СВЧ-СПОСОБ ИНТРОСКОПИИ НЕОДНОРОДНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ МЕДЛЕННОЙ ВОЛНОЙ Российский патент 2007 года по МПК G01N15/08 G01R27/32 

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. C.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 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. C.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.

Известен принятый за прототип СВЧ-способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценки их относительной величины /Патент №2256115 RU, МПК⁷ G01N 22/02. Опубл. 10.07.05. Бюл. №19/, заключающийся в создании электромагнитного поля поверхностных медленных волн над диэлектрическим покрытием на электропроводящей подложке, измерении затухания напряженности поля поверхностной медленной волны в нормальной плоскости относительно ее распространения по всей поверхности покрытия и последующей оценки площади неоднородности по значениям коэффициентов затухания поля, рассчитанным по известным формулам.

Недостатками данного способа являются: малая чувствительность и не высокая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей; отсутствие возможности визуализации распределения неоднородностей по площади сканируемой поверхности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения неоднородностей покрытия, оценки их геометрических и электрофизических параметров и визуализация их размещения по поверхности покрытия по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ-способе интроскопии неоднородности диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий поверхностной медленной волной, заключающемся в создании электромагнитного поля поверхностной медленной волны над диэлектрическим покрытием на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения напряженности электрического поля, рассчитывают математическое ожидание m_α и дисперсию D_α коэффициента нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны в каждой точке измерений сканируемой поверхности по формулам:

и

,

где α_j - коэффициент нормального затухания;

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

в микропроцессорном устройстве для каждой точки измерений сканируемой поверхности запоминаются значения математического ожидания m_α и дисперсии D_α;

по матрице значений дисперсии коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования строят пространственное распределение дисперсии D_α коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны, пространственная картина которой визуально отображает форму и геометрические размеры неоднородностей.

Реализация СВЧ-способа интроскопии неоднородности диэлектрических покрытий поверхностной медленной волной осуществляется следующим. С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн, представляющего собой рупорную антенну 1 (фиг.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_B 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_макс, μ_макс, b_макс - максимально возможные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей и толщины покрытия.

С помощью системы приемных вибраторов 4, расположенных в дальней зоне (ДЗ), в начальной точке сканирования поверхности (x₁, z₁), расположенной 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 y₁). Делают первоначальный шаг Δy=d и измеряют напряженность поля поверхностной волны в точке y₂=y₁+d.

Рассчитывают коэффициент нормального затухания α₁ из выражения:

,

где Е(y) 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.

Переводят приемный вибратор в следующую точку с координатами (X₁ Z₁ Y₃), делая постоянный либо адаптивно изменяющийся относительно величины изменения коэффициента затухания шаг Δy и повторяют измерения.

Вычисляют все значения α_j, где j∈[1, ...n-1] - количество точек измерений (по оси Y).

По значениям коэффициентов нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны α_j определяют математическое ожидание m_α (среднее значение)

и дисперсию коэффициента затухания D_α как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей:

.

В микропроцессорном устройстве (МПУ) запоминаются координаты точки сканирования поверхности и значения m_α и D_α для данной точки измерений.

Делают шаг Δz₁ в направлении максимума ДН и проводят аналогичный цикл измерений коэффициента затухания в точке (x₁, z₁+Δz) и так далее в пределах заданного изменения размера покрытия по оси Z от начального Z_н до конечного Z_кон.

Делают шаг Δx, перемещая аппертуру излучателя и приемные вибраторы, и производят аналогичный цикл измерений коэффициента затухания по направлению максимума ДН по оси Z в обратном направлении от Z_кон до Z_н.

Производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия.

По массиву значений D_α по всем дискретным точкам измерений строится зависимость дисперсии коэффициента затухания как функция геометрических и электрофизических параметров неоднородностей в координатах XYZ - картина распределения неоднородности по сканируемой поверхности.

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.

На Фиг.2 представлена экспериментальная зависимость дисперсии коэффициента нормального затухания как функции геометрических и электрофизических параметров неоднородностей в координатах XYZ, полученная при сканировании поверхности диэлектрического покрытия с различными неоднородными включениями, такими как простое отверстие диаметром 7 мм и ферритовый шарик диаметром 7 мм при длине волны генератора λ_г=8,3 см.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность определения и оценки неоднородностей геометрических и электрофизических параметров непроводящих покрытий на металлической подложке и позволяет визуализировать их размещение по поверхности покрытия по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной 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 в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности. СВЧ-способ интроскопии заключается в создании электромагнитного поля поверхностной медленной волны над диэлектрическим покрытием на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения напряженности электрического поля. Рассчитывают математическое ожидание m_α и дисперсию D_α коэффициента нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны в каждой точке измерений сканируемой поверхности по приведенным математическим формулам. По матрице значений дисперсии коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования строят пространственное распределение дисперсии коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны, пространственная картина которой визуально отображает форму и геометрические размеры неоднородностей. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения неоднородностей покрытия, оценки их геометрических и электрофизических параметров. 2 ил.

СВЧ-способ интроскопии неоднородности диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий поверхностной медленной волной, заключающийся в создании электромагнитного поля поверхностной медленной волны над диэлектрическим покрытием на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения напряженности электрического поля, отличающийся тем, что рассчитывают математическое ожидание m_α и дисперсию D_α коэффициента нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны в каждой точке измерений сканируемой поверхностности по формулам

и

где α_j - коэффициент нормального затухания; j∈[1, ...n-1] - количество измерений по нормали к поверхности (по оси Y);

в микропроцессорном устройстве для каждой точки измерений сканируемой поверхности запоминаются значения математического ожидания m_α и дисперсии D_α;

по матрице значений дисперсии коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования строят пространственное распределение дисперсии D_α коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны, пространственная картина которой визуально отображает форму и геометрические размеры неоднородностей.