Способ СВЧ-дефектоскопии Советский патент 1992 года по МПК G01N22/02 

Изобретение относится к дефектоскопии и может быть использовано для определения глубины залегания диэлектрического тела в проницаемой для электромагнитных волн среде.

Известен способ определения места нахождения тела, расположенного в диэлектрическом полупространстве, с помощью подповерхностной радиолокации. Способ заключается в облучении контролируемого объекта электромагнитным импульсом и измерении разности времен прихода импульсов, отраженных от поверхности диэлектрического полупространства и включения. Погрешность определения места нахождения тела составляет несколько длин волн и определяется возможностями аппаратуры.

Однако ввиду небольших расстояний от поверхности контролируемого объекта до дефекта (от миллиметров до дебятков сантиметров) этот способ требует излучения

очень коротких импульсов и высокого временного разрешения. Соответствующая аппаратура является недостаточно развитой и чрезмерно дорогостоящей.

Наиболее близким к изобретению является способ СВЧ-дефектоскопии, заключа ющийся в том, что измеряют коэффициент отражения плоской электромагнитной волны от контролируемого объекта и по его величине определяют наличие и параметры дефекта, в том числе и координаты залегания этого дефекта Измерения коэффициента отражения проводят в широком диапазоне частот (от 30 до 40 ГГц). В результате обработки на микропроцессорном устройстве частотной зависимости коэффициента отражения определяется глубина залегания дефекта.

Способ применим для обнаружения дефектов, размеры которых больше длины волны, Точное определение глубины залегания дефекта возможно лишь при использоXJ

KD

ю

.««а

вэнии для зондирования плоских электромагнитных волн и бесконечно большого частотного диапазона. В реальных условиях использование неплоских волн и конечного частотного диапазона приводит к появле- нию методической ошибки в определении глубины залегания дефекта, которая в ряде случаев может достигать десятков процентов от истинного значения. Кроме того, для реализации этого способа требуется слож- ная математическая обработка результатов измерений.

Цель изобретения - повышение точности определения глубины залегания дефекта.

Рассмотрим однородное диэлектрической полупространство, в котором на расстоянии z b от поверхности расположено тело с диэлектрической проницаемостью, отличной от диэлектрической проницаемо- сти полупространства. Характерный линейный размер тела (например, для тела с формой шара- это диаметр) обозначен через а. Пусть от поверхности полупространства вс буждается поверхностная электромаг- нитная волна. В диэлектрическом полупространстве амплитуда поверхностной полны меняется с глубиной z по закону Е ехр{-6,28318 у fz/C), где безразмерный коэффициент у считается известным. Кооф- фициент у нетрудно вычислить исходя из величины диэлектричес ой проницаемости полупространства и способа возбуждения поверхностной волны. Частота f отой вол-ш удовлетворяет двум условиям. Во-первых, С/(100а) f С/(10а), где С 3-Ю3 (м/с) - скорость света в вакууме, т.е. длина волны электромагнитного поля на порядок больше характерного линейного размера тела, Во-вторых амплитуда поверхностей волны на максимально возможной глубине залегания дефекта (которую обозначим через Ьмакс) не более чем на два порядка меньше амплитуды этой поверхностной волны на поверхности диэлектрического полугростран- ства, т.е. f С/(ЗЬмакс у). Объединяя оба условия, получим С/(100а) f (С/(10а), С/(ЗЬмакс У) или С/(100а) f С/(ЗЬмакс у), так как обычно Ьмакс 10а/(3 у).

Из уравнения Максвелла следует, что в такой ситуации рассеянное дефектом элек- тромагнлицое поле Ег на расстоянии L vgc/f от дефекта описывается приближенным выражением

Er (ka)3exp(-kyb)/(kL);k 6,28318f/C.

Коэффициент пропорциональности в этом выражении зависит от формы и материала дефекта, расположения точки наблюдения и определяется экспериментально.

Из вышеприведенного выражения и закона сохранения энергии нетрудно получить, что разность между мощностями поверхностной волны в начале (Рн) и в конце (Рк) распространения пропорциональна Рн - Рк (ka)6exo(-2k у b)/k2. Здесь коэффициент пропорциональности слабо зависит от размеров дефекта и частоты поверхностной электромагнитной волны и не зависит от глубины залегания дефекта. Находя разность мощности поверхностных волн на двух фичсировзиных частотах из вышеуказанного интервала и вычисляя отношение этих разностей, можно определить глубину дефекта Ь:

(Й) (-12,5664yb(fi-f2)/C), где нижним индексом 1 обозначены величины, измеренные на частоте fi, а индекс 2 - на частоте h- Видно, что отношение интен- сивностей рассеянных дефектов электромагнитных полей на двух различных частотах оказывается не зависящим от размеров, формы и материала дефекта. Обращая последнюю формулу относительно глубичы залегания дефекта, получим

b - CHIn(fi/f2) - ln((PHi - Рк1)/(Рн2 -Рк)),5664 y{fi-f2). Эта формула определяет процедуру обработки результатов измерений.

Ча чертеже изображена установка, с помощью которой реализуется предлагаемый способ

Установка состоит из двухступенчатого генератора 1, соединенного через делитель 2 мощности с измерителем 3 мощности и устройством 4, возбуждающим поверхностные электромагнитные волны. Последнее через устройство 5, направляющее поверхностные волны, соединено с приемником 6 поверхностных волн, который соединен с измерителем 7 мощности,

Установка работает следующим образом.

Устройство 5, направляющее поверхностные волны, приводится в контакт с исследуемым изделием 8, содержащим дефект 9. С помощью генератора 1 возбуждаются эпектромагнитнне колебания на частоте fi. Мощность этих колебаний делится поровну на депителе 2 мощности и направляется в измеритель 3 мощности и устройство 4, возбуждающее поверхностные электромагнитные волны. Мощность поверхностной волны, возбуждаемой устройством 4, равна мощности Рц1, регистрируемой измерителем 3 мощности . Поверхностная электромагнитная волна, распространяясь по поверхности исследуемого изделия 8 вдоль

устройства 5, направляющего поверхностные волны, взаимодействует с дефектом 9, из-за чего уменьшается ее мощность, После взаимодействия с дефектом поверхностная волна попадает на приемник б поверхностных волн, который преобразует ее в электромагнитные колебания, мощность которых Рк1 регистрируется измерителем 7 мощности. Затем генератором 1 возбуждаются электромагнитные колебания на частоте fa и измеряются мощности поверхностной электромагнитной волны в начале распространения (Рн2) с помощью измерителя 3 мощности и в конце распространения (РК2) с помощью измерителя 7 мощности. Измеренные величины подставляются в формулу

h г 41Ф -f2)-ln((PHl -Рк1)/Рн2-Рк2)) 12, 5669 у (/1 - f2J

по которой определяется глубина залегания дефекта.

Проведено математическое моделирование процесса измерений, Предложено, что в однородном диэлектрическом полупространстве, моделирующем изделие, на глубине z 0,0124 м рясположен диэлектрический шар диаметром а 0,003 м и диэлектрической проницаемостью Ј 4 ед. СГСЕ, моделирующий дефект. Вдоль поверхности полупространства распространялась поверхностная волна с у 0,5. В результате математического моделирования процесса измерений получено, что на частоте fi 1010 Гц разность мощностей поверхностной волны в начале и в конце распространения вдоль полупространства равна ДРч Вт, а на частоте h 2f 1 - АРа 5,43 Вт. Подставляя расчетные значения в формулу для определения глубины залегания дефекта, получим b 0,0123 м. Таким образом, относительная погрешность способа составила 0,5%.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ позволяет: определять глубину залегания дефектов с размерами, на порядок меньшим длины волны, с относительной ошибкой порядка 1 %, в то время как в прототипе погрешность определения глубины залегания дефекта составляет 10-, 20%; упростить по сравнению с прототипом

обработку результатов измерений, исключив необходимость численного решения интегрального уравнения. Кроме того, предлагаемый способ не требует эбсолютных измерений мощности поверхностной волны, а лишь разности мощностей этой волны в начале и в конце ее распространения вдоль поверхности исследуемого изделия, позволяет также устранить вредные

условия труда, обусловленные излучением пространственных электромагнитных волн. Формулаизобретения Способ СВЧ-дефектоскопии. заключающийся в том, что регистрируют характерисгики электромагнитного СВЧ-поля в контролируемом объекте на нескольких частотах и по зтим характеристикам определяют параметр дефекта в объекте, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения

точности определения глубины залегания дефекта, воздействуют на контролируемый объект поверхностной электромагнитной волной и измеряют изменение мощности этой волны при взаимодействии с дефектом

на двух фиксированных частотах в диапазоне С/(100а) f C/(3 у Ьмакс), а глубину залегания дефекта определяют согласно выражению

h - г Inff1 f2) f (Рн1 рк1)/Рн2 Рха) )

12, 5994 у (fi - fa)

где fi, f2 - значение фиксированных частот, Гц;

С 3,108 м /с - скорость света в вакууме; у - безразмерный коэффициент, зависящий от способа возбуждения поверхностной электромагнитной волны;

Рн1 и РК1 - мощности поверхностной волны в начале и в конце ее распространения вдоль поверхности исследуемого объекта на частоте fi;

Рн2 и Рк2 - мощности поверхностной волны в начале и в конце ее распростране- ния вдоль поверхности исследуемого объекта на частоте fa;

b - глубина залегания дефекта, м; Ьмакс максимально возможная глубина залегания дефекта, м;

а - максимальный линейный размер дефекта, м.

генератор двухчастотный

делитель мощности

измеритель мощности

измеритель мощности

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может быть использовано для СВЧ-дефектоскопии материалов. Цель изобретения - повышение точности определения глубины залегания дефекта за счет возбуждения поверхностной волны на двух частотах. Эти частоты выбираются в диапазоне, соответствующем максимально возможным размерам дефекта и его глубинам залегания. 1 ил,

I

устройство направляющее поверхностные волны

приемник

поверхностных

волн