СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ КРИВОЛИНЕЙНОГО СЛОЯ МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала.

Существуют способы измерения диэлектрических свойств материала криволинейного слоя непосредственно на изделии при неоднородном распределении свойств по слою.

Известен способ контроля электрической толщины, где измеряют величину фазового набега (сдвига) электромагнитной волны, прошедшей через диэлектрический слой, патент РФ №2066457, G01R 27/26 от 10.09.1996.

Недостатком является то, что в устройствах, реализующих способ измерения электрической толщины, излучатель и приемник располагаются с разных сторон относительно испытуемого слоя. Излучатели имеют протяженные размеры и не позволяют оценивать локальные параметры слоя. Это ограничивает область применения устройства из-за размерного фактора и не позволяет контролировать слои большой кривизны.

Недостатком способа также является недостаточная точность измерения фазы прошедшей волны, возникающая из-за зазоров между излучателями и телом, а также из-за отражения электромагнитных волн от поверхности исследуемого тела.

Известны способы непосредственного измерения диэлектрической проницаемости слоев с помощью резонаторов, а.с., СССР №907465, G01R 27/26 от 23.02.1982;

Егоров В.Н., Мальцева И.Н. Анизотропный диэлектрический резонатор для измерения параметров диэлектриков. // В кн. "Методы и средства измерения электромагнитных характеристик радиоматериалов", Новосибирск: СНИИМ, 1983, с.50-51;

Егоров В.Н., Мальцева И.Н. Азимутальные колебания в анизотропном диэлектрическом резонаторе. Электронная техника, Сер.I, Электроника СВЧ, 1984, №1, (361), с.3-8;

Егоров В.Н., Панченко Е.Н., Захарова И.Н., Токарева Е.Ю. Измерение диэлектрической проницаемости пленочных материалов. Известия АН БССР, сер. физико-техн., 1989, №4, с.66-71.

Недостатком этих способов является низкая локальность, что не позволяет использовать эти методы для контроля диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является способ и устройство определения диэлектрической проницаемости, патент США №6.496.018, G01R 27/04 от 06.04.2000.

Способ включает измерение разности резонансных частот на выходе диэлектрического резонатора в свободном пространстве и при расположении резонатора на фиксированном расстоянии с одной стороны от криволинейного слоя материала, определение по ней диэлектрической проницаемости с использованием калибровочной зависимости диэлектрической проницаемости от разности частот и корректирующей от толщины слоя.

Устройство, реализующее способ по прототипу, включает измерительную ячейку в виде диэлектрического резонатора, закрепленного в корпусе, устройство памяти, хранящее калибровочную зависимость изменения разности частот от диэлектрической проницаемости и корректирующую от толщины слоя, процессор, рассчитывающий диэлектрическую проницаемость по калибровочной и корректирующей зависимостям, деталь, устанавливающую фиксированный зазор между поверхностью слоя и диэлектрическим резонатором.

Недостаток устройства по прототипу состоит в том, что, несмотря на заявленную возможность применения устройства для измерения криволинейного слоя, конструкция корпуса диэлектрического резонатора ориентирована на измерение плоских поверхностей. При переходе к измерению криволинейного слоя с неравными радиусами кривизны в двух взаимно перпендикулярных сечениях не будет выдерживаться фиксированный зазор от датчика до измеряемого слоя, так как приведенное конструктивное решение этого не обеспечивает. В дополнении к этому, при различных радиусах кривизны в устройстве нет механизма, обеспечивающего однозначного положения оси резонатора относительно поверхности.

Корпус, в который вставлена измерительная ячейка, не предназначен для однозначной ориентации измерительной ячейки относительно измеряемого криволинейного слоя материала, так как конструкция не может обеспечить одинаковое расстояние от поверхности диэлектрического резонатора до измеряемой поверхности с различной кривизной, а изменение этого расстояния от опыта к опыту увеличивает погрешность измерения. Особенно сильно это может проявиться при измерении слоя с поверхностью двойной кривизны, например при измерении диэлектрической проницаемости изделий с поверхностью в виде тел вращения (оживало, параболоид). Наибольшая погрешность в измерении диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала поверхности возникает из-за отклонения оси измерительной ячейки от нормали к измеряемой поверхности в точке измерения. Погрешность измерения растет с увеличением угла между осью ячейки и нормалью к поверхности измеряемого слоя.

В способе по прототипу присутствуют элементы крепления измерительной ячейки к корпусу, но методологическая процедура ориентации измерительной ячейки и диэлектрического резонатора, относительно измеряемого криволинейного слоя материала, исключающая неоднозначность измерений и приводящая к уменьшению погрешности измерения, отсутствует.

Недостатком способа и устройства по прототипу является недостаточная точность измерения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала.

Способ определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала, заключающийся в том, что измеряют резонансные частоты на выходе диэлектрического резонатора в свободном пространстве и при расположении резонатора на фиксированном расстоянии с одной стороны от криволинейного слоя материала, определяют разность резонансных частот, по которой, с использованием калибровочной зависимости диэлектрической проницаемости от разности частот и корректирующей от толщины, определяют диэлектрическую проницаемость слоя ε_изм, отличающийся тем, что в точке измерения определяют радиусы кривизны поверхности слоя во взаимно перпендикулярных плоскостях, резонатор располагают перпендикулярно к точке измерения, а диэлектрическую проницаемость определяют по формуле:

ε=ε_изм·[1+K(R₁,R₂)],

где ε - определяемая диэлектрическая проницаемость,

ε_изм - измеренная диэлектрическая проницаемость,

K(R₁,R₂) - корректирующая экспериментально установленная зависимость от радиусов R₁, R₂ кривизны во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Устройство для определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала, включающее измерительную ячейку с диэлектрическим резонатором, установленную в корпусе, устройство памяти, хранящее калибровочную зависимость изменения частоты от диэлектрической проницаемости и корректирующие зависимости от толщины и кривизны слоя, процессор, рассчитывающий диэлектрическую проницаемость по калибровочной и корректирующим зависимостям, деталь, устанавливающую фиксированный зазор между поверхностью слоя и диэлектрическим резонатором, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено координатным механизмом, состоящим из последовательно соединенных суставами трех плеч с датчиками угла поворота, причем одно из них является корпусом, в котором с возможностью осевого перемещения установлена измерительная ячейка с коаксиальным четвертьволновым диэлектрическим резонатором, а деталь, продолжающая центральный проводник коаксиального диэлектрического резонатора, выполнена в виде диэлектрического стержня, выступающего над торцевой поверхностью резонатора.

Основанием для введения дополнительной корректирующей зависимости в расчет диэлектрической проницаемости, учитывающей изменение частоты резонатора от кривизны слоя, является необходимость повышения точности измерений при малых радиусах кривизны слоя. Величина коррекции составляет до 3% при радиусе кривизны 15 мм. Возможность привязки величины коррекции к точке измерения осуществляется благодаря предварительному определению радиусов кривизны слоя во взаимно перпендикулярных плоскостях, по которым определяется положение перпендикуляра к точке измерения. Соответственно формула для определения диэлектрической проницаемости измеренного слоя по калибровочной и корректирующим зависимостям проводится с учетом поправочного коэффициента:

ε=ε_изм·[1+K(R₁,R₂)],

где ε - определяемая диэлектрическая проницаемость,

ε_изм - измеренная диэлектрическая проницаемость, в расчете которой используются калибровочная зависимость сдвига частоты от диэлектрической проницаемости и корректирующая от толщины,

K(R₁,R₂) - корректирующая экспериментально установленная зависимость от радиусов R₁, R₂ кривизны во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Обоснованием для изменения типа резонатора служит то, что в патенте по прототипу используются колебание типа TE_01δ или колебание TM_21δ в объемном экранированном диэлектрическом резонаторе, не обеспечивающие необходимой локальности измерения с высокой чувствительностью и достаточной глубиной. Для обеспечения таким диэлектрическим резонатором заданной локальности (пятно диаметром менее 6 мм) резонатором этого типа необходимо выбирать диэлектрический резонатор с высоким значением ε(~80-120) при частоте 3-4 ГГц или переходить на высокие частоты 8-12 ГГц. В первом случае понижается чувствительность измерительного диэлектрического резонатора из-за большого различия в диэлектрической проницаемости измеряемого слоя и резонатора. Во втором случае уменьшается глубина проникновения поля в измеряемый объект из-за укорочения длины волны, что приводит к измерению только поверхностного слоя объекта. При измерении криволинейного слоя материала высокая локальность нужна принципиально, чтобы минимизировать погрешность из-за кривизны.

Обоснованием свободного перемещения измерительной ячейки с резонатором относительно корпуса является возможность повысить точность измерения за счет фиксации ориентации резонатора относительно направления нормали к поверхности слоя в точке измерения и возможности проведения серии измерений в одной точке, не изменяя положение резонатора при контакте со слоем в точке измерения.

На Фиг.1 представлена схема устройства определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала, представленного в виде осесимметричного тела вращения 1, закрепленного на основании 2 с датчиком угла поворота 3, дополнительного координатного механизма, состоящего из последовательно соединенных суставами 4 трех плеч 5 с датчиками угла поворота в суставах, причем одно из плеч является корпусом 6 диэлектрического резонатора, а также процессором 7 и устройством памяти 8.

На Фиг.2 представлена схема корпуса 6, в котором, с возможностью осевого перемещения относительно корпуса, установлена измерительная ячейка 9 внутри которой неподвижно, соосно с корпусом, установлен коаксиальный четвертьволновый диэлектрический резонатор 10 и размещены измерительные схемы 11.

На Фиг.3 представлена схема диэлектрического резонатора с деталью 12, в виде продолжения центрального проводника коаксиального диэлектрического резонатора, устанавливающая фиксированный зазор между диэлектрическим резонатором и измеряемым слоем.

Способ определения диэлектрической проницаемости материалов криволинейного слоя материала осуществляется следующим образом. Устанавливается калибровочная зависимость частотного сдвига резонатора от величины диэлектрической проницаемости плоских образцов большой толщины, при которой толщина уже не влияет на измеряемое значение. Устанавливается корректирующая зависимость частотного сдвига резонансной частоты резонатора от толщины слоя. Устанавливается корректирующая зависимость частотного сдвига резонансной частоты резонатора от радиусов кривизны слоя. Проводится измерение координат поверхности. Определяются радиусы кривизны поверхности во взаимно перпендикулярных плоскостях и направление нормали к точке измерения (положения датчиков угла поворота суставов). Корпус, измерительная ячейка, диэлектрический резонатор устанавливаются по нормали. Проводится измерение резонансной частоты свободного пространства, резонатор перемещается до контакта детали с поверхностью слоя. Проводится измерение резонансной частоты резонатора в контакте с поверхностью. Определяется частотный сдвиг. По калибровочной и корректирующим зависимостям, частотному сдвигу, толщине слоя и измеренным радиусам кривизны в точке измерения определяется диэлектрическая проницаемость по формуле:

ε=ε_изм·[1+K(R₁,R₂)],

где ε - определяемая диэлектрическая проницаемость,

ε_изм - измеренная диэлектрическая проницаемость, в расчете которой используются калибровочная зависимость сдвига частоты от диэлектрической проницаемости и корректирующая от толщины,

K(R₁,R₂) - корректирующая экспериментально установленная зависимость от радиусов R₁, R₂ кривизны во взаимно перпендикулярных плоскостях.

На Фиг.4 представлены зависимости относительного изменения диэлектрической проницаемости, измеренные на эталонном плоском образце при установлении влияния точности установки оси диэлектрического резонатора относительно перпендикуляра к слою материала во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Практическое применение устройства показало необходимость установки нормали с точностью не менее ±1°. Реализованное устройство позволяет выполнять установку оси диэлектрического резонатора с точностью ±0,5°.

Обоснованием введения в устройство дополнительного координатного механизма является то, что он в совокупности с процессором позволяет определить радиусы кривизны поверхности в точке измерения, направление нормали в точке измерения и установить диэлектрический резонатор по нормали к точке измерения.

Для сохранения фиксированного зазора между торцом резонатора и измеряемой поверхностью и ориентации резонатора по направлению нормали к криволинейному слою материала применена деталь, являющаяся продолжением центрального проводника коаксиального диэлектрического резонатора, выполненная в виде диэлектрического стержня, выступающего над торцевой поверхностью резонатора. Предлагаемая конструкция обеспечивает фиксированный зазор вне зависимости от радиуса кривизны выпуклой или вогнутой поверхности, без помех позволяет ориентировать резонатор относительно криволинейного слоя материала при установке контакта. Деталь является продолжением центрального проводника коаксиального диэлектрического резонатора и для исключения стирания выполняется из корунда.

На Фиг.5 представлены зависимости относительного изменения диэлектрической проницаемости при установлении корректирующего коэффициента в виде среднеарифметического значения относительного изменения диэлектрической проницаемости для выпуклой и вогнутой поверхностей равного радиуса кривизны. Представленный механизм нахождения влияния кривизны позволил ввести в устройство памяти дополнительный корректирующий коэффициент.

Заявляемый способ и устройство для определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала позволяет проводить измерения на поверхностях с радиусом кривизны поверхности более 15 мм с погрешностью, не превышающей ±2% для номинального значения ε и ±0,5% относительно значения ε в одних и тех же точках на изделиях одного типа.

В реализованном устройстве в отличие от прототипа имеется опорный генератор, смеситель и усилитель промежуточной частоты. Двухканальная автогенераторная схема измерения с опорным и измерительным каналами и выделением разностной (промежуточной) частоты между каналами снижает влияние различных дестабилизирующих факторов (температуры, напряжения питания и др.).

Использование внешнего генератора, который нужно настраивать на частоту резонатора, усложняет методику применения устройства и вносит дополнительную погрешность измерения. Заявляемый в прототипе приоритет на использование в схеме измерения с диэлектрическим резонатором частотомера, компьютера и отдельного устройства памяти описан в более ранних работах.

В конструкции используется коаксиальный четвертьволновый диэлектрический резонатор с колебанием ТЕМ при небольшом значении ε, что обеспечивает высокую локальность, значительную глубину проникновения поля в материал стенки и высокую чувствительность изменения резонансной частоты к изменению ε объекта исследования.

Учет кривизны поверхности слоя во взаимно перпендикулярных плоскостях и расположение резонатора по направлению нормали к поверхности криволинейного слоя в точке измерения в предлагаемом техническом решении обеспечивает высокую точность определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала.

В способе определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала измеряют резонансные частоты на выходе диэлектрического резонатора в свободном пространстве и при расположении резонатора на фиксированном расстоянии с одной стороны от криволинейного слоя материала, определяют разность частот, по которой, с использованием калибровочной зависимости диэлектрической проницаемости от разности частот и корректирующей от толщины, и определяют диэлектрическую проницаемость слоя ε_изм. При этом в точке измерения определяют радиусы кривизны поверхности слоя во взаимно перпендикулярных плоскостях, резонатор располагают перпендикулярно к точке измерения, а собственно диэлектрическую проницаемость определяют по расчетной формуле. Также предложено устройство для определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала. Изобретение обеспечивает повышение точности определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала, заключающийся в том, что измеряют резонансные частоты на выходе диэлектрического резонатора в свободном пространстве и при расположении резонатора на фиксированном расстоянии с одной стороны от криволинейного слоя материала, определяют разность частот, по которой с использованием калибровочной зависимости диэлектрической проницаемости от разности частот и корректирующей от толщины определяют диэлектрическую проницаемость слоя ε_изм, отличающийся тем, что в точке измерения определяют радиусы кривизны поверхности слоя во взаимно перпендикулярных плоскостях, резонатор располагают перпендикулярно к точке измерения, а диэлектрическую проницаемость определяют по формуле
ε=ε_изм·(1+K(R₁,R₂)),
где ε - определяемая диэлектрическая проницаемость;
ε_изм - измеренная диэлектрическая проницаемость;
K(R₁,R₂) - корректирующая экспериментально установленная зависимость от радиусов R₁, R₂ кривизны во взаимно перпендикулярных плоскостях.

2. Устройство для определения диэлектрической проницаемости криволинейного слоя материала, включающее измерительную ячейку с диэлектрическим резонатором, установленную в корпусе, устройство памяти, хранящее калибровочную зависимость изменения частоты от диэлектрической проницаемости и корректирующие от толщины и кривизны слоя, процессор, рассчитывающий диэлектрическую проницаемость по калибровочной и корректирующим зависимостям, деталь, устанавливающую фиксированный зазор между поверхностью слоя и диэлектрическим резонатором, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено координатным механизмом, состоящим из последовательно соединенных суставами трех плеч с датчиками угла поворота, причем одно из них является корпусом, в котором с возможностью осевого перемещения установлена измерительная ячейка с коаксиальным четвертьволновым диэлектрическим резонатором, а деталь, являющаяся продолжением центрального проводника коаксиального диэлектрического резонатора, выполнена в виде стержня, выступающего над торцевой поверхностью резонатора.