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

HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
vàCơng
CơngNghệ
Nghệ
Thơng
(ECIT
2015)
Thảo
Quốc
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thơng
Thơng và
Thơng
TinTin
(ECIT
2015)

Một phương pháp đo đạc tính chất điện môi cho chất
lỏng tổn hao cao ở tần số vi ba
Nguyễn Đạt Sơn, Lâm Tấn Phát và Lê Nguyên Ngân
Phịng thí nghiệm cơng nghệ Nano,
Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Email: , ,
đạc tính chất điện mơi của vật liệu, đặc biệt là chất lỏng có tổn

hao lớn hoặc các loại thực phẩm theo thời gian nhằm tích hợp
vào các ứng dụng như mạng cảm biến không dây hoặc hệ
thống RFID nhằm quản lý chất lượng theo thời gian thực là rất
cần thiết [11-12]. Tuy nhiên, việc sử dụng hốc cộng hưởng để
đo đạc hằng số điện mơi tương đối của chất lỏng vẫn cịn gặp
rất nhiều khó khăn do cần phải sử dụng các vật liệu hỗ trợ để
cố định chất lỏng khi đặt vào bên trong hốc. Vật liệu hỗ trợ này
có thể làm thay đổi độ chính xác của các thơng số đo được
cũng như làm thay đổi kết quả tính tốn sau cùng. Do đó,
chúng tơi đề nghị một kỹ thuật mới nhằm đo đạc hằng số điện
môi phức của các chất lòng ở tần số vi ba dựa trên phương
pháp hốc cộng hưởng truyền thống như một giải pháp linh
động và tiết kiệm chi phí trong các ứng dụng thực tế.
Phần cịn lại của bài báo được trình bày như sau: trong phần
II, chúng tôi miêu tả các lý thuyết cũng như khái niệm cơ bản
cho hướng tiếp cận của phương pháp đề nghị trong báo cáo.
Trong phần III, chúng tôi trình bày các kết quả thực nghiệm
cũng như thảo luận phân tích. Cuối cùng, chúng tơi kết luận về
các kết quả thu được cũng như hướng phát triển tiếp theo trong
phần IV.

Abstract — Trong bài báo này, 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 cơng trình
liên quan. Các kết quả thu được cho thấy sai số phép đo của
phương pháp đề nghị có thể được giảm với thể tích chất lỏng tối
ưu trong các phép đo. Ngoài ra, những hạn chế và thảo luận về

hướng phát triển tiếp theo của phương pháp đề nghị cho các ứng
dụng thực tế cũng được trình bày trong báo cáo này.
Keywords- Hốc cộng hưởng chữ nhật; chế độ truyền sóng
TE101; tần số vi ba; hằng số điện môi phức; chất lỏng tổn hao cao

I.

GIỚI THIỆU

Những năm gần đây, các kỹ thuật đo đạc tính chất điện mơi
của vật liệu ngày càng thu được mối quan tâm lớn từ các nhà
khoa học và được ứng dụng nhiều hơn do độ chính xác cao
cũng như tính đơn giản cho cấu hình đo đạc các đặc tính vật
liệu như các phương pháp sử dụng ống dẫn sóng (waveguide
cavity) và bộ cộng hưởng dựa trên mạch in (printed-line
resonator). Một số kỹ thuật đo đạc hằng số điện mơi tương đối
hiện nay có thể được phân loại chủ yếu: phương pháp truyềnphản xạ (transmission-reflection), phương pháp không gian tự
do (free space) và phương pháp cộng hưởng (resonance
techniques) [1-10].
Các hốc cộng hưởng hình chữ nhật và hình trụ đã được sử
dụng rộng rãi trong một thời gian dài trong việc đo đạc hằng số
điện môi của các vật liệu tổn hao thấp ở dạng rắn [2-5] do hệ số
phẩm chất cao của các phương pháp này. Kỹ thuật hốc cộng
hưởng (resonant cavity techniques) thường được sử dụng để đo
lường hằng số điện môi phức của các loại vật liệu điện mơi
khác nhau ở tần số vi sóng (microwave). Rất nhiều bài báo và
những cơng trình nghiên cứu tập trung vào các vấn đề đánh giá
hằng số điện môi tương đối của chất lỏng cũng như các khía
cạnh khác nhau của phương pháp đo đạc [2-5]. Ưu điểm của
hốc cộng hưởng là cấu hình đơn giản và dễ chế tạo hơn so với

các phương pháp khác, điều này làm cho chi phí của phương
pháp này là tơi ưu hơn so với các phương pháp khác như không
gian tự do hay đầu dị đồng trục.
Trong thực tế, các đặc tính của các loại vật chất lỏng, đặc
biệt là các chất lỏng có tổn hao cao, ln ln có rất nhiều triển
vọng và ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp
sinh học và thực phẩm. Việc nghiên cứu các phương pháp đo

ISBN: 978-604-67-0635-9

II.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Hằng số điện môi tương đối hay cịn gọi là hằng số điện
mơi phức là tiêu chuẩn để đánh giá mức độ phản ứng của một
vật liệu khi được đặt trong một điện trường E. Thông thường,
hằng số điện môi phức thường được biểu diễn dưới dạng:
(1)

 r'  j r"
r
'
"
Trong đó:  r và  r lần lượt là hằng số điện môi và hệ số

tổn hao của vật liệu điện mơi.

Hình 1. Các kích thước của hốc cộng hưởng hình chữ nhật [2]

363
363


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

phẩm chất Q. Trong trường hợp này, một số cơng trình nghiên
cứu đề nghị sử dụng phương pháp con trỏ [6], một phương
pháp để xác định hằng số điện môi phức dựa trên phương
pháp thử tiêu chuẩn. Theo đó, cơng thức để tính tốn hệ số
phẩm chất Q được đưa ra như sau:

Q

f o  BW ( )
f 2 ( )  f1 ( )

BW
( )


Trước tiên, chúng ta hãy cùng xem xét trường điện từ bên
trong một hốc cộng hưởng hình chữ nhật (Hình 1). Các chế độ
của sóng điện từ có thể truyền bên trong hốc cộng hưởng là
TE hoặc TM. Tần số cộng hưởng của các chế độ truyền sóng
TEmnp (được đánh thứ tự theo các chỉ số m, n, p) được tính
theo các kích thước a, b và d như phương trình sau [2]:

c

2 r  r

2

2

m n  p
     
 a  b d 

2

(2)

Trong đó: a, b, d lần lượt là chiều rộng, chiều cao và chiều
dài của hốc cộng hưởng. m, n, p là các chỉ số gắn với các
mode dọc theo các phương x, y, z
Một thông số khác cũng khá quan trọng với phương pháp
hốc cộng hưởng là hệ số phẩm chất Q cho phép chúng ta xác
định các tổn hao điện từ bên trong hốc cộng hưởng. Như đã
nói ở trên, năng lượng tích trữ bên trong hốc cộng hưởng sẽ
được hấp thụ một phần bởi vật liệu điện môi. Sự thay đổi này
biểu hiện ở độ dời tần số cộng hưởng và cả sự suy giảm hệ số
phẩm chất (Hình 2). Các giá trị phần thực và phần ảo của
hằng số điện môi phức của vật liệu đo đạc có thể được rút ra
từ sự dịch chuyển tần số cộng hưởng và sự thay đổi của hệ số
phẩm chất (hệ số Q) của hốc cộng hưởng khi các mẫu vật liệu
đo đạc được đặt vào bên trong.
Theo Pozar [2], chúng ta có thể biểu diễn hệ số phẩm chất
của chế độ truyền sóng chiếm ưu thế (TE101) bên trong hốc

cộng hưởng theo các kích thước của nó:

 f o  f s  2Vo 

 (7)
 f s  Vs 

 r'  1 

 1
1  V 
 r"    o 

 Qs Qo  Vs 

(8)

Trong đó: f0 và fs lần lượt là tần số cộng hưởng của thông
số S21 (insertion loss) trong trường hợp khơng có và có mẫu
vật liệu đo đạc bên trong hốc cộng hưởng. Q0 và Qs lần lượt là
hệ số phẩm chất trong trường hợp khơng có và có mẫu vật liệu
đo đạc bên trong hốc cộng hưởng. Vo và Vs lần lượt là thể tích
của hốc cộng hưởng và thể tích của mẫu vật liệu cần đo.
Như đã trình bày ở trên, các phương pháp nhanh gọn, cấu
hình đơn giản và chi phí thấp để xác định và đánh giá chất
lượng thực phẩm nhằm cung cấp một hệ thống hoặc cơ chế
kiểm soát chất lượng hiệu quả trong quá trình phân phối thực
phẩm thu được sự quan tâm rất nhiều trong công nghiệp. Tuy
nhiên, các phương pháp phổ biến dùng để đo đạc hằng số điện
môi tương đối như hốc cộng hưởng thường khó áp dụng cho

các mẫu dạng lỏng như thực phẩm trong khi các phương pháp
đo đạc bằng đầu dò đồng trục hay khơng gian tự do vẫn cịn
khá đắt tiền. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là xây dựng một
phương pháp đơn giản, giá thành thấp để đo đạc tính chất điện
môi của các loại vật liệu lỏng dựa trên phương pháp hốc cộng
hưởng truyền thống.
Kỹ thuật đo đạc bằng phương pháp hốc cộng hưởng
thường yêu cầu mẫu vật liệu phải đủ nhỏ vì khi đó trường điện

 


b(a 2  d 2 )3/2
(3)

2
2
3
3 
Rs  ad (a  d )  2b(a  d ) 
Trong đó:  là trở kháng trong không gian tự do và bằng

TE
Q101


10 /10  1

(6)
Trong đó, BW(α) là băng thơng của S21 tại giá trị α dB và

f0 là tần số trung tâm của băng thơng. Từ các cơng thức trên,
chúng ta có thể xác định được hằng số điện môi tương đối của
chất lỏng hay các vật liệu cần đo đạc.
Từ những thơng số và các cơng thức sẵn có ở trên, chúng
ta có thể tính được các tần số cộng hưởng cho các mode TE
đầu tiên. Khi chúng ta đặt mẫu điện môi bên trong hốc cộng
hưởng, sự suy hao điện trường của các mode khơng chiếm ưu
thế (các mode có tần số cộng hưởng cao hơn mode chiếm ưu
thế TE101) sẽ lớn hơn và các mode cao hơn cũng có tần số
cộng hưởng gần nhau hơn dẫn đến việc xác định hằng số điện
môi thông qua hệ số S21 sẽ trở nên phức tạp hơn. Do đó, đa số
các phương pháp hốc cộng hưởng đều tập trung vào mode ưu
thế TE101 để xác định hằng số điện môi tương đối của mẫu
điện môi. Từ độ dịch chuyển tần số cộng hưởng và hệ số phẩm
chất (Q-factors) trong 2 trường hợp có và khơng có mẫu điện
mơi bên trong hốc cộng hưởng, hằng số điện môi tương đối
của vật liệu cần đo có thể được xác định thơng qua các cơng
thức sau [13]:

Hình 2. Nguyên lý của phương pháp đo đạc dùng hốc cộng hưởng

( f r )mnp 

(5)

120π. Rs là điện trở bề mặt của hốc cộng hưởng.
Với 2 phép đo khác nhau trong trường hợp có và khơng
có mẫu bên trong hốc cộng hưởng hình chữ nhật, sự thay đổi
tần số gây ra bởi sự xuất hiện của mẫu vật liệu được thể hiện
như sau [4] :

Tuy nhiên, khi mẫu đo đưa vào hốc cộng hưởng là vật liệu
tổn hao cao, việc quan sát băng thông nửa công suất (-3dB) từ
các dữ liệu đo S21 là rất khó khăn và rất khó để có được hệ số

364
364


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hình 3. Cấu hình đo đạc hằng số điện môi của chất lỏng bằng
phương pháp hốc cộng hưởng

từ bên trong hốc cộng hưởng mới có thể được xem như là
khơng đổi trong thể tích bên ngồi mẫu vật liệu. Theo đó,
thơng thường mẫu đo cần có chiều dài tương đương chiều dài
của hốc cộng hưởng do chiều dài của hốc cộng hưởng thường
tỷ lệ thuận với chiều dài bước sóng ở tần số tương ứng [14].
Yêu cầu này khiến cho việc đo đạc các mẫu vật liệu lỏng hoặc
dạng keo ở các tần số thấp trở nên khó khăn. Bên cạnh đó,
mẫu vật liệu cũng cần phải có bề dày không quá lớn để các
mode trường điện từ có thể tương tác hiệu quả với mẫu đo và
khơng ảnh hưởng quá nhiều lên kết quả sau cùng. Do vậy, việc
ứng dụng phương pháp hốc cộng hưởng này cho các mẫu vật
liệu như chất lỏng là rất khó khăn. Để giải quyết các vấn đề
này, một số phương pháp cải thiện đã được đề xuất và thảo
luận trong các cơng trình liên quan [15].
Từ tài liệu tham khảo [16-17], mẫu đo cần được đặt ở

trung tâm của hốc cộng hưởng để tối đa tương tác với trường
điện từ bên trong (Hình 3). Khi đó, hằng số điện mơi của mẫu
vật liệu cần đo sẽ được tính theo cơng thức:

Hình 4. Đo đạc hằng số điện môi của chất lỏng bằng phương pháp
hốc cộng hưởng

trong lần lượt là 74mm, 150mm và 26 mm như Hình 3. Hốc
cộng hưởng sẽ được kết nối với thiết bị Vector Network
Analyzer HP 8720D có tầm đo từ 50MHz tới 20GHz để đo
đạc như Hình 5. Tất cả các kết quả đo đều được thực hiện ở
nhiệt độ phòng là 25oC.
Sự tương đồng giữa kết quả mơ phỏng trên phần mềm
CST Microwave Studio® và kết quả đo đạc thực tế với hốc
cộng hưởng được trình bày như trong Hình 6. Khi chúng ta
đặt chén đựng chất lỏng (PTFE) vào bên trong khoang cộng
hưởng, các tính chất điện từ và hình dạng của chén (độ dày
của chén PTFE là 2 mm) làm dịch chuyển tần số cộng hưởng
của chế độ truyền TE101 từ 2.26GHz về 2.23GHz. Trong thực
tế, tần số cộng hưởng đã chuyển từ trạng thái của hốc cộng
hưởng trống sang trạng thái chén PTFE trống bên trong hốc
cộng hưởng. Vì vậy, sự cân chỉnh cho việc tính tốn hằng số
điện mơi chất lỏng bằng cách thêm vào các hệ số hiệu chỉnh k'
và k" là cần thiết cho kỹ thuật được đề xuất trong báo cáo này,
nếu chúng ta muốn sử dụng các hệ số fo, fs, Qo và Qs trong
trạng thái chén PTFE trong hốc cộng hưởng.
Từ mỗi phép đo ở trên, chúng ta có thể trích xuất các tần
số cộng hưởng f0 và fs, các hệ số phẩm chất Qo và Qs từ các

 f o  f s  2Vo 


 (9)
 f s  Vs 
 1
1  V 
 r" k "    o  (10)

 Qs Qo  Vs 

 r'  1 k ' 

Phương pháp đo đạc đề nghị trong báo cáo này được mơ
tả trong Hình 4. Đầu tiên, chúng ta đo độ suy hao về mặt
truyền công suất (S21) với chén đựng chất lỏng (chén PTFE)
bên trong hốc cộng hưởng. Tiếp theo, chúng ta cho dung dịch
chất lỏng chuẩn (nước cất) vào bên trong chén PTFE và đặt
vào bên trong hốc cộng hưởng để đo S21 trong trường hợp này.
Từ kết quả đo S21 với chất lỏng chuẩn (Standard Liquid) bên
trong hốc cộng hưởng, chúng ta có thể tính tốn 2 hệ số hiệu
chỉnh k 'và k" trong các công thức (9) và (10) từ hằng số điện
môi của dung dịch chuẩn (nước cất). Sau đó, chúng ta lặp lại
phép đo S21 với chất lỏng cần đo (Liquid Under Test) đặt bên
trong chén PTFE và cho vào trong hốc cộng hưởng. Với 2 hệ
số hiệu chỉnh k' và k" tính tốn trong bước trước đó (với dung
dịch chuẩn), chúng ta có thể tính tốn hằng số điện mơi tương
đối của chất lỏng cần đo bởi các công thức (9) và (10).
III.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Như đã đề cập ở trên, việc đo đạc hằng số điện môi tương
đối bằng phương pháp hốc cộng hưởng cần phải sử dụng một
hốc cộng hưởng. Ở đây, chúng ta sử dụng hốc cộng hưởng
hình chữ nhật chế tạo bằng đồng thau và có các kích thước bên

Hình 5. Cấu hình đo đạc bằng phương pháp hốc cộng hưởng

365
365


Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
HộiHội
Thảo
Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

đường S21 đo được bằng các phương trình (5) và (6). Để tính
tốn các hệ số hiệu chỉnh k' và k", các hệ số fo và Qo được tính
từ kết quả S21 đo được trong trường hợp chén PTFE trống
(khơng có chất lỏng bên trong chén) đặt bên trong hốc cộng
hưởng, trong khi fs và Qs được tính tốn từ kết quả S21 đo
được trong trường hợp cốc PTFE có chứa dung dịch chuẩn và
đặt bên trong hốc cộng hưởng. Theo đó, chúng ta có thể tính
tốn 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" trong các công thức (9) và
(10) từ hằng số điện môi của chất lỏng chuẩn (nước cất). Đây
cũng là 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" sẽ được sử dụng để tính
tốn hằng số điện môi của chất lỏng cần đo trong trường hợp
chén PTFE chứa dung dịch chất lỏng cần đo (với cùng chất
liệu, hình dáng và kích thước như trường hợp chất lịng tiêu
chuẩn) và đặt bên trong hốc cộng hưởng.

Việc tính tốn hằng số điện môi của dung dịch cần đo
được thông qua các hệ số hiệu chỉnh (k' và k" đã tính tốn với
dung dịch chuẩn) ở bước tiếp theo. Chúng ta sẽ áp dụng các
công thức (9) và (10) bằng cách sử dụng các hệ số f0 và Q0 từ
S21 đo được trong trường hợp chén PTFE trống đặt bên trong
hốc cộng hưởng. Các hệ số fs và Qs vẫn được trích ra từ S21 đo
được chén PFTE có chứa dung dịch chất lỏng cần đo đặt bên
trong hốc. Các phép đo S21 tương ứng trong các trường hợp
của dung dịch chuẩn (nước cất) và chất lỏng cần đo (acetone)

đã được thực hiện với cùng thể tích chất lỏng chứa bên trong
chén PTFE và đặt tại cùng vị trí trung tâm của hốc cộng
hưởng. Việc tính tốn hằng số điện môi của chất lỏng cần đo
từ 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" đều dựa trên cùng tham chiếu từ
trạng thái chén PFTE trống đặt bên trong hốc cộng hưởng.
Dung dịch chất lỏng cần đo được sử dụng trong nghiên
cứu này là một hỗn hợp pha loãng của Acetone và nước với độ
tinh khiết 70% về thể tích của Acetone. Trong tài liệu tham
khảo [18], hằng số điện môi của hỗn hợp này được xác định là
40. Trong các phép đo đạc thí nghiệm của đề tài này, hai chén
đựng chất lỏng PTFE (cùng hình dạng, kích thước và vật liệu)
sẽ được sử dụng để đo thông số S21 của các trạng thái tương
ứng (với dung dịch chuẩn và chất lỏng cần đo) để đảm bảo độ
lặp lại giữa các lần đo. Mục đích của việc này là để khảo sát
độ chính xác cũng như hạn chế của phương pháp đề xuất với
các thể tích chất lỏng khác nhau.
Trong đề tài này, chúng ta sẽ chuẩn bị một số mẫu dung
dịch chuẩn (nước cất) và dung dịch cần đo (acetone) với thể
tích khác nhau từ 2ml tới 5ml để khảo sát những ảnh hưởng
của thể tích chất lỏng lên độ chính xác của giá trị hằng số điện

mơi của chất lỏng đo được bằng phương pháp được đề xuất ở
trên. Với mục đích này, thể tích của các chất lỏng (dung dịch
chuẩn và dung dịch cần đo) được điều chỉnh bởi các ống tiêm
với sai số 0.1ml và thể tích được thay đổi từ 2ml tới 5ml với
bước 1ml (Hình 7 và Hình 8) để xác định ảnh hưởng của thể
tích chất lỏng lên độ chính xác của các kết quả thu được.
Với phương pháp mơ tả trong Hình 4, chúng ta sẽ tính
tốn 2 hệ số hiệu chỉnh trong công thức (9) và (10) từ hằng số
điện môi của dung dịch chuẩn (nước cất). Từ tài liệu tham
khảo [19], chúng ta thu được giá trị hằng số điện môi của nước
cất là 80+8j (ở 2GHz và 25oC). Với kết quả đo S21 trong
trường hợp của dung dịch chuẩn, chúng ta có được các hệ số
hiệu chỉnh k' và k" như trong Bảng 1, sau đó sử dụng 2 hệ số
này để việc tính tốn hằng số điện mơi của dung dịch cần đo
(hỗn hợp của Acetone và nước) cũng theo các công thức (9) và
(10). Đối với mỗi thí nghiệm đo S21 của các trạng thái ứng với
các chất lỏng khác nhau, chúng ta sẽ giữ thể tích của các chất
lỏng bên trong chén PTFE giữa 2 tình huống (ứng với nước
cất và dung dịch Acetone) là như nhau. Giá trị của các hệ số
hiệu chỉnh k', k" và hằng số điện mơi tính tốn cho dung dịch

Hình 7. Kết quả đo S21 của dung dịch chuẩn (nước cất) tại các
thể tích khác nhau

Hình 8. Kết quả đo S21 của dung dịch cần đo (Acetone) tại các thể
tích khác nhau

Hình 6. Tần số cộng hưởng khi khơng có và có chén đựng chất
lỏng (chén PTFE) bên trong hốc cộng hưởng

366
366


Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và 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%

4 ± 0.1

6.26 ± 0.16

18.29 ± 0.46

46.74 ± 0.01

4.01 ± 0.01

19.61%

5 ± 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)
2 ± 0.1

k'

k"

7.60 ± 0.38

3 ± 0.1

19.84%

Bảng 1. Các giá trị tính tốn cho các hệ số hiệu chỉnh và hằng số điện môi của chất lỏng cần đo theo phương pháp đề xuất

cần đo theo phương pháp đề xuất được trình bày như trong
Bảng 1. Trong đó, sai số tương đối giữa các giá trị hằng số
điện mơi ɛ' và ɛ" tính toán được so với giá trị chuẩn (40 theo
tài liệu tham khảo [18]) được tính tốn theo cơng thức sau:

tăng tương ứng và làm giảm sự ổn định của kỹ thuật được đề
xuất. Thêm nữa, thể tích nhỏ hơn của chất lỏng có thể dẫn đến
ít tương tác hơn giữa chất lỏng và trường điện từ phân bố bên
trong hốc cộng hưởng. Ngược lại, với các thể tích chất lỏng
lớn hơn (giữa 4ml và 5ml), hằng số điện môi thu được tiếp tục
dao động và sai lệch xa giá trị tham khảo của hỗn hợp acetone
hơn nữa (cả trong hằng số điện môi và hệ số tổn hao).
Các giá trị tính tốn cho hằng số điện mơi của dung dịch
chất lỏng cần đo tại thể tích 3ml (39.26+j0.78) rất gần so với
giá trị tham khảo cho thấy tính khả thi của kỹ thuật được đề
xuất trong đề tài này. Từ các kết quả thử nghiệm, thể tích tối
ưu cho các dung dịch chất lỏng cần đo với kỹ thuật được đề
xuất sẽ nằm giữa các giá trị 3ml và 4ml. Tuy nhiên, kỹ thuật
được đề xuất trong nghiên cứu này vẫn cịn một số hạn chế và
có thể được cải thiện trong tương lai.

Nhận xét đầu tiên là giá trị hằng số điện môi của chén
đựng chất lỏng (PTFE) dao động từ 2.1 tới 2.3 [20]) và rất
khác biệt so với hằng số điện môi của 2 dung dịch chuẩn và
dung dịch cần đo. Điều đó có nghĩa rằng các kết quả thực
nghiệm có thể được cải thiện nếu chúng ta sử dụng một chén
đựng chất lỏng làm bằng vật liệu có giá trị hằng số điện mơi
càng gần với giá trị hằng số điện mơi của khơng khí càng tốt
để làm giảm sự gián đoạn tương tác trường điện từ trường bên
trong hốc cộng hưởng và chất lỏng. Trong thực tế, nếu chén
đựng chất lỏng có hằng số điện mơi gần với giá trị của khơng
khí sẽ có thể cải thiện tính đồng nhất của hỗn hợp trong các
thí nghiệm (các chất lỏng và chén đựng chất lỏng). Để giải
thích hiện tượng này, Schroeder và các cộng sự [21] đã cung
cấp các cơng thức phân tích cần thiết cho việc tính tốn của
giá trị hằng số điện mơi tương đương trong một hỗn hợp 2 pha
vật chất khác nhau:

( r' ( Acetone )   r' [18] ) 2  ( r"( Acetone )   r"[18] ) 2
% r 
100% (11)
( r' [18] ) 2  ( r"[18] ) 2
Trong đó: Ʌ%ɛr' là sai số tương đối của hằng số điện mơi
phức tính tốn được so với giá trị chuẩn từ tài liệu tham khảo
[18]. ɛr'(Acetone) và ɛr"(Acetone) lần lượt là hằng số điện môi và hệ
số tổn hao tính tốn được cho dung dịch Acetone theo phương
pháp đề xuất. ɛr'[18] và ɛr"[18] lần lượt là hằng số điện môi và
hệ số tổn hao của dung dịch Acetone (70% về thể tích) theo tài
liệu tham khảo [18].
Từ Bảng 1, chúng ra rút ra được một lưu ý rằng tần số
cộng hưởng sẽ được dời tới các tần số thấp hơn khi thể tích

của các chất lỏng tăng, điều này là hồn tồn hợp lý đúng như
dự đốn từ lý thuyết trường điện từ. Thể tích chất lỏng tăng
lên sẽ dẫn đến một hiện tượng: sai số trong kết quả tính tốn
của 2 hệ số hiệu chỉnh k' và k" giảm dần và giá trị này dần hội
tụ khi thể tích chất lỏng tăng. Các kết quả thu được cho thấy
rằng kỹ thuật này là ổn định hơn nhưng đồng thời cũng dẫn
đến sai số lớn hơn trong hằng số điện mơi thu được khi thể
tích chất lỏng tăng lên.
Trong Bảng 1, sai số trong tính tốn cho 2 hệ số hiệu
chỉnh k' và k" do sai lệch về thể tích chất lỏng giảm một cách
liên tục khi thể tích của chất lỏng tăng. Điều này có thể được
giải thích rằng tỷ lệ giữa sai số về thể tích của ống tiêm (0.1ml
như mô tả ở trên) và thể tích thực sự của các chất lỏng (dung
dịch chuẩn và dung dịch cần đo) giảm tương ứng khi thể tích
chất lỏng tăng lên. Điều này chứng tỏ sự ổn định của kỹ thuật
này khi thể tích của các mẫu chất lỏng tăng. Ngược lại, các giá
trị hằng số điện môi tính tốn của dung dịch chất lỏng cần đo
tăng liên tục giữa 2ml và 4ml rồi sau đó giảm khi thể tích của
chất lỏng lớn hơn 4ml. Từ các kết quả này, chúng ta có thể rút
ra được rằng phải có một giá trị thể tích tối ưu nào đó cho các
chất lỏng đo đạc bằng phương pháp này.
Ngoài ra, các giá trị hằng số điện mơi theo tính tốn của
dung dịch cần đo (39.26+j0.78 tương ứng với thể tích 3ml) là
giá trị gần nhất so với giá trị hằng số điện môi của hỗn hợp
Acetone (40 với dung dịch 70% về thể tích của Acetone ở
250C) theo tài liệu tham khảo [18]. Với các thể tích chất lỏng
nhỏ (giữa 2ml và 3ml), sai số trong giá trị tính tốn cho các hệ
số hiệu chỉnh k' và k" trở nên lớn hơn vì tỷ lệ giữa sai số về
thể tích ống tiêm (0.1ml) và thể tích thực của chất lỏng cũng

 eff  w  3.v f . w

 inc   w
 inc  2 w  v f ( inc   w )

(12)

Trong đó: ɛeff là hằng số điện môi hiệu dụng của hỗn hợp,
ɛw là hằng số điện môi của nước (hoặc một dung môi khác
chiếm ưu thế trong hỗn hợp gồm 2 pha khác nhau), ɛinc là
hằng số điện mơi của vật chất hịa tan trong hỗn hợp và vf là tỷ
số giữa thể tích của vật chất hịa tan và thể tích của dung mơi
chiếm ưu thế. Từ cơng thức này, chúng ta có thể tạo ra một
hỗn hợp đồng nhất của chất lỏng cần đo bên trong hốc cộng
hưởng nếu sử dụng một chén đựng chất lỏng với hằng số điện
môi càng gần với hằng số điện mơi của khơng khí (hoặc của
chất lỏng cần đo) càng tốt. Nhưng thể tích hiệu dụng của hỗn
hợp trong 2 trường hợp này sẽ khác nhau và cần được khảo sát
lại kỹ càng để tìm ra thể tích tối ưu mới cho phương pháp
được đề xuất.

367
367


HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
2015

và Công
CôngNghệ
NghệThông
Thông
(ECIT
2015)
Thảo
Quốc
Gia
2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThông
Thông và
TinTin
(ECIT
2015)
Hằng số điện môi tham chiếu của nước cất (80+j8 tại 25oC
như trình bày trong tài liệu tham khảo [19]) có thể thay đổi khi
đo đạc thực tế do sự khác biệt về nhiệt độ, độ ẩm, và độ chính
xác của thiết bị đo. Nhiệt độ trong phịng được giữ ở 250C
nhưng có thể dao động do ảnh hưởng của mơi trường xung
quanh. Như đã nói, chúng ta sử dụng dung môi của Acetone
với độ tinh khiết 70% về thể tích nhưng giá trị này có thể sai
khác khoảng ±5% do thông số cung cấp từ nhà sản xuất (theo
đó, hằng số điện mơi của hỗn hợp Acetone có thể dao động
giữa 40 và 44.5 như đề cập trong tài liệu tham khảo [18]). Hơn
nữa, hình dạng của chén đựng chất lỏng nên có dạng đối xứng
và tương tự với hình dạng của hốc cộng hưởng (trong đề tài
này là hình chữ nhật) để có được một sự tương tác trường điện

từ tốt hơn với các chất lỏng đặt bên trong hốc. Do khó khăn
trong việc kiểm sốt độ chính xác về thể tích của chất lỏng,
nhóm nghiên cứu khơng thể thay đổi thể tích của các chất lỏng
với bước đo 0.1ml. Theo đó, một nghiên cứu sâu hơn với độ
phân giải 0.1ml trong thể tích thực nghiệm của các chất lỏng
nên được thực hiện để xác định khoảng giá trị tối ưu về thể
tích chất lỏng cho kỹ thuật đề nghị trong báo cáo này.
IV.

[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]

[10]
[11]

[12]

KẾT LUẬN

Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu đề xuất một phương
pháp mới linh hoạt và chi phí thấp cho việc đo đạc hằng số
điện môi phức của chất lỏng ở tần số vi sóng dựa trên phương
pháp hốc cộng hưởng cổ điển. Thể tích tối ưu của chất lỏng
thử nghiệm trong bài viết này đã chứng minh tính khả thi của
phương pháp đo đạc được đề xuất. Một số hạn chế của kỹ
thuật này cũng được thảo luận và cần được cải thiện trong

tương lai. Hằng số điện môi của chén đựng chất lỏng nên càng
gần với hằng số điện môi của khơng khí hoặc chất lỏng cần đo
càng tốt để tăng độ chính xác của phương pháp. Hơn nữa, hình
dạng của chén đựng chất lỏng và độ phân giải của thể tích chất
lỏng cần được khảo sát kỹ lưỡng hơn.

[13]

[14]

[15]

[16]

LỜI CẢM ƠN
Cơng trình này được hỗ trợ bởi kinh phí của Phịng thí
nghiệm Cơng nghệ Nano (Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí
Minh) và một 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 tại Valence, cộng hịa Pháp) đã
cung cấp hốc cộng hưởng và các thiết bị đo lường trong khuôn
khổ dự án hợp tác giữa các 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