Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях

Глава 1 (обзорная). Измерение диэлектрических свойств твёрдых и сыпучих веществ на высоких и сверхвысоких частотах в лабораторных условиях с использованием специализированной аппаратуры. Методика экспериментов.

Знание диэлектрических проницаемостей веществ имеет большое значение не только в геофизике, но и в физике, химии и технике. Измерения диэлектрической проницаемости применяются даже в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности, например, для определения влажности муки или зерна.

В диапазоне высоких и СВЧ-частот для измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь твёрдых и сыпучих материалов применяют множество различных методов. Общее для всех методов заключается в том, что тем или иным способом определяется изменение фазовой постоянной распространения при введении в систему испытуемого диэлектрика и устанавливается связь этого изменения с величиной диэлектрической проницаемости вещества. Эти связи могут быть весьма различны в каждом отдельном случае, что и определяет большое количество методов измерения ε и tgδ.

В общем, существует около 8 различных методов лабораторных измерений диэлектрических характеристик твёрдых и сыпучих образцов, к которым можно отнести естественные грунты и их искусственные модели. Они применяются в диапазоне длин волн от 10 см до 1 мм. При этом размеры образцов соответствуют длинам волн.

Обычно в литературе принята следующая классификация методов измерения диэлектрических проницаемостей вещества на высоких и сверхвысоких частотах:
1) методы, использующие направленные волны;
2) резонансные методы;
3) методы, использующие волны в свободном пространстве.

Выбор метода зависит от характера измерений (лабораторные исследования, производственный неразрушающий контроль), диапазона частот, свойств самого материала. В тех случаях, когда нежелательно разрушать изделие или заготовку из диэлектрика, прибегают к измерениям параметров материалов в свободном пространстве. Методы измерений в свободном пространстве находят широкое применение в миллиметровом диапазоне длин волн. Высота образца должна составлять несколько длин волн, что в данном случае составляет не больше 10 см.

Методы, использующие направленные волны и резонансные методы являются наиболее точными методами в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, но применение этих методов связано с необходимостью изготовления образцов, вписывающихся в поперечное сечение линии или резонатора. Образец измельчают до частиц нужных размеров (много меньше измерительной ячейки, её длина не превышает 10 см для резонансных методов, для волноводных - больше, а площадь основания - 1-2 см²), просеивают через несколько сит с отверстиями различных диаметров; затем, чтобы добиться однородного влагонасыщения (или его нужного значения), его высушивают до нулевой влажности, а потом наполняют дистиллированной водой до нужного значения влажности; если надо исключить влияние минерализации - прокаливают при температуре больше 100^oС и несколько раз промывают дистиллированной водой.

Процесс этот сложен и требует применение дополнительных устройств, к тому же требует не только разрушения образца, но и изменения его основных свойств (влажности, дисперсности и минерализации). Ячейка нагревается в процессе измерений, что требует дополнительного теплоотвода при измерениях на мёрзлых образцах.

Таким образом, традиционные методы измерений имеют ряд недостатков, как то: