СВЧ-СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ, ТОЛЩИНЫ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2005 года по МПК G01N22/00 G01B15/02 G01R27/26 

Предлагаемое изобретение относится к способам измерения электрофизических и геометрических параметров диэлектрических покрытий на металлической подложке и может быть использовано при контроле состава и свойств жидких и твердых покрытий в химической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения толщины диэлектрических покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов, в основу которого положен пондеромоторный принцип /см., например, Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986/.

Этот способ обладает следующими недостатками: малое быстродействие сканирования больших поверхностей, низкая чувствительность к изменению диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также невозможность определения длины покрытия.

Известен способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.120-125/, заключающийся в создании вихревых токов в электропроводящей подложке и последующей регистрации комплексных напряжений или сопротивлений вихретокового преобразователя как функции электропроводности подложки и величины зазора между преобразователем и подложкой.

Недостатками данного способа являются: зависимость точности измерения толщины покрытия от зазора между преобразователем и подложкой, отсутствие возможности измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей покрытия, а также его длины, высокая чувствительность к изменению параметров подложки (удельной электропроводности и магнитной проницаемости) и малое быстродействие сканирования больших поверхностей.

Известен принятый за прототип СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле /см. Суслин М.А., Дмитриев Д.А. и др. «СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле». Патент №2193184, кл. G 01 N 15/00, от 20.11.02, Бюл №32/, заключающийся в создании СВЧ электромагнитного поля бегущей поверхностной медленной Е волны на двух близких по величине длинах λ_Г1, λ_Г2, возбуждаемых генератором, волн над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении коэффициентов затухания напряженности электрического поля α_Е1, α_Е2 в нормальной плоскости относительно распространения медленной поверхностной волны и расчете диэлектрической проницаемости ε и толщины покрытия b по формулам:

Недостатком данного способа является невозможность определения продольных размеров диэлектрического покрытия.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения продольных размеров диэлектрического покрытия.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ способе измерения длины, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия на металлической поверхности, заключающемся в последовательном создании СВЧ электромагнитных полей бегущих поверхностных медленных Е-волн Е1 и Е2 на двух близких по величине длинах волн генератора λ_Г1, λ_Г2 над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении в нормальной плоскости относительно распространения медленной поверхностной волны коэффициентов затухания α_Е1 и α_Е2 напряженности электрического поля и расчете действительной величины диэлектрической проницаемости и толщины покрытия; по измеренным значениям величин коэффициентов затухания рассчитывают величины коэффициентов замедления для данных длин волн по формуле ;

измеряют в дальней зоне с помощью вертикально ориентированного приемного вибратора угол наклона максимума диаграммы направленности θ_{махДН(ДЗ)}=θ_Е1(E2); определяют длину диэлектрического покрытия l_E1 и l_Е2 по формуле

и усредняют его значение l=(l_E1+l_E2)/2.

СВЧ способ измерения длины, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия на металлической поясняется реализуется следующим образом (см. чертеж).

Устройством возбуждения медленных поверхностных волн (рупор) 1 вдоль диэлектрического покрытия 3 (μ=1) на электропроводящей металлической подложке 2 последовательно возбуждают медленную поверхностную E-волну в одномодовом режиме на разных, но близких длинах волн λ_Г1, λ_Г2 так, чтобы произведение коэффициента фазы волны β_Е на толщину покрытия b удовлетворяло условию: β_Е1b≪π/2.

С помощью системы вертикально ориентированных приемных вибраторов В1 и В2 в начальной точке (X₀,Z₀) на середине покрытия (ленты) по линии максимума ДН вблизи диэлектрического покрытия измеряют коэффициенты затухания α_E1 и α_E2 напряженности электрического поля E(X₀,Z₀) в нормальной плоскости относительно направления распространения медленной поверхностной Е-волны.

Условием пренебрежения влияния геометрического и электрофизического градиентов исследуемого слоя является измерение при малом значении базы d между приемными вибраторами (см. чертеж) и на малой высоте y₀.

Решают транцендентные уравнения:

При условии

и β_Еb≪π/2

решение транцендентных уравнений (1) и (2) записывается в виде системы арифметических уравнений:

Таким образом, по значениям измеренных коэффициентов затухания поля поверхностной медленной E-волны определяют диэлектрическую проницаемость (ее действительную часть) и толщину диэлектрического покрытия (ленты) на ее середине.

По измеренным значениям величин коэффициентов затухания и длин волн генератора, на которых возбуждается медленная поверхностная E-волна, определяют величины коэффициентов замедления для данных длин волн генератора:

Величина угла наклона максимума диаграммы направленности θ_{махДН(ДЗ)}=θ_Е1(Е2) возбуждающего рупора в дальней зоне (l_ДЗ=const≫λ_Г1(Г2)), индицируемого по максимальному значению тока (максимум электрического поля) вертикально ориентированного приемного вибратора В3 (см. чертеж), определяется по формуле:

где у_{махЕ1,Е2} - максимальное расстояние от приемного вибратора В3 по нормали до горизонтальной плоскости поверхности диэлектрического покрытия.

В качестве приемной части вместо вертикально ориентированного вибратора можно использовать рупорную апертуру - приемный рупор 4 (см. чертеж). В этом случае угол наклона максимума ДН будет соответствовать углу наклона приемного рупора 4, регистрируемому по максимуму электрического поля в нем.

Выражение для ДН в ДЗ для системы антенны поверхностных волн, при условии l=varia и b=varia, имеет вид:

причем ν=Ф₁(b,ε), а θ_{махДН(ДЗ)}=θ=Ф₂(ν_З,l) / см., например, Лавров А.С., Резников Г.В. Антенно-фидерные устройства - Киев: КВИАВУ ВВС, 1969, с.560/.

При условии поиска максимума первого лепестка ДН, величины

и ,

тогда максимальный угол наклона ДН θ_{махДН(ДЗ)}=θ, соответствующий положению максимума ДН, определяют из условия [F(θ)]'=0, откуда

Приближенно можно считать, что

и решая уравнение (8) с учетом (9) относительно cosθ, получают:

т.к. 0≤cosθ≤1, a ν₃ всегда больше единицы, тогда:

Рассмотрим два случая: квазиоптический и квазистационарный.

а) Квазиоптический - . В этом случае выражение (10) примет вид или

на основании чего по измеренным и вычисленным значениям ν₃ и θ(cosθ) определяют величину l - длину диэлектрического покрытия (ленты). Заметим, что при увеличении длины диэлектрической ленты l и коэффициента замедления ν_З, величина θ уменьшается. В этом случае угол θ близок к нулю.

б) Квазистационарный -

В данном случае с учетом того, что

,

где

выражение (10) примет вид

откуда находят:

Из выражения (12) видно, что при увеличении длины диэлектрического покрытия (ленты) l и коэффициента замедления ν_З, величина θ уменьшается. В этом случае угол θ стремится к π/2, что подтверждает адекватность рассмотренного способа.

Из рассмотренных двух случаев с точки зрения практической реализуемости измерений параметров покрытия применяется квазиоптический случай, при котором l≫λ_Г.

По измеренным значениям величин θ₁₍₂₎ и ν_ЗЕ1(Е2) определяют длину диэлектрического покрытия (ленты) l_E1 и l_Е2 по формуле (11) и усредняют его значение l=(l_E1+l_E2)/2.

Таким образом, предлагаемый СВЧ способ измерения длины, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия на металлической поверхности позволяет повысить точность определения продольных размеров диэлектрического покрытия.

Изобретение относится к способам измерения электрофизических и геометрических параметров диэлектрических покрытий на металлической подложке. Сущность изобретения: последовательно создают СВЧ электромагнитные поля бегущих поверхностных медленных Е-волн и Е1 и Е2 на двух близких по величине длинах волн генератора λ_Г1, λ_Г2 над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме. Измеряют в нормальной плоскости относительно распространения медленной поверхности волны коэффициенты затухания α_E1 и α_Е2 напряженности электрического поля. Рассчитывают действительную величину диэлектрической проницаемости и толщины покрытия. По измеренным значениям величин коэффициентов затухания рассчитывают величины коэффициентов замедления для данных длин волн по формуле Измеряют в дальней зоне с помощью вертикально ориентированного приемного вибратора угол наклона максимума диаграммы направленности θ_{махДН(ДЗ)}=θ_E1(E2). Определяют длину диэлектрического покрытия l_E1 и l_E2 по формуле

и усредняют его значение l=(l_E1+l_E2)/2. Технический результат: повышение точности определения продольных размеров диэлектрического покрытия. 1 ил.

СВЧ-способ измерения длины, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия на металлической поверхности, заключающийся в последовательном создании СВЧ-электромагнитных полей бегущих поверхностных медленных Е-волн и Е1 и Е2 на двух близких по величине длинах волн генератора λ_Г1, λ_Г2 над поверхностью диэлектрик - металл в одномодовом режиме, измерении в нормальной плоскости относительно распространения медленной поверхности волны коэффициентов затухания α_E1 и α_E2 напряженности электрического поля и расчете действительной величины диэлектрической проницаемости и толщины покрытия, отличающийся тем, что по измеренным значениям величин коэффициентов затухания рассчитывают величины коэффициентов замедления для данных длин волн по формуле

измеряют в дальней зоне с помощью вертикально ориентированного приемного вибратора угол наклона максимума диаграммы направленности θ_{махДН(ДЗ)}=θ_Е1(Е2); определяют длину диэлектрического покрытия l_Е1 и l_Е2 по формуле

и усредняют его значение l=(l_E1+l_Е2)/2.