СВЧ-СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК G01N15/00 G01R33/00 

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей, волнового сопротивления, а также толщины жидких и твердых слоев диэлектрических (магнитодиэлектрических) покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле состава и свойств жидких и твердых покрытий в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Известен способ определения толщины диэлектрических покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов, в основу которого положен пондероматорный принцип (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.58).

Этот способ обладает следующими недостатками: малое быстродействие сканирования больших поверхностей и низкая чувствительность к изменению диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Известен способ определения свойств контролируемого материала с использованием двухэлектродных или трехэлектродных емкостных преобразователей (см. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. - М.: Машиностроение, 1982. С.44). В общем случае свойства преобразователя зависят как от размеров, конфигурации и взаимного расположения электродов, так и от формы, электрофизических свойств контролируемого материала и его расположения по отношению к электродам.

Недостатками такого способа являются: невозможность быстродействующего сканирования больших поверхностей, отсутствие возможности измерения магнитной проницаемости и зависимость точности измерения толщины диэлектрического покрытия от вариации диэлектрической проницаемости.

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, 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 над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении в нормальной плоскости относительно распространения медленной поверхностной волны коэффициентов затухания на двух близких по величине длинах возбуждаемых генератором Е волн и расчете диэлектрической проницаемости и толщины покрытия.

Недостатками данного способа являются: невозможность определения комплексной магнитной проницаемости, волнового сопротивления и комплексной диэлектрической проницаемости (ее мнимой части, пропорциональной проводимости омических потерь γ_ом) из-за не учитываемых диэлектрических потерь, трудность реализации режима бегущих волн, необходимость в согласующем устройстве, обеспечивающем отсутствие отраженной волны от границы «измеряемая система - свободное пространство», громоздкость приемной части устройства из-за наличия нескольких вибраторов или целой линейки приемных вибраторов, не полный переход электромагнитной энергии излучающей апертуры в энергию поверхностной волны, а также сложность обеспечения постоянства зазора между излучающей апертурой и слоем покрытия.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения диэлектрической и магнитной проницаемостей за счет измерения их мнимой части, а также волнового сопротивления и толщины диэлектрического и магнитодиэлектрического покрытия.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ-способе определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле, заключающемся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического (магнитодиэлектрического) материала на электропроводящей основе и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле, последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две Е волны Е1 и Е2 на близких длинах волн генератора λ_Г1 и λ_Г2 так, чтобы произведение коэффициента фазы волны на толщину покрытия удовлетворяло условию: β_Еb=π/2-Δ_E, где Δ_E≪π/2, с помощью системы вертикально ориентированных приемных вибраторов в начальной точке (X₀, Z₀) вблизи диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия измеряют затухание и напряженности электрического поля E(X₀, Z₀) в нормальной плоскости относительно направления распространения медленных поверхностных волн, на длине волны генератора λ_Г2 возбуждают медленную поверхностную H волну так, чтобы π/2<β_Hb≤π/2+Δ_H, где Δ_H≪π/2, с помощью системы горизонтально ориентированных приемных вибраторов в нормальной плоскости относительно направления распространения поверхностной медленной H волны в точке (X₀, Z₀) измеряют затухание напряженности электрического поля E(X₀, Z₀) поверхностной медленной H волны, включают ток подмагничивания в катушке подмагничивания у нижнего горизонтально ориентированного приемного вибратора, создают постоянное поле поперечного ферромагнитного резонанса H_0┴ и производят измерения напряженности электрического поля E_┴(X₀, Z₀) H волны вблизи покрытия, решают систему уравнений:

и определяют действительные части магнитной μ' и диэлектрической ε' проницаемостей и толщину b магнитодиэлектрического покрытия, переводят систему приемных вибраторов в следующую точку измерений (X_0, Z₀+ΔZ), на расстояние ΔZ вдоль максимума диаграммы направленности излучателя, повторяют предыдущий измерительно-вычислительный алгоритм определения Е(Х₀, Z₀+ΔZ), E_┴(X₀, Z₀+ΔZ), ε', μ', b, по значениям напряженности электрического поля поверхностной медленной H волны вычисляют значения коэффициентов затухания поля вдоль поверхности покрытия в отсутствие поля подмагничивания - и при наличии поля подмагничивания покрытия, соответствующего ферромагнитному резонансу - , пропорциональные омическим γ_ом и суммарным потерям γ_Σ=γ_гм+γ_ом, соответственно:

и определяют мнимые части диэлектрической и магнитной проницаемостей ε", μ" из формул:

по найденным значениям ε', μ', b и ε", μ" определяют комплексные величины диэлектрической и магнитной проницаемостей =ε'-jε" и =μ'-jμ", их модули и аргументы и вычисляют величину волнового сопротивления:

где Z₀ - волновое сопротивление свободного пространства.

Устройство возбуждения медленных поверхностных волн представляет собой электронно-управляемую круговую секториальную апертуру и состоит из рупорных металлических излучателей, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, в качестве нижней стенки рупорных излучателей используется подстилающая металлическая поверхность, высота боковых стенок рупорного излучателя выбирается из условия b_min<a_min≤b_max, где b_min и b_max - минимальная и максимальная толщина покрытия, число рупорных излучателей n круговой секториальной электронно-управляемой апертуры выбирается с целью обеспечения узконаправленной диаграммы направленности:

где Δϕ - ширина раскрыва рупора в азимутальной плоскости;

и ограничивается условиями возбуждения заданной длины волны, т.е. геометрическими размерами.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа. С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн 1 в виде электронно-управляемой круговой секториальной апертуры с круговой ДН по азимуту вдоль исследуемого диэлектрического или магнитодиэлектрического слоя 6 на металлической подложке 7 последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две Е волны Е1 и Е2 на близких длинах волн генератора λ_Г1 и λ_Г2 так, чтобы произведение коэффициента фазы волны на толщину покрытия удовлетворяло условию: β_Eb=π/2-Δ_E, где Δ_E≪π/2, (фиг.2) и H волну так, чтобы π/2<β_Hb≤π/2+Δ_H, где Δ_H≪π/2.

С помощью системы вертикально ориентированных приемных вибраторов В1 и В1' с малой базой d₁ между ними в начальной точке (X₀, Z₀) вблизи диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия производят измерения затуханий и напряженности электрического поля E(X₀, Z₀) поверхностных медленных E-волн в нормальной плоскости относительно направления их распространения или, что тоже самое, вдоль максимума диаграммы направленности единичного апертурного излучателя 4.

Измерения затухания поля производится только на двух близких длинах волн генератора λ_Г1 и λ_Г2 так, что дисперсией величин и можно пренебречь.

Условием пренебрежения влияния геометрического и электрофизического градиента исследуемого слоя является измерение при малом значении базы d₁ между приемными вибраторами (фиг.1) и на малой высоте y₀ от диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия.

С помощью системы горизонтально ориентированных приемных вибраторов В2 и В2' при большой базе d₂ между ними производят измерения: вибратором В2 - напряженность электрического поля E(X₀, Z₀) поверхностной медленной H волны в начальной точке измерений с координатами (X₀, Z₀) вблизи слоя покрытия; вибраторами В2 и В2' - затухание напряженности электрического поля поверхностной медленной H волны в нормальной плоскости относительно направления ее распространения.

Особенностью приемной части аппаратурной реализации способа является наличие устройства создания постоянного поля поперечного ферромагнитного резонанса H_0┴ для определения гиромагнитных потерь γ_гм. Устройство подмагничивания (фиг.3) расположено над горизонтально расположенным вибратором В2 вблизи диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия 1 и представляет собой пустотелый цилиндр из ферромагнитного материала 2, на котором находится соленоид подмагничивания 3.

Включают ток подмагничивания в соленоиде подмагничивания 3 (фиг.3), создают постоянное поле подмагничивания, соответствующее поперечному ферромагнитному резонансу H_0┴, и производят измерения напряженности электрического поля E_┴(X₀, Z₀) H волны вблизи покрытия вибратором В2.

Решение уравнений с тремя неизвестными:

дает значения действительных частей магнитной μ' и диэлектрической ε' проницаемостей, а также толщины b диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия.

Таким образом, в данной точке поверхности с координатами (Х₀, Z₀), расположенной по максимуму ДН сектора, шириной Δϕ апертурной антенны (фиг.1) определяют локальные значения ε', μ' и b.

Переводят систему приемных вибраторов, оставляя апертуру излучателя неподвижной, в следующую точку измерений (X₀, Z₀+ΔZ), делая шаг ΔZ вдоль направления распространения поверхностной волны по максимуму диаграммы направленности излучателя, повторяют предыдущий измерительно-вычислительный алгоритм определения Е (Х₀, Z₀+ΔZ), E_┴ (X₀, Z₀+ΔZ), ε', μ', b.

По результатам измерений напряженности электрического поля поверхностной медленной H волны вычисляют значения коэффициентов затухания поля вдоль поверхности покрытия в отсутствие поля подмагничивания - и при наличии поля подмагничивания покрытия, соответствующего ферромагнитному резонансу - , пропорциональные омическим γ_ом и суммарным потерям γ_Σ=γ_гм+γ_ом соответственно:

Определяют мнимые части диэлектрической и магнитной проницаемостей ε", μ" из формул:

Известные методы контроля величины волнового сопротивления основаны на измерении отношения энергии отраженного потока излучения к падающей на границе двух бесконечных сред (Методы неразрушающих испытаний /Под. ред. Р.Шарпа. - М.: Мир, 1972. - 496 с.).

При этом коэффициент отражения падающей волны связан с мощностью отраженной Р_отр и падающей волн Р_пад соотношением:

где ϕ - сдвиг фаз между Р_отр и Р_пад

Или через волновые сопротивления:

где - комплексное волновое сопротивление первой среды;

- комплексное волновое сопротивление второй среды.

Зная волновое сопротивление первой среды (например, для воздуха и вычисляя _отр (по Р_отр), можно определить по (4) модуль искомого волнового сопротивления второй среды:

Если среда конечной толщины b с большими ε" (μ"), то отраженная от металлической подложки волна, пройдя путь 2b, полностью на этом пути затухает, тогда также возможно измерение на кромке по (5).

На основании теории длинных линий можно составить эквивалентную схему, представляющую собой длинную линию, короткозамкнутую на конце

и обладающую входным сопротивлением . Тогда:

С учетом того, что - постоянная распространения:

Если по (4) обозначить

то

где величина является негармонической периодической пространственной функцией.

Откуда

Представление в виде ряда упрощает понимание отражения от рассматриваемой структуры «не отражающее покрытие - металлическая подложкам. Ясно, что каждый член ряда при m=1,2,...∞ соответствует определенной составляющей, отраженной от поверхности, т.е. волны, отраженные от поверхности поглощающего материала, и падающие волны проходят путь многократного отражения. Критическая связь возникает тогда, когда они сходятся в противофазе (инверсия вектора распространения). При этом принимает минимальное значение. Это означает, что слой является поглотителем с приемлемой, достаточно малой величиной b. Однако электромагнитные характеристики становятся функциями длины падающей волны λ, что является важным фактором для широкополосных поглотителей.

Вполне очевидно, что в рассмотренном случае конечной величины b отсутствует возможность определения по , так как согласно (6) =Ф(), а величина неизвестна.

Предлагаемый метод сканирования волнового сопротивления спиновых магнитодиэлектрических покрытий состоит в следующем.

По найденным значениям ε',μ',b и ε",μ" находят комплексные величины диэлектрической и магнитной проницаемостей: =ε'-jε" и =μ'-jμ", их модули и аргументы и вычисляют величину волнового сопротивления:

где Z₀ - волновое сопротивление свободного пространства.

Повторяют измерительно-вычислительный алгоритм с шагом ΔZ до конечной точки измерений Z_{конечное}.

Поворачивают приемную часть относительно возбуждающей апертуры на угол Δϕ (фиг.1) и повторяют измерения от точки Z_{конечное} до Z₀.

Процедуру измерений повторяют до тех пор, пока поверхность не будет отсканирована полностью.

Устройство, реализующее электронно-управляемую секториальную апертуру, показанное на фиг.1, состоит из: круглого волновода 1, верхней «тарелки» 2 апертуры с углом раскрыва θ_{p opt}, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством при приемлемой мощности прямой волны, согласующего конуса 3, n - излучающих секторов 4 с узкой ДН, шириной по азимутальному углу Δϕ=2π/n, электромагнитного экрана-отсекателя прямой волны 5, подстилающей металлической поверхности 7 с нанесенным поглощающим покрытием 6, вентиля на поперечно намагниченном ( - поле поперечного резонанса) феррите или на pin-диоде, управляемом величиной Е₀ (H₀=0 - вентиль открыт - волна на выходе есть; H₀=H_0⊥ - вентиль закрыт - волны на выходе нет) 8, поглотителя затекающего тока 9; «крышки-преломителя» 10.

В электронно-управляемой круговой секториальной апертуре в качестве нижней части апертуры используется подстилающая металлическая поверхность 7. Расстояние между слоем покрытия 6 и верхней стенкой апертурного излучателя 4 или верхней тарелкой круговой секториальной апертуры должно удовлетворять условию b_min<a_min≤b_max, где b_min и b_max - минимальная и максимальная толщина покрытия.

Величина раскрыва рупора θ_popt выбирается из условия согласования со свободным пространством и минимума энергии прямой волны.

Единичный излучающий сектор должен обеспечивать узконаправленную диаграмму направленности. Следовательно, число секторов n круговой секториальной электронно-управляемой апертуры выбирается из условия:

где Δϕ - ширина раскрыва рупора в азимутальной плоскости;

и ограничивается условиями возбуждения заданной длины волны, т.е. геометрическими размерами.

Апертура сочетает возможности синфазной круговой апертуры и обеспечивает электронное обегание круговой синфазной ДН при большой мощности излучения в секторе n-рупора с узкой ДН по ее максимуму. При этом отсутствует необходимость перемещения излучающей апертуры.

Алгоритм обегания секториальной ДН последовательный по включению n вентилей или, при необходимости, адаптивный. В случае адаптивного алгоритма переключения ДН секторов необходимо синхронизировать положение линейки приемных вибраторов (ЛПВ) по максимуму ДН сектора.

Рупорные возбудители (апертуры) наиболее эффективны для возбуждения поверхностной волны. Раскрыв рупора перехватывает не всю энергию поверхностной волны, а только ее часть, связанную с его площадью и определяемую КПД возбуждения. Поэтому согласование раскрыва рупорного возбудителя производится не с волновым сопротивлением этой волны W_Е,Н,ЗС, а с величиной ρW_Е,Н,ЗС (ρ<1 - объемная плотность электрического заряда). В связи с этим имеется прямая быстрая волна.

На фиг.1 показан вариант повышения величины объемной плотности электрического заряда ρ→1 путем применения электромагнитного экрана-отсекателя прямой волны 5.

Согласование рупорной апертуры можно также добиться применением так называемой «крышки-преломителя» 10, помещенной в раскрыве апертуры. В этом случае полный коэффициент отражения в месте перехода рупорного возбудителя к линии поверхностной волны будет определяться ее профилем и местоположением относительно раскрыва апертуры. Кроме того, обеспечивается защита внутренней полости рупора от влияния окружающей среды.

С целью резкого уменьшения коэффициента отражения, достижения минимума мощности прямой волны форма «отсекателя» должна быть такой, чтобы в каждой точке своей поверхности он встречал волну в раскрыве рупорной апертуры под углом полного преломления θ_Б - углом Брюстера (фиг.4). Решение уравнения дифференциальной геометрии представляет собой логарифмическую спираль Знак «+» соответствует форме отсекателя, обозначенной I, а знак «-» - форме II на фиг.4. Угол между радиус-вектором и нормалью является величиной постоянной и равной углу Брюстера.

Для упрощения изготовления форма «крышки-преломителя» апроксимируется конической поверхностью, что правомерно, поскольку участок логарифмической спирали (при малых θ_р) от края конуса до оси z весьма близок к прямой линии.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность определения диэлектрической и магнитной проницаемостей за счет измерения их мнимой части, а также волнового сопротивления и толщины диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия, а так как измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов от поверхности, то не требуется специальных мер отстройки от зазора, что повышает точность и дает возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя поверхностных волн.

Изобретение относится к средствам контроля состава и свойств жидких и твердых покрытий в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. Согласно способу создают электромагнитное СВЧ-поле в объеме контролируемого материала и регистрируют изменения параметров преобразователя, характеризующих СВЧ-поле. В способе измеряют затухание напряженности электрического поля в нормальной плоскости относительно направления распространения медленных поверхностных волн, создают постоянное поле поперечного ферромагнитного резонанса, решают приведенную в описании систему уравнений, определяют комплексные величины диэлектрической и магнитной проницаемостей и вычисляют величину волнового сопротивления. Устройство возбуждения медленных поверхностных волн состоит из рупорных металлических излучателей. Изобретение позволяет повысить точность определения диэлектрической и магнитной проницаемостей за счет измерения их мнимой части, а также волнового сопротивления диэлектрического и магнитодиэлектрического покрытий. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. СВЧ-способ измерения электромагнитных параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на электропроводящей основе и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле, отличающийся тем, что последовательно возбуждают медленные поверхностные волны - две Е-волны Е1 и Е2 на близких длинах волн генератора λ_Г1 и λ_Г2 так, чтобы произведение коэффициента фазы на толщину покрытия удовлетворяло условию β_Еb=π/2-Δ_Е, где Δ_Е≪π/2, с помощью системы вертикально ориентированных приемных вибраторов в начальной точке (X₀, Z₀) вблизи диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия измеряют затухание и напряженности электрического поля E(X₀, Z₀) в нормальной плоскости относительно направления распространения медленных поверхностных волн, на длине волны генератора λ_Г2 возбуждают медленную поверхностную Н-волну так, чтобы π/2<β_Нb≤π/2+Δ_Н, где Δ_Н≪π/2, с помощью системы горизонтально ориентированных приемных вибраторов в нормальной плоскости относительно направления распространения поверхностной медленной Н-волны в точке (X₀, Z₀) измеряют затухание напряженности электрического поля E(X₀, Z₀) поверхностной медленной Н-волны, включают ток подмагничивания в катушке подмагничивания у нижнего горизонтально ориентированного приемного вибратора, создают постоянное поле поперечного ферромагнитного резонанса H_0┴ и производят измерения напряженности электрического поля E_┴(X₀, Z₀) Н-волны вблизи покрытия, решают систему уравнений

и определяют действительные части магнитной μ' и диэлектрической ε' проницаемостей магнитодиэлектрического покрытия, переводят систему приемных вибраторов в следующую точку измерений (Х₀, Z₀+ΔZ) на расстояние ΔZ вдоль максимума диаграммы направленности излучателя, повторяют предыдущий измерительно-вычислительный алгоритм определения Е(Х₀, Z₀+ΔZ), E_┴(X₀, Z₀+ΔZ), ε', μ', по значениям напряженности электрического поля поверхностной медленной Н-волны вычисляют значения коэффициентов затухания поля вдоль поверхности покрытия в отсутствие поля подмагничивания - и при наличии поля подмагничивания покрытия, соответствующего ферромагнитному резонансу - , пропорциональные омическим γ_ом и суммарным потерям γ_Σ=γ_гм+γ_ом соответственно:

и определяют мнимые части диэлектрической и магнитной проницаемостей е'', μ'' из формул

по найденным значениям е', μ' и ε'', μ'' определяют комплексные величины диэлектрической и магнитной проницаемостей =ε'-jε" и =μ'-jμ", их модули и аргументы и вычисляют величину волнового сопротивления

где Z₀ - волновое сопротивление свободного пространства.

где Δϕ - ширина раскрыва рупора в азимутальной плоскости;

и ограничивается геометрическими размерами, определяемыми условиями возбуждения заданной длины волны.