Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba

Bài viết bàn về một phương pháp linh hoạt và chi phí thấp cho phép đo đạc hằng số điện môi của các chất lỏng tổn hao cao dựa trên phương pháp hốc cộng hưởng chữ nhật đã được trình bày. Phương pháp đề nghị được thử nghiệm trên các phép đo đạc của chế độ truyền sóng TE101 với chất lỏng tiêu chuẩn và so sánh với các dữ liệu chuẩn được đề cập trong các công trình liên quan. Mời các bạn cùng tham khảo!

HộiHội Thảo Quốc Gia vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) Một phương pháp đo đạc tính chất điện mơi cho chất lỏng tổn hao cao tần số vi ba Nguyễn Đạt Sơn, Lâm Tấn Phát Lê Ngun Ngân Phịng thí nghiệm cơng nghệ Nano, Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Email: ndson@vnuhcm.edu.vn, ltphat@vnuhcm.edu.vn, lnngan@vnuhcm.edu.vn đạc tính chất điện mơi vật liệu, đặc biệt chất lỏng có tổn hao lớn loại thực phẩm theo thời gian nhằm tích hợp vào ứng dụng mạng cảm biến không dây hệ thống RFID nhằm quản lý chất lượng theo thời gian thực cần thiết [11-12] Tuy nhiên, việc sử dụng hốc cộng hưởng để đo đạc số điện môi tương đối chất lỏng cịn gặp nhiều khó khăn cần phải sử dụng vật liệu hỗ trợ để cố định chất lỏng đặt vào bên hốc Vật liệu hỗ trợ làm thay đổi độ xác thơng số đo làm thay đổi kết tính tốn sau Do đó, chúng tơi đề nghị kỹ thuật nhằm đo đạc số điện môi phức chất lòng tần số vi ba dựa phương pháp hốc cộng hưởng truyền thống giải pháp linh động tiết kiệm chi phí ứng dụng thực tế Phần cịn lại báo trình bày sau: phần II, miêu tả lý thuyết khái niệm cho hướng tiếp cận phương pháp đề nghị báo cáo Trong phần III, chúng tơi trình bày kết thực nghiệm thảo luận phân tích Cuối cùng, kết luận kết thu hướng phát triển phần IV Abstract — Trong báo này, phương pháp linh hoạt chi phí thấp cho phép đo đạc số điện môi chất lỏng tổn hao cao dựa phương pháp hốc cộng hưởng chữ nhật trình bày Phương pháp đề nghị thử nghiệm phép đo đạc chế độ truyền sóng TE101 với chất lỏng tiêu chuẩn so sánh với liệu chuẩn đề cập cơng trình liên quan Các kết thu cho thấy sai số phép đo phương pháp đề nghị giảm với thể tích chất lỏng tối ưu phép đo Ngoài ra, hạn chế thảo luận hướng phát triển phương pháp đề nghị cho ứng dụng thực tế trình bày báo cáo Keywords- Hốc cộng hưởng chữ nhật; chế độ truyền sóng TE101; tần số vi ba; số điện môi phức; chất lỏng tổn hao cao I GIỚI THIỆU Những năm gần đây, kỹ thuật đo đạc tính chất điện mơi vật liệu ngày thu mối quan tâm lớn từ nhà khoa học ứng dụng nhiều độ xác cao tính đơn giản cho cấu hình đo đạc đặc tính vật liệu phương pháp sử dụng ống dẫn sóng (waveguide cavity) cộng hưởng dựa mạch in (printed-line resonator) Một số kỹ thuật đo đạc số điện mơi tương đối phân loại chủ yếu: phương pháp truyềnphản xạ (transmission-reflection), phương pháp không gian tự (free space) phương pháp cộng hưởng (resonance techniques) [1-10] Các hốc cộng hưởng hình chữ nhật hình trụ sử dụng rộng rãi thời gian dài việc đo đạc số điện môi vật liệu tổn hao thấp dạng rắn [2-5] hệ số phẩm chất cao phương pháp Kỹ thuật hốc cộng hưởng (resonant cavity techniques) thường sử dụng để đo lường số điện môi phức loại vật liệu điện mơi khác tần số vi sóng (microwave) Rất nhiều báo cơng trình nghiên cứu tập trung vào vấn đề đánh giá số điện môi tương đối chất lỏng khía cạnh khác phương pháp đo đạc [2-5] Ưu điểm hốc cộng hưởng cấu hình đơn giản dễ chế tạo so với phương pháp khác, điều làm cho chi phí phương pháp ưu so với phương pháp khác khơng gian tự hay đầu dị đồng trục Trong thực tế, đặc tính loại vật chất lỏng, đặc biệt chất lỏng có tổn hao cao, ln ln có nhiều triển vọng ứng dụng quan trọng ngành công nghiệp sinh học thực phẩm Việc nghiên cứu phương pháp đo ISBN: 978-604-67-0635-9 II CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hằng số điện mơi tương đối hay cịn gọi số điện môi phức tiêu chuẩn để đánh giá mức độ phản ứng vật liệu đặt điện trường E Thông thường, số điện môi phức thường biểu diễn dạng: (1)   r'  j r" r ' " Trong đó:  r  r số điện môi hệ số tổn hao vật liệu điện mơi Hình Các kích thước hốc cộng hưởng hình chữ nhật [2] 363 363 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) phẩm chất Q Trong trường hợp này, số cơng trình nghiên cứu đề nghị sử dụng phương pháp trỏ [6], phương pháp để xác định số điện môi phức dựa phương pháp thử tiêu chuẩn Theo đó, cơng thức để tính toán hệ số phẩm chất Q đưa sau: Q f o  BW ( ) f ( )  f1 ( ) BW ( )  Trước tiên, xem xét trường điện từ bên hốc cộng hưởng hình chữ nhật (Hình 1) Các chế độ sóng điện từ truyền bên hốc cộng hưởng TE TM Tần số cộng hưởng chế độ truyền sóng TEmnp (được đánh thứ tự theo số m, n, p) tính theo kích thước a, b d phương trình sau [2]: c r  r 2 m n  p        a  b d  (2) Trong đó: a, b, d chiều rộng, chiều cao chiều dài hốc cộng hưởng m, n, p số gắn với mode dọc theo phương x, y, z Một thông số khác quan trọng với phương pháp hốc cộng hưởng hệ số phẩm chất Q cho phép xác định tổn hao điện từ bên hốc cộng hưởng Như nói trên, lượng tích trữ bên hốc cộng hưởng hấp thụ phần vật liệu điện môi Sự thay đổi biểu độ dời tần số cộng hưởng suy giảm hệ số phẩm chất (Hình 2) Các giá trị phần thực phần ảo số điện môi phức vật liệu đo đạc rút từ dịch chuyển tần số cộng hưởng thay đổi hệ số phẩm chất (hệ số Q) hốc cộng hưởng mẫu vật liệu đo đạc đặt vào bên Theo Pozar [2], biểu diễn hệ số phẩm chất chế độ truyền sóng chiếm ưu (TE101) bên hốc cộng hưởng theo kích thước nó:  f o  f s  2Vo    (7)  f s  Vs   r'    1  V   r"    o    Qs Qo  Vs  (8) Trong đó: f0 fs tần số cộng hưởng thông số S21 (insertion loss) trường hợp khơng có có mẫu vật liệu đo đạc bên hốc cộng hưởng Q0 Qs hệ số phẩm chất trường hợp khơng có có mẫu vật liệu đo đạc bên hốc cộng hưởng Vo Vs thể tích hốc cộng hưởng thể tích mẫu vật liệu cần đo Như trình bày trên, phương pháp nhanh gọn, cấu hình đơn giản chi phí thấp để xác định đánh giá chất lượng thực phẩm nhằm cung cấp hệ thống chế kiểm soát chất lượng hiệu trình phân phối thực phẩm thu quan tâm nhiều công nghiệp Tuy nhiên, phương pháp phổ biến dùng để đo đạc số điện mơi tương đối hốc cộng hưởng thường khó áp dụng cho mẫu dạng lỏng thực phẩm phương pháp đo đạc đầu dò đồng trục hay khơng gian tự cịn đắt tiền Mục tiêu nhóm nghiên cứu xây dựng phương pháp đơn giản, giá thành thấp để đo đạc tính chất điện mơi loại vật liệu lỏng dựa phương pháp hốc cộng hưởng truyền thống Kỹ thuật đo đạc phương pháp hốc cộng hưởng thường yêu cầu mẫu vật liệu phải đủ nhỏ trường điện    b(a  d )3/2 (3)  2 3  Rs  ad (a  d )  2b(a  d )  Trong đó:  trở kháng không gian tự TE Q101  10 /10  (6) Trong đó, BW(α) băng thơng S21 giá trị α dB f0 tần số trung tâm băng thông Từ công thức trên, xác định số điện môi tương đối chất lỏng hay vật liệu cần đo đạc Từ thông số cơng thức sẵn có trên, tính tần số cộng hưởng cho mode TE Khi đặt mẫu điện môi bên hốc cộng hưởng, suy hao điện trường mode không chiếm ưu (các mode có tần số cộng hưởng cao mode chiếm ưu TE101) lớn mode cao có tần số cộng hưởng gần dẫn đến việc xác định số điện môi thông qua hệ số S21 trở nên phức tạp Do đó, đa số phương pháp hốc cộng hưởng tập trung vào mode ưu TE101 để xác định số điện môi tương đối mẫu điện môi Từ độ dịch chuyển tần số cộng hưởng hệ số phẩm chất (Q-factors) trường hợp có khơng có mẫu điện mơi bên hốc cộng hưởng, số điện môi tương đối vật liệu cần đo xác định thơng qua cơng thức sau [13]: Hình Nguyên lý phương pháp đo đạc dùng hốc cộng hưởng ( f r )mnp  (5) 120π Rs điện trở bề mặt hốc cộng hưởng Với phép đo khác trường hợp có khơng có mẫu bên hốc cộng hưởng hình chữ nhật, thay đổi tần số gây xuất mẫu vật liệu thể sau [4] : Tuy nhiên, mẫu đo đưa vào hốc cộng hưởng vật liệu tổn hao cao, việc quan sát băng thông nửa công suất (-3dB) từ liệu đo S21 khó khăn khó để có hệ số 364 364 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Cơng Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015) Hình Cấu hình đo đạc số điện môi chất lỏng phương pháp hốc cộng hưởng từ bên hốc cộng hưởng xem khơng đổi thể tích bên ngồi mẫu vật liệu Theo đó, thơng thường mẫu đo cần có chiều dài tương đương chiều dài hốc cộng hưởng chiều dài hốc cộng hưởng thường tỷ lệ thuận với chiều dài bước sóng tần số tương ứng [14] Yêu cầu khiến cho việc đo đạc mẫu vật liệu lỏng dạng keo tần số thấp trở nên khó khăn Bên cạnh đó, mẫu vật liệu cần phải có bề dày khơng q lớn để mode trường điện từ tương tác hiệu với mẫu đo không ảnh hưởng nhiều lên kết sau Do vậy, việc ứng dụng phương pháp hốc cộng hưởng cho mẫu vật liệu chất lỏng khó khăn Để giải vấn đề này, số phương pháp cải thiện đề xuất thảo luận công trình liên quan [15] Từ tài liệu tham khảo [16-17], mẫu đo cần đặt trung tâm hốc cộng hưởng để tối đa tương tác với trường điện từ bên (Hình 3) Khi đó, số điện mơi mẫu vật liệu cần đo tính theo cơng thức: Hình Đo đạc số điện môi chất lỏng phương pháp hốc cộng hưởng 74mm, 150mm 26 mm Hình Hốc cộng hưởng kết nối với thiết bị Vector Network Analyzer HP 8720D có tầm đo từ 50MHz tới 20GHz để đo đạc Hình Tất kết đo thực nhiệt độ phòng 25oC Sự tương đồng kết mơ phần mềm CST Microwave Studio® kết đo đạc thực tế với hốc cộng hưởng trình bày Hình Khi đặt chén đựng chất lỏng (PTFE) vào bên khoang cộng hưởng, tính chất điện từ hình dạng chén (độ dày chén PTFE mm) làm dịch chuyển tần số cộng hưởng chế độ truyền TE101 từ 2.26GHz 2.23GHz Trong thực tế, tần số cộng hưởng chuyển từ trạng thái hốc cộng hưởng trống sang trạng thái chén PTFE trống bên hốc cộng hưởng Vì vậy, cân chỉnh cho việc tính tốn số điện mơi chất lỏng cách thêm vào hệ số hiệu chỉnh k' k" cần thiết cho kỹ thuật đề xuất báo cáo này, muốn sử dụng hệ số fo, fs, Qo Qs trạng thái chén PTFE hốc cộng hưởng Từ phép đo trên, trích xuất tần số cộng hưởng f0 fs, hệ số phẩm chất Qo Qs từ  f o  f s  2Vo    (9)  f s  Vs   1  V   r" k "    o  (10)   Qs Qo  Vs   r'  k '  Phương pháp đo đạc đề nghị báo cáo mô tả Hình Đầu tiên, đo độ suy hao mặt truyền công suất (S21) với chén đựng chất lỏng (chén PTFE) bên hốc cộng hưởng Tiếp theo, cho dung dịch chất lỏng chuẩn (nước cất) vào bên chén PTFE đặt vào bên hốc cộng hưởng để đo S21 trường hợp Từ kết đo S21 với chất lỏng chuẩn (Standard Liquid) bên hốc cộng hưởng, tính tốn hệ số hiệu chỉnh k 'và k" công thức (9) (10) từ số điện mơi dung dịch chuẩn (nước cất) Sau đó, lặp lại phép đo S21 với chất lỏng cần đo (Liquid Under Test) đặt bên chén PTFE cho vào hốc cộng hưởng Với hệ số hiệu chỉnh k' k" tính tốn bước trước (với dung dịch chuẩn), tính tốn số điện mơi tương đối chất lỏng cần đo công thức (9) (10) III KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Như đề cập trên, việc đo đạc số điện môi tương đối phương pháp hốc cộng hưởng cần phải sử dụng hốc cộng hưởng Ở đây, sử dụng hốc cộng hưởng hình chữ nhật chế tạo đồng thau có kích thước bên Hình Cấu hình đo đạc phương pháp hốc cộng hưởng 365 365 Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) đường S21 đo phương trình (5) (6) Để tính tốn hệ số hiệu chỉnh k' k", hệ số fo Qo tính từ kết S21 đo trường hợp chén PTFE trống (khơng có chất lỏng bên chén) đặt bên hốc cộng hưởng, fs Qs tính tốn từ kết S21 đo trường hợp cốc PTFE có chứa dung dịch chuẩn đặt bên hốc cộng hưởng Theo đó, tính tốn hệ số hiệu chỉnh k' k" công thức (9) (10) từ số điện môi chất lỏng chuẩn (nước cất) Đây hệ số hiệu chỉnh k' k" sử dụng để tính tốn số điện mơi chất lỏng cần đo trường hợp chén PTFE chứa dung dịch chất lỏng cần đo (với chất liệu, hình dáng kích thước trường hợp chất lịng tiêu chuẩn) đặt bên hốc cộng hưởng Việc tính tốn số điện môi dung dịch cần đo thông qua hệ số hiệu chỉnh (k' k" tính tốn với dung dịch chuẩn) bước Chúng ta áp dụng công thức (9) (10) cách sử dụng hệ số f0 Q0 từ S21 đo trường hợp chén PTFE trống đặt bên hốc cộng hưởng Các hệ số fs Qs trích từ S21 đo chén PFTE có chứa dung dịch chất lỏng cần đo đặt bên hốc Các phép đo S21 tương ứng trường hợp dung dịch chuẩn (nước cất) chất lỏng cần đo (acetone) thực với thể tích chất lỏng chứa bên chén PTFE đặt vị trí trung tâm hốc cộng hưởng Việc tính tốn số điện môi chất lỏng cần đo từ hệ số hiệu chỉnh k' k" dựa tham chiếu từ trạng thái chén PFTE trống đặt bên hốc cộng hưởng Dung dịch chất lỏng cần đo sử dụng nghiên cứu hỗn hợp pha loãng Acetone nước với độ tinh khiết 70% thể tích Acetone Trong tài liệu tham khảo [18], số điện môi hỗn hợp xác định 40 Trong phép đo đạc thí nghiệm đề tài này, hai chén đựng chất lỏng PTFE (cùng hình dạng, kích thước vật liệu) sử dụng để đo thông số S21 trạng thái tương ứng (với dung dịch chuẩn chất lỏng cần đo) để đảm bảo độ lặp lại lần đo Mục đích việc để khảo sát độ xác hạn chế phương pháp đề xuất với thể tích chất lỏng khác Trong đề tài này, chuẩn bị số mẫu dung dịch chuẩn (nước cất) dung dịch cần đo (acetone) với thể tích khác từ 2ml tới 5ml để khảo sát ảnh hưởng thể tích chất lỏng lên độ xác giá trị số điện môi chất lỏng đo phương pháp đề xuất Với mục đích này, thể tích chất lỏng (dung dịch chuẩn dung dịch cần đo) điều chỉnh ống tiêm với sai số 0.1ml thể tích thay đổi từ 2ml tới 5ml với bước 1ml (Hình Hình 8) để xác định ảnh hưởng thể tích chất lỏng lên độ xác kết thu Với phương pháp mơ tả Hình 4, tính tốn hệ số hiệu chỉnh công thức (9) (10) từ số điện môi dung dịch chuẩn (nước cất) Từ tài liệu tham khảo [19], thu giá trị số điện môi nước cất 80+8j (ở 2GHz 25oC) Với kết đo S21 trường hợp dung dịch chuẩn, có hệ số hiệu chỉnh k' k" Bảng 1, sau sử dụng hệ số để việc tính tốn số điện môi dung dịch cần đo (hỗn hợp Acetone nước) theo công thức (9) (10) Đối với thí nghiệm đo S21 trạng thái ứng với chất lỏng khác nhau, giữ thể tích chất lỏng bên chén PTFE tình (ứng với nước cất dung dịch Acetone) Giá trị hệ số hiệu chỉnh k', k" số điện mơi tính tốn cho dung dịch Hình Kết đo S21 dung dịch chuẩn (nước cất) thể tích khác Hình Kết đo S21 dung dịch cần đo (Acetone) thể tích khác Hình Tần số cộng hưởng khơng có có chén đựng chất lỏng (chén PTFE) bên hốc cộng hưởng 366 366 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) r" tính tốn cho dung dịch Acetone 6.31 ± 0.01 Ʌ%r so với giá trị chuẩn từ tài liệu [18] 41.27 ± 2.06 r' tính tốn cho dung dịch Acetone 35.19 ± 0.01 6.36 ± 0.22 15.74 ± 0.53 39.26 ± 0.01 0.78 ± 0.01 2.69% ± 0.1 6.26 ± 0.16 18.29 ± 0.46 46.74 ± 0.01 4.01 ± 0.01 19.61% ± 0.1 5.90 ± 0.12 15.55 ± 0.31 44.95 ± 0.01 1.94 ± 0.01 13.29% Thể tích chất lỏng (ml) ± 0.1 k' k" 7.60 ± 0.38 ± 0.1 19.84% Bảng Các giá trị tính tốn cho hệ số hiệu chỉnh số điện môi chất lỏng cần đo theo phương pháp đề xuất cần đo theo phương pháp đề xuất trình bày Bảng Trong đó, sai số tương đối giá trị số điện mơi ɛ' ɛ" tính tốn so với giá trị chuẩn (40 theo tài liệu tham khảo [18]) tính tốn theo cơng thức sau: tăng tương ứng làm giảm ổn định kỹ thuật đề xuất Thêm nữa, thể tích nhỏ chất lỏng dẫn đến tương tác chất lỏng trường điện từ phân bố bên hốc cộng hưởng Ngược lại, với thể tích chất lỏng lớn (giữa 4ml 5ml), số điện môi thu tiếp tục dao động sai lệch xa giá trị tham khảo hỗn hợp acetone (cả số điện môi hệ số tổn hao) Các giá trị tính tốn cho số điện môi dung dịch chất lỏng cần đo thể tích 3ml (39.26+j0.78) gần so với giá trị tham khảo cho thấy tính khả thi kỹ thuật đề xuất đề tài Từ kết thử nghiệm, thể tích tối ưu cho dung dịch chất lỏng cần đo với kỹ thuật đề xuất nằm giá trị 3ml 4ml Tuy nhiên, kỹ thuật đề xuất nghiên cứu cịn số hạn chế cải thiện tương lai Nhận xét giá trị số điện môi chén đựng chất lỏng (PTFE) dao động từ 2.1 tới 2.3 [20]) khác biệt so với số điện môi dung dịch chuẩn dung dịch cần đo Điều có nghĩa kết thực nghiệm cải thiện sử dụng chén đựng chất lỏng làm vật liệu có giá trị số điện môi gần với giá trị số điện mơi khơng khí tốt để làm giảm gián đoạn tương tác trường điện từ trường bên hốc cộng hưởng chất lỏng Trong thực tế, chén đựng chất lỏng có số điện mơi gần với giá trị khơng khí cải thiện tính đồng hỗn hợp thí nghiệm (các chất lỏng chén đựng chất lỏng) Để giải thích tượng này, Schroeder cộng [21] cung cấp công thức phân tích cần thiết cho việc tính tốn giá trị số điện môi tương đương hỗn hợp pha vật chất khác nhau: ( r' ( Acetone )   r' [18] )  ( r"( Acetone )   r"[18] ) % r  100% (11) ( r' [18] )  ( r"[18] ) Trong đó: Ʌ%ɛr' sai số tương đối số điện mơi phức tính tốn so với giá trị chuẩn từ tài liệu tham khảo [18] ɛr'(Acetone) ɛr"(Acetone) số điện mơi hệ số tổn hao tính tốn cho dung dịch Acetone theo phương pháp đề xuất ɛr'[18] ɛr"[18] số điện môi hệ số tổn hao dung dịch Acetone (70% thể tích) theo tài liệu tham khảo [18] Từ Bảng 1, chúng rút lưu ý tần số cộng hưởng dời tới tần số thấp thể tích chất lỏng tăng, điều hoàn toàn hợp lý dự đốn từ lý thuyết trường điện từ Thể tích chất lỏng tăng lên dẫn đến tượng: sai số kết tính tốn hệ số hiệu chỉnh k' k" giảm dần giá trị dần hội tụ thể tích chất lỏng tăng Các kết thu cho thấy kỹ thuật ổn định đồng thời dẫn đến sai số lớn số điện mơi thu thể tích chất lỏng tăng lên Trong Bảng 1, sai số tính tốn cho hệ số hiệu chỉnh k' k" sai lệch thể tích chất lỏng giảm cách liên tục thể tích chất lỏng tăng Điều giải thích tỷ lệ sai số thể tích ống tiêm (0.1ml mơ tả trên) thể tích thực chất lỏng (dung dịch chuẩn dung dịch cần đo) giảm tương ứng thể tích chất lỏng tăng lên Điều chứng tỏ ổn định kỹ thuật thể tích mẫu chất lỏng tăng Ngược lại, giá trị số điện mơi tính tốn dung dịch chất lỏng cần đo tăng liên tục 2ml 4ml sau giảm thể tích chất lỏng lớn 4ml Từ kết này, rút phải có giá trị thể tích tối ưu cho chất lỏng đo đạc phương pháp Ngồi ra, giá trị số điện mơi theo tính tốn dung dịch cần đo (39.26+j0.78 tương ứng với thể tích 3ml) giá trị gần so với giá trị số điện môi hỗn hợp Acetone (40 với dung dịch 70% thể tích Acetone 250C) theo tài liệu tham khảo [18] Với thể tích chất lỏng nhỏ (giữa 2ml 3ml), sai số giá trị tính tốn cho hệ số hiệu chỉnh k' k" trở nên lớn tỷ lệ sai số thể tích ống tiêm (0.1ml) thể tích thực chất lỏng  eff  w  3.v f  w  inc   w  inc  2 w  v f ( inc   w ) (12) Trong đó: ɛeff số điện mơi hiệu dụng hỗn hợp, ɛw số điện môi nước (hoặc dung môi khác chiếm ưu hỗn hợp gồm pha khác nhau), ɛinc số điện mơi vật chất hịa tan hỗn hợp vf tỷ số thể tích vật chất hịa tan thể tích dung mơi chiếm ưu Từ cơng thức này, tạo hỗn hợp đồng chất lỏng cần đo bên hốc cộng hưởng sử dụng chén đựng chất lỏng với số điện môi gần với số điện môi không khí (hoặc chất lỏng cần đo) tốt Nhưng thể tích hiệu dụng hỗn hợp trường hợp khác cần khảo sát lại kỹ để tìm thể tích tối ưu cho phương pháp đề xuất 367 367 HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) Hằng số điện môi tham chiếu nước cất (80+j8 25oC trình bày tài liệu tham khảo [19]) thay đổi đo đạc thực tế khác biệt nhiệt độ, độ ẩm, độ xác thiết bị đo Nhiệt độ phịng giữ 250C dao động ảnh hưởng môi trường xung quanh Như nói, sử dụng dung mơi Acetone với độ tinh khiết 70% thể tích giá trị sai khác khoảng ±5% thông số cung cấp từ nhà sản xuất (theo đó, số điện mơi hỗn hợp Acetone dao động 40 44.5 đề cập tài liệu tham khảo [18]) Hơn nữa, hình dạng chén đựng chất lỏng nên có dạng đối xứng tương tự với hình dạng hốc cộng hưởng (trong đề tài hình chữ nhật) để có tương tác trường điện từ tốt với chất lỏng đặt bên hốc Do khó khăn việc kiểm sốt độ xác thể tích chất lỏng, nhóm nghiên cứu khơng thể thay đổi thể tích chất lỏng với bước đo 0.1ml Theo đó, nghiên cứu sâu với độ phân giải 0.1ml thể tích thực nghiệm chất lỏng nên thực để xác định khoảng giá trị tối ưu thể tích chất lỏng cho kỹ thuật đề nghị báo cáo IV [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] KẾT LUẬN Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp linh hoạt chi phí thấp cho việc đo đạc số điện môi phức chất lỏng tần số vi sóng dựa phương pháp hốc cộng hưởng cổ điển Thể tích tối ưu chất lỏng thử nghiệm viết chứng minh tính khả thi phương pháp đo đạc đề xuất Một số hạn chế kỹ thuật thảo luận cần cải thiện tương lai Hằng số điện môi chén đựng chất lỏng nên gần với số điện môi khơng khí chất lỏng cần đo tốt để tăng độ xác phương pháp Hơn nữa, hình dạng chén đựng chất lỏng độ phân giải thể tích chất lỏng cần khảo sát kỹ lưỡng [13] [14] [15] [16] LỜI CẢM ƠN Công trình hỗ trợ kinh phí Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Nano (Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh) khoản trợ cấp từ vùng Rhơne-Alpes (cộng hịa Pháp) Các tác giả xin chân thành cảm ơn phịng thí nghiệm LCIS (Grenoble-INP/ESISAR Valence, cộng hòa Pháp) cung cấp hốc cộng hưởng thiết bị đo lường khuôn khổ dự án hợp tác bên [17] [18] [19] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [20] Chen, L F., C K Ong, C P Neo, V V Varadan, and V K Varadan: “Microwave Electronics: Measurement and Material Characterization”, John Wiley & Sons Inc., 2004 Pozar D M., “Microwave Engineering”, John Wiley & Sons Inc., 2005 Baker-Jarvis, J R G Geyer, J H Grosvenor, Jr., M D Janezic, C A Jones, B Riddle, C M Weil, and J Krupa: “Dielectric characterization of low-loss materials: A comparison of techniques", IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation , Vol 5, No 4, pp 244-246, 1998 [21] 368 368 Robinson G H.: “Resonant frequency calculations for microstrip cavities (correspondence)", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 19, No 7, pp 244-246, 2003 A Baysar, and J L Kuester: “Dielectric property measurements of materials using the cavity technique", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 40, No 11, pp 2108-2110, 1992 Howell J Q.: “A quick accurate method to measure the dielectric constant of microwave integrated circuit substrates", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 51, No 4, pp 142-143, 1973 Ivanov, S A and V N Peshlov: “Ring-resonator method - Effective procedure for investigation of microstrip line", IEEE Microwave and Wireless Components Letters , Vol 13, No 6, pp 665-666, 1971 Bernard, P A and J M Gautray: “Measurement of dielectric constant using a microstrip ring resonator", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 39, No 3, pp 592-595, 1991 Napoli, L S and J J Hughes: “A simple technique for the accurate determination of the microwave dielectric constant for microwave integrated circuit substrates (correspondence)", IEEE Transactions on Microwave Theory Tech , Vol 19, No 7, pp 664-665, 1971 R F Harrington: “Time harmonic electromagnetic fields”, Mc GrawHill, New York, 1961 Ning Wang, Naiqian Zhang, Maohua Wang: “Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future perspective”, Journal of Computers and Electronics in Agriculture, Vol 50, Issue 1, January 2006, pp 1-14 N Dat Son, et al., "Development of novel wireless sensor for food quality detection," Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, vol 6, p 045004, 2015 Andrew A.P Gibson, Sing K Ng, Badaruzzaman B.M Noh, Hong S Chua, Arthur D Haigh, Graham Parkinson, Paul Ainsworth and Andrew Plunkett: “An overview of microwave techniques for the efficient measurement of food materials “, Journal of Food Manufacturing Efficiency, IFIS Publishing 2008, Vol 2, Issue 1, pp 1-8, ISSN: 17502683 R.Seaman, E Burdete and R Dehaan, “Open-ended Coaxial Exposure Device for Applying RF/Microwave Fields to very small Biological Preparation”, IEEE Trans Microwave Theory Tech., vol 37, pp 102111, January 1989 K.Staebel and D Misra, “An Experimental Technique for in vivo Permittivity Measurement of Materials at Microwave Frequencies”, IEEE Trans Microwave Theory Tech., vol MTT-38, pp 337-339, March 1990 M Lin, Y Wang, and M.N Afsar: “Precision measurement of complex permittivity and permeability by microwave cavity perturbation technique”, The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th International Conference on Terahertz Electronics, September 2005, pp 62– 63 Z Wang, et al., "Permittivity measurement of biological materials with improved microwave cavity perturbation technique," Microwave and Optical Technology Letters, vol 50, pp 1800-1804, 2008 A C Kumbharkhane, S N Helambe, M P Lokhande, S Doraiswamy and S C Mehrotra: “Structural study of aqueous solutions of tetrahydrofuran and acetone mixtures using dielectric relaxation technique”, Pramana – Journal of physics, Vol 46, No.2, February 1996, pp 91-98 Http://www.intechopen.com/articles/show/title/broadband-complexpermittivity-determination-for-biomedical-applications V Svorcik, O Ekrt, V Rybka, J Liptak and V Hnatowicz, “Permittivity of polyethylene and polyethyleneterephtalate”, Journal of Materials Science Letters, Vol 19, Number 20, pp 1843-1845, DOI: 10.1023/A:1006715028026 Mark J Schroeder, Anupama Sadaasiva, Robert M Nelson, “An Analysis on the Role of Water Content and State on Effective Permittivity Using Mixing Formulas”, Journal of Biomechanics, Biomedical and Biophysical engineering, Vol 2, Issue 1, 2008 ... xuất phương pháp linh hoạt chi phí thấp cho vi? ??c đo đạc số điện môi phức chất lỏng tần số vi sóng dựa phương pháp hốc cộng hưởng cổ điển Thể tích tối ưu chất lỏng thử nghiệm vi? ??t chứng minh tính. .. có tần số cộng hưởng cao mode chiếm ưu TE101) lớn mode cao có tần số cộng hưởng gần dẫn đến vi? ??c xác định số điện môi thông qua hệ số S21 trở nên phức tạp Do đó, đa số phương pháp hốc cộng hưởng... xác định số điện môi tương đối chất lỏng hay vật liệu cần đo đạc Từ thông số cơng thức sẵn có trên, tính tần số cộng hưởng cho mode TE Khi đặt mẫu điện môi bên hốc cộng hưởng, suy hao điện trường