Устройства РВК (стр. 2 из 13)

Все измерения на СВЧ при РВК – это косвенные измерения, так как характеристики и параметры объекта контроля определяются путем соответствующих дополнительных вычислений через измеряемые радиотехнические характеристики электромагнитного поля или радиоволны.

Радиоволновые методы основаны на использовании взаимодействия радиоизлучений с материалами контролируемыми изделиями. Это взаимодействие может носить характер взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления), относящиеся к классу радиооптических процессов или взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы). Диапазон длин волн, используемых в РВК, составляет 1…100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 300…3 ГГц.

Отдельные устройства радиоволнового контроля могут работать на частотах f, выходящих за пределы этого диапазона, однако чаще всего для неразрушающего контроля используют трехсантиметровый диапазон (fср ≈ 10 ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон (fср ≈ 35 ГГц). Эти два диапазона наиболее освоенные и обеспеченные хорошим набором элементов и измерительной аппаратурой.

Особенности радиоволн СВЧ диапазона:

· СВЧ диапазон обеспечен большим перепадом мощностей генерируемых волн, что позволяет контролировать материалы и среды различной степени прозрачности;

· радиоволны СВЧ могут быть генерированы в виде когерентных поляризованных гармонических колебаний (волн), а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;

· с помощью радиоволн СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту;

· радиоволны СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близко расположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики;

· информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров СВЧ зондирующего сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте;

· применение радиоволн СВЧ обеспечивает весьма малую инерционность контроля, что позволяет наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;

· аппаратура СВЧ диапазона может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации.

С точки зрения теоретической электродинамики задача контроля сред методами СВЧ может быть сформулирована в виде граничной задачи во взаимодействии конкретных типов электромагнитных волн определенного вида поляризации с ограниченными или полуограниченными в пространстве объемами этих сред, имеющими разнообразные геометрические формы, свойства поверхности и диэлектрические свойства, изменяющиеся при изменении структуры сред. Результаты взаимодействия зависят от геометрии объектов контроля от значений их диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые, в свою очередь, определяются кристаллической структурой, степенью однородности, влагосодержанием материала объекта контроля и др [1].

4.2 Классификация методов радиоволнового контроля диэлектрических изделий и материалов

По своим характерным признакам радиоволновый контроль может быть разрушающим, неразрушающим (не повреждающим изделие), аналитическим и метрологическим. Наибольшее распространение получили разрушающие и аналитические методы контроля, основное достоинство которых заключается в возможности определять абсолютные параметры и характеристики (в первую очередь прочность) изделий и материалов.

В последнее время все более широкое применение находят неразрушающие физические методы контроля. Им присущи свойства, которыми не обладают разрушающие и аналитические методы контроля, поэтому неразрушающие физические методы контроля могут включаться в технологические процессы производства [5].

Приборы радиоволнового контроля могут быть классифицированы по различным признакам. По информативному параметру различают приборы:

· амплитудные;

· фазовые;

· амплитудно-фазовые;

· поляризационные;

· резонансные;

· лучевые;

· частотные;

· преобразовательные (вид волны);

· спектральные.

По схемам расположения приемника и излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого образца могут быть:

· на прохождение (двусторонний доступ);

· на отражение (односторонний доступ);

· комбинированные.

Неразрушающий метод контроля диэлектрических изделий и материалов, размещаемых в свободном пространстве (метода свободного пространства), состоит в сравнении параметров электромагнитной волны, прошедшей через геометрически правильный диэлектрический образец (метод на прохождение), или им же отраженной, с параметрами волны, проходящей то же пространство без образца, либо с волной, отраженной от идеального отражателя (метод на отражение). Данные примеры методов приведены на рисунке 4.1.

Под идеальным отражателем понимается плоский металлический экран, практически не создающий при отражении электромагнитной волны потерь и фазовых искажений её фронта. При измерениях по этой методике диэлектрический образец располагается в свободном пространстве, т.е. он не имеет непосредственного механического контакта с какими-либо узлами измерительной или вспомогательной аппаратуры, кроме элементов крепления самого образца, находящихся практически вне электромагнитного поля и не оказывающих существенного влияния на результаты измерений. Сравнение параметров указанных волн позволяет вычислить собственные параметры диэлектрика. В принципе диэлектрический образец и фазовый фронт падающей электромагнитной волны могут быть любой формы, однако в таком общем случае установить достаточно точную связь между параметрами волны и электрическими параметрами взаимодействующего с ней диэлектрика становится весьма затруднительно. Задача решается достаточно точно для немногих частных случаев.

а)

б)

в)

Рисунок 4.3 – Метод РВК в свободном пространстве:

а – метод на прохождение (двусторонний доступ). Исследуемый образец размещается между приемной и передающей антеннами.

б – метод на отражение (односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана). Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от передающей и приемной антенн.

в – метод на отражение (односторонний доступ) с использованием отражателя (металлического экрана). Исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от приемопередающей антенны.

Обычно в практике исследований используется так называемое «плосковолновое приближение» – фазовый фронт электромагнитной волны в зоне взаимодействия с диэлектрическим образцом должен быть приближенно плоским. Это приближение приемлемо не только с точки зрения математического описания процесса, но и с технической точки зрения, т.е. возможности формирования приближенно плоской (квазиплоской) волны. Если измеряются параметры волны, проходящей через образец, или волны, отраженной от его передней и задней поверхности, то диэлектрический образец выполняется при этом, как правило, в виде плоскопараллельной пластины. Если же измеряются параметры волны, отраженные только передней поверхностью, то диэлектрическому образцу с теневой стороны придается такая форма (например, форма клина), при которой волны, отраженные задней поверхностью или прошедшие через эту поверхность, не попадают в приемное устройство. В любом случае, чтобы исключить явление дифракции и возникающие при этом дополнительные ошибки измерения, края образца должны находиться вне облучающего электромагнитного поля. С этой целью на образец направляется не безграничная плоская волна, а конечный волновой пучок, при этом размеры самого образца в зоне взаимодействия должны превышать размеры поперечного сечения волнового пучка.

Метод свободного пространства может быть применен в следующих случаях:

· для измерений в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, в которых другие (например, резонаторные или волноводные) методы становятся неприемлемыми;

· при исследовании параметров однородных, неоднородных и слоистых листовых материалов, как в условиях лаборатории, так и в производственных условиях, когда изготовление образцов специальной формы из листового материала не целесообразно;

· при исследовании пленочных материалов;

· при исследовании готовых изделий из диэлектриков (например, обтекателей антенн, антенных окон и других радиопрозрачных оболочек), которые нельзя разрушать для изготовления из них образцов, в целях проведения измерений;

· при исследовании диэлектриков в процессе воздействия на них каких-либо внешних факторов: радиации, механических усилий, тепловых потоков, плазменных сред, при которых любая другая измерительная аппаратура, контактирующая с диэлектрическими образцами, становится либо помехой для действия этих факторов, либо сама разрушается под их воздействием [14].

4.3 Измеряемые параметры и принципы измерений РВК

В технике СВЧ для формального описания свойств диэлектриков принято пользоваться несколькими парами параметров, а именно:

· относительной диэлектрической проницаемостью ε и проводимостью материала σ;

· действительной ε′ и мнимой ε″ частями абсолютной комплексной диэлектрической проницаемости: