УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СПЛОШНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для неразрушающего контроля состояния поверхности конструкционных материалов и изделий, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения и приборостроения.

Среди многообразных методов неразрушающего контроля материалов и изделий, использующих оптические, акустические, электромагнитные средства, особое место занимают радиоволновые методы и приборы. Радиоволновые методы предусматривают использование электромагнитных колебаний в широком диапазоне длин воде от миллиметров до дециметров и основаны на взаимодействии колебаний со средой, в которой они распространяются. При этом регистрируется амплитуда, фаза, частота прошедших через объект контроля или отраженных от его поверхности колебаний. При одностороннем доступе к изделию эти методы позволяют определить и классифицировать дефекты поверхности, такие как трещины, непроклей, неоднородности по плотности, отклонение состава от заданного, водосодержание, наличие напряженийи и т.п. без контакта измерительной системы с контролируемым изделием. Указанное позволяет сделать суждение об электромагнитной сплошности поверхности для того диапазона длин волн электромагнитного излучения, в котором проводят исследование. Критерием электромагнитной сплошности является отсутствие сигнала обратного рассеяния зондирующего излучения от контролируемой поверхности.

В устройствах для контроля состояния поверхности, работающих "на отражение", наиболее часто используется двухзондовая схема. В этой схеме излучающий и приемный зонды разнесены в пространстве и синхронно перемещаются по контролируемой поверхности. Параметром, характеризующим наличие дефекта, является изменение амплитуды, фазы или поляризации отраженного сигнала на приемном зонде (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В. Клюева, М.: Машиностроение, 1976, т.1 с. 213-217).

Одной из особенностей одностороннего размещения антенн анодов является непосредственная электромагнитная связь между ними, для устранения которой используются как поглотители, так и электромагнитная компенсация сигнала в приемном тракте. Указанное требует тщательного конструирования как элементов самих антенн (рупоров), так и элементов их крепления и ориентации.

Из патентной литературы известно устройство радиоволнового неразрушающего контроля для оценки состояния поверхности, содержащее излучающе-приемный блок, имеющий две антенны, закрепленные по одну сторону на основании. Рупоры антенн присоединены соответственно к излучателю и приемнику электромагнитного излучения, а сам излучающе-приемный блок может перемещаться относительно контролируемого изделия (патент США N 4344030, кл. G 01 R 27/04). Оси рупоров не пересекаются, однако чувствительность к дефектам (преимущественно трещинам, включениям) при приеме обратно рассеянного излучения с перпендикулярной поляризацией, как описано в патенте, достаточно высокая. Апертура приемно-излучающего блока вписывается в квадрат со стороной 60 мм, что позволяет обеспечить локальность контроля.

Другое устройство радиоволнового неразрушающего контроля поверхности, предназначенное преимущественно для обнаружения скрытых в глубине элементов (например, арматуры в бетоне), также как и упомянутые выше, имеет излучающе-приемный блок, перемещаемый по поверхности контролируемого изделия. Антенны представляют собой прямоугольные рупоры, скрепленные по боковой поверхности друг с другом посредством элемента, поглощающего электромагнитное излучение на рабочей частоте. В том случае, если в поле зрения приемной антенны оказывается неоднородность (искомый элемент конструкции), соответственно в приемном тракте регистрируется сигнал обратно рассеянного от этой неоднородности зондирующего излучения. Назначение элемента, поглощающего излучение на рабочей частоте, - не допустить на вход приемной антенны сигнал сквозного прохождения (заявка Франции N 2635187, кл. G 01 N 22/02). Излучающе-приемный блок представляет собой конструкцию, свободно перемещаемую по контролируемой поверхности.

Как уже отмечалось выше, особенность одностороннего размещения антенн требует особо тщательного конструирования излучающих и приемных элементов с рупорами с тем, чтобы минимизировать различные краевые эффекты и снизить, тем самым, уровень помех. Является весьма естественным выбор углов, под которыми падает излучение на контролируемую поверхность, а также направление, под которым принимается обратно рассеянное излучение. Так, в устройстве для радиоволнового контроля влажности неметаллических материалов, а также содержания посторонних включений (патент США N 4156843, кл. G 01 R 27/04), оси излучающей и приемной антенн лежат в одной плоскости и пересекаются, а угол между ними составляет 53^o. В излучающем тракте устройства предусмотрено средство для регулирования боковых лепестков диаграммы направленности излучающего рупора, что дает возможность минимизировать уровень паразитных сигналов. Особенностью устройства является изоляция антенной системы от окружающей среды: сами рупоры размещены в корпусе, а связь с контролируемым объектом осуществляется через протектор - пластину диэлектрика с малыми потерями электромагнитного излучения. В качестве генератора СВЧ на частоте около 10 ГГц использован диод Ганна.

Однако а известных устройствах не решалась задача определения электромагнитной сплошности реальной поверхности, т.е. степени бликуемости протяженных поверхностей в диапазоне длин волн зондирующего излучения с помощью малогабаритного переносного устройства. Эта задача возникает при контроле отражательной способности элементов реальных конструкций при скользящем падении электромагнитных волн на поверхности с большим количеством швов, слоев, заклепок, канавок, отверстий для заданной частоты СВЧ воздействия. Большие габариты реальных конструкций не позволяют использовать традиционные безэховые камеры, стенки которых покрыты рассеивающим и поглощающим радиоматериалом, исключающим появление реверберационных сигналов на частоте зондируемого излучения, и представляющие собой ограниченные по объему и сложные инженерные сооружения (Мицмахер М.Ю. и Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982, с. 52-56).

Целью изобретения является создание малогабаритного переносного устройства для контроля состояния протяженных поверхностей реального объекта и их электромагнитной сплошности с высокой степенью помехозащищенности. Указанное обеспечивается, прежде всего, наличием средств, снижающих уровень сигнала зеркального отражения от излучающего рупора к приемному, а также оптимизацией других характеристик элементов конструкции.

Цель обеспечивается тем, что устройство для контроля электромагнитной сплошности поверхности изделий содержит корпус, дно которого образовано пластиной радиопрозрачного диэлектрика и предназначено для контакта с изделием, излучающий и приемный пирамидальные рупоры, установленные в корпусе, оси которых направлены в сторону пластины и пересекаются под углом α симметрично центральной оси корпуса. Генераторный тракт СВЧ подключен к излучающему рупору, а детектор, связанный с приемным рупором, подключен к индикатору, предусмотрены средства для минимизации взаимного влияния рупоров.

В устройство введен кронштейн для закрепления рупоров внутри корпуса с возможностью их поворота с последующей фиксацией в заданном положении, скрепленный с боковыми стенками корпуса, а средства для минимизации взаимного влияния рупоров выполнены в виде призменной ловушки, первого и второго объемных поглощающих элементов со скошенными частями. При этом рупоры наклонены к центральной оси корпуса таким образом, что их продольные оси составляют с проекциями на поверхность пластины угол β, а пластина лежит в зоне пересечения указанных осей. Призменная ловушка размещена на внутренней поверхности пластины симметрично центральной оси корпуса, ее ребро перпендикулярно пластине, а раскрыв граней обращен в сторону рупоров и лежит в зоне пересечения их осей. Первый объемный поглощающий элемент размещен на внутренней поверхности пластины в зоне размещения рупоров, а его скошенная часть перекрывает область проекции рупоров на поверхность пластины на 1-3 длины волны излучения (λ). Второй объемный поглощающий элемент размещен симметрично первому со стороны рупоров на верхней панели корпуса так, что его скошенная часть перекрывает зону размещения призменной ловушки.

Кроме того, призменная ловушка может быть выполнена из материала слоистой структуры, основой которого является слой диэлектрика, покрытый со стороны падающего излучения слоем радиопоглощающего материала на основе токопроводящей бумаги, а с тыльной поверхности - слоем металла.

Угол γ при вершине призменной ловушки может составлять 90±5^o, а расстояние между ребрами составляет не менее 0,8 от расстояния между боковыми стенками корпуса. Величина угла α может составлять 43±5^o, а угла β - 25±5^o.

Генераторный тракт СВЧ может включать полупроводниковый генератор, вентиль, модулятор, подключенные последовательно с излучающим рупором, и генератор импульсов, подключенный к управляющему входу модулятора, а объемный поглощающий материал представляет собой сотовую структуру на основе токопроводящей бумаги. Длина пирамидальных рупоров может составлять (20±5)λ, а размеры открытой апертуры рупоров - (4±)λ.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 - схема лучей излучающего и приемного рупоров относительно контролируемой поверхности и призменной ловушки зеркально отраженного сигнала; на фиг.3 - конструкция устройства, разрез; на фиг. 4 - то же, вид сверху со снятой верхней крышкой; на фиг.5 - результаты контроля фрагмента конструкции из алюминиевого сплава с плоской поверхностью и эталонным отражателем в виде несквозного отверстия диаметром 5 мм.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для контроля электромагнитной сплошности поверхности изделий.

Устройство содержит генератор 1 СВЧ, подключенный через вентиль 2 к модулятору 3. Выход модулятора 3 подключен к излучающему пирамидальному рупору 4. Зондирующее излучение 5 направляется на исследуемую поверхность 6. Рассеянное излучение 7, содержащее информацию о возможных дефектах поверхности, собирается приемным пирамидальным рупором 8, детектируется посредством детекторной секции 9, выход которой подключен к индикатору 10. Управление модулятором 3 осуществляется от генератора 11 импульсов; для питания устройства имеется соответствующий блок 12, выходы которого связаны с соответствующими цепями генератора 1 и генератора 11 импульсов. Для устранения зеркально отраженного 13 от поверхности 6 сигнала служит призменная ловушка 14.

Квазиоптический тракт построен с использованием полупроводникового генератора 1 СВЧ на диоде Ганна, который генерирует электромагнитное излучение на частоте 36,2 ГГц, мощность на выходе составляет около 5 мВт. Для питания диода Ганна блок 12 имеет на выходе постоянное напряжение 4,24 В и ток 1 А. Амплитудная модуляция СВЧ сигнала в выходном тракте генератора 1 осуществляется посредством модулятора 3 с использованием pin-диода, управляемого от генератора 11 импульсов.

На фиг.2 приведена схема лучей зондирующего 5, рассеянного 7 и зеркально отраженного 13 излучения относительно контролируемой поверхности 6 и призменной ловушки 14. Лучи 5 и 7 пересекаются под углом α симметрично центральной оси X (и соответственно, поперечной оси Y) в зоне 15 контроля, совпадающей с осью Z. Угол между каждым из лучей 5 и 7 и их проекциями (в плоскости XY) на поверхность 6 и, соответственно, угол наклона рупоров 4 и 8 обозначен β.

Зеркально отраженное 13 излучение направляется в призменную ловушку 14 и поглощается в ней. Ловушка 14 с углом γ при вершине размещена симметрично относительно центральной оси X и выполнена из многослойного материала, содержащего по меньшей мере три слоя. Внутренняя поверхность ловушки (со стороны падающего луча) представляет собой слой 16 токопроводящего радиопоглощающего материала на основе бумаги. Этот слой 16 нанесен на основу 17 из диэлектрика, который в свою очередь покрыт металлическим проводящим слоем 18.

На фиг.3, 4 представлена конструкция устройства.

Устройство включает корпус 19 удлиненной формы, имеющий дно 20, верхнюю панель 21, боковые стенки 22, 23, торцовые крышки 24, 25.

Внутри корпуса 19 закреплен кронштейн 26, на котором размещен механизм 27 юстировки положения рупоров 4, 8 в пространстве, выполненный на основе двухстепенного шарнира с фиксацией его положения. Форма исполнения шарнира может быть выбрана из числа известных и существа изобретения не затрагивает. Дно 20 выполнено из диэлектрического материала, например гетинакса, с толщиной, составляющей половину длины волны излучения в материале. Боковые стенки 22 и 23 являются несущей конструкцией для закрепления на них кронштейна 26 и других элементов тракта.

Кронштейн 26 разделяет корпус на два отсека: антенный 28 и измерительный 29. Рупоры 4 и 8 скреплены с механизмом 27, что позволяет установить заданные углы α и β, под которыми рупоры ориентированы на радиопрозрачную донную поверхность в зону 15 контроля. Для исключения паразитных сигналов, связанных с переотражениями и генерацией боковых лепестков на срезе рупоров, внутренняя поверхность дна в зоне размещения рупоров 4 и 8 покрыта объемными поглотительными элементами 30, имеющими клиновидную форму, продольная ось клиньев лежит в направлении продольной оси X корпуса 19. Элементы 30 представляют собой сотовую структуру на основе токопроводящей бумаги. Высота и длина поглотительных элементов подбираются экспериментально, однако при этом предпочтительно, чтобы поглотительные элементы располагались под рупорами и их скошенная часть 31 выдавалась вперед от точки проекции рупоров 4, 8 на дно 20 на несколько (1-3)λ. Аналогичную элементу 30 функцию выполняет и элемент 32, размещенный на внутренней поверхности верхней панели 21 и имеющий скошенную часть 33.

Призменная ловушка 14, предназначенная для поглощения зеркально отраженного сигнала от исследуемой поверхности 6, установлена симметрично продольной оси X корпуса 19 так, что ребро 34 призменной ловушки лежит на упомянутой оси. Для повышения эффекта поглощения излучения скошенная часть 33 объемных поглотительных элементов перекрывает по длине зону размещения ловушки 14 и является, по существу, ее третьей стенкой.

Внутри измерительного отсека 29 находится кожух 35 с размещенными в нем блоком 12 питания и генератором 11 импульсов, однако указанное конструктивное выполнение не является обязательным при реализации изобретения. Для снижения веса прибора блок питания, а также другие элементы могут быть размещены вне корпуса прибора и связаны кабелем. В измерительном отсеке также размещен генераторный тракт, выполненный в виде волноводного узла 36. В данной конструкции в качестве вентиля 2 удобно использовать волноводный циркулятор, в плечах которого размещены генератор 1, поглощающая нагрузка 37 и модулятор 3. Модулятор соединен с рупором 4 волноводной секцией 38. Приемный рупор 8 также соединен с детекторной секцией 9 с помощью волноводной секции 39.

В том случае, если предусматривается выполнение индикатора 10 выносным, то на торцовой крышке 24 корпуса 19 располагаются разъем 40, а также сетевой разъем 41 электропитания. Для удобства перемещения искательной головки по поверхности контролируемого изделия корпус может быть снабжен ручкой, укрепляемой на верхней панели 21 (не показано). В качестве индикатора может быть использован стандартный селективный микровольтметр любого из известных типов, входное гнездо которого подключается к разъему 40. Удобно использовать для целей обработки и хранения результатов контроля персональный компьютер, снабженный соответствующим интерфейсом с селективным усилителем.

Устройство работает следующим образом.

При подключении блока 12 питания к генератору 1 и генератору 11 импульсов излучающий рупор 4 облучает зону 15 контроля. Зеркально отраженный сигнал 13 падает на призменную ловушку 14, рассеивается и поглощается на ее многослойном покрытии, в результате чего сигнал на приемном рупоре 8 отсутствует.

В том случае, если под радиопрозрачным дном 20 находится объект контроля с поверхностными дефектами двумерной или трехмерной конфигурации, и зона 15 совпадает с местом расположения дефекта, то приемным рупором 8 регистрируется сигнал обратного рассеяния. Интенсивность сигнала обратного рассеяния пропорциональна размеру дефекта, связана с его формой и ориентацией в пространстве. Для калибровки устройства используются эталонные отражатели, выполненные, например, путем сверления глухих отверстий или фрезерования канавок заданной глубины и ширины в образцах испытуемых материалов. Возможно и размещение закладных элементов, образующих полости в процессе изготовления эталонов из неметаллических материалов.

На фиг.5 представлены результаты контроля фрагмента плоской конструкции из алюминиевого сплава с отражателем в виде несквозного отверстия диаметром 5 мм, проведенные с использованием изобретения. По вертикальной оси графика отложено нормированное значение напряжения на индикаторе, по горизонтальной оси - координата перемещения прибора (в мм). Из графика видно, что для рабочей частоты 36,2 ГГц размер пятна излучения по уровню 3 дБ составляет около 20 мм. Полученные результаты показывают, что описываемая конструкция имеет достаточно высокую разрешающую способность, то есть способна разделить источники рассеяния, находящиеся друг от друга на расстоянии порядка 20 мм.

Для того, чтобы измерить величину обратного рассеяния реальной нерегулярности, факт наличия которой может свидетельствовать о недостаточной электромагнитной сплошности поверхности, прибор располагают на контролируемой поверхности и плотно к ней прижимают. Перемещая прибор по поверхности, регистрируют максимальное значение сигнала (U) на индикаторе. Чтобы определить величину ЭПР (σ_3D или σ_2D) нерегулярности, используют формулы:

где ^σ3D_э^иσ2D_э - ЭПР, определенные для эталонных объемной и плоскостной неоднородностей;
U_э - соответствующие им значения сигнала на индикаторе.

Для используемой частоты СВЧ около 36,2 ГГц размеры элементов оптимизированы. Длина пирамидальных рупоров составляет около 150 мм, что соответствует (20±5)λ. Открытая апертура рупора имеет сечение (24 х 32) мм², что соответствует апертуре (3 х 4)λ. Поляризация излучения - горизонтальная (вектор магнитного поля зондирующего излучения параллелен поверхности пластины и параллелен большим ребрам рупоров). Волноводные секции имеют сечение (7,2 х 3,4) мм² и угол изгиба волновода - 90^o. Детекторная секция представляет собой полупроводниковый диод, вмонтированный в волновод сечением (7,2 х 3,4) мм². Волноводный вентиль должен иметь ослабление не менее 20 дБ. Эффективная ширина призменной ловушки (ее раскрыв γ приблизительно равен 90^o) составляет не менее 0,8 от расстояния между стенками 22 и 23.

Величина угла α между направлениями излучения и приема рупоров 4 и 8 для указанных выше параметров составляет α = 43±5^o, а угол β наклона какого рупора составляет β = 25±5^o.

Генератор 11 импульсов для управления модулятором амплитуды на pin-диоде имеет на выходе меандр с частотой повторения F = 1,6 кГц при токе I = 60 мА. На эту же частоту настроен и индикатор 10 - селективный микровольтметр.

Диапазон измерения ЭПР реальных неоднородностей составляет от 10^-2 до 10^-6 м², предельная чувствительность составляет 10^-7 м².

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для неразрушающего контроля состояния поверхности конструкционных материалов и изделий и может быть использовано в различных отраслях машиностроения и приборостроения. Технической задачей является создание малогабаритного переносного устройства для контроля состояния протяженных поверхностей реального объекта и их электромагнитной сплошности с высокой степенью помехозащищенности. Устройство содержит корпус 19, дно 20 которого образовано пластиной радиопрозрачного диэлектрика и предназначено для контакта с изделием, излучающий 4 и приемный 8 пирамидальные рупоры, установленные на кронштейне 26, оси которых направлены в сторону пластины и пересекаются под углом (43±5)^o симметрично центральной оси X корпуса. Генераторный тракт СВЧ подключен к излучающему рупору, а детектор, связанный с приемным рупором, подключен к индикатору. Кронштейн закреплен на боковых стенках 22, 23 корпуса. Средства для минимизации взаимного влияния рупоров выполнены в виде призменной ловушки 14, объемных поглощающих элементов 30, 32 со скошенными частями. При этом рупоры наклонены к центральной оси корпуса таким образом, что их продольные оси составляют с проекциями на поверхность пластины угол (25±5)^o, а пластина лежит в зоне 15 пересечения указанных осей. Призменная ловушка размещена на внутренней поверхности пластины симметрично оси X корпуса, ее ребро перпендикулярно пластине, а раскрыв граней обращен в сторону рупоров и лежит в зоне 15. Поглощающий элемент 30 размещен на внутренней поверхности пластины в зоне размещения рупоров, а его скошенная часть 31 перекрывает область проекции рупоров на поверхность пластины на 1-3 длины волны излучения. Элемент 32 размещен со стороны рупоров на верхней панели корпуса так, что его скошенная часть 33 перекрывает зону размещения призменной ловушки 14. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для контроля электромагнитной сплошности поверхности изделий, содержащее корпус, дно которого образовано пластиной радиопрозрачного диэлектрика и предназначено для контакта с изделием, излучающий и приемный пирамидальные рупоры, установленные в корпусе, оси которых направлены в сторону пластины и пересекаются под углом α симметрично центральной оси корпуса, генераторный тракт СВЧ, подключенный к излучающему рупору, детектор, связанный с приемным рупором, подключенный к индикатору, средства для минимизации взаимного влияния рупоров, отличающееся тем, что в устройство введен кронштейн для закрепления рупоров внутри корпуса с возможностью их поворота с последующей фиксацией в заданном положении, скрепленный с боковыми стенками корпуса, а средства для минимизации взаимного влияния рупоров выполнены в виде призменной ловушки, первого и второго объемных поглощающих элементов со скошенными частями, при этом упоры наклонены к центральной оси корпуса таким образом, что их продольные оси составляют с проекциями на поверхность пластины угол b, а пластина лежит в зоне пересечения указанных осей, призменная ловушка размещена на внутренней поверхности пластины симметрично центральной оси корпуса, ее ребро перпендикулярно пластине, а раскрыв граней обращен в сторону рупоров и лежит в зоне пересечения их осей, первый объемный поглощающий элемент размещен на внутренней поверхности пластины в зоне размещения рупоров, а его скошенная часть перекрывает область проекции рупоров на поверхность пластины на (1 - 3)λ, где λ - длина волны излучения, второй объемный поглощающий элемент размещен симметрично первому со стороны рупоров на верхней панели корпуса так, что его скошенная часть перекрывает зону размещения призменной ловушки. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что призменная ловушка выполнена из материала слоистой структуры, основой которого является слой диэлектрика, покрытый со стороны падающего излучения слоем радиопоглощающего материала на основе токопроводящей бумаги, а с тыльной поверхности слоем металла. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что угол при вершине призменной ловушки составляет 90 ± 5^o, а расстояние между ребрами составляет не менее 0,8 от расстояния между боковыми стенками корпуса. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что величина угла α составляет 43 ± 5^o, а угол b составляет 25 ± 5^o. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что генераторный тракт СВЧ включает полупроводниковый генератор, вентиль, модулятор, подключенные последовательно с излучающим рупором, и генератор импульсов, подключенный к управляющему входу модулятора. 6. Устройство по пп.1 5, отличающееся тем, что объемный поглощающий материал представляет собой сотовую структуру на основе токопроводящей бумаги. 7. Устройство по пп.1 6, отличающееся тем, что длина пирамидальных рупоров составляет (20 ± 5)λ, а размеры открытой апертуры рупоров составляет (4 ± 1)λ.х