Изобретение относится к технике измерений с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона и может использоваться для дефектоскопии строительных материалов различных типов с различной степенью влажности.
Известно устройство для неразрушающего контроля параметров листовых диэлектрических материалов (авторское свидетельство СССР N 254593, кл. G 01 R 27/26, 1968г.) диапазона сверхвысоких частот, содержащее СВЧ генератор, к выходу которого подсоединена приемо-передающая антенна, неотражающую стенку, расположенную за исследуемым диэлектрическим материалом, и плоско-параллельные пластины из диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, размещенные между исследуемым диэлектриком и приемо-передающей антенной. Изменением расстояний между плоско-параллельными пластинами и исследуемым диэлектриком можно добиться минимального коэффициента отражения от этой системы.
Однако данное устройство не позволяет осуществлять контроль параметров диэлектрических материалов при одностороннем доступе к ним, а также требует предварительного экспериментального определения условий для минимального отражения от измерительного образца с импедансным трансформатором, выполненным в виде плоскопараллельных пластин из диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, что не дает возможности применять его при дефектоскопии строительных материалов и сооружений.
Известно также устройство, выбранное в качестве прототипа, реализующее способ контроля толщины и дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, содержащее излучатель, соединенный с генератором СВЧ энергии, приемную антенну, соединенную с индикатором отраженного от контролируемого диэлектрика сигнала, а также согласующие диэлектрические пластины, расположенные на поверхности контролируемого диэлектрического материала, при этом причем диэлектрическая проницаемость и толщины согласующих пластин определяются в соответствии с приведенным в описании математическим выражением (авторское свидетельство СССР N 310109, кл. G 01 N 22/02, 1969г.).
Наличие двух согласующих пластин, одна из которых установлена на поверхности контролируемого изделия, обращенной к излучателю, а другая на противоположной по отношению к излучателю поверхности контролируемого изделия позволяет повысить точность и чувствительность контроля, особенно при контроле изделий малой толщины.
Однако данное устройство требует точного знания величины диэлектрической проницаемости контролируемого изделия, в противном случае не представляется возможным определить толщину и диэлектрическую проницаемость согласующей пластины из диэлектрического материала, следовательно невозможно с высокой надежностью определять параметры и дефекты диэлектрических материалов. Кроме того, высокая чувствительность и точность контроля диэлектрических материалов данным устройством обеспечивается только для изделий малой толщины. Поэтому данное устройство не может быть использовано для контроля дефектов в конструкциях из диэлектрических материалов с односторонним доступом к ним в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости, величина которой приблизительно определена экспериментальным путем в лабораторных условиях что характерно для таких диэлектриков как строительные материалы и конструкции, находящиеся в естественных условиях окружающей среды. Величина диэлектрической проницаемости таких материалов в значительной степени зависит от назначения строительного сооружения - примышленного или гражданского, и, соответственно, типа используемого строительного материала, и его прочностных параметров, причем, интегральные характеристики такого материала зависят, в частности, от структуры сооружения, от разновидности используемых материалов, их пористости, толщины, степени влажности, времени года и климатических условий.
Технической задачей данного изобретения является создание устройства для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, в частности, в строительных материалах различных типов с различной степенью влажности, используемых в строительных сооружениях промышленных и гражданского назначения, с возможностью одностороннего доступа к поверхности исследуемого материала, в широком диапазоне значений величины диэлектрической проницаемости и толщин исследуемого материала, с повышенной чувствительностью, с высокой разрешающей способностью и помехозащищенностью, например от естественного фона, сигналов от боковых лепестков диаграммы направленности антенны устройства и т. п.
Поставленная задача решается в устройстве для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, содержащем приемо-передающий блок, к выходу которого подключена антенна, и согласующую пластину из диэлектрического материала, размещенную перед апертурой антенны, в котором согласно изобретению, согласующая пластина выполнена из вспененного диэлектрика с наполнителем в виде частиц материала, величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которого равны или близки указанным параметрам исследуемого диэлектрического материала, при этом размер частиц наполнителя не превышает 0,1 длины волны электромагнитного СВЧ излучения в исследуемом диэлектрическом материале, причем плотность распределения наполнителя может изменяться по объему согласующей пластины. На торцевых поверхностях согласующей пластины могут быть установлены поглощающие элементы, а на поглощающих элементах со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины, расположены неотражающие стенки.
Наличие в устройстве согласующей пластины, выполненной из вспененного диэлектрика с наполнителем в виде частиц материала размером не превышающем 0,1 длины волны электромагнитного СВЧ излучения в исследуемом диэлектрическом материале, величина диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь частиц наполнителя равны или близки значениям указанных параметров исследуемого диэлектрического материала, позволяет обеспечить согласование апертуры антенны с исследуемым объектом с различными значениями параметров исследуемого диэлектрического материала, в частности строительного, за счет того, что согласующая пластина выполняет функцию импедансного трансформатора, сводя к минимуму отражения от внешней границы исследуемого диэлектрического материала, т.е. вся энергия падающей волны переходит него. Использование согласующей пластины с изменяющейся по объему плотностью распределения наполнителя позволяет обеспечить согласование апертуры антенны с исследуемым объектом в более широком диапазоне значений его диэлектрической проницаемости, за счет плавного изменения диэлектрической электромагнитной энергии.
Строительный материал в общем виде представляет собой достаточно сложную неоднородную структуру как в продольном сечении, например штукатурка на кирпичной кладке или щебенка в бетоне, так и в поперечном сечении, например раствор цемента в кирпичной кладке, причем степень влажности может быть различная по объему структуры, поэтому величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь такого материала являются интегральными величинами, рассчитать которые практически не представляется возможным и определить их можно только экспериментальным путем. По измеренным значениям диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь строительных материалов решалась электродинамическая задача - антенна с многослойным согласующим диэлектрическим покрытием.
Расчеты показали, что согласующая пластина для согласования апертуры антенны с исследуемым диэлектрическим материалом (строительным материалом), должна быть выполнена из разреженного диэлектрического материала, у которого интегральная величина диэлектрической проницаемости имела определенное значение, которым является вспененный диэлектрик, наполнителем которого является частицы диэлектрических материалов, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь которых равны или близки параметрам исследуемого диэлектрического материала, причем размеры частицы наполнителя не превышают 0,1 длины волны электромагнитного излучения в исследуемом диэлектрическом материале. Изменяя по объему согласующей пластины, в направлении распространения электромагнитной волны, плотность распределения наполнителя по определенному закону, можно формировать различные законы изменения величины диэлектрической проницаемости, сохраняя при этом неизменным ее интегральную величину.
Таким образом, подбором наполнителя, например в виде измельченного строительного материала - кирпич, бетон или древесные опилки, или диэлектрического материала с аналогичными параметрами, и формируя технологическим путем согласующую пластину с различной степенью концентрации наполнителя по объему, обеспечивается распределение величины диэлектрической проницаемости по определенному заданному закону. Сформированная таким путем согласующая пластина обеспечивает согласование апертуры антенны с исследуемым диэлектрическим материалом в широком диапазоне значений величины диэлектрической проницаемости и толщин. В качестве основы вспененных диэлектриков могут быть использованы, например, пенопласт или пенополиуретан.
Размещение на торцевых поверхностях согласующей пластины поглощающих СВЧ электромагнитную энергию элементов с неотражающей стенкой позволяет повысить чувствительность и помехозащищенность устройства контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов.
Это достигается за счет того, что поглощающие элементы ослабляют облучение боковыми лепестками диаграммы направленности антенны контролируемое изделие, обеспечивая тем самым облучение контролируемого объекта и его реакцию на облучение только главным лепестком диаграммы направленности антенны. Кроме того, они уменьшают воздействие промышленных и атмосферных помех на антенну устройства контроля, а также уменьшают реакцию контролируемого изделия на эфирное электромагнитное излучение СВЧ диапазона.
Размещение на поглощающих элементах неотражающей стенки позволяет практически полностью исключить воздействие этих факторов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов; на фиг.2 - конструкция согласующей пластины; на фиг.3 - примеры возможных законов плотности распределения наполнителя в объеме согласующей пластины по ее толщине; на фиг.4 - конструкция поглощающего элемента; на фиг.5 - конструкция поглощающего элемента с неотражающей стенкой.
Устройство для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов содержит приемо-передающий блок 1, антенну 2 и согласующую пластину 3, расположенную между антенной 2 и исследуемым диэлектрическим материалом 4. Согласующая пластина 3 (фиг.2) представляет собой вспененный диэлектрик 5 с наполнителем в виде частиц 6 материала, величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь которого близки или равны значениям указанных параметров исследуемого диэлектрического материала 4. На торцевых поверхностях согласующей пластины 3 размещены поглощающие элементы 7 (фиг.4), выполненные из поглощающего СВЧ электромагнитную энергию материала, например ферромагнетика или графита на резиновой основе, выбранных для частот рабочего диапазона устройства. На поглощающие элементы 7 со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины 3, установлены неотражающие стенки 8, например, в виде пирамид, как показано на фиг.5.
Устройство работает следующим образом.
Генерируемый СВЧ генератором в приемо-передающем блоке 1 сигнал излучателя антенной 2 в направлении исследуемого диэлектрического материала 5. Отраженный от исследуемого диэлектрического материала 5 сигнал принимается антенной 2 и обрабатывается в приемной части приемо-передающего блока 1.
В отраженном от исследуемого диэлектрического материала сигнала содержится как полезная информация в виде сигналов, отраженных от дефектов или неоднородностей, так и сигналы, полученные в результате многократных переотражений от передней границы раздела исследуемого диэлектрического материала со свободным пространством, являющиеся помеховыми. Причем уровень сигнала в некоторых случаях может превышать уровень полезных сигналов.
Наличие согласующей пластины 3 обеспечивает согласование передней границы раздела исследуемого диэлектрического материала со свободным пространством, т. к. граница имеет незначительные отражения и практически вся падающая электромагнитная энергия переходит в исследуемый диэлектрический материал. Это достигается за счет того, что согласующая пластина 3 выполнена из вспененного диэлектрического материала с наполнителем с виде частиц материала, величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь которого близки или равны диэлектрической проницаемости параметров исследуемого диэлектрического материала, размеры частиц наполнителя не превышают 0,1 длины волны электромагнитного СВЧ излучения в исследуемом диэлектрическом материале. В частности, в качестве наполнителя могут быть использованы измельченные строительные материалы, например кирпич, бетон, древесные опилки и другие строительные материалы, в качестве основы вспененного диэлектрика может использоваться, например, пенопласт или пенополиуретан. Выбором концентрации наполнителя, толщины согласующей пластины и закона распределения плотности наполнителя по объему согласующей пластины обеспечивается необходимая величина интегральной диэлектрической проницаемости и закона распределения диэлектрической проницаемости по объему для согласования в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости и толщин исследуемого диэлектрического материала.
Размещение на торцевых поверхностях согласующей пластины 3 поглощающих элементов 7 ослабляет излучение боковых лепестков диаграммы направленности антенны 2 контролируемого материала, обеспечивая тем самым облучение контролируемого материала и его реакцию на облучение только главным лепестком диаграммы направленности антенны 2, а также уменьшает воздействие промышленных и атмосферных помех, естественный фон на антенну устройства контроля, а также уменьшает реакцию контролируемого материала на эфирное электромагнитное СВЧ излучение, что обеспечивает повышение чувствительности и помехозащищенности.
Размещение на поглощающих элементов 7 со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины 3, неотражающей стенки 8 позволяет практически полностью исключить побочные воздействия.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
РАДИОИНТРОСКОП | 1996 |
|
RU2084876C1 |
РАДИОИНТРОСКОП | 1995 |
|
RU2067759C1 |
ПЛОСКАЯ МИКРОПОЛОСКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА (ВАРИАНТЫ) | 1994 |
|
RU2087058C1 |
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ АППАРАТ | 1994 |
|
RU2103032C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА | 1996 |
|
RU2103701C1 |
СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ | 1999 |
|
RU2146046C1 |
СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ | 1999 |
|
RU2146045C1 |
СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ | 1999 |
|
RU2146047C1 |
ВСЕСОЮЗНАЯ jШШНЫШЕ-Ш'*"я, н..,. ...^..^•(.gi| pf ^1 |L*^ili.t ^, . j . •ПАТЕНЬИБЛ{'Ю'ГГКА | 1971 |
|
SU310109A1 |
СВЧ-ДЕФЕКТОСКОП | 1988 |
|
SU1840087A1 |
Данное изобретение относится к технике измерений с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона и может найти применение для дефектоскопии строительных материалов различных типов с различной степенью влажности. Технический результат заключается в контроле дефектов в строительных материалах с различной степенью влажности и с односторонним доступом к поверхности исследуемого материала в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости и толщин исследуемого материала с повышенной чувствительностью и высокой разрешающей способностью. Устройство содержит приемо-передающий блок 1, антенну 2 и согласующую пластину 3, расположенную между антенной 2 и исследуемым материалом 4. Согласующая пластина 3 представляет собой вспененный диэлектрик с наполнителем 6. На торцевых поверхностях пластины 3 размещены поглощающие элементы 7, на которые установлены неотражающие стенки 8. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
SU, авторское свидетельство, 254593, кл | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
SU, авторское свидетельство, 310109, кл | |||
Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
Авторы
Даты
1998-01-27—Публикация
1996-04-02—Подача