свч-способ интроскопии неоднородности диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий поверхностной медленной волной

Формула изобретения

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 и дисперсию D коэффициента нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны в каждой точке измерений сканируемой поверхностности по формулам

и

где _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 и дисперсии D ;

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

Описание изобретения к патенту

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, МПК ⁷ 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 и дисперсию D коэффициента нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны в каждой точке измерений сканируемой поверхности по формулам:

и

,

где _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 и дисперсии D ;

по матрице значений дисперсии коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования строят пространственное распределение дисперсии D 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 , вдоль расположенного на электропроводящей металлической подложке 2 диэлектрического покрытия 3 с неизвестными параметрами: толщиной слоя b, относительной диэлектрической проницаемостью , относительной магнитной проницаемостью , 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 _г из условия:

,

где _макс, _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, z ₁), 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 y=d и измеряют напряженность поля поверхностной волны в точке y₂=y₁+d.

Рассчитывают коэффициент нормального затухания ₁ 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 Z ₁ Y₃), делая постоянный либо адаптивно изменяющийся относительно величины изменения коэффициента затухания шаг y и повторяют измерения.

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

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

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

.

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

Делают шаг z₁ в направлении максимума ДН и проводят аналогичный цикл измерений коэффициента затухания в точке (x ₁, z₁+ z) и так далее в пределах заданного изменения размера покрытия по оси Z от начального Z_н до конечного Z_кон.

Делают шаг x, 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 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 _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.