Способ измерения толщины диэлектрических покрытий металлов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

покрытием; влияния подложки на электродинамические характеристики ДВ; нестабильности частоты и мощности СВЧ-генераторов. Следует также отметить, что при несогнутом ДВ зона контроля велика и невозможно осуществить измерения с высокой локал1ностью. е

Наиболее бУизким fio технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является основанный на возбуждений Поверхностной волны в ДВ, изогнутом по дуге окружности, взаимодействии поверхностной волны с приложенным без зазора покрытием и определении параметров электромагнитной волны, по которым судят о толщине г окрытия.

Однако при контроле толщины неметаллического покрытия на металле последний (подложка) оказывает сильное влияние на параметры электромагнитной волны по сравнению с влиянием покрытия. Для исключения этого влияния увеличивают зазор между ДВ и покрытием, что, в свою очередь, уменьшает чувствительность и приводит к погрешности, связанной с непостоянством величины зазора. Также на точность контроля оказывает влияние нестабильность частоты и мощности излучения.

Известно устройство для измерения толщины диэлектрических покрытий металлов, содержащее СВЧ-генератор, ДВ, СВЧ- детектор, усилитель и индикатор,

Однако данное устройство имеет низкую точность измерения из-за необходимости наличия зазора между ДВ и покрытием для уменьшения влияния металлической подложки на параметры волны, что, очередь, уменьшает чувствительность и требует постоянства величины зазора. Также на точность измерений влияет нестабильность мощности и частоты излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является СВЧ-де- фектоскоп, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генератор, первый согласующий переход, облучатель, выполненный в виде отрезка ДВ, изогнутого по дуге окружности, плоскость которого перпендикулярна поверхности контролируемого покрытия, второй согласующий переход, СВЧ-детектор и индикатор.

Основным недостатком СВЧ-дефекто- скопа являются низкая точность и чувствительность измерения толщины немагнитных покрытий на металлических основаниях из-за необходимости наличия зазора между ДВ и контролируемым покрытием. Это связано с тем, что при расположении контролируемого покрытия на некотором расстоянии от ДВ эффективное

влияние на электродинамические характеристики последнего будет оказывать только поверхностный слой (покрытие). Однако во внешней среде поле экспоненциально спадает при удалении от поверхности ДВ, и чувствительность измерения также уменьшается. При этом погрешность измерения в значительной степени зависит от стабильности частоты и мощности СВЧ-излучения.

0 Цель изобретения - повышение точности и чувствительности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в возбуждении поверхностной волны в ДВ, изогнутом по

5 дуге окружности, взаимодействие этой волны с областью контролируемого покрытия, измерения параметров провзаимодейство- вавшей поверхностной волны при наличии контролируемого покрытия и без него и оп0 ределении толщины по величине этих изме- ненных параметров, дополнительно возбуждают две ортогонально поляризованные волны равной амплитуды, плоскости поляризации которых лежат в нормальной и

5 тангенциальной плоскостях относительно поверхности контролируемого покрытия соответственно, параметры провзаимодейст- вовавшей волны при отсутствии контролируемого покрытия измеряют путем

0 расположения ДВ, изогнутого по дуге окружности, на металлическую подложку, при этом относительная разность фаз между ортогонально поляризованными волнами равна пя градусов (где п 1,3,5...), а параметры

5 провзаимодействовавшей волны при наличии покрытия - путем расположения ДВ, изогнутого по дуге окружности, на контролируемое покрытие, а в качестве измеряемого параметра выбирают отношение

0 компонент ортогональных составляющих волны.

Поставленная цель в устройстве для измерения толщины диэлектрических покрытий металлов, реализующем способ,

5 достигается тем, что оно помимо последовательно соединенных СВЧ-генератора, первого согласующего перехода, облучателя, выполненного в виде отрезка ДВ, изогнутого по дуге окружности, второго согласующе0 го перехода, СВЧ-детектора и индикатора, имеет облучатель, снабженный СВЧ-фазов- ращателем, и последовательно соединенные переключатель, запоминающий блок и измеритель отношения напряжений, выход

5 которого подключен к индикатору, а второй вход - к выходу введенного селективного усилителя, вход которого соединен с вторым выходом переключателя, вход которого соединен с выходом СВЧ-детектора, при этом ДВ имеет квадратное сечение, а его концы

выполнены в виде плавных переходов с двугранного клина на квадратное сечение ДВ, а ребра клиньев лежат в одной плоскости и во взаимно ортогональных диагональных плоскостях сечения ДВ, при этом ребра параллельны широким стенкам соответствующих согласующих переходов.

СВЧ-фазовращатель выполнен в виде отрезка полого ДВ квадратного сечения, внутреннего квадратное сечение которого равно сечению ДВ, а диэлектрические проницаемости материалов отрезка полого ДВ и ДВ равны, при этом отрезок полого ДВ имеет возможность перемещаться вдоль ДВ, а одна из стенок отрезка полого ДВ может перемещаться от поверхности ДВ параллельно ей на расстояние до Я/2, где А- длина волны излучения, причем эта стенка с внутренней стороны имеет металлическое покрытие.

Сущность заявляемого технического решения состоит в следующем. В ДВ возбуждают одновременно две ортогонально поляризованные волны равной амплитуды, плоскости поляризации которых лежат в нормальной и тангенциальной плоскостях относительно поверхности контролируемого покрытия. Для этого используется отрезок ДВ квадратного сечения, концы которого выполняются в виде плавных переходов с двугранного клина на квадратное сечение ДВ, при этом ребра двугранников начала и конца отрезка ДВ лежат во взаимно ортогональных диагональных плоскостях сечения ДВ.

Для уменьшения габритов облучателя и зоны (локальности) контроля отрезок ДВ изгибают в середине по дуге окружности так, чтобы его начало и конец (ребра двугранников) лежали в одной плоскости. При возбуждении ДВ линейно поляризованной волной, плоскость поляризации которой перпендикулярна входному ребру двугранного клина, в ДВ будет иметь место возбуждение двух ортогонально поляризованных ТМ и ТЕ волн равной амплитуды, плоскости поляризации которых будут перпендикулярны боковым плоскостям ДВ.

Преобразованная выходная волна будет суперпозицией этих двух волн и будет также линейно-поляризованной, плоскость поляризации которой будет коллинеарна входной волне. При установлении дуги ДВ на металлическую подложку или на тонкое диэлектрическое покрытие на металле значения амплитуд ортогональных волн не изменяются, а изменяются только из фазы, причем в значительной степени изменяется фаза волны, лежащая в нормальной плоскости к поверхности образца. При соответствующем выборе радиуса кривизны дуги ДВ можно добиться, что при установлении ее на металл относительная разность фаз между ортогональными волнами станет лг градусов по отношению к первоначальному состоянию. Для точного установления относительной разности фаз, равной п градусов, между ортогональными составляющими на ДВ (облучатель) дополнительно устанавливают фазовращатель. В этом случае преобразованная выходная волна также будет линейно поляризованной, однако ее плоскость поляризации повернется на 90°. При установлении дуги ДВ на металлическую

подложку с покрытием относительная разность между фаз ортогональными волнами дополнительно изменится, причем этот дополнительный сдвиг будет зависеть только от толщины и диэлектрической проницаемости контролируемого покрытия. При этом выходная преобразованная волна станет эллиптически поляризованной, а ее азимут (положение большой оси эллипса поляризации) не изменится по сравнению с чистой

металлической подложкой за счет того, что амплитуды ортогональных волн в ДВ не изменяются. Диэлектрическая проницаемость материала контролируемого покрытия должна быть больше диэлектрической проницаемости материала ДВ.

Если разделить преобразованную эллиптически поляризованную выходную волну на ортогональные составляющие, измерить их и взять отношение, то оно зависит только от толщины контролируемого покрытия (для данного типа покрытия) и пропорционально эллиптически, которая инвариантна к амплитудно-временной нестабильности источника излучения. Поляризационная методика измерения позволяет учитывать влияние металлической подложки, исключить влияние непостоянства зазора и при этом повысить чувствительность за счет использования всей амплитуды поверхностной волны. При этом обеспечивается высокая локальность контроля.

В устройстве для осуществления измерения поляризационного параметра - эллиптичности выходной волны используется только один канал, что позволяет исключить нелинейность второго СВЧ- детектора, а также значительно уменьшить габариты первичного преобразователя и упростить приемный СВЧ-канал, который состоит из второго согласующего перехода, оканчивающегося прямоугольным волноводом и СВЧ-детектором. Конец ДВ имеет плавный переход, как и в начале, с квадратного сечения на двугранный клин, ребро

которого лежит в диагональной плоскости ДВ. Большая стенка металлического волновода (и согласующего перехода) устанавливаются параллельно ребру клина ДВ. Таким образом, по металлическому волноводу сначала (без установления дуги на образец или металл) распространяется компонента электромагнитной волны, пропорциональная большой оси эллипса поляризации (которая запоминается), а после установления на образец дуги ДВ поляризационный эллипс поворачивается на 90°, и по металлическому волноводу распространяется компонента волны, пропорциональная малой оси эллипса поляризации,которая усиливается селективным усилением и поступает на второй вход измерителя отношения напряжений, на первый вход которого поступает сигнал с запоминающего блока. При установлении ДВ на образец срабатывает переключатель, который переключает сигнал с СВЧ-детек- тора на вход селективного усилите;1я. Сигнал на выходе измерителя отношения напряжений пропорционален эллиптичности и, следовательно, толщине покрытия. При установлении ДВ на металлическую подложку без покрытия проверяется начальная калибровка, при которой относительная разность фаз между ортогональными волнами равна тгградусов, а эллиптичность выходной волны - нулю. Это достигается за счет того, что облучатель снабжен СВЧ-фазовращателем, принцип работы которого основан на установлении металлической пластинки на некотором расстоянии от боковой поверхности ДВ и возможности ее перемещения от самой поверхности ДВ на расстояние от Я/2.

На чертеже показана блок-схема- устройства, реализующего способ.

Сопоставительный анализ с известным способом показывает, что заявленный способ отличается наличием операций возбуждения двух ортогонально поляризованных волн равной амплитуды, изменения относительной разности фаз между ортогональными волнами в ДВ и формирования линейно поляризованной выходной волны при установлении дуги на металл, разделении преобразованнойэллиптическиполяризованной волны на ортогональные составляющие и определении их отношения - величины эллиптичности, при которой находят толщину покрытия. Сопоставительный анализ с известным устройством показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием дополнительно введенных СВЧ-фазовраща- теля, переключателя, запоминающего блока, селективного усилителя и измерителя отношения напряжений, причем ДВ имеет квадратное сечение и плавные переходы в начале и в конец ДВ с квадратного сечения

на двугранный клин, ребра которых лежат во взаимно ортогональных диагональных плоскостях ДВ.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, первый согласующий переход 2, изогнутый

по дуге окружности ДВ 3 квадратного сечения, измерительный столик 4, фазовращатель 5, второй согласующий переход 6, СВЧ-детектор 7, переключатель 8, запоминающий блок 9, селективный усилитель 10,

измеритель 11 отношения напряжений и индикатор 12.

Устройство работает следующим образом.

Амплитудно-модулированная и линейно поляризованная СВЧ-волна с СВЧ-гене- ратора 1 через прямоугольный металлический волновод попадает в первый согласующий переход 2, который согласует прямоуголный металлический волновод с

ДВ, для чего плавный клинообразный переход ДВ 3, длина которого должна быть не менее (5-6) Л вставляется в согласующий переход 2. Здесь происходит преобразование основного типа колебаний металлического волновода в две ортогонально поляризованные волны ТМ и ТЕ типа равной амплитуды ДВ 3. Плоскости поляризации двух ортогональных волн в ДВ перпендикулярны боковым поверхностям ДВ. Выходная преобразованная волна ДВ при условии, что размеры ДВ выдержаны правильно, будет также линейно поляризована, причем ее плоскость поляризации будет коллинеарна падающей.

Для получения высокой локальности измерений и для уменьшения габаритов СВЧ приемно-передающего датчика ДВ сгибают в середине по дуге окружности, с радиусом не менее (5-6)1. Для получения выходной

преобразованной волны линейно поляризованной при установлении дуги ДВ на металлическое основание на ДВ устанавливают СВЧ-фазовращатель 5, который выполнен в виде отрезка полого ДВ квадратного сечения, одна из внутренних поверхностей которого имеет металлическое покрытие, которое может перемещаться от поверхности ДВ на расстоянии до Я/2. Отрезок полого волновода может также передвигаться

вдоль ДВ и после настройки жестко крепиться к ДВ. При установлении дуги ДВ на металлическое основание с контролируемым покрытием выходная волна станет эллиптически поляризованной, причем

большая и малая оси эллипса поляризации не изменяет своего направления и будет лежать в диагональных плоскостях ДВ. Это связано с тем, что амплитуды распространяющихся в ДВ ортогональных 8олн не изменятся, а изменится только их относительная разность фаз. Таким образом, измеряя значение сигналов, соответствующих большой и малой осям эллипса поляризации, и определяя их отношение, равное величине эллиптичности, можно найти толщину покрытия. Для измерения эллиптичности провзаимодействовэвшей волны необходимо волну разделить на ортогонально поляризованные составляющие, продетек- тировать эти сигналы и взять их отношение. Устройство, реализующее способ, конструктивно состоит из выносного приемопередающего СВЧ-датчика, соединенного кабелем с блоком питания, обработки сигнала и индикации. В измерительном столике 4 имеется паз, в котором крепится от0езок дуги ДВ с помощью пенопласта, диэлектрическая проницаемость которого близка к единице. В верхней части измерительного столика А имеются два выступа, к которым жестко крепятся первый и второй 6 согласующие переходы. В них вставляются плавные переходы начала и конца ДВ, которые жестко закрепляются в согласующих переходах с помощью скобы и винта, сжимающих металлические пластины согла- сователей. К волноводным фланцам согласующих переходов 2 и 6 крепятся соответственно СВЧ-генератор 1, выполненный на лавинопролетном диоде, и СВЧ- детектор 7. В измерительном столике встроен переключатель 8, который при установлении его на контролируемое покрытие переключает СВЧ-детектор 7 с входа запоминающего устройства 9 на вход селективного усилителя 10. В устройстве используется только один канал, а значение эллиптичности определяется путем измерения большой оси эллипса поляризации перед установлением СВЧ-датчика (измерительного столика с встроенным ДВ) на контролируемое покрытие на металлическом основании. Значение этой величины запоминается в запоминающем блоке 9 и поступает на первый вход измерителя 1 отношения напряжений. После установления измерительного столика на покрытие переключатель 8 подключает СВЧ-детектор 7 к селективному усилителю 10, на вход которого поступает сигнал, пропорциональный значению малой оси эллипса поляризации. Усиленный селективным усилителем 9 сигнал поступает на второй вход измерителя 11 отношения напряжений, выходной сигнал

которого пропорционален эллиптичности и поступает на индикатор 12, проградуиро- ванный в значениях толщины.

Способ и устройство для его осуществления имеет следующие преимущества:

высокую чувствительность и локальность при контроле тонких покрытий и изделий малых размеров за счет использования полной амплитуды поверхностной волны

0 миллиметрового диапазона;

высокую надежность в связи с жестким креплением ДВ и всей жесткой конструкции СВЧ-датчика, а также за счет изготовления ДВ из прочных диэлектрических материа5 лов;

малый вес и малые габритные размеры СВЧ-датчика, что позволяет создать переносной малогабаритный толщиномер;

высокую точность измерения за счет

0 возбуждения дополнительной второй ортогональной волны и использования поляризационной методики измерений, исключающей влияние металлической подложки, зазора и интерференции.

5

Формула изобретения 1. Способ измерения толщины диэлектрических покрытий металлов, заключающийся в возбуждении поверхностной волны

0 в диэлектрическом волноводе, изогнутом по дуге окружности, взаимодействии этой волны с областью контролируемого покрытия, измерении параметров провзаимодейство- вавшей поверхностной волны при наличии

5 контролируемого покрытия и без него и определении толщины по величине этих измененных параметров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, возбуждают две ортого0 нально поляризованные волны равной амплитуды, плоскости поляризации которых лежат в нормальной и тангенциальной плоскостях относительно Поверхности контролируемого покрытия соответственно,

5 параметры провзаимодействовавшей волны при отсутствии контролируемого покрытия измеряют путем расположения диэлектрического волновода, изогнутого по дуге окружности, на металлическую подяож0 ку, при этом относительная разность фаз между ортогонально поляризованными волнами равна njTградусов (где п 1,3,5...), а параметры провзаимодействовавшей волны при наличии покрытия - путем располо5 жения диэлектрического волновода, изогнутого по дуге окружности, на контролируемое покрытие, а в качестве измеряемого параметра выбирают отношение компонент ортогональных составляющих волны.

2. Устройство для измерения толщины диэлектрических покрытий металлов, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор, первый согласующий переход, облучатель, выгаадшенный в виде отрез- ка диэлектрического волновода, изогнутого по дуге окружности, второй согласующий переход и СВЧ-детектор, индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, облучатель снабжен СВЧ-фазовращателем, введены последовательно соединенные переключатель, запоминающий блок и измеритель отношения напряжений, выход которого подключен к индикатору, а второй вход - к выходу введенного селективного усилителя, вход которого соединен с вторым выходом переключателя, вход которого соединен с выходом СВЧ-детектора, при этом диэлектрический волновод имеет квадратное сече- ние, а его концы выполнены в виде плавных переходов с двугранного клина на квадратное сечение диэлектрического волновода, а ребра клиньев лежат в одной плоскости и во взаимно ортогональных диагональных пло- скостях сечения диэлектрического волновода, при этом ребра параллельны широким стенкам соответствующих согласующих переходов.

3. Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что СВЧ-фазовращатель выполнен в виде отрезка полого диэлектрического волновода квадратного сечения, внутреннее квадратное отверстие которого равно сечению диэлектрического волновода, а диэлектрические проницаемости материалов отрезка полого диэлектрического волновода и диэлектрического волновода равны, при этом отрезок полого диэлектрического волновода установлен с возможностью перемещения вдоль диэлектрического волновода, а одна из стенок отрезка полого диэлектрического волновода установлена с возможностью перемещения от поверхности диэлектрического волновода параллельно ей на расстоянии до Я/2, где Я - длина волны излучения, причем эта стенка с внутренней стороны имеет металлическое покрытие.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля толщины композиционных покрытий металлов. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности. Способ позволяет повысить точность при высокой локальности измерений за счет возбуждения в диэлектрическом волноводе двух ортогонально поляризованных волн и использования поляризационной методики измерений в условиях полного внутреннего отражения. Для этого разработан специальный диэлектрический волновод и в устройство дополнительно введены СВЧ-фазовращатель, запоминающее устройство и измеритель отношения напряжений. Использование одного приемного канала для определения поляризационного параметра, по которому судят о толщине покрытия, позволяет создать переносной малогабаритный прибор и СВЧ-датчик. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил. лических основаниях, основанный на возбуждении поверхностной волны в диэлектрическом волноводе прямоугольного сечения, взаимодействии поверхностной волны с контролируемым покрытием и определении ее параметров, по которым осуществляется контроль толщины покрытия. Данный способ имеет низкую точность и чувствительность контроля из-за влияния большого числа мешающих факторов, а именно непостоянства величины зазоры между диэлектрическим волноводом (ДВ) и сл с VI сл СА) СО -ч ч