СВЧ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЯХ НА МЕТАЛЛЕ Российский патент 2014 года по МПК G01N22/02 

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 определения и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей;

наличие зон необнаружения дефекта из-за интерференции волн; большие габариты измерительной системы, реализующей данный способ.

Известен СВЧ способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценки их относительной величины / Патент №2256165, МПК⁷ G01N 22/02, G01R 27/26. СВЧ способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценка их относительной величины /П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, С.Р. Каберов (РФ); №2003126856/09. Заявл. 01.09.03. 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 рассчитанным значениям коэффициентов затухания поля.

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

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является СВЧ способ интроскопии неоднородности диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий поверхностной медленной волной / Патент №2301987, МПК⁷ G01N 15/08, G01R 27/32. СВЧ способ интроскопии неоднородности диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий поверхностной медленной волной/ П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, А.А. Панов; опубл. 27.06.07. Бюл. №18/, заключающийся в создании электромагнитного поля поверхностной медленной Е-волны над диэлектрическим покрытием на электропроводящей подложке, измерении затухания напряженности поля поверхностной медленной волны в нормальной плоскости относительно ее распространения по всей поверхности покрытия, определении математического ожидания и дисперсии коэффициента нормального затухания электрического поля и последующей оценки площади неоднородности по рассчитанным значениям дисперсий коэффициентов затухания поля.

Недостатками данного способа являются: малая вероятность обнаружения малоразмерных неоднородностей и низкая точность оценки границ неоднородностей.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности обнаружения малоразмерных неоднородностей и увеличение точности оценки их границ по всей сканируемой поверхности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном СВЧ способе обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металле, заключающемся в создании электромагнитного поля поверхностной медленной волны Е-типа в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке, сканировании поверхности покрытия с заданным шагом, регистрации изменения напряженности электрического поля, вычислении коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны, расчете его математического ожидания и дисперсии в каждой точке сканирования, формировании двумерной матрицы значений дисперсии коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования и оценке по пространственной картине распределения дисперсии границ неоднородностей, после формировании двумерной матрицы значений дисперсии коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования, дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-волну, длина волны λ₂ которой меньше длины волны λ₁ первого электромагнитного поля так, что произведение коэффициента фазы второй электромагнитной волны β_E2 на толщину покрытия b удовлетворяло условию $${\beta }_{E2}b<<\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$ и Н-волну на длине волны λ₃ так, чтобы выполнялось условие π/2<β_Hb≤π/2+Δ_H, где Δ_H<<π/2, последовательно регистрируют изменения напряженности поля волн электрического Е_λ2 и магнитного H_λ3 типа, рассчитывают коэффициент нормального затухания электрического поля, его математическое ожидание и дисперсию в каждой точке сканирования и их значения запоминают в микропроцессорном устройстве, усредняют значения дисперсий коэффициента затухания поля для волн электрического типа $$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}$$ и для волны магнитного типа $$D_{{\alpha }_{\lambda 3}}$$ по всей площади сканирования в соответствии с выражением

$$D_S^t=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^m{\displaystyle \sum _{k=1}^p{D}_{{\alpha }_{\lambda t}}^{ik}}}}{mp}$$ ,

где t∈(1, 2, 3) - порядковый номер возбуждаемых волн E_λ1, Е_λ2 и Н_λ3; i∈(1…m) - координаты точек измерений по оси x; k∈(1…p) - координаты точек измерения по оси z,

рассчитывают абсолютное отклонение дисперсий коэффициента затухания поля $$\Delta D_{\lambda 1}^{i,k}$$ , $$\Delta D_{\lambda 2}^{i,k}$$ , $$\Delta D_{\lambda 3}^{i,k}$$ для каждой волны E_λ1, E_λ2 и H_λ3 от среднего и усредняют их значение в каждой точке сканирования поверхности в соответствии с выражением:

$$\Delta D^{i,k}=\frac{\Delta D_{\lambda 1}^{i,k}+\Delta D_{\lambda 2}^{i,k}+\Delta D_{\lambda 3}^{i,k}}{3}$$ ,

формируют двумерную матрицу средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования, строят по всей поверхности сканирования пространственное распределение средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля поверхностных медленных волн E_λ1, Е_λ2 и Н_λ3, пространственная картина которых визуально отображает распределение неоднородностей и их границу.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого СВЧ способа обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле, где цифрами обозначено 1 - устройство возбуждения медленных поверхностных волн; 2 - металлическая подложка; 3 - слой исследуемого покрытия; 4 - вертикально ориентированные приемные вибраторы; 5 - горизонтально ориентированные приемные вибраторы; 6 - внутренние дефекты.

С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн, представляющего собой рупорную антенну 1 последовательно возбуждают поверхностные электромагнитные волны: две Е волны E_λ1 и Е_λ2 на близких длинах волн генератора λ_г1 и λ_г2 так, чтобы произведение коэффициента фазы на толщину покрытия удовлетворяло условию: $${\beta }_{E2}b<<\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$ и H_λ3 волну так, чтобы π/2<β_Hb≤π/2+Δ_H, где Δ_H<<π/2 (фиг.2), 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.

С помощью системы вертикально ориентированных приемных вибраторов 4 в начальной точке измерений (x₁, z₁) расположенной на линии максимума диаграммы направленности (ДН) в дальней зоне (ДЗ) устройства возбуждения медленной поверхностной волны 1, направленной вдоль оси Z, последовательно измеряют напряженности поля волн Е_λ1 и Е_λ2, а с помощью горизонтально ориентированных вибраторов 5 напряженность поля поверхностной волны H_λ3 волны в нормальной плоскости относительно направления их распространения (в точке y). Делают первоначальный шаг Δy=d и измеряют напряженности поля волн E_λ1, E_λ2 и H_λ3 поверхностной волны в точке y+d.

Для каждой волны E_λ1, Е_λ2 и Н_λ3 рассчитывают коэффициенты нормального затухания α_λt(1), из выражения:

$${\alpha }_{\lambda t\left(1\right)}=\frac{1}{d}\ln \left[\frac{E_{\lambda t}\left(y\right)}{E_{\lambda t}\left(y+d\right)}\right]$$ '

где E_λt(y), и E_λt(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; t∈(1, 2, 3) - порядковый номер возбуждаемых волн E_λ1, Е_λ2 и Н_λ3.

Переводят приемные вибраторы в следующую точку, делая постоянный, либо адаптивно изменяющийся относительно величины изменения коэффициента затухания шаг Δy и повторяют измерения.

Вычисляют все значения $${\alpha }_{\lambda 1_j}$$ , $${\alpha }_{\lambda 2_j}$$ , $${\alpha }_{\lambda 3_j}$$ , для каждой волны Е_λ1, Е_λ2 и H_λ3 соответственно, где j∈[1,… n-1] - количество точек измерений (по оси Y).

По значениям коэффициентов нормального затухания электрического поля поверхностных медленных волн $${\alpha }_{\lambda 1_j}$$ , $${\alpha }_{\lambda 2_j}$$ , $${\alpha }_{\lambda 3_j}$$ , определяют математические ожидания $$m_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$m_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$m_{{\alpha }_{\lambda 3}}^{\mathrm{1,1}}$$ в данной точке измерения (x₁, z₁):

$$m_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n-1}{\alpha }_{\lambda 1_j}}$$ ; $$m_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n-1}{\alpha }_{\lambda 2_j}}$$ ; $$m_{{\alpha }_{\lambda 3}}^{\mathrm{1,1}}=\frac{1}{n}{\displaystyle \sum _{j=1}^{n-1}{\alpha }_{\lambda 3_j}}$$

и дисперсии коэффициентов нормального затухания $$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 3}}^{\mathrm{1,1}}$$

$$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{n-1}\left({\alpha }_{\lambda 1j}-m_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}\right)}}^2$$ ; $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{n-1}\left({\alpha }_{\lambda 2_j}-m_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}\right)}}^2$$ ; $$D_{{\alpha }_{\lambda 3}}^{\mathrm{1,1}}=\frac{1}{n}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{n-1}\left({\alpha }_{\lambda 3_j}-m_{{\alpha }_{\lambda 3}}^{\mathrm{1,1}}\right)}}^2$$

В микропроцессорном устройстве (МПУ) запоминаются координаты точки (x₁, z₁) и значения $$m_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$m_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$m_{{\alpha }_{\lambda 3}}^{\mathrm{1,1}}$$ и $$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{\alpha 3}^{\mathrm{1,1}}$$ .

Делают шаг Δz в направлении максимума ДН и проводят аналогичный цикл измерений коэффициентов затуханий, расчетов математического ожидания и дисперсии в точке (x₁, z₁+Δz) и так далее в пределах заданного изменения размера покрытия по оси Z от начального z₁ до конечного z_p.

Делают шаг Δx, перемещая апертуру излучателя и приемные вибраторы, и производят аналогичный цикл измерений коэффициентов затуханий по направлению максимума ДН по оси Z в обратном направлении от z_p до z₁.

Производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия (фиг.1), где k∈(1…p) - количество точек измерений по оси z; i∈(1…m) - количество точек измерений по оси х.

На фиг.3а приведены графики распределения дисперсий $$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{\alpha 3}^{\mathrm{1,1}}$$ для каждой волны E_λ1, E_λ2 и Н_λ3 по сканируемой области покрытия с внесенными неоднородностями. Их анализ показывает, что обнаружение неоднородностей по дисперсии только на одной из длин волн Е_λ1, Е_λ2 и Н_λ3 не позволяет обнаружить неоднородности с размерами менее 2 мм.

Далее производят усреднение значений дисперсий $$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}^{\mathrm{1,1}}$$ , $$D_{\alpha 3}^{\mathrm{1,1}}$$ по всей площади сканирования, для каждой длины волны E_λ1, Е_λ2 и Н_λ3 и получают три «фоновых» величины дисперсии:

$$D_S^t=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^m{\displaystyle \sum _{k=1}^p{D}_{{\alpha }_{\lambda t}}^{ik}}}}{mp}$$

рассчитывают абсолютное отклонение дисперсий коэффициента затухания поля - получают «отфоновые» дисперсии по формуле:

$$\Delta D_t^{i,k}=\left|D_{{\alpha }_{\lambda t}}^{i,k}-D_S^t\right|$$

и усредняют значения «отфоновых» дисперсий $$\Delta D_t^{i,k}$$ для волн E_λ1, E_λ2 и H_λ3 в каждой точке измерения:

$$\Delta D^{i,k}=\frac{\Delta D_{\lambda 1}^{i,k}+\Delta D_{\lambda 2}^{i,k}+\Delta D_{\lambda 3}^{i,k}}{3}$$

В микропроцессорном устройстве для каждой точки измерений сканируемой поверхности запоминается значение средней «отфоновой» дисперсии ΔD^i,k.

Формируют двумерную матрицу средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования и строят пространственное распределение средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля поверхностных медленных волн E_λ1, E_λ2 и Н_λ3, пространственная картина которых отображает границу и «информативные» параметры обнаруженных неоднородностей.

На фиг.3б представлена экспериментальная зависимость средней «отфоновой» дисперсии коэффициентов затухания как функции геометрических и электрофизических параметров неоднородностей в координатах XYZ полученная при сканировании поверхности диэлектрического покрытия с различными неоднородными включениями, такими как простые отверстия диаметрами 7 мм и 2 мм и ферритовый шарик диаметром 2 мм.

По полученной трехмерной зависимости средней «отфоновой» дисперсии коэффициентов затухания можно оценить параметры неоднородности:

- «фоновое» значение $$D_S^t$$ есть мера средней неоднородности покрытия;

- по объемной картине распределения ΔD^i,k можно оценить площадь

основания объемной фигуры над неоднородностью, путем суммирования шагов измерений Дx_i, ,Дz_k по осям x и z в области неоднородности (фиг 3б):

$$S_{осн}={\displaystyle \sum _{неод}\Delta x_i\cdot \Delta z_k}$$ ,

- «информативный» объем фигуры

$$V_{фигуры}=\Delta D^{i,k}\cdot S_{осн}$$

- высоту «фигуры» - h_i=max(ΔD^i,k).

Для оценки эффективности разработанного способа в сравнении его со способами приведенными в [Патент РФ №2256165] и [Патент РФ №2301987] проведены экспериментальные исследования по обнаружению неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металлическом основании.

В ходе натурного эксперимента были исследованы различные виды диэлектрических покрытий на металлическом основании. В каждое из них были внесены неоднородности типа «отверстие» с различными диаметрами.

Для расчета вероятностей обнаружения неоднородностей был применен статистический критерий оптимальности Неймана-Пирсона [Методы неразрушающих испытаний / Под ред. Р. Шарпа. М.: Мир, 1972. 496 с.].

На основе данного подхода получены экспериментальные кривые обнаружения неоднородностей типа «отверстие» с различными диаметрами На рисунке (фиг.4) приведены кривые вероятностей обнаружения неоднородностей от их размера (диаметра), кривая 1 соответствует способу-прототипу, а кривая 2 - предлагаемому способу. Из анализа графика видно, что неоднородность с диаметром d=1 мм способом-прототипом обнаруживается с вероятностью P=0,035, а заявленным способом с P=0,35, т.е. имеется повышение вероятности правильного обнаружения неоднородности на порядок.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить вероятность обнаружения малоразмерных неоднородностей (с поперечными размерами 1-3 мм) в непроводящих покрытиях на металлической подложке, а также повысить точность оценки их относительных границ.

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. Повышение вероятности обнаружения малоразмерных неоднородностей и увеличение точности оценки их границ является техническим результатом предложенного изобретении, который достигается за счет того, что проводят сканирование поверхности покрытия с заданным шагом и формирование двумерной матрицы значений дисперсии коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования, а также формирование второй электромагнитной Е волны с последующим расчетом абсолютного отклонения дисперсий коэффициента затухания поля, с построением пространственного распределения средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля поверхностных медленных волн E_λ1, E_λ2 и Н_λ3, пространственная картина которых визуально отображает распределение неоднородностей и их границу. 4 ил.

СВЧ способ обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металле, заключающийся в создании электромагнитного поля поверхностной медленной волны Е-типа в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке, сканировании поверхности покрытия с заданным шагом, регистрации изменения напряженности электрического поля, вычислении коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны, расчете его математического ожидания и дисперсии в каждой точке сканирования, формировании двумерной матрицы значений дисперсии коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования и оценке по пространственной картине распределения дисперсии границ неоднородностей, отличающийся тем, что после формирования двумерной матрицы значений дисперсии коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования, дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-волну, длина волны λ₂ которой меньше длины волны λ₁ первого электромагнитного поля так, что произведение коэффициента фазы второй электромагнитной волны β_E2 на толщину покрытия b удовлетворяло условию $${\beta }_{E2}b<<\raisebox{1ex}{$\pi $}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$ , и Н-волну на длине волны λ₃ так, чтобы выполнялось условие
π/2<β_Hb≤π/2+Δ_H, где Δ_H<<π/2,
последовательно регистрируют изменения напряженности поля волн электрического Е_λ2 и магнитного Н_λ3 типа, рассчитывают коэффициент нормального затухания электрического поля, его математическое ожидание и дисперсию в каждой точке сканирования и их значения запоминают в микропроцессорном устройстве,
усредняют значения дисперсий коэффициента затухания поля для волн электрического типа $$D_{{\alpha }_{\lambda 1}}$$ , $$D_{{\alpha }_{\lambda 2}}$$ и для волны магнитного типа $$D_{{\alpha }_{\lambda 3}}$$ по всей площади сканирования в соответствии с выражением
$$D_S^t=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^m{\displaystyle \sum _{k=1}^p{D}_{{\alpha }_{\lambda t}}^{ik}}}}{mp},$$
где t∈(1, 2, 3) - порядковый номер возбуждаемых волн E_λ1, E_λ2 и H_λ3; i∈(1…m) - координаты точек измерений по оси x; k∈(1…p) - координаты точек измерения по оси z,
рассчитывают абсолютное отклонение дисперсий коэффициента затухания поля $$\Delta D_{\lambda 1}^{i,k}$$ , $$\Delta D_{\lambda 2}^{i,k}$$ , $$\Delta D_{\lambda 3}^{i,k}$$ для каждой волны E_λ1, E_λ2, и Н_λ3 от среднего и усредняют их значение в каждой точке сканирования поверхности в соответствии с выражением:
$$\Delta D^{i,k}=\frac{\Delta D_{\lambda 1}^{i,k}+\Delta D_{\lambda 2}^{i,k}+\Delta D_{\lambda 3}^{i,k}}{3},$$
формируют двумерную матрицу средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля по всей поверхности сканирования,
строят по всей поверхности сканирования пространственное распределение средних значений дисперсий коэффициента нормального затухания поля поверхностных медленных волн E_λ1, E_λ2 и Н_λ3, пространственная картина которых визуально отображает распределение неоднородностей и их границу.