СВЧ СПОСОБ ЛОКАЛИЗАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЯХ НА МЕТАЛЛЕ И ОЦЕНКА ИХ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ Российский патент 2005 года по МПК G01N15/08 G01R29/08 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения неоднородностей электрофизических и геометрических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле состава и свойств твердых покрытий на металле при разработке неотражающих и поглощающих покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Известен СВЧ способ контроля нарушения сплошности, базирующийся на воздействии контролируемой среды или объекта на сигнал, прошедший через образец /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева. T.1. - М.: Машиностроение, 1976. С. 198/.

Недостатками данного способа являются: низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей из-за влияния переотражений; необходимость согласования границы раздела с приемной и излучающей антеннами; невозможность измерения неоднородностей покрытий на металлической подложке; трудность реализации способа для объекта с большими геометрическими размерами.

Известен СВЧ способ контроля внутреннего состояния объекта, в основе которого лежит воздействие контролируемой среды или объекта на сигнал, прошедший через образец, либо отраженный от него /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева. T.1. - М.: Машиностроение, 1976. С.201/.

Недостатками данного способа являются: низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей из-за влияния переотражений; необходимость начального согласования плоскостей поляризации приемной и передающей антенн, когда сигнал в приемной антенне равен нулю; трудность реализации способа для многослойных сред.

Известен принятый за прототип СВЧ способ контроля нарушения сплошности, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого материала и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотный сигнал, отраженный от дефекта или поверхности образца /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева. T.1. - М.: Машиностроение, 1976.С.199/.

Недостатками данного способа являются: наличие непосредственной электромагнитной связи между приемной и передающей антеннами; влияние изменения зазора между поверхностью контролируемого материала и приемной антенной; малая чувствительность и низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей; наличие зон необнаружения дефекта из-за интерференции волн; большие габариты измерительной системы, реализующей данный способ.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения и оценки неоднородностей геометрических и электрофизических параметров непроводящих покрытий на металлической подложке.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ способе локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины, заключающемся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотное поле возбуждают медленную поверхностную Е-волну, измеряют в начальной точке с помощью системы приемных вибраторов затухание напряженности поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно ее направления распространения в разнесенных точках;

рассчитывают коэффициент нормального затухания α_j по формуле:

где E(y_j-1) и E(y_j) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений y_j-1 и y_j;

d - расстояние (шаг) между точками измерений;

- количество точек измерений по нормали к поверхности (по оси Y);

вычисляют среднее значение коэффициента нормального затухания α_ср напряженности поля поверхностной медленной волны:

определяют максимальное отклонение коэффициента затухания Δα_макс:

где α_{j макс} - максимальное значение коэффициента нормального затухания из всех возможных измеренных значений;

и сравнивают его величину с пороговой: Δα=Δα_порог-Δα_макс;

в микропроцессорном устройстве запоминаются координаты начальной точки сканирования и значение Δα;

производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия и по массиву значений Δα по всем дискретным точкам измерений определяют границы неоднородности и ее площадь и по соотношению S₁/S, где S₁ - площадь неоднородности; S - общая площадь поверхности сканирования, судят об относительных размерах локализованной области неоднородности;

вычисляют "информативный" объем:

где z_n и Х_н - начальные точки измерений; Z_кон и Х_кон - конечные точки измерений, Δх и Δz - расстояние (шаг) между соседними точками сканирования поверхности по осям Х и Z;

и определяют интегральный параметр, характеризующий неоднородность:

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого СВЧ способа локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины. С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн, представляющего собой рупорную антенну 1, возбуждают медленную поверхностную Е - волну, длиной λ, вдоль расположенного на электропроводящей металлической подложке 2 диэлектрического покрытия 3 с неизвестными параметрами: толщиной слоя b, относительной диэлектрической проницаемостью ε, относительной магнитной проницаемостью μ, модулем волнового сопротивления z_В и фазовой скоростью V_ф; при условии обеспечения режима ее одномодовости, т.е. отсутствия следующей моды волны Н, выбирая длину волны генератора λ_г из условия:

где ε_макc, μ_макc, b_макс - максимально возможные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей и толщины покрытия.

С помощью системы приемных вибраторов 4 в начальной точке поверхности (х_i, z_i) на линии максимума диаграммы направленности (ДН) устройства возбуждения медленной поверхностной волны, направленной вдоль оси Z, измеряют напряженность поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления ее распространения (в точке у). Делают первоначальный шаг Δy=d и измеряют напряженность поля поверхностной волны в точке y+d.

При этом существует два варианта реализации системы приемных вибраторов: вибратор, перемещаемый в нормальной плоскости относительно направления распространения поля поверхностной медленной волны, или набор приемных вибраторов с постоянным дискретным расстоянием d между ними.

Рассчитывают коэффициент нормального затухания α_i из выражения:

где Е(у) и E(y+d) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений y и y+d;

d - расстояние (шаг) между точками измерений.

Мерой параметров неоднородностей покрытия является отклонение распределения напряженности поля в зоне дифракции от экспоненциального Е(у)=Е₀ехр[-α(y)y], характерного для зоны покрытия без неоднородностей или, что то же самое, непостоянство α(y), т.е. его зависимость от у в точке измерения. Отклонение напряженности поля от экспоненциального есть результат интерференции полей поверхностной медленной волны с рассеянно отраженной от неоднородности быстрой волны (являющейся результатом дифракции медленной поверхностной волны на неоднородности) вне слоя (y≥b) для геометрической неоднородности любого типа, т.к. она может быть аппроксимирована суммой клиновидных неоднородностей при малом шаге Δz или внутри слоя (y<b), причем любая электрофизическая неоднородность может быть сведена к геометрической неоднородности.

На фиг.2 показана векторная картина дифракции неоднородной поверхностной волны длиной λ от топологической неоднородности с постоянными диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостями и градиентом толщины покрытия grad_zb, взятым в качестве примера параметра геометрической неоднородности (в принципе, зная связь a(b,ε), любую электрофизическую неоднородность можно привести к геометрической), где

"- вектор затухания поверхностной электромагнитной волны в нормальной плоскости (недиссипативный вектор затухания);

’- фазовый вектор, определяющий величину распространения поверхностной электромагнитной волны вдоль замедляющей структуры;

- суммарный вектор распространения поверхностной электромагнитной волны;

- вектор распространения отраженной (быстрой) волны;

γ_н - угол наклона (начальный) вектора отраженной волны до топологической неоднородности;

γ_К - угол наклона (конечный) вектора отраженной волны на топологической неоднородности;

b₁ - толщина слоя диэлектрического покрытия до топологической неоднородности;

b₂ - максимальная толщина слоя с топологической неоднородностью;

β - угол наклона топологической неоднородности покрытия.

Анализ векторной диаграммы показывает, что деформация экспоненциального распределения напряженности поля поверхностной волны (Фиг.3б) объясняется суперпозицией недиссипативного вектора затухания поверхностной волны ” и конуса векторов быстрой волны дифракции .

Далее переводят приемный вибратор в следующую точку, делая постоянный, либо адаптивно изменяющийся относительно величины изменения коэффициента затухания шаг Δу и повторяют измерения.

Вычисляют все значения αj, где j∈[1,...n-1] - количество точек измерений, и рассчитывают среднее значение коэффициента затухания α_cp:

Определяют максимальное отклонение коэффициента затухания Δα_макс:

и сравнивают его значение с пороговым Δα_порог, величина которого назначается по необходимой точности локализации неоднородности или по метрологическим соображениям, например, пороговой точности измерения Е, α и т.д. Можно также сравнивать счетную сумму по индексу j модулей всех отклонений, сравнивая ее с назначенной пороговой величиной.

В микропроцессорном устройстве (МПУ) запоминаются координаты этой точки сканирования и значение Δα=Δα_порог-Δα_макс.

Делают шаг Δz₁ в направлении максимума ДН и производят аналогичный цикл измерений коэффициента затухания в точке (х_i, z_i+Δz₁). Если среднее значение коэффициента затухания α_cp в точке (х_i, z_i) отличается от α_cp в точке (х_i, z_i+Δz₁), то следующий шаг в направлении максимума ДН (оси Z)-Δz выбирается адаптивно из условия:

где C₁ и С₂ - коэффициенты пропорциональности, имеющие постоянные значения.

Повторяют цикл измерения Δα_макс по направлению максимума ДН в пределах заданного изменения размера покрытия по оси Z от начального Z_H до конечного Z_кон.

Делают шаг Δх₁, перемещая аппертуру излучателя и приемные вибраторы, и производят измерения Δα_макс по направлению максимума ДН по оси Z в обратном направлении от Z_кон до Z_H. Цикл измерения Δα_макс повторяется. При этом возможно адаптивное изменение Δx_i и Δу_j, подобно Δz_n.

В МПУ запоминается массив дискретных значений Δα по всем дискретным точкам измерений и строится график значений Δα по поверхности XZ. Определяют границы неоднородностей и площади поверхностей S₁, где Δα≠0, и S₂, где Δα=0, а по соотношению S₁/(S₁+S₂) судят об относительных размерах локализованной в области S₁ неоднородности (фиг.4).

Вычисляют “информативный^” объем:

и определяют интегральный параметр, характеризующий неоднородность:

Для устранения погрешности от влияния конечных размеров площади сканирования переводят излучатель и приемные вибраторы так, чтобы максимум ДН был направлен по оси Х, и определяют коэффициент затухания по алгоритму, как и для рассмотренного выше случая, когда максимум ДН был направлен по оси Z. Результаты измерений и вычислений усредняют в каждой дискрентной точке.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить границы неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и их относительные размеры и количественную относительную меру отклонения от однородности покрытия, а так как измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов до поверхности, то не требуется специальных мер отстройки от зазора, что повышает точность измерений и дает возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя поверхностной волны.

Изобретение относится к способам определения неоднородностей электрофизических и геометрических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле состава и свойств твердых покрытий на металле при разработке неотражающих и поглощающих покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. В СВЧ способе локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины возбуждают медленную поверхностную Е-волну, измеряют в начальной точке поверхности с помощью системы приемных вибраторов затухание напряженности поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно ее направления распространения в разнесенных точках, рассчитывают коэффициент нормального затухания по приведенной математической формуле, затем вычисляют среднее значение коэффициента нормального затухания напряженности поля поверхностной медленной волны. Определяют максимальное отклонение коэффициента затухания и максимальное значение коэффициента нормального затухания из всех возможных измеренных значений и сравнивают его величину с пороговой. В микропроцессорном устройстве запоминаются необходимые данные, затем производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия и по массиву значений по всем дискретным точкам измерений определяют границы неоднородности, и по отношению площади неоднородности к общей площади поверхности сканирования судят об относительных размерах локализованной области неоднородности. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения и оценки неоднородностей геометрических и электрофизических параметров непроводящих покрытий на металлической подложке. 4 ил.

СВЧ способ локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотное поле, отличающийся тем, что возбуждают медленную поверхностную Е-волну, измеряют в начальной точке с помощью системы приемных вибраторов затухание напряженности поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно ее направления распространения в разнесенных точках; рассчитывают коэффициент нормального затухания α_j по формуле

где E(y_j-1) и E(y_j) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений y_i-1 и у_i;

d - расстояние (шаг) между точками измерений;

j∈[1,…n-1] - количество точек измерений по нормали к поверхности (по оси Y);

вычисляют среднее значение коэффициента нормального затухания α_cp напряженности поля поверхностной медленной волны

определяют максимальное отклонение коэффициента затухания Δα_макс

Δα_макс=αj_макс-α_ср,

где αj_макс - максимальное значение коэффициента нормального затухания из всех возможных измеренных значений;

и сравнивают его величину с пороговой Δα=Δα_порог-Δα_макс;

в микропроцессорном устройстве запоминаются координаты начальной точки сканирования и значение Δα;

производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия и по массиву значений Δα по всем дискретным точкам измерений определяют границы неоднородности и ее площадь и по соотношению S₁/S, где S₁ - площадь неоднородности; S - общая площадь поверхности сканирования, судят об относительных размерах локализованной области неоднородности;

вычисляют "информативный" объем

где Z_H и Х_H - начальные точки измерений;

Z_кон и Х_кон - конечные точки измерений,

Δx и Δz – расстояние (шаг) между соседними точками сканирования поверхности по осям X и Z;

и определяют интегральный параметр, характеризующий неоднородность

Δα_эфф=V/S₁.