基于GPIB總線的虛擬儀器實(shí)現(xiàn)介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)測(cè)量軟件的設(shè)計(jì)

引 言

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，為使其付諸使用，必須準(zhǔn)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)進(jìn)行測(cè)量。該方法是測(cè)量復(fù)介電常數(shù)的一種常用方法，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)采用基于GPIB總線的虛擬儀器系統(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GPIB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)則采用圖形化軟件LabWindows／CVI，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)周期。

1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

該測(cè)試系統(tǒng)采用LabWindows／CVI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)，采用模塊化編程風(fēng)格，使功能程序與驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)獨(dú)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。根據(jù)以上思路可得流程圖，如圖1所示。

首先，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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、通道的選擇等。然后，通過GPIB-USB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)，根據(jù)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。

1．1 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)采用SLOT法，即短路器、開路器、匹配負(fù)載及直通法。用戶只要根據(jù)軟件的提示在矢網(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)采用的是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，可以直接導(dǎo)人校準(zhǔn)文件而不需要再進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)。經(jīng)驗(yàn)證，該校準(zhǔn)基本可以達(dá)到要求。

1．2 矢網(wǎng)控制模塊

計(jì)算機(jī)與矢網(wǎng)分析儀連接主要有串口、并口、GPIB等方式。該軟件采用GPIB連接計(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)、命令簡(jiǎn)單，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1．5 Mb／s，完全可以滿足用戶的要求。使用時(shí)只需要安裝包含VISA庫(kù)函數(shù)的驅(qū)動(dòng)軟件即可以直接調(diào)用使用相對(duì)簡(jiǎn)單的VISA標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，再配合相應(yīng)的指令即可控制儀器。目前，通過對(duì)HP8753ES網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制，軟件運(yùn)行良好，如圖2所示。

1．3 計(jì)算模塊

該測(cè)試系統(tǒng)采用的是利用微擾法對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，該方法具有測(cè)量簡(jiǎn)便，所需樣品少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)微擾理論，有：

式中：εr'和εr"分別為介電常數(shù)ε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分別為微擾前后的品質(zhì)因數(shù)；σ為電導(dǎo)率；介質(zhì)桿的體積Vs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于腔體的體積V0。

根據(jù)以上理論，該測(cè)量系統(tǒng)的計(jì)算過程分為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。由于加工精度的限制，實(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，由于腔體Q值及其讀數(shù)分辨率的影響，使f0和微擾后頻率fs的測(cè)量出現(xiàn)誤差，也即給△f帶來了誤差。

2 測(cè)量結(jié)果

在常溫條件下，對(duì)實(shí)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)的誤差主要來自于以下幾個(gè)方面：校準(zhǔn)波導(dǎo)的反射沒有被考慮；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)量過程中，為了操作方便，同時(shí)也為了保護(hù)儀器，在每次連接波導(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)造成每次重新連接時(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)分辨率的影響。另外，不能完全滿足微擾條件而帶來的非線性問題也是誤差的一個(gè)主要。

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，校準(zhǔn)測(cè)試速度快，具有可擴(kuò)展性，二次開發(fā)性強(qiáng)。同時(shí)，該自動(dòng)測(cè)試的設(shè)計(jì)原理及技術(shù)能方便地運(yùn)用于其他測(cè)試項(xiàng)目，解決手動(dòng)測(cè)試中存在的問題，極大地提高了測(cè)試的質(zhì)量和效率。