש הספקטרום הזה היא:0 (Tektronix) של המדריך של דיאלקטרי מדידה FLT:1.

הפרקטיקה הטובה ביותר עבור High-Accuracy

  • (FLT:0) בקרת Temperature: FLT:1 תכונות חומריות הן בעלות טמפרטורה גבוהה מאוד. השתמש תא אקלים או שלב פליאה אשר שומרת על ±0.1 מעלות צלזיוס יציבות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ וקרקע: (FLT:1) מניחים את כל התקנון בכלוב פאראדיי מעומק האדמה. השתמש בכבלים משולשים לסימנים נמוכים (nA Currents) נמנעים מלעבור לולאות קרקע על ידי חיבור כל הכלים לקרקע כוכבים אחת.
  • (FLT:0) חזרות עליות מגע: 1FLT) השתמש אלקטרודות מועלות באביב החלות כוח עקבי. עבור נוזלים, להבטיח דגימת עובי מלאה.מדת מידה בנקודות מרובות ולהשתמש הממוצע.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של קצב ה-FLT:1, השיעור הגורף חייב להיות איטי מספיק עבור החומר להגיע למצב יציב, אך מהר מספיק כדי להימנע מסחף.כלל טוב הוא לקבוע את הזמן הטמון לפחות 5× את הזמן הארוך ביותר קבוע (RC) של הדגימה.
  • (FLT:0) Data Averaging: FLT:1 ממוצע 2-5 מדידות בכל תדירות כדי להפחית רעש.דיסקרד נקודות שבו זווית שלב עולה ±90 מעלות או גודל מתחת לרצפה הרעש של המנתח.
  • (FLT:0) אימות אימות: FLT:1hil לפני כל מדידה להגדיר, לאמת את המערכת באמצעות חומר סטנדרטי של נכסים ידועים (למשל, Teflon לירידה נמוכה, מים להפסד גבוה) למדוד את תקן ולהשוות לערכי הספרות.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

אפילו מתרגלים מנוסים נתקלים בבעיות במהלך הגרלות תדר.כאן הנושאים והפתרונות השכיחים ביותר:

מלכוד #1 - תיקון Parasitics Dominating the Signal

בתדרים גבוהים (מעל 10 MHz), קיבול תלולים של התקנון ומוביל יכול לחלוטין להסוות את התגובה המדגם.FLT:0Solution:veFLT:1 השתמש בתיקון קואקסיאלי מעוצב היטב עם אורך חשמל קצר. בצע הליך מרתיע באמצעות "פתוח", "נמוך" ו"עומס" סטנדרטים עבור תדרים גבוהים מאוד (100), לשקול באמצעות תצורה של 4 ליטר).

פיט 2 - דיסטורציה לא ליניארית ממעלים

החלת מתח גבוה מדי יכול להניע חומרים ferroelectric או dielectric לתוך משטרים לא ליניאריים, ייצור הרמוניים ולשנות את האימפולס נמדד.FLT:0Solution:miaFLT:1 להתחיל עם האמפולציה הנמוכה ביותר שעדיין נותן אות קריאה מעל רצפת הרעש.

פיטפל #3 - אלקטרודה Polarization בשפל נמוך

עבור מנצחי ionic או חומרים עם מטען סלולרי, אלקטרודה קוטליזציה יוצרת קיבול עצום של תדרים מתחת 1 kHz.הממצאים האלה יכולים להיות מוטעים עבור הרפיה אמיתית:0Solution:FLT:1 השתמש באלקטרודות לא חסימת (למשל, כסף-סל כלור עבור מערכות מוזרות) או להחיל DC כדי למנוע את הטיות גורפת, ללא תשלום אלקטרו-פרוטאלי.

פיטפול #4 - איטי סוויפס ואינטריומנט ד"רift

כאשר גורף לוקח עשרות דקות, שינויים בטמפרטורת החדר או כלי חימום יכול לגרום לסחף שיטתי.0 (pLT:0) solution: irFLT:1 לאפשר לכל הכלים להתחמם למשך 30 דקות לפחות. השתמש בדיור תרמו-מדומה למדגם. בצע סחף מהיר קדימה, ואחריו גורף לאחור וממוצע השניים; אם הם שונים, נסחפו.

מדריך מקיף לפתרון בעיות זמין מ-FLT:0Rohde & Schwarz על שגיאות מדידה בלתי פוסקות FLT:1.

שיקולים מתקדמים: Multi-Modal and טמפרטורה-Controlled סופס

לקבלת תובנות חומריות עמוקות יותר, משלבים טאטאי תדר עם טכניקות אחרות:

  • (FLT:0 ;0) גורים תלויים Temperature תלוי:FreaLT:1 (הפועלים בטמפרטורות מרובות (למשל, 50 מעלות C עד 200 מעלות צלזיוס) ונבנה מזימה אררניניוס של תדירות שיא ההרפיה מול הטמפרטורה.
  • (FLT:0) גורים תלויים שדה אלקטרוני: ⁇ 1 (VaryFLT:1) Vary the DC הטיה מתח בעוד הפעלת טאטאי תדר AC.זה חושף כיצד קירות מתחם או נושאי מטען מגיבים להטיה חיצונית - קריטי עבור varistors ודיאלקטריות לא לינאריות.
  • (FLT:0) טאטאים מכניים וחשמליים מקיפים:03FLT) 1 השתמש מנתח מכני דינמי (DMA) בשילוב עם גנרטור אות למדידת ספקטרה מולקולטית ודיאלקטרית באותו מדגם, מתן מידע משלים.

לדוגמה, תרכובות epoxy המשמשות באלקטרוניקה לעתים קרובות להציג β-relaxation בולט (תנועת שרשרת תחתית) סביב - 50 מעלות צלזיוס ו-α-relaxation (מעבר זכוכית) מעל 100°C. סדרה של גורפים בתדר בטמפרטורות מעוגלות היטב יכול לפתור את שתי המנגנונים האלה בבירור.

יישומים אמיתיים של תדירות

חומרים דיאלקטריים

גורים תדירות הם תקן הזהב למדידת ההיתר המורכב של קרמיקה, פולימרים, ומורכבים המשמשים ב capacitors, לוחות מעגלים, ואנטנות.הנתונים שהושגו עזרה מהנדסים לבחור חומרים עם אובדן נמוך בתדרים תפעוליים (למשל, < 0.001 עבור מעגלים דיגיטליים מהירים).

מחקר סוללות וסופרcapacitor

אלקטרוכימי ספקטרום ספקטרוסקופיה (EIS) היא טכניקה גורפת תדירות המשמשת תאים מלאים. על ידי סחף מ 10 מ"ר ל 100 kHz, החוקרים יכולים להפריד התנגדות אלקטרוליטית גדולה, התנגדות העברה מטען, ותהליכי דיפוזיה. שיטה זו היא קריטית עבור אופטימיזציה של חיי סוללה וצפיפות כוח.

התחדשות מכנית ב Structural Composites

גנרטורים אותות נהיגה ⁇ electric Transducers מאפשר טאטאי תדר אקוסטיים.על ידי מדידה של אימפולס מכני של קרן מורכבת או צלחת, תדרים טבעיים ויחסי לחות ניתן לחלץ.זה נתונים להאכיל מודלים אלמנט סופי עבור חלל ורכיבי רכב.

« ביולוגיה Tissue Characterization

בהנדסה ביו-רפואית, תדירות גורפת מכמה הרץ למספר MHz משמשים למדידת האימפולס החשמלי של רקמות.הבדלים בספקטרום בין רקמות בריאה לסרטן ניתן להשתמש בזיהוי.הטכניקה אינה פולשנית ובטוחה.

לעיין בבקשות של EIS, ראה:0Gamry Instruments' EIS Applicationnotes ,EIS ,EIS.

מסקנה

ביצוע תדירות גורפת עם מחוללי אותות היא שיטה בוגרת, חזקה לאפיון מגוון עצום של חומרים.הצלחה תלויה בבחירת ציוד זהיר, עיצוב תיקון קפדני, ופרשנות נתונים מתחשבים. על ידי ביצוע ההליכים ושיטות הטובות ביותר המפורטים כאן, החוקרים יכולים להשיג נתונים אמינים, פרסום באיכות פרסום אשר חושף את התכונות התלות בתדרים הפנימיים של החומרים שלהם.

כמו גנרטורים אותות ממשיכים לשפר את ההחלטה, דיוק בשלב ויכולות אוטומציה, הטכניקה תהיה נגישה יותר וחזקה יותר. בין אם אתה תומך בהקלה דיאלקטרית של פולימר או מוליכות איטונית של אלקטרוליטטה מוצק, טאטא תדר מתוכנן היטב נשאר אחד הכלים הישירים והידעיים ביותר בארסנל של המדע.