Книга: Скан раздела Радиволновой контроль из книги по неразрушающему контролю

Распознанный текст из изображения:

Глава 4

РАДИОВОЛНОВОЙ КОНТРОЛЬ

$4.1. Общие вопросы радиоволнового неразрушающего контроля Радиоволновой неразрушающий контроль основан на регистрации изменения параметров сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом 11]. Диапазон длин волн, используемых обычно в радиоволновом контроле, составляет 1 — 100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 3 10" — 3 109 Гц.

Отдельные устройства радиоволнового контроля могут работать на частотах ~, выходящих за пределы этого диапазона, однако чаще всего для неразрушающего контроля используют трехсантиметровый диапазон (~~10 ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон (~=35 ГГц) 11, 13, 14], наиболее освоенные и обеспеченные хорошим набором элементов и измерительной аппаратурой. СВЧ-колебания — поляризованные когерентные гармонические колебания, что обусловливает возможность получения высокой чувствительности и достоверности контроля. При прйменении СВЧ-излучений размеры элементов устройств неразрушающего контроля и размеры объектов контроля соизмеримы с длиной волны излучения. Радио- волновой контроль отличается большой информативностью по числу параметров изл чения, которйа можно использовать для контроля, и по о щему числу влияющих факторов, но, с другой сторьны, проведение контроля и анализ сигналов сильно затрудняется, что усложняет пастроенйе йппврвтура й заставляет применять при-

нзеа а-- *-а- --ы- ----,-: торые могут нести полезную информацию о параметрах объекта контроля, являются: амплитуда, фаза, сдвиг колебаний во времени, спектральный состав, распределение энергии в пространстве, геометрические факторы, поворот плоскости поляризации, появление амплитудной или частотной модуляции при движении объекта или изменении условий контроля и т. д. В соответствии с этим по первичному информативному параметру различают следующие мето мплит дный, азовый, амплитудно-фазовый, геометоический, временнои, спектральны, поляризационны%; голографйческий и др. Щ,

Б зависимости от взаимного расположения излучающего и приемного устройств контроль может производиться по прошедшему излучению когда регистрируется излучение пошедшее сквозь контролируемое изделие, а излучатель и приемник располагаются

103

Распознанный текст из изображения:

по разные стороны от него; пО отраженному излучению, когда излучатель и приемник располагаются по одну сторону от контролируемого изделия и регистрируется отраженная часть излучения, и

т ата ° а

ти, где при номинальных параметрах контролируемого изделия интенсивность излучения должна быть близка к нулю. Радиоволновым методом можно производить всесторонний контроль объектов из диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов, полупроводниковые структуры и доступные размеры металлических изделий.

//агрууха

у ) ут,

разных режи-

Рис. 4.1. Распространение СВЧ-колебаний в

мах.

! — стоячая волна, л — бегущая волна; 3 — общнй

ння с потерями

случай, 4 — лн- т

В каналах радиоволновой аппаратуры обычно стараются получить режим бегущей волны, когда амплитуда напряжений и токов по длине тракта постояйна и происходит наиболее полная передача СВЧ-энергии (рис. 4.1).

Сверхвысокочастотное излучение сравнительно далеко распространяется в свободном пространстве и оператор может попасть в зону излучения. Поскольку СВЧ-излучение оказывает влияние на биологические объекты .должны соблюдаться определеннйе санитарные нормы и правила техники безопасности.

По электрическим свойствам ткани тела человека в СВЧ-диапазоне являются несовершенными диэлектриками из-за большого присутствия воды (до 70%), а глубина проникновения СВЧ-излучения в тело человека может достигать при- 104

Анализ компонентов электромагнитного поля в радиоволновом тракте «источник излучения — контролируемый объект — приемник излучения» чрезвычайно затруднителен ввиду отсутствия данных, позволяющих определять составляющие сложного неоднородного (неплоского, нецилиндрического и несферического) электромагнитного поля, если размеры элементов генератора, приемника и объекта контроля соизмеримы с длиной волны. Чаще всего абсолютную величину сигналов находят экспериментальным путем, а их относительные изменения оценивают, воспользовавшись приближенными соотношениями для плоской волны, вытекающими из законов геометрической оптики или из теории длинных линий (импедансный способ), что позволяет определить основные соотношения между сигналами от различных влияющих факторов и проводить приближенный расчет аппаратуры.

мерно 2 см для жировых тканей и 5 мм для мышечных тканей Поэтому основной эффект, определяющий вредное влияние СВЧ-излучения, состоит в поверхностном нагреве тела человека (кожи и подкожной клетчатки), приводящем к повышению температуры и изменению кровяного давления за счет расширения сосудов. Отдельные слабозащищенные органы человека являются особо чувствительными к СВЧ-излучению, например глаза имеют слабую терморегуляцию и в итоге длительного облучения может появиться помутнение хрусталика глаза, что требует их специальной защиты

Для диапазона волн излучений, применяемого в радноволновом контроле, интенсивность электромагнитных волн нормирована в единицах плотности потока мощности Допустимые уровни облучения в зависимости от длительности воздействия электромагнитного излучения составляют 10 мкВт/см' — при облучении в течение всего рабочего дня, 100 мкВт/см' — при облучении до 2 ч за рабочий день, 1000 мкВт/см' — при кратковременном облучении (до 20 мин за рабочий день) с использованием только защитных очков.

Защита персонала от опасного воздействия СВЧ-облучения, так же как и от других видов далеко распространяющихся излучений, обеспечивается путем проведения ряда мероприятий: уменьшение излучения исходящего от источника; экранирование источника излучения и рабочего места; поглощение электромагнитной энергии; применение средств индивидуальной защиты. Средства неразрушающего контроля качества, как правило, имеют маломощные источники СВЧ-излучения и вопросы обеспечения безопасной работы персонала решаются сравнительно просто. При этом надо следить, чтобы максимум излучаемой СВЧ-энергии был направлен в область, где невозможно нахождение людей. Уменьшение мощности излучения всегда желательно, чтобы меньше загрязнять окружающую среду и создавать лучшие гигиенические условия, однако эта мера ведет к понижению амплитуды СВЧ-сигналов, что и ограничивает минимальный уровень СВЧ-мощности.

Наиболее эффективным общим средством защиты от СВЧ-излучения являются экраны из хорошо проводящих материалов (алюминий, латунь, сталь и др.~ и аиде листов тоЛЮиаой адь::2 мМ иЛи сетки с ячейками размером в несколько миллиметров. Экраны не должны иметь отверстий и щелей, соизмеримых с длиной волны СВЧ-излучения и резко ухудшающих защитные свойства. Сеточные экраны дают меньшее затухание излучения, но сквозь них видно аппаратуру, они пропускают воздух и могут быть легко установлены и сняты. Чтобы устранить возможность облучения многократно отраженным излучением, используют поглощающие материалы из резины с повышенным содержанием сажи, ферромагнитный порошок со связующим диэлектриком, пенополистирол или волокнистые материалы, пропитанные графитом, и другие слабопроводящие материалы. Наилучшие результаты получаются при нанесении на металлический экран поглощающего материала с ребристой многократно отражающей и погло1цающеи поверхностью.

Индивидуальные средства (защитные очки, защитные халаты фартуки и комбинезоны, защитйые капюшоны) используются для защиты человека или отдельных его органов прй работе в электромагнитных полях большой интенсивности, когда другие меры не

105

Распознанный текст из изображения:

1 с

(4Ф

(4.6)

(4,1)

Л„=У'Ь,/С„

(4.7)

причем

(4.8)

1'~ = ~/~ = РР о

(4.9)

могут обеспечить необходимого ослабления излучения. Защитная одежда шьется из радиоткани, которая имеет переплетенные металлические нити, а защитные очки армированы металлической сеткой или имеют специальное поглощающее покрытие. Организационные меры защиты заключаются в правильном расположении оборудования, рабочего места и режима труда. В первую очередь надо стремиться увеличить .расстояние до источника излучения («зи1цита расстоянием»), поскольку интенсивность излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника, и сократить время пребывания персонала в электромагнитном поле («защита в емеием»).

роведении неразрушающего контроля радиоволновым методом обычно достаточно применения мер организационного характера и использования поглотительного материала с экраном в зоне работы оборудования. Это позволяет защитить в достаточной степени персонал, работающий с оборудованием, и устранить загрязнение окружающей среды.

$4.2. Основные особенности электромагнитных

процессов в СВЧ-диапазоне

Поскольку размеры элементов СВЧ-устройств и расстояния в СВЧ-диапазоне соизмеримы с длиной волны колебаний, как правило, электромагнитные процессы определяются наложением, по крайней мере, двух волн — падающей Е„д и отраженной Е„р:

Š— Епад+ Еотр

(4.2)

Е„р= Е~Ге:", (4.3) где Ео — напряженность поля в зоне источника; у — коэффициент распространения, равный

у=а+/ (4.4) а — коэффициент затухания колебаний вдоль линии; à — коэффициент отражения; х — расстояние в направлении распространения колебаний; Л вЂ” длина волны СВЧ-колебаний в общем случае.

Электромдгнитная волна цредставдяет собой поперечную волну электрического и магнитного полей, охарактеризовать ее можно напряженностями электряческого поля Е магнитного поля Н и др.; в линии передачи — напряжением О, током 1. Все эти велйчииы'про= порциональны друг другу (коэффициент пропорциональности является векторной величиной), поэтому анализ электромагнитных процессов можно вести, используя одну из них (наиболее удобно — по напряженности электрического поля или напряжению).

106

Если СВЧ-колебания передаются от источника к приемнику (нагрузке), то вдоль линии аспрост анения (двухпроводной, волновода, свободного пространства и др.) устанавливается ог~еде(напряженностей- электрического Л и магщтного Н полей плотности энергии и т. д.) зависящее от длины волыни параметров среды распространения (4.;2)=(4.4). Длина волны Л=Х в неограниченной среде равна

где с — скорость света в вакууме; е — относительная диэлектрическая проницаемость среды; р — относительная магнитная проницаемость среды.

Если принять а=1 и у=1, то из (4.5) получаем длину волны в вакууме Хо, которая широко используется при анализе процессов в СВЧ-диапазоне.

Основным показателем, характеризующим длинную линию или среду, является волновое сопротивление (импеданс), которое для монохроматического колебания определяется по формуле

й=Е/Н,

где, Е, Н вЂ” напряженности компонент электрического и магнитного полей, соответственно.

В случае длинной линии волновое сопротивление (4.6) может быть также рассчитано:

где Е„С, — индуктивность и емкость на единицу длины линии.

Если СВЧ-колебания распространяются в какой-то среде, то волновое сопротивление (4.6) может быть найдено так:

~=Уь./.,

где р, — комплексное значение абсолютной магнитной проницае-

мости среды:

в, — комплексное значение абсолютной диэлектрической проницаемости среды;

~а = В/Е = ~ ~о — /— (4.10)

В, Ь вЂ” индукции компонент электрического и магнитного полей соответственно; ро — магнитная постоянная, равная 4л 10-' Г/м; во — диэлектрическая постоянная, равная 1/36 л 10-9 Ф/м; о— удельная электрическая проводимость среды, См/м; в — круговая частота СВЧ-колебаний, рад/с.

Распознанный текст из изображения:

Если в (4.8) выделить постоянную часть, получим

Я ~с =Го (4 11) аа в — /2/(ааю) а —,/а/(кои)

где Еа — волновое сопротивление вакуума, равное 120тт Ом=377 Ом.

Часто из (4.11) выделяют величину, называемую тангенсом угла диэлектрических потерь, которую удобно использовать при анализе процессов в диэлектриках:

(К~=!( -О). (4.12)

Волновое сопротивление диэлектрических неферромагнитных материалов меньше, чем волновое сопротивление вакуума, а у ферромагнитных диэлектриков может быть больше его. Проводящйе материалы имеют очень малое по модулю волновое сопротивление, определяемое удельной электрическс-": проводимостью (4.10) (е можно пренебречь) и магнитной проницаемостью (4.9), а аргумент импеданса близок к 45', т. е. действительная и мнимая части вол. нового сопротивления равны. Для полупроводниковых материалов — ферритов и несовершенных диэлектриков — волновое сопро: тивление имеет промежуточное значение относительно металлов и диэлектриков и различные соотношения между действительной и мнимой частями 1см. (4.11)~.

На рис. 4.1 показано распределение напряженности электрического поля (или пропорционального ей напряжения) вдоль двух. проводной или волноводной длинной линии в различных режимах, каждый из которых задается соотношением между падающей и отраженной волнами, идущими от источника и нагрузки. Режим бегущей волны (согласованный режим) достигается при равенстве сопротивления нагрузки 2, волновому сопротивлению линии 2, (4.7) и характеризуется тем, что модуль напряженности электрического и магнитного полей вдоль линии постоянен. Если линия и нагрузка не имеют потерь (2,=0, Е = оо или Л, — число реактивная), то возникает режим стоячей волны, когда модули падаюшей и отраженной волн равны и поэтому в точках, отстоящих на Л/2, достигаются нулевые значения напряженности электрического или магнитого поля. В общем случае Я,ФГ,) напряженность электрического поля будет периодически изменяться от максимального до минимального значения (рис. 4.1), причем смещение минимума 4 и от конца линии будет характеризовать реактивную составляющую сопротивления нагрузки, а перепад между максимумом и минимумом зависит от активной составляющей. Сопротивление длинной линии без потерь со стороны источника можно рассчитать по формуле

Е=(Е„+/Х,С32п "")/(Л,+УЛ„Й22п ""), (4.13) где 1„„— длина линии от нагрузки до источника.

108

Таким образом, сопротивление, которое подключено к источнику, зависит от нагрузки и от линии передачи, соединяющей его с нагрузкой. Периодический характер изменения сопротивления, напряжения и других электрических величин делает удобным применение для расчетов и анализа круговой диаграммы Вольперта, нормированной по Л, (рис. 4.2), на которой компактно отображе- — О.— л 2 2 юл

д Рис. 4.2. Диаграмма влияния параметров объекта на комплексные сопро-

тивления ны все возможные значения активных и реактивных сопротивлений от 0 до оо и от — /оо до +1оо. На практике для анализа процессов в длинной линии чаще всего используют коэффициент бегущей волны (КБВ)

1(БВ=~Е.па1/~Е ал1 (4.14) где ~~т!п~ и ~Етал~ модули минимального и максимального напряженностей электрического поля,

109

Распознанный текст из изображения:

и постоянную составляющую аргумента (фазы) коэффициента отражения, однозначно задаваемую нагрузкой:

ф — а Гд ~(ń— Еа)/(2„+ Е,)].

(4 15)

Практически эта величина определяется расстоянием от нагрузки до точки минимума:

ф=2л (

(4.16)

(4.17)

Коэффициент отражения (4.3) может быть найден по известному КБВ из выражения

1Г~ = (1 — КБВ)/(1+ КБВ).

Линии постоянного КБВ (4.14) на рис. 42 — окружности, а ли нии постоянной фазы (4 15), (4 1б) — радиальные прямые. Анализируя изменение сопротивления вдоль линии по (4 13) или с помощью круговой диаграммы относительно точки холостого хода ~2=оо-3-1оо), можно выявить, как распределяется напряжение или напряженность электрического поля вдоль линии, а также изменение коэффициента отражения (4.17).

перед электронными сса э1цщом1дщип) и т. д,.) а недостаточно широкое применение их в настоящее время объясняется не всег а остаточной стабильностью и

Электронные генераторы СВЧ-колебаний 114, 15] строят на базе различных электронных вакуумных приборов (клистрон, лампы бегущей и обратной волн, магнетрон, газоразрядные- приборы). Имеющийся в настоящее время парк радиоволновой аппаратуры построен на применении клистронных генераторов мощностью 5— 20 мВт, которые достаточно отработаны и соответствуют основным ) (

л

~ ))

$4.3. Генераторы сверхвысокочастотных колебаний

Источниками СВЧ-колебаний являются: полупроводниковые и электронные генераторы и нагретые тела. Технические данные наиболее характерных генераторов на СВЧ-приборах даны в табл. 4.1.

Таблица 41

Тип активного элемента генератора

Показатели

лавиннопролетный

диод

диод Ганна

клистрон

Рабочий диапазон длин волн, мм

Максимальная мощность, Вт

2 — 100

0,05

8 — 100

0,65

до 200

(имп )

6 до 14

(и мп.)

3

1

2 — 100

0,1

До 7

Наибольший КПД, %

Диапазон перестройки частоты, % Количество источников питания, шт.

Полупроводниковые генераторы СВЧ-колебаний 114, 15] используют в качестве активных элементов следующие полупроводниковые приборы: лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна, туннельные диады, параметрические приборы, СВЧ-транзисторы и др. Полупроводниковые генераторы имеют общеизвестные преимущества

110

) ~

г

Рис. 4 3. Функциональная схема СВЧ-генератора на лавинно-пролет-

ном диоде

требованиям, предъявляемым к генераторам для неразрушающего контроля. Недостатком клистронного генератора является необходимость большого блока стабилизированного питания и в соответствии с этим — большие габарйты ймасса.

Излучение нагретых тел проявляется в нескольких диапазонах электромагнитных колебаний: сверхвысокочастотном, тепловом, видимом и ультрафиолетовом. Ввиду малой интенсивности излучения нагретых тел в радиоволновом диапазоне его использование носит уникальный характер.

Рассмотрим кратко принцип действия и построения СВЧ-генераторов, типичных для средств радиоволнового неразрушающего контроля. В состав каждого из таких генераторов входят (рис. 4.3,

): '. ' "" " "" ''""*(

транзистор, клистрон или др.); резонансная система Р, определяющая частоту СВЧ-колебаний (резонатор, отрезок волновода или длинной линии и т. д.), и стабилизированный блок питания СБП, создающий одно или несколько напряжений постоянного, переменного или импульсного напряжения. Помимо этих основных блоков в генераторе может быть модулятор МД. изменяющий амплитуду колебаний, и блок управления частотой колебаний механическйм или электрическим путем БУЧ.

Распознанный текст из изображения:

Генератор (15) на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД), функциональная схема которого изображена на рис.4.3,состоит нз следующих крупных блоков: лавинно-пролетного диода ЛПД, резонатора Р, стабилизированного блока питания СБП, модулятора МД, блока управления частотой БУЧ ЛПД н Р обычно конструктивно совмещаются, чтобы не было дополнительных набегов фаз н нестабильностей, опредечяемых особенностями СВЧ-днапазона. Именно эти два блока обеспечивают создание СВЧ-колебаний. СБП задает рабочий режим ЛПД по постоянному току, а МД н БУЧ дают возможность при необходимости осуществлять амплитудную модуляцию (чаше всего прямоугольными импульсами с частотой 1 кГц) н изменение частоты.

Лавинно-пролетнечй диод — это специальный полупроводниковый диод, предназначенный для работы в СВЧ-диапазоне. Напряжение питания (П„=10 —:150 В в зависимости от типа диода) подается через дроссель Са> в обратном направлении, а рабочая область генерации СВЧ-колебаннй лежит в зоне электрического пробоя.

При увеличении напряжения, прнложенного к диоду до пробивного, напряженность поля в зоне р-и-перехода достигает значення, когда начинается удар. ная нокнзацяя. Чтобы электрический прибой не перешел в необратимый тепловой, ток диода должен быть ограничен. Параллельно ЛПД включен резонатор, показанный на рнс. 4.3 в виде резонансного контура СС, настроенный на частоту генерации. Если в резонаторе существуют хотя бы небольшие колебания (кз-за тепловых флуктуаций, переходных процессов, паводок клн др.), на р-и-переход диода Дг аоздействуют постоянное и переменное СВЧ-напряженна. В положительный палуперкод напряженке на диоде возрастает, что приводит к лавинообразному увеличению тока днода. Вместе с тем раззктне лавины требует определенного времени, обусловленного конечным временем пролета электронов н дырок. Поэтому появление макскмальнога значения тока запаздывает относительно максимума напряжения. Толщину запорного слоя в лавнвно-пролетном диоде, длину и области (пролетный промеж>так) диода выбирают так, чтобы этот сдвиг во времени был прнблнзнтсльно равен полоанне периода СВЧ-колебанкй в резонаторе, поэтому электроны, двнгаясь в пролетном пространстве, будут отдавать энергию во внешнюю цепь, Таким образом, ДПД в динамическом режиме обладает отрицательным сопротивлением, будет кампенснровать потери энергии я поддерживать СВЧ-колебания в резонатор. Энергия СВЧ-колебаннй выводится нз резонатора с помощью петли связи (взанмонндуктнвность 44,). Соединение резонатора с Д~ осуществляется через разделнтетьный конденсатор С„преграждающнй путь постоянному току.

Из принципа действия генератора следует, что толщина запорного слоя н пролетного промежутка связана с рабочей частотой лавинно-пролетного диода. На практике один н тот же диод может обеспечить генерацию колебаний при перестройке по частоте до 2 раз, однако прн отклонении частоты от средней (оптимальной) СВЧ-мощность снижается в несколько раз. Перестройка рабочей частоты может производиться механическим путем изменения параметров резонатора (1., С) до 1Π— 20а~а илн электрически — с помощью ваРикапа (Дз) до 1 — 5с(а, нзменЯюшего емкость пРи подаче управляющего напряжения ()г через резистор Я и дроссель Блз.

112

', Емкости фнльтрон Саг н Се, устраняют СВЧ-колебания на источниках постоянного тока. Все элементы генератора на лавннно.пролетном диоде выполняются, обычно в виде элементов с распределенными параметрами. Так, резонатор Р(С, С) выполняется в анде короткоэамкнутого отрезка волновода нлн длинной линни>,Конденсаторы Ср н С, изготавливаются в виде коакснальных нлн пласкнк .канструкцяй-пместе с резонаторам Р н элементамн крепленкя диодов Дг и Дь дросселя 7-м н Ьаз лелэют в виде отрезков провода нлн петель н т. д.

Стабилизированный блок литания (СБП) является источником постоякного напряжения независимого от варнацнй напряжения питающей сети н нагруэкк. Он построен по типовой схеые н содержит трансформатор (Тр), выпрямитель (В), фильтр (Ф) н стабилизатор (СТ) с большим коэффициентом стабилизации лля защити диода от теплового пробоя н стабилизации СВЧ-колебаний.

Модулятор «МЯ) может быть ныполнен н виде управляемого электронного ключа, падающего пнтанне па ЛП.7 в треб:емче моменты времени.

1 Г кгг хх б0

Рнс. 4.4 Функциональная схема клнстронного генератора

Генератор на отражательном клистроне, функциональная схема которого приведена на рнс. 4.4, имеет блоки, аналогичные полупроводниковому СВЧ-генератору. Отражательный нлистрон КЛ— это специальная электронно-вакуумная лампа, имеющая катод К с подогревателем ПК, две сетки СВ н СК соединяемые с объемным резонатором Р, и отражатель ОТ. Блок питания СБП создает необходимые питающие напряжения с помощью трансформатора Тр, выпрямителей Вь Вз и стабилизаторов СО, СК, СН.

Частоту СВЧ-колебаний клистронного генератора можно регу-

лировать так же, как н в генераторе на ЛПД, изменяя резонанс' ную частоту резонатора Р с помощью подстроечных винтов ПВ (перестройка на 10 — 20о(о) илн изменяя постоянные напряжения на электродах (отражателе) клистрона (перестройка до 1о/а), а чтобы получить модулированные по амплитуде или частоте СВЧ- колебания, на отражатель ОТ клистрона подают пульсирующее напряжение. $4.4. Основные устройства для формирования и обработки СВЧ-сигналов и полей К таким устройствам относятся: излучающие и приемные устройства, аттенюаторы, вентили, фазовращатели, направленные ответвители, детекторные секции, тройники, резонаторы, согласо-

Распознанный текст из изображения:

ванные нагрузки, отрезки волноводов специальной формы, измерительные линии и волномеры [1, 13~. Большинство этих СВЧ-устройств, используемых в неразрушающем контроле, построены на базе волноводов, что характерно для трехсантиметрового и восьмимиллиметрового диапазонов СВЧ.

Излучающие и приемные устройства (антенны), применяемые при радиоволновом контроле, могут быть выполнены в виде рупора (рис. 4.5, а, б), открытого среза волновода (рис. 4.5, в), щелей (рис. 4.5, г, д) или волновода с диэлектрической вставкой (рис.

4.5, е), что определяется необходимой локальностью контроля, требуемой чувствительностью аппаратуры и особенностями конкретной задачи. Так, например, излучатель и приемник в виде рупо-

Рис. 4.5. Типы излучающих и приемных устройств, используемых в

радиоволновом контроле:

о — рупор' 6 — фланец волновода; в — срез волновода; а — суживающийся

конец волновода; д — щели; е — волновод с диэлектрической вставкой

ра (рис. 4.5, а) дает хорошее согласование волноводного тракта с внешним пространством и с контролируемым объектом, что обеспечивает большие амплитуды сигналов, но ведет к ухудшению локальности контроля. Применение щелевого устройства в виде суживающегося волновода (рис. 4.5, г), наоборот, повышает локальность контроля, если контролируемый объект находится непосредственно у щели, но при эгом возникают значительные отражения СВЧ-колебаний от узкого среза, что снижает чувствительность аппаратуры и ведет к маскировке полезного сигнала. Вблизи среза излучающего или принимающего устройства площадка, определяющая их взаимодействие с контролируемым объектом, примерно равна площади среза. При удалении объекта от антенны зона облучения расширяется в виде конуса, угол раскрыва которого тем больше, чем меньше размеры антенны, т. е. примерно соответствует ширине ее диаграммы направленности. Зона, где происходит излучение СВЧ-колебаний, у излучателей и приемников чаще всего заполняется диэлектрическими вставками, которые улучшают работу этих устройств, а также препятствуют проникновению в них посторонних предметов и различных загрязнений. На основе показанных на рис. 4.5 устройств могут создаваться и более сложные излучающие и принимающие устройства, например двухэлементные, реализующие метод самосравнения в дефектоскопии или в виде многоэлементных антенных решеток. Как следует из принципа взаимности, одно и то же устройство может использоваться в качестве излучающего или принимающего.

Канализирующие устройства волновода или отрезки коаксиальных линий 11], с различными поперечными сечениями передают 114

энергию СВЧ-колебаний от генератора и излучателя или от приемного устройства к первичному измерительному преобразователю. Коаксиальные линии (рис. 4.6, а) используются при передаче СВЧ- энергии на короткие расстоянйя. Полосковые линии (рис. 4.6, б, в) хорошо сочетаются с современной печатной технологией производства радиоэлектронной техники. Чаще других в устройствах радио- волнового контроля применяют прямоугольные волноводы (рис. 4.6, г), а иногда — круглые (рис. 4.6, д). В области коротковолнового СВЧ-диапазона (восьмимиллиметрового и короче) могут быть использованы диэлектрические волноводы и устройства на их основе (рис. 4.6, е).

ФФ ЙФ4

Ю) г) е) е)

Рис. 4.6. Поперечные сечения основных типов канализируюшнх СВЧ-устройств:

а — коакснальная линия; б — симметричная полосковая линия; в — несимметричная полосковая линия; г — прямоугольный волноаод; д — круглый волновод; е — диэлектрический волновод (! — металл; 2 — диэлектрик)

Аттенюатор (ослабитель) служит для дискретной или плавной регулировки амплитуды СВЧ-сигналов путем изменения размеров поперечного сечения волновода, введения вставок, в которых затухают СВЧ-колебания, или путем использования поляризационных особенностей СВЧ-колебаний.

Вентиль .пропускает СВЧ-энергию только в одном направлении, т. е. только падающую волну, что необходимо для работы СВЧ- тракта в режиме бегущей волны и устранения влияния нагрузки на источник колебаний.

Фазовращатель дает возможность изменить фазу СВЧ-колебаний на фиксированное значение дискретно или плавно и представляет собой отрезок длинной линии регулируемой длины или с изменяемыми электрическими параметрами среды (р или в), что позволяет регулировать электрическую длину отрезка и приводит к дополнительному набегу фазы, зависящему от отношения электрической длины отрезка к длине волны (4.7).

Направленный ответвитель имеет один вход и два выхода, на которые передает определенную часть только падающей или отраженной волны в нужный волновод СВЧ-тракта. Он может использоваться как делитель мощности в определенной пропорции, а также для сложения или вычитания сигналов.

Детекторная секция (амплитудный детектор, выпрямитель) преобразует СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока или в сигна-

115

Распознанный текст из изображения:

лы, пропорциональные огибающей СВЧ-колебаний. Она выполняетс н базе СВЧ выпрямительного устройства с полупроводникоя а

о

т квым диодом. Для увеличения значении выходных сигналов де еторная секция обычно содержит резонаторную часть, которая настраивается специальным поршнем в режим резонанса на рабочей частоте. В аппаратуре с аналоговой обработкой сигнала к детекторной секции обычно подключается чувствительный микроампер- метр, усилитель или регистрирующий прибор.

Рис. 4.7. Волноводные СВЧ-тройники:

а — Е-троАвик; б — Н-троАник; в — СВЧ-мост

Смесительная секция подобна детекторной, но имеет два входа, к которым подводятся СВЧ-колебания двух разных частот. В результате их наложения и выпрямления на выходе смесительной секции выделяется составляющая колебаний разностной частоты, которая много меньше частоты СВЧ-колебаний и обработка сигналов на которой производится гораздо проще.

Тройники 11] имеют три или более волноводных ответвлений и служат для разделения потока СВЧ-энергии или, наоборот,— для суммирования (вычитания) СВЧ-колебаний. В аппаратуре радиоволнового контроля используют Е-тройник (рис. 4.7, а), Н-тройник (рис. 4.7, б) и двойной тройник (рис. 4.7, в). Рассмотрим характерные случаи применения тройников в аппаратуре радиоволнового контроля (стрелками на рис. 4.7 показано направление вектора напряженности электрического поля).

Пусть в тройнике (рис. 4.7, а, б) к ответвлению 3 подводится СВЧ-энергия генератора. Тогда на ответвлениях 1 и 2 в поперечных сечениях, равноотстоящих от центра тройника, амплитуды напряженностей электрического поля будут одинаковы, а фазы— одинаковы для Н-тройника (рис. 4.7, б) и имеют сдвиг на 180' для Е-тройника (рис. 4.7, а). В этом случае СВЧ-энергия будет поделена поровну между двумя волноводами. Если же, наоборот, два потока СВЧ-энергии подводятся к ответвлениям 1 и 2, то в отрезках волновода 3 и 4 СВЧ-колебания будут складываться с учетом их фазы. В частности, равные по величине потоки энергии с одинаковыми фазами колебаний приведут к удвоению энергии колебаний в ответвлении 4 Н-тройника и к отсутствию колебаний в ответ-

116

влении 3 Е-тройника. Когда СВЧ-колебания в ответвлениях 1 и 2 будут противофазны, эффект по прохождению СВЧ-энергии будет обратным — отсутствие колебаний в ответвлении 4 для Н-тройника и удвоению энергии в ответвлении 3 для Е-тройника.

Двойной тройник (СВЧ-мост, двойной Т-мост), изображенный на рис. 4.7, в, обладает особенностями одновременно Е- и Н-тройника и, кроме того, позволяет вести обработку сигналов в диапазоне СВЧ. Нетрудно видеть, что СВЧ-энергия не проходит из Е-ответвления в Н-ответвление и наоборот. Одновременное появление СВЧ-колебаний в Е- и Н-ответвлениях возможно лишь при подаче СВЧ-колебаний на волноводы 1 и 2 с разными амплитудами или с фазой, отличающейся от 0 или 180'. Свойства двойного тройника часто используются в радиоволновом контроле для получения двух каналов, необходимых для сравнения информации от объекта контроля и образца (эталонного объекта).

Качество работы двойного тройника характеризует уровень прямого прохождения сигналов из Е- в Н-плечо (или из Н- в Е-плечо), которое обычно составляет 40 — 70 дБ и происходит вследствие несимметричного расположения элементов двойного тройника. Чтобы снизить прямое прохождение СВЧ-энергии из-за несовершенства технологии, в области стыка Е- и Н-ответвлений устанавливают корректирующие пластины или регулировочные штыри.

При использовании поляризационных методов (для анализа поляризации колебаний, параметров эллиптической волны и т. д.) применяется турникетное соединение 11], реализуемое обычно в виде четырех крестообразно расположенных ответвлений и расположенного перпендикулярно и осесимметрично к ним круглого волновода.

Резонаторы 11] по существу являются резонансными контурами и с их помощью можно выполнять те же преобразования сигналов, что и с помощью резонансных контуров: выделять колебания требуемой частоты, согласовывать различные элементы между собой, изменять значения токов или напряжений и т. д. Резонаторы могут выполняться в виде объемных конструкций или отрезков волноводов и длинных линий. Перестройка СВЧ-резонаторов производится с помощью штырей,,;плунжеропр.короткозамыкающих поршней, пластин и гибких диафрагм.

Согласованные нагрузки предназначены,для подключения к СВЧ-тракту, чтобы поглотит~ падающую волну и устранить тем самым отражения СВЧ-колебаний. Они выполняются в виде глухого отрезка длинной линии, который имеет активное сопротивление, равное сопротивлению линии (Ен=2,).

Измерительные линии представляют собой отрезок длинной линии с прорезью для введения зонда детекторной секции. В прорезь отрезка длинной линии вводится зонА, который может быть перемещен вдоль линии, что позволяет помещать его в место, где достигается необходимое соотношение между падающей и отраженной волнами и соответственно получаются определенные значения

117

Распознанный текст из изображения:

СВЧ-колебаний (максимум, минимум, среднее). Измерительная линия имеет точную градуировку и позволяет измерять многие величины, характеризующие СВЧ-колебания.

Волномеры — устройства для определения частоты ~ или длины волны СВЧ-колебаний (в простейшем случае — это короткозамкнутая измерительная линия с калиброванными размерами элементов), Например, для часто используемого прямоугольного волновода при возбуждении в нем волны типа ТЕ1О длина волны равна:

1,=Л ф~я„— (Ло/2а)2, (4.18)

Л,=с/7, (4. 19)

где Ло — длина волны в вакууме; е, — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего волновод; а — размер широкой стенки волновода.

ф 4.5. Индикаторы и преобразователи

радиовол нового излучения

Индикаторы СВЧ-излучения преобразуют распределение плотности СВЧ-энергии в видимое изображение, что позволяет оператору анализировать качество контролируемого объекта. При радио- волновом контроле в качестве индикаторов используются 1Ц люминофоры, жидкие кристаллы и фотоэмульсии, а индикация интенсивности СВЧ-излучения чаще всего основана на том, что вещество индикатора нагревается подающей на него СВЧ-энергией. Применение индикаторов позволяет производить контроль внутреннего строения объектов и осуществлять СВЧ-голографию.

Люминофоры — это вещества, обладающие свойством светиться при воздействии на них излучения, которое возбуждает люминофор и он переизлучает часть полученной энергии в виде световой видимого диапазона. Это видимое излучение и воспринимает оператор. Однако энергия квантов СВЧ-излучения недостаточна для возбуждения люминофора, поэтому для его возбуждения производится дополнительное облучение вещества люминофора от специального источника с квантами, имеющими большую энергию, например лампой, излучающей ультрафиолетовый свет. Интенсивность излучения вспомогательного источника устанавливают таким образом, чтобы яркость свечения люминофора была средней. Тогда при воздействии СВЧ-излучения условия работы люминофора будут изменяться и яркость свечения будет зависеть от падающей на люминофор СВЧ-энергии, что позволит наблюдать ее распределение в пространстве.

Жидкие кристаллы имеют молекулярную структуру, промежуточную между жидкостью (обладают текучестью) и твердым телом (аномальные оптические свойства). Для целей неразрушающего контроля применяют холестерические жидкие кристаллы. Тонкий слой жидкого кристалла в зависимости от его температуры и угла

118

наблюдения имеет наибольший коэффициент отражения для света определенной длины волны. Поэтому, если освещать пленку на основе жидкого кристалла белым светом и фиксировать угол наблюдения, при изменении температуры можно получить максимум интенсивности отражения для различных цветов — компонентов белого света. Чтобы улучшить условия наблюдения, жидкий кристалл наносится на пленку с зачерненной основой, что повышает контрастность изображения и устраняет помехи за счет вторичного отражения. При проведении контроля пленку накладывают на контролируемый объект и по цветной окраске оператор судит о температуре в той или иной части объекта, обусловленной нагревом его СВЧ-излучением. Чувствительность неразрушаемого контроля с помощью жидких кристаллов при прочих равных условиях определяется числом различаемых оператором градаций цвета. Для некоторых жидких кристаллов на основе холестерина окраска отраженного света изменяется по всему спектру от красного до фиолетового при изменении температуры на 1 — 3 К, что дает возможность оценивать разрешающую способность проведения контроля с их помощью 0,1 — 0,2 К. Тепловые переходы в жидких кристаллах обратимы, поэтому индикаторы на их основе можно использовать многократно. По сравнению с другими термоиндикаторами жидкие кристаллы особенно эффективны при необходимости отличать малые градиенты температур при невысоких температурах (10 — 120 'С) .

Фотоэмульсии в стадии проявления (полупроявленная фотопленка или фотобумага) также чувствительны к теплоте. Если фотоэмульсия за счет СВЧ-излучения будет по-разному прогрета на соседних участках, то скорость проявления на этих участках также будет отличаться и после завершения процесса проявления и закрепления степень почернения фотоматериала будет больше, там, где падало больше СВЧ-энергии. Поэтому, наложив полупроявленную фотоэмульсию на облучаемый контролируемый объект, можно получить изображение распределения СВЧ-поля. В радио- волновом контроле фотоэмульсии применяются редко.

Измерительные преобразователи (первичные измерительные преобразователи, датчики) производят преобразование компонентов СВЧ-излучений и полей в электрические сигналы, удобные для последующей обработки. В качестве первичных измерительных преобразователей применяют: полупроводниковые и термоэлектрические приборы [1, 13]. Полупроводниковые приборы (СВЧ-диоды и транзисторы) построены на базе р-и-перехода и за счет его нелинейных свойств дают возможность преобразовать СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока, видеосигналы или сигналы более низкой частоты (преобразование частоты). При выпрямлении СВЧ-колебаний получают видеосигналы или сигналы низкой частоты (выделение огибающей СВЧ-колебаний) и постоянную составляющую выпрямленного тока, что используется для непосредственной индикации сигналов магнитоэлектрическими микроамперметрами. Ког-

Распознанный текст из изображения:

Та блица 43

Таблица 42

Тип терморезистора

Показатели

Тип диода

т8в

тзМ

Т9

ТШ2

Д405, 2А104А, 2А105Б.

Д405БП 2А104АР 2А105БВ

Показатели

Д605 2А201А 2А202А

СопРотивление яз в рабочей

20'С, Ом

Температурный коэффициент

ления, '/,/К

Коэффициент энергетической

тельности, Вт/%

Постоянная времени, с

Мощность в рабочей точке

мВт

150

точке при сопротив- чувстви-

200

125

150

Смеситель

Вндеодетектор

1 — 6

1 — 6

1 — 6

20 — 50 18 — 33

30 — 120

10 30

0,67

3

8

0,67

2,7

4,5

0,50

3

8

0,83

2,5

8

60

0,83

5,5

0,6

3,2

0,83

14

0,5 — 2,5

7 — 10

0,5 — 2,5

9 — 11

0,5 — 2,5 7 — 19

13 — 17

при 20'С,

6,5

6,7

7,0

0,2 — 0,5

0,3 — 0,6

0,2 — 0,6

0,4

0,4

0,4

20

20

1,5

300

(имп.)

1,5

200

(имп.)

120

121

да полупроводниковые диоды используются в качестве смесителя для преобразования частоты, огибающая СВЧ-колебаний и их фаза переносятся на пониженную несущую (разностную) частоту, обработка сигнала на которой производится радиоэлектронной техникой, имеющей лучшие технические и метрологические показатели. Наибольшее применение в аппаратуре радиоволнового контроля получили СВЧ-диоды. Термоэлектрические приборы (терморезисторы, термисторы и болометры) используют тепловое действие СВЧ- энергии, поэтому их изготавливают из материалов, хорошо преобразующих тепловые изменения в электрические сигналы.

Основное назначение Рабочая длина волны, см:

минимальная

максимальная Наибольший КБВ Наименьшая чувствительность по току, А/Вт Наибольшие потери преобразования, дБ Сопротивление в рабочей точке, кОм

Наибольшая допустимая подводимая СВЧ-мощность, мВт

Полупроводниковый СВЧ-диод [1] — это точечный диод, специально предназначенный для применения в СВЧ-диапазоне. Его конструкция чаще всего выполняется в виде коаксиальных форм с толстыми и короткими элементами — выводами, удобными для монтажа и электрического соединения с канализирующими СВЧ- устройствами (волноводами, длинными линиями). Основные параметры СВЧ-диодов даны в табл. 4.2. Учитывая, что СВЧ-диод и элементы секции (обычно параметры СВЧ-диодов задают вместе с волноводной секцией) имеют паразитные индуктивности и емкости, ограничивающие его возможности, для каждого диода указывают рабочий диапазон длин волн и наибольшее значение КБВ, получаемое при его использовании.

Высокая чувствительность диода за счет малых размеров р-и-перехода определяет его плохие перегрузочные способности и даже при кратковременных перегрузках СВЧ-диод может потерять выпрямительные свойства, а при незначительных перегрузках может произойти необратимое изменение вольт-амперной характеристики диода, что приведет к изменению его метрологических характе-

ристик. Перегрузка может произойти также от паводок и стекающ

р, у хранят СВЧ-диоды в металлических патронах и из этих

т кающих статистичеже соображений при установке СВЧ-диода надо обесточить установку п тем заземления, чтобы полностью исключить возмож

установку путем ческого электричества, накопленного на элементах становки или ап

Основной характе истикой СВЧ- и - йка

р р ой Ч-диода является вольт-амперная характеристика

, которая на прямом участке близка к параболе. Вольт-амперную ха актеристику снимают с помощью измерительной линии на абочей ча

характена нее влияют па азитные па

и на ра очек частоте, поскольку детекторной секции.

аразитные параметры (Е, С) диода и элементов конструкц и

и

олупроводниковые СВЧ-диоды часто выпускают парами (см.

. ) можно более близкими параметрами, что позволяет получить наилучшие метрологические характеристики при установке в балансные или мостовые цепи. Для повышения чувствительности аппаратуры и согласования измерительной цепи с СВЧ-

д оды включают обычно к петле связи, установленной в пос -тракстраиваемо

р е ом резонаторе. Полупроводниковые диоды по сравнению

й в подс другими первичными измерительными преобразователями СВЧ- энергии отличает высокое быстродействие, большая чувств

чувствительи р стота использования. Их недостаток — невысокие метрологические характеристики и плохая перегрузочная способность.

Терморезистор 1Ц вЂ” нелинейный полупроводниковый резистор, зисто в

сопротивление которого сильно зависит от температур . Т

уры. ерморесоста

ры выполняются из полупроводникового материала лож

с ного

тава с температурным коэффициентом до 60/ на 1 К. Д бля ра ов -диапазоне применяют измерительные терморезисторы (термисторы), позволяющие проводить измерения мощности от долей микроватта до нескольких милливатт. Параметры некоторых измерительных терморезисторов даны в табл. 4.3. Свойства терморезистора описывают две характеристики: температурная К(Т)— зависимость сопротивления от температуры и вольт-амперная УЯ.

у СВЧ-энергия в терморезисторе преобразуется в тепло-

Распознанный текст из изображения:

После тригонометрического преобразования это выражение можно записать в виде

(4.33)

1

„=Ьз1пЕ 1

У'М2 ып~ и

Выражения (4.32) и (4.33) говорят о линейной зависимости смещения луча от толщины пластины Ь, что целесообразно использовать для радиоволновой толщинометрии, поскольку влияние размера в этом случае по сравнению с другими факторами максимально и линейно., При этом относительные изменения электромагнит-

ных свойств (коэффициентов Г бй юу аа преломления) будут мешающими факторами, определяют ж~ щими погрешность измерений. П1

б, ба Анализ выражений (4.32) и 1~ 1 1,т 1 (4.33) для смещения лучей показывает, что при малых уг- Г лах 0 смещение растет пропора г Пй ционально его значению, т. е.

в этом случае толщина плас- Ь тины Ь и угол 0 влияют одина-

ково и погрешность от вариаРис. 4.9. Модель для расчета сигнн- ции Угла 0 бУдет максимальлов от многослойного объекта ной. Наибольшие значения

смещений при работе по отраженному лучу будут иметь место, если угол 0 примерно равен или несколько больше 45', где имеется максимум 1. Смещение луча, прошедшего сквозь пластину, будет монотонно нарастать прн увеличении 0 и стремиться в области 0=90' к толщине Ь. В связи с тем что устанавливать 0=90' неудобно с практической точки зрения, целесообразно использовать 0(90' (0-50 —:70'). Следует отметить, что полученный вывод носит более общий характер и справедлив при реализации других видов неразрушающего контроля качества, например оптического.

Влияние вариаций коэффициентов преломления при работе в оптимальных областях по углу 0 проявляется меньше, чем других вышеуказанных факторов. Если параметры третьей среды отличаются от параметров первой (а1~ев, р1Фрв), это не повлияет на отраженный луч, а преломленный будет идти не параллельно падающему, хотя смещение луча 1, в точке С его выхода из пластины будет также определяться выражением (4.33).

Импедансный метод анализа СВЧ-сигналов является приближенным и позволяет оценить влияние геометрических и электромагнитных параметров. Сущность,нмпедансного метода состоит в том что реальная система «источник СВЧ-волн — контролируемый объект — приемник» заменяется моделью в виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и размерами (рис. 4.9), как в реальной системе, а затем известными методами анализируется 126

входное сопротивление или коэффициент передачи модели в виде длинной линии ~131. Влияние электромагнитных параметров слоев изделия учитывается в комплексных волновых сопротивлениях отрезков длинной линии по (4.13). Если производится радиоволновой контроль по отраженному излучению, анализируется изменение п от влияющих факторов входного сопротивления на зажима Ь

х а,

риемннка Пь В случае контроля по прошедшему излучению рассчитывается комплексный коэффициент передачи от генератора Г до приемника П~ (зажимы с, д).

В качестве примера (см. рис. 4.2) показано влияние параметров а, р и о контролируемого объекта в виде полупространства и асстояния до него, когда отражением от его дальней границы можно пренебречь. Из теории длинных линий известно, что коэффициент отражения равен

Г=~Г,~ е (4.34) где ~1' ~ — модуль коэффициента отражения, определяемый волновым сопротивлением полупространства; гр„— аргумент волнового сопротивления полупространства.

Из выражения (4.34) видно, что при изменении расстояния 1 и отсутствии потерь будет изменяться только фаза коэффициента отражения, а это соответствует перемещению точки на диаграмме Вольпера по окружности постоянного КБВ. Например, на рис. 4.2 условно показано Ж/Ар изменение входного сопротивления из-за зазора от значения, характе- Рис. 41О. Изменение нормирован-

й А характеризуемого точкой В. Нетруд- 1 — материал — хороший диэлектрик,

ВндЕть, ЧТО УВЕЛИЧЕНИЕ раССтОя 2 — матеРиал — несовеРшенный ~иэлекния ведет к периодическому изменению входного сопротивления и, следовательно, к неоднозначной зависимости от расстояния, причем при изменении на длину волны один и тот же модуль сопротивления, а значит, и сигнала повторяется 4 раза. Поэтому при радиоволновом контроле амплитудным способом однозначный неразрушающий контроль по амплитуде возможен только в пределах четверти длины волны в данной среде. Аналогично будет изменяться входное сопротивление при возрастании толщины какого-либо из слоев многослойного объекта. Если же в среде имеется затухание, то будет одновременно изменяться и КБВ, а входное сопротивление при большой толщине верхнего слоя контролируемого объекта будет стремиться к волновому сопротивлению этой среды. Подобным образом будут п оис ходить изменения коэффициента передачи, напряженности элек-

пртрического поля и т. д. (рис. 4.10). Неоднозначность определения

127

Распознанный текст из изображения:

лее подробную информацию о контролируемом объекте дает применение многоэлементных антенн, которые решают задачу контроля внутреннего строения объекта.

Задачи структуроскопии, толщинометрии и дефектоскопии можно решать с использованием одно-, двух- и многоканальных устройств (рис. 4.11 в варианте радиоволнового контроля по прошедшему излучению).

Таблица44

Частота Э ГГц

Частота ! О ГГц

Материал

!И б.)бз

!И бчбз

1,0001 — 1,001

8!

1,7

2,5

1,2

5,1 — 6,2

5,3

2,3

2,4

1,25

1,6

1,5

30

6

0,4

10 — 22

11

3

0,1

0,27

0,3

60

60

8;

0,5

10 24

15

3

0,1

0,36

0,36

80

13

42

Основными вопросами при организации многоканального контроля являются вопросы получения одинаковых условий работы каналов как по структуре радиоволнового поля, так и по чувствительности к параметрам контролируемого объекта. При необходимости настройки СВЧ-тракта на каждой из рабочих частот и при их отличии более чем в 1,3 раза для каждой рабочей частоты первичную обработку сигналов ведут в отдельных каналах. Помимо изменения рабочих частот при многопараметровом контроле дополнительную информацию получают путем установки различных углов ввода СВЧ-колебаний.

Выбор рабочей частоты (трехсантиметрового или восьмимиллиметрового диапазона) обусловлен как общими требованиями по решаемой контрольно-измерительной задаче (геометрические размеры, необходимая разрешающая способность аппаратуры, зона контроля и т. д.), так и значениям электромагнитных параметров на данной рабочей частоте. Электромагнитные свойства для некоторых часто встречающихся материалов приведены в табл. 4.4. Учитывая осциллирующий характер СВЧ-поля от изменения геометрических размеров (см. рис. 4.10), а также встречающуюся необходимость учета нескольких влияющих факторов, в ряде случаев применяют многочастотные методы. В этих вариантах контроля для

13.'

130

от контролируемого объекта, с подавлением наиболее сильно влияющего мешающего фактора. Чаще всего при амплитудно-фазовом контроле в СВЧ-аппаратуре используют опорное плечо с регулировкой по амплитуде и фазе для сравнения сигнала от контролируемого объекта с опорным ~11.

Объекты большой толщины по сравнению с длиной волны СВЧ- колебаний целесообразно контролировать с помощью геометрического или временного методов путем определения направления и места прихода луча, взаимодействовавшего с контролируемым объектом, или измерения задержки сигнала во времени.

~М иОФ~»

Рис. 4.11. Схемы радиоволнового контроля:

а — одноканального: б — двухканального; в, г — многоканального (!— СВЧ-генератор, Э вЂ” излучающая система или антенна, Э вЂ” контролируемый объект, е — приемная система или антенна. Э вЂ” блоки обработки сигналов)

Поляризационные методы состоят в анализе изменений плоскости вида или поляризации колебаний и наиболее эффективны при контроле тонкопленочных или анизотропных изделий. Наилучшие результаты дают поляризационные мегоды, если приемная и передающая антенны повернуты на определенный угол относительно плоскости поляризации так, что в приемной антенне сигнал равен нулю.

Спектральный, голографический методы дают повышенную чувствительность и разрешающую способность при дефектоскопии и контроле внутреннего строения объектов, но требуют сложной и высокостабильной СВЧ-аппаратуры.

Контролируемые объекты, как правило, могут иметь доступными одну или две поверхности, что определяет возможность применения контроля только по отраженному или по отраженному и прошедшему излучению. Контроль по прошедшему излучению требует более обширного пространства, но предпочтителен, поскольку возможно существенное снижение влияния перемещений контролируемых объектов между излучающей и приемной антеннами. Наибо-

Газы

Вода

Картон

Плексиглас

Капрон

Стекло

Фарфор

Каучук

Полиэтилен

Полипропилен

Пенопласт

Бакелит

Шамот ШС-4

Бакор-33

! ЯОО! — 1,001

81

1,9

2,7

1,3

5,1 — 7,2

5,3

2,3

2,7

1,37

1,7

1,7

3,6

7,4

Распознанный текст из изображения:

обработки полученной информации целесообразно использовать микроЭВМ и микропроцессоры. Примером успешного использования микроЭВМ является раздельный контроль толщин слоев двухили трехслойной композиции в виде листа из диэлектрических материалов.

Поскольку СВЧ-колебания по мере проникновения в глубь материала контролируемого объекта уменьшаются по амплитуде, отраженные сигналы с увеличением толщины уменьшаются, и начиная с некоторой толщины, контроль становится весьма затруднителен. Оценку затухания СВЧ-колебаний можно произвести, определив глубину проникновения для плоской волны из выражения

~=~ 2/(1 ро ), (4.40)

а затем учесть, что волна близка к цилиндрической или сферической и сигналы будут дополнительно снижаться за счет геометрического фактора.

Обширной областью применения радиоволнового метода является контроль физических величин, характеризующих материал или его состояние ~11. Аппаратура, разработанная для этого, строится чаще всего на тех же принципах, что и толщиномеры, поскольку влияния толщины и физических величин взйймосвязаны. При необходимости получить повышенную точность измерения физических величин применяют двухканальные приборы типа интерферометров в сочетании с компенсационными способами измерений ~1]. Наибольшее распространение получили устройства для измерения плотности материалов на основе измерений диэлектрической проницаемости, влажности материалов и покрытий, оценки механических характеристик композиционных материалов, полуфабрикатов и изделий. Такие устройства могут быть разной сложности вплоть до встроенных в технологический процесс и работающими совместно с ЭВМ.

$4.8. Геометрический метод

радиоволнового контроля

Г е о м е т р и ч е с к и й (лучевой) метод контроля основан на регистрации пространственного положения (смещения) максимума интенсивности радиоволнового пучка, прошедшего сквозь контролируемый объект или отраженного от его внутренней поверхности. С помощью геометрического метода производится контроль объектов или их частей в виде листа, пластины, стенки или слоев значительно больше Х (4.5). Смещение центрального луча, несущего максимум электромагнитной энергии, как это следует из (4.32) и (4.33), прямо пропорционально толщине слоя, а величина электромагнитных параметров среды или слоев не влияет на положение максимума. Электромагнитные параметры объекта контроля и окружающей среды влияют лишь на интенсивность сигналов, но не на относительное их распределение в пространстве, Это является

132

ценной особенностью геометрического метода, поскольку существенно уменьшает число мешающих контролю факторов. Как следует из (4.32) и (4.33), угол падения целесообразно брать определенной величины, однако установить ее не всегда удается из-за особенностей внутреннего отражения, В реальных условиях радио- волнового контроля картина формирующегося СВЧ-поля получается гораздо сложнее, чем это следует из законов геометрической оптики, ввиду возможных отражений от различных неоднородностей в материале объекта контроля и его удаленных границ, неидеальности поверхностей раздела слоев контролируемого объекта и из-за отражений от посторонних предметов, попадающих в зону облучения СВЧ-колебаниями. Поверхности реальных объектов имеют значительные неровности, что ведет к отклонению и рассеянию пучка СВЧ-энергии. Практика радиоволнового контроля показывает, что неоднородности поверхности должны быть малы по сравнению с четвертью длины волны.

При радиоволновом контроле геометрическим методом определение положения максимума интенсивности СВЧ-излучения производится путем анализа распределения интенсивности излучения в пространстве. Наиболее надежным способом нахождения максимума является запись кривой распределения на бумагу, магнитофонную ленту или носитель информации аппаратуры с запоминающим устройством (например, на осциллоскоп с памятью или в ЭВМ), для чего необходим также механизм перемещения. При наличии острого максимума возможно использование и прямопоказывающих приборов. В связи с этим по сравнению с другими методами контроля геометрический имеет большое время измерения, т. е. меньшую производительность, и его используют при больших значениях измеряемых толщин или сильных вариациях электромагнитных свойств, когда другие методы не позволяют производить контроль с требуемой достоверностью.

Примером аппаратурной реализации геометрического способа является толщиномер СТ-11Л [1~, принцип действия которого поясняет функциональная схема (рис. 4.12).

На огнеупорную кладку КЛ печи в зоне, подвергаемой контролю, накладывается излучающий ИР и приемный ПР рупор с согласующими вставками СВ~ и СВ~. Излучающий рупор ИР получает СВЧ-энергию от клистронного генератора КГ через аттенюатор А и волноводную секцию ВС1 и располагается на огнеупорной кладке КЛ неподвижно. Часть энергии из волновода ВС1 с помощью петли связи П1 подводится к амплитудному детектору АД~, преобразующему СВЧ-сигнал с помощью диода в постоянный ток, который вызывает отклонение стрелки измерителя мощности ИМ (микроамперметра). С помощью прибора ИМ и аттенюатора А толщнномер в зависимости от величины СВЧ-сигналов перестраивают при контроле кладок КЛ из различных материалов.

Приемный рупор ПР может перемещаться вдоль кладки КЛ с помощью механизма перемещения МП, что необходимо для поиска максимальной напряженности электромагнитного поля, соответствующего приходу центрального луча, отраженного от границы огнеупорной кладки и горячей стекломассы ГМ. Положение приемного рупора ПР относительно излучающего рупора ИР может быть определено непосредственно или дистанционно по показанию указателя перемещения УП, выполненного на базе переменного резистора с выходом на стрелоч-

Распознанный текст из изображения:

ный прибор, размещенный на передней панели толщиномера. Для снижения сигналов от прямого прохождения СВЧ-излучения, маскирующих имеющийся максимум, установлен электромагнитный экран ЭК. Энергия СВЧ-колебаний, принятая приемным рупором ПР, подводится через волноводную секцию ВС~ и с помощью петли П2 — в амплитудный детектор АД~, преобразующий СВЧ-колебания в постоянное напряжение, величина которого зависит от их интенсивности. Настройка приемного тракта толщинометра для получения больших СВЧ- сигналов производится короткозамыкающим настроечным поршнем НП. Выпрямленный сигнал увеличивается усилителем У и поступает на регистрирующий прибор РП, показывающий величину пришедшего СВЧ-снгнала нли записывающий ее на диаграммной ленте ДЛ, которая двигается синхронно с перемещением приемного рупора ПР. Основные блоки толщиномера заключены в охлаждаемый кожух КЖ, между стенками которого протекает охлаждающая вода ОХЛ.

Рис. 4.12. Функциональная схема СВЧ-толщиномера типа СТ-11Л

Контроль с помощью толщиномера СТ-11Л производится следующим образом. После включения и настройки толщиномера в соответствии с материалом кладки рупоры ПР и ИР устанавливаются рядом, а затем ПР перемещается в направлении от ИР. Г1ри этом обычно записывается кривая на диаграммной ленте ДЛ. На полученной диаграмме выделяют наибольший максимум (максимумов может быть несколько за счет многолепестковой диаграммы направленности рупора и отражений от посторонних предметов или неоднородностей в кладке) и измеряют расстояние, которому соответствует приход наибольшего сигнала. Зная электромагнитные свойства материала кладки, по вспомогательным градуировочным кривым находят толщину стенки из огнеупорной кладки. Если необходимо контролировать кладку на большой площади, проводят несколько замеров, разбив всю площадь стенки на участки и определив необходимое число замеров в пределах участка, поскольку область, где происходит отражение центрального луча, несущего основную информацию о толщине, ограничена.

Если параметры контролируемого слоя неизвестны, применение геометрического метода возможно двухпараметровым способом пу- 134

тем измерения смещения максимумов Й~ и 1з при двух углах падения излучения 01 и Оз. Воспользовавшись выражением (4.32) дважды и совместно решив полученные уравнения (при неизвестном Ф), будем иметь выражение

ь1пз 61 — з1пз 66

~11~ э1п226з — 1~~ з1пз 261

которое позволяет рассчитать толщину слоя покрытия.

Вариантом реализации геометрического метода является также устройство для контроля толщины горячих листов в процессе проката [11 при двустороннем доступе. Для этого используют две излучающе-приемные антенны, расположенные по разные стороны относительно листа и фактически измеряющие расстояния до поверхностей листа. При фиксированном расстоянии между антеннами сумма зазоров будет непосредственно определять толщину листа. Такой контроль по сравнению с другими видами (вихретоковым, ультразвуковым, радиационным) имеет большие преимущества: бесконтактность, на результаты не влияют свойства металла, температура и скорость движения листа.

Погрешность измерений с помощью толщиномеров, реализующих геометрический метод, слагается из погрешности, которую создают электронные блоки толщиномера (около Ь'/а), и от влияния мешающих факторов, связанных с контролируемым объектом и условиями контроля. Основными мешающими факторами являются: вариация электрических свойств материала кладки (влияет на смещение луча и величину отраженного сигнала или воздушного промежутка), а также электрические и структурные свойства горячей массы (изменяет в основном отраженный сигнал), посторонние включения в материале кладки или на поверхности металла, неровность, непараллельность границ объекта контроля и не'- точность фиксации рупоров относительно него.

$4.9. Радиоволновой контроль

по прошедшему излучению

Приближенный анализ коэффициента передачи СВЧ-тракта «излучающее устройство — контролируемый объект — приемное устройство» показывает, что СВЧ-сигнал зависит от толщины слоев контролируемого объекта, диэлектрической и магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости. Причем при малых (по сравнению с Х/4) толщинах и правильном выборе условий контроля эта зависимость носит монотонный характер. Ценной особенностью контроля по прошедшему излучению является слабая зависимость СВЧ-сигналов от смещений контролируемого объекта в направлении от излучающего к приемному устройству, если расстояние между ними фиксировано, а в тракте создан режим, близкий к режиму бегущей волны. Ослабление, вызванное контролируемым объектом типа листа толщиной Ь с параметрами е и 1дб, может быть приближенно оценено с учетом (4.40)

А„54 — ~е 1д Ь,

Ц)

135

Распознанный текст из изображения:

из которого следует, что по прошедшему излучению можно измерять любой из трех параметров Ь, в или 1дб при известном Хо (4.19) .

Радиоволновой контроль по прошедшему излучению дает хорошие результаты также при обнаружении четко выраженных дефектов, т. е. в случае большого перепада электромагнитных свойств. Например, обнаружение металлических включений и пустот в диэлектрических материалах со значительной диэлектрической проницаемостью участки с большим значением диэлектрической или магнитной проницаемости при общем малом их значении и т, д. Г А Значение толщины, когда возмоно кп, кп, жен радиоволновой контроль по

ко Е„иб прошедшему излучению, зависит ИП ~д, 4д, от затухания СВЧ, глубины про-

никновения колебаний и коэффиу, а а, циента отражения от границ, который в значительной степени определяется перепадом электрОРис. 4,13. Функциональная схема магнитных свойств на границах. устройства для конт оля листов р л листов Радиовол новой контроль по

прошедшему излучению применим в тех случаях, когда возможен двусторонний доступ к внешним границам контролируемого объекта 11]. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте обеспечивают режим бегущей волны и измеряют амплитуду полученного СВЧ-с н . Н-

-сигнала.

м такого метода контроля является сильная зависимость сигнала от уровня излучения и малая чувствительность. Поэтому аппаратура с лучшими метрологическими характеристиками выполняется с использованием балансных или мостовых схем. Ниже

р различные применяемые варианты построения аппа а- туры радиоволнового контроля, работающей на прохождение, на базе типовых блоков. Изме итель ф

р, функциональная схема которого показана на рис. 4.13 может б ~т >

бь ь использован для однопараметрового контроля толщины или свойств тонких листовых материалов. В этом измерителе за счет измерения величины, связанной с отношением мощности прошедшей и падающей волн, результат контроля не зависит от небольших вариаций выходной мощности генерато а. Его преобразовательная часть выполнена на базе двух открытых концов волноводов В~ и Вг, защищенных четвертьволновыми (4.18) кольцевыми прорезями КП1 и КПг, в промежутке между которыми помещается контролируемый объект КО. Показание логометра

р р, р ющего отношение токов, пропорциональных прошедшему излучению и ответвленной направленным ответвителем НО, не зависит. от подаваемой от генерато а Г че ез т

р мощности и определяется только свойствами контролируемого объекта, что особенно существенно при радиоволновом контроле 136

объектов с различными отражательными характеристиками и при изменении выходной мощности СВЧ-генератора.

Измеритель, построенный в соответствии со схемой рис. 4.13, имеет невысокую чувствительность из-за плохого согласования волноводов В1 и Вг и усиления сигналов по постоянному току, ограниченного дрейфом. Кроме того, этот измеритель не позволяет производить раздельный контроль параметров контролируемого объекта.

Повышенную чувствительность имеет двухканальное устройство с усилением по переменному току, функциональная схема которого изображена на рис. 4.14, а на рис. 4.15 при- РИ, РП, Д, НП, ведены временные за- лн висимости, характери- Я 'а

+ Я зующие его работу при д ки г ~ ~ у фд контроле толщины листа. Источником СВЧколебаний в нем явля- РИ РП Д Ипг Гбп ется генератор Г, пита-

г г г емый от блока питания СБП и модулятора МД, которыя создает пр я Рис. 4. 1 4. Ф Ункциона. ьна Я с ем а двухканально .о

устройства для контроля листа моугольное напряжение с частотой 1 кГц и подает его на лавинно-пролетный диод или на клистрон, в результате чего СВЧ-колебания также имеют огибающую в виде прямоугольного радиоимпульса (см. верхние кривые на рис. 4.15). Радиоимпульсы через аттенюатор А, вентиль ВН и секцию контроля мощности КМ поступают к простому тройнику Т, разделяющему СВЧ-энергию на две равные части, направляемые в одинаковые излучающие рупоры РИ1 и РИ„-. Часть СВЧ-энергии отражается от внешней поверхности контролируемого объекта КО и эталона ЭТ, но затухает в вентиле и аттенюаторе и почти не влияет на работу генератора Г. Если свойства объекта контроля и эталона одинаковы, то напряженность электрического поля в 1- и 2-каналах (объекта контроля и эталона) одинакова (рис. 4.15, а, кривые Е1 и Ег). Поэтому после выпрямления диодами Д1 и Дг СВЧ-сигналы напряжения на резисторах Я~ и Яг будут иметь вид одинаковых прямоугольных импульсов (рис. 4.15, а, кривые и, и иь). Получить максимальный сигнал позволяет настройка с помощью короткозамыкающих настроечных поршней НП~ и НП2. Учитывая разную полярность напряжений и, и иь, нетрудно видеть, что потенциал средней точки потенциометра при определенном положении его движка, достигаемый при настройке, будет равен нулю (и,=О). Вследствие этого напряжения на выходе усилителя У и фазового детектора ФД будут равны также нулю (рис. 4.15, а) и не вызовут отклонения стрелочного прибора СП.

137

Распознанный текст из изображения:

"ванн+

'НН

~лллг

Предположим, контролируемый лист имеет толщину меньше номинального значения. В этом случае напряженность поля Е2 в приемном рупоре РП2 будет больше (рис. 4.15, б), чем при номинальном значении толщины листа (рис. 4.15, а), увеличится импульс напряжения (иь) на выходе детектора Д2, что приведет к появлению напряжения (и,) на движке потенциометра Я и соответственно на выходе усилителя У (и~) при увеличении толщины (см. рис.

4.15, 8). В результате работы фазового детектора ФД с учетом фазы опорного напряжения, создаваемого модулятором М и совпадающего, например, с напряжением и„на его выходе появится постоянное отрицательное выходное напряжение (рис. 4.15, б), которое покажет стрелочный прибор СП.

Рис. 4.15. Временнйе зависимости изменения электрических величин

в двухканальном устройстве прн различных толщинах:

а — номннальноА, б — малой, в — большои

Таким образом, двухканальное устройство, построенное в соответствии с функциональной схемой, изображенной на рис. 4.14, имеет повышенную чувствительность за счет сравнения сигналов эталонного и контролируемого объекта или за счет наличия усиления приращения сигналов огибающей СВЧ-колебаний по переменному току. Использование модуляции прямоугольными импульсами и применение фазового детектора ФД является типичным и дает возможность повысить чувствительность и определить знак приращения контролируемого параметра.

Устройство с двумя каналами (см. рис. 4.14) позволяет определить изменения толщины, магнитной и диэлектрической проницае-

138

мостей, удельной электрической проводимости, а также определять наличие неоднородностей в листе. Радиоволновой койтроль с помощью этого устройства может производиться тремя различными способами: абсолютные измерения параметров контролируемого объекта, относительные измерения (контроль отклонения в поле допуска) путем сравнения с эталоном или образцовым объектом (этот режим был описан ранее) и путем самосравнения двух разных участков контролируемого объекта, что характеризует высокую универсальность этого устройства, а также обеспечивает высокую

Рис. 4.16. Функциональная схема амплитудно-фазового

СВЧ-прибора

стабильность нуля и возможность реализации высокой чувствительности за счет усиления сигналов по переменному току. Однако такое устройство не дает возможности вес1и радиоволновой контроль с учетом фазы пришедших СВЧ-сигналов, что снижает его информационную способность. Такую обработку можно производить, если до выпрямления СБЧ-сигналов использовать тройник, где будет происходить их сложение с учетом фазы.

Функциональная схема простейшего варианта устройства для радиоволнового контроля по прошедшему излучению с учетом амплитудных и фазовых характеристик СВЧ-сигналов, используемая для дефектоскопии, приведена на рис. 4.16 (основные обозначения соответствуют рис. 4.14). Это устройство содержит два одинаковых простых Т, 'и Т2 тройника, что позволяет разделить излучаемую энергию на два потока, а затем сложить полученные СВЧ-сигналы. Для создания СВЧ-сигналов, отличающихся на 180', в одно из плеч сравнения тройника Тз приемной части введен фиксированный фазовращатель в виде отрезка волновода В. Несколько упростить конструкцию и улучшить частотные свойства СВЧ-тракта можно, использовав в излучающей и приемной частях разные тройники (Е и Н или Н и Е), что позволит получить набег фазы в 180',

139

Распознанный текст из изображения:

Таблица45

Тип толщниомера

Показатели

сит-1

СВП-4

ст-г|и

0,001 — 0,1

(1 — 25) ° 10 "

0,001 — 0,1

1,5 — 7

1 — 20

0,1

1,5 — 7

0,1 — 0,15

1,5 — 9

8

2 — 6

5

1,5 — 3

1 — 8

0,03

Металл или

диэлектрик

Плоскость

0,01

Металл

0,01

Цилиндр

Я>200 мм

9,3 9,3

150

37,5

сохраняя симметрию плеч в приемной части устройства (см. ~ 4.4). Если СВЧ-сигналы, полученные рупорами РП~ и РП2, будут отличаться по амплитуде или по фазе, то на выходе тройника Тг появится разностнь1й сигнал, который после выпрямления амплитудным детектором АД и усиления будет отмечаться прибором СП.

Рассмотренные устройства позволяют решить большинство практических задач, доступных для контроля по прошедшему излучению.

ф 4.10. Радиоволновая толщинометрия

Влияние геометрических размеров контролируемого объекта на характеристики СВЧ-сигналов определяется их отношением к длине волны в материале слоя, которая зависит от его электромагнитных параметров. При контроле геометрических размеров в режиме стоячей волны напряженность электрического поля в СВЧ- тракте будет периодически изменяться (см. рис. 4.10) при увеличении толщины какого-либо слоя контролируемого объекта или расстояния между излучающим и приемным устройствами и внешней границей контролируемого объекта (зазорами), это делает однозначный их контроль с использованием одночастотных методов чрезвычайно затруднительным. В зависимости от конкретных условий контроля, информативного параметра (амплитуда, фаза и т.д.) и метода выделения полезной информации однозначный контроль толщины возможен в пределах четверти или половины длины волны в данном материале. СВЧ-сигналы зависят от перепада свойств слоя покрытия и основания. Если основания из металла или сплава, значения сигналов будут наибольшими.

Электромагнитные параметры слоя, толщина которого измеряется, также влияют на ход интерференционной кривой, и чтобы не возникало больших погрешностей, их отклонения от номинальных значений не должны выходить за допустимые пределы. Так как обобщенным параметром для зависимости СВЧ-сигналов от геометрических размеров к длине волны в материале (4.5), нетрудно видеть, что составляющая относительной погрешности измерения будет равна

/~/~/~ = Ц/~+ 0,5 (Ье/а+ 11р/р) (4.41) При проведении анализа погрешностей прибора или установки обязательно должны быть учтены и другие составляющие погрешностей (от нестабильностей блоков, нелинейности влияния размера, изменений в окружающей среде, непостоянства питающих напряжений и т. д.). Чаще всего СВЧ-толщиномеры работают, используя отраженное излучение, что позволяет производить радиоволновой контроль при одностороннем доступе к контролируемому объекту. Наиболее сильным мешающим фактором в этом случае является вариация зазора, что проявляется в нарушении фазовых соотношений между падающей и отраженной СВЧ-волнами или в умень-

140

шенин амплитуды приходящего отраженного сигнала, поскольку СВЧ-волна — не плоская. Большую погрешность могут вызывать также изменения взаимного положения излучающего или приемного устройства и контролируемого объекта, его формы, состояния поверхности,- наличия неоднородностей, дефектов и т. д. Технические данные характерных СВЧ-толщиномеров приведены в табл.

4.5.

Диапазон измеряемых толщин покрытия, мм Погрешность измерения:

мм

%

Диапазон перестройки по диэлектрической проницаемости

Удельное электрическое сопротивление.+

Ом м

или 11т б

Материал основания Форма поверхности объекта контроля

Рабочая частота, ГГц

' Возможен контроль толщины металлических пленок от 0,01 до 0,25 мкм на диэлектрическом основании

При контроле больших размеров успешно применяются интерференционные методы, когда набег фазы от изменения контролируемого геометрического размера превышает 2л, и определяется чаще всего с помощью фазовых измерений. Такой принцип, в частности, реализуется на базе интерферометра РМИ-01 [11, позволяющего контролировать слои диэлектрика толщиной до 0,1 м при вариации диэлектрической проницаемости 1 — 30/0 и 1д б — 100/0 и выявлять зоны неравноплотности площадью более 25 мм'.

Рассмотрим принцип действия типичного СВЧ-толщиномера СТ-31И [Ц, функциональная схема которого дана на рис. 4.17 и который реализует амплитудно-фазовый способ. Основное его назначение — контроль толщины диэлектрических покрытий на любом металлическом основании.

Источником СВЧ-колебаний в толщиномере является клистронный генератор К1, создающий с помощью модулятора МД радиоимпульсы прямоугольной формы. Через аттенюатор Ат СВЧ-энергия поступает в детекторную секцию

141

Распознанный текст из изображения:

ДСь необходимую для калибровки мощности с помощью стрелочного прибора СП, подключаемого переключателем ПР. К выходу детекторной секции ДС~ подключен вентиль ВН~, стабилизирующий работу генератора и подводящий энергию к СВЧ-мосту М, разделяющему ее на два равных потока, идущих к измерительному рупору ИР и настроечной цепи 'в виде вттенюатора А~ (амплитуда) и закорачивающего поршня НП (фаза). Измерительный рупор ИР излучает СВЧ-энергию на контролируемый объект и принимает СВЧ-сигнал, отраженный от него. Рупор ИР устанавливается перпендикулярно поверхности контролируемого объекта (О= — 0', см. $4.6). В результате наложения потока СВЧ-колебаний (А2 и НП) и потока, отраженного от контролируемого объекта, в симметричное ответвление СВЧ-моста М (плечо сравнения) поступает сигнал, определяемый их разностью и зависящий от амплитуды и фазы волны, идущей от контролируе-

Рис. 4.17. Функциональная схема СВЧ-толщиномера типа СТ-31И мого объекта. Чтобы не нарушать работу моста М из-за отражений в детекторной секции ДС~, последняя подключена через вентиль ВН~, задерживающий отраженную волну. Чтобы устранить влияние вторичных отражений, внешняя часть устройства воздействия на объект, обращенная к контролируемому объекту, покрыта поглощающим материалом ПГ. Рупор ИР механически скреплен с настроечной винтовой парой НВ и фиксирующими роликами ФР1 и ФР2, контактирующими с поверхностью контролируемого объекта и перемещающимися по ней. Подпружиненная каретка, фиксирующие ролики ФР1, ФР2 и настроечный винт НВ позволяют устанавливать расстояние от рупора ИР до поверхности контролируемого объекта и поддерживать его постоянным с погрешностью не более ~0,05 мм.

К выходу детекторной секции ДС2 подключен многокаскадный усилитель переменного тока У. Установка и проверка его коэффициента усиления производится с помощью калибратора КЛ, создающего напряжение частоты 1 кГц стабильной амплитуды и подключаемого переключателем ПК. Толщина покрытия контролируемого объекта показывается регистрирующим прибором РП (Н-340) по сменным шкалам или определяется по стрелочному прибору СП с помощью (в случае необходимости) градуировочных кривых. Помимо индикации толщины покрытия стрелочный прибор СП используется для настроечных операций: установка режима работы клистронного генератора КГ, регулировка коэффициента передачи усилителя У, настройка толщиномера по контрольным точкам и др. На выход усилителя У могут быть включены блоки автоматики и сигнализации АС, создающие электрические, световые и звуковые сигналы при выходе толщины покрытия за установленные пределы.

Толщиномеры типа СТ-31И перед началом измерений настраивают в определенной последовательности. Прежде всего произво- 142

днтся настройка генераторной части толщиномера по показанию прибора СП, чтобы обеспечить излучение определенной СВЧ-мощности. Затем производится настройка измерительно-преобразовательной части с помощью прибора СП или регистрирующего прибора Н-340 1~о контрольной точке на сменной шкале, соответствующей предполагаемым значениям толщины, а рупор ОР фиксируется роликами ФР1 и ФР2 относительно него на расстоянии 1, 3 или 7 мм в соответствии с диапазоном измерений. По сменной шкале с помощью прилагаемых к толщиномеру контрольных образцов производится его калибровка. В случае, если свойства контролируемого объекта (в первую очередь в) отличаются от тех, для которых имеются сменные шкалы, следует изготовить комплект контрольных образцов из материала покрытия, проградуировать по ним толщиномер и производить измерения с помощью этой градуировочной кривой.

Погрешность измерения толщины покрытия зависит от условий проведения контроля, контролируемого объекта, изменения зазора и электромагнитных свойств покрытия. Зазор может изменяться за счет эксцентриситета или износа фиксирующих роликов либо из-за неровности поверхности контролируемого объекта, так как рупор ИР и ролики ФР1 и ФР, смещены друг относительно друга. Аналогично влияют перекосы и шероховатость поверхности контролируемого объекта, что в первую очередь изменяет также смещение роликов, причем неидеальность границы раздела «покрытие — основание» сказывается значительно меньше, чем шероховатость внешней границы объекта. Существенную погрешность может дать вариация диэлектрической или магнитной проницаемости покрытия относительно номинальной, что приводит к изменению длины волны в материале покрытия и, следовательно, к появлению дополнительного сдвига фазы отраженной волны. Аналогично, но в меньшей степени сказываются неоднородности диэлектрической проницаемости по глубине покрытия, однако это не исключает возможности контроля изделий с периодической достаточно мелкой структурой (стеклопластики, гетинакс, волокнистые материалы и др.). Значительную погрешность может вызвать наличие в диэлектрическом покрытии металлических включений, полностью отражающих падающую СВЧ-энергию, или влаги и приближение края изделия.

Для измерения толщины тонких пленок также используют поляризационные методы. Примером такого устройства является толщиномер СИТ-1, построенный на базе гониометра ГС-5 и позволяющий контролировать толщину по эллиптичности отраженных СВЧ- колебаний [1].

Радиоволновые толщиномеры особенно эффективны при контроле диэлектрических покрытий на металлическом основании, свойства которого (магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость) могут изменяться в любых пределах, что является большим преимуществом по сравнению с вихретоковыми приборами. Возможность бесконтактного контроля покрытий из мелко-

143

Распознанный текст из изображения:

структурного неоднородного материала (покрытия с заполнителем,

из пористых материалов и т. п.) является их большим преимущест-

вом по сравнению с акустическими толщиномерами.

ф 4.11. Дефектоскопия радиоволновым методом

!

Под дефектом в узком смысле слова понимафт нарушение сплошности материала или неоднородности, характеризующееся резким изменением его свойств. Обнаружение несплбшностей с помощью СВЧ-излучений, как правило, возможно прф размерах дефектов, соизмеримых с длиной волны колебаний в основном материале и с раскрывом' антенн, илй дефектов большей величины. Для дефектоскопии можно использовать аппаратуру, построенную на тех же принципах, что и для толщинометрии и контроля электромагнитных свойств 11, 13, 141. Однако разрешающая способность при этом получается небольшой из-за того, что даже малые вариации толщины или электромагнитных свойств контролируемого объекта (как от партии к партии, так и на разных участках в пределах одного объекта) приводят к появлению СВЧ-сигналов, превышающих сигналы от дефектов минимальных размеров, а часть полезной информации, содержащаяся в изменении фазы, может быть потеряна. Поэтому, чтобы получить высокую разрешающую- способность аппаратуры к дефектам, обычно используют,цвхад самосравнения, Для его реализации необходимо иметь два комплекта излучающих и приемных устройств (см. $ 4.9), размещаемых на близких участках контролируемого объекта. В этом случае выходной сигнал будет определяться разностью амплитуд и фаз сигналов почти от одинаковых участков объекта и при малом градиенте толщины и электромагнитных свойств по его длине, разрешающая способность аппаратуры существенно возрастает, так как дефект приводит к резкому изменению одного из сигналов. Выявляемый дефект с минимальными размерами при определенном режиме работы аппаратуры зависит от непостоянства толщины и электромагнитных свойств контролируемого объекта в направлении, в котором смещены комплекты излучательно-приемных устройств, С этой точки зрения необходимо располагать их максимально близко друг к другу, однако такое сближение затруднено затеканием СВЧ-токов из одного тракта в другой и взаимными наводками, а также касанием антенн. Кроме того, дефект или его края не должны одновременно попадать в зону контроля приемно-излучающих устройств.

Если считать, что на выходе приемного устройства появляется сигнал а, то для надежного выявления дефекта должны выполняться соотношения:

(4.42)

а ~(К, К„ (4.43)

дУ~

144

где Кр — коэффициент, характеризующий влияние параметра р (е, р,, Ь или й), связанного с контролируемым объектом; К~, К„р— коэффициенты, характеризующие влияние дефекта; 1Π— расстояние между', излучающе-приемными системами сравнения двух участков объекта в направлении сканирования — оси х; К„„— выбранное отношение сигнал/шум; У~ — объем дефектной ббласти; арб — минимальный сигнал разбаланса, определяемый симметриеи настройки каналов, передающих потоки СВЧ-энергии от сравниваемых участков контролируемого объекта и до сравнивающего устройства (обычно СВЧ-моста). Выражение (4.42) позволяет оценивать влияние неконтролируемых факторов, а выражение (4.43)— несовершенство блоков аппаратуры. Практически лучшие из таких СВЧ-систем обеспечивают симметрию настройки и балансировки СВЧ-моста до уровня 60 — 70.дБ относительно подводимого потока мощности, что соответствует обнаружению дефектов в виде воздушных включений с диаметром (0,05 —:0,01)Х. С увеличением толщины контролируемого слоя или глубины залегания дефектов размеры минимально выявляемых дефектов возрастают ввиду затухания электромагиитных волн в материале и их рассеяния.

Наилучшие результаты радиоволновая дефектоскопия дает в сочетании с анализом динамики изменения сигнала (лтдуляционный анализ). Такая возможность представляется особенно существенной при учете характера относительного перемещения контролируемого объекта и излучательно-приемного устройства, создаваемого сканирующим устройством или перемещающими механизмами (вращение, поступательное или колебательное движение и т. д.). При периодическом прохождении дефекта в зоне чувствительности излучательно-приемного устройства возможно использование спектральных методов анализа, существенно повышающих достоверность обнаружения дефектов. В случае одноразового прохождения дефекта сквозь зону контроля (когда койтролируемый объект движется поступательно) целесообразно расположить комплекты излучающих и приемных устройств в направлении движения, что позволит получить сигнал о дефекте дважды — при прохождении первого комплекта и второго. С учетом скорости движения это позволит повысить достоверность контроля за счет корреляционного анализа огибающих СВЧ-сигналов. Радиоволновые дефектоскопы могут быть построены на базе одной антенны .в качестве излучающей и приемной (однозондовая схема1 или двух антенн (двухзондовая схема). В качестве антенны используют ~11: рупоры, диэлектрические согласующие пластины, петлевые диэлектрические волноводы (поверхностные волны) и др. Для дефектоскопии эффективно применение двух антенн, повернутых относительно плоскости поляризации на 90' и реализующих поляризационный метод.

Помимо дефектоскопов, непосредственно предназначенных для обнаружения дефектов, для радиоволновой дефектоскопии можно с успехом применять аппаратуру визуализации СВЧ-полей, которая особенно эффективна для контроля крупногабаритных объек-

145

Распознанный текст из изображения:

тов, где основным типом дефектов являются дефекты конструктивного характера, т. е. отклонение от нормального положения элементов конструкции (арматура, крепежные детали, полости и т. п.), опредепение взаимного положения элементов, недоступных непосредственному контролю геометрических размеров, формы и др. П еимуществом применения аппаратуры для. визуализации, СВЧ- полеи нию с одноп~чечными дефектоскопам1~ является высокая информатйвйая способность, возможность непосредственного

5 фри, !72 И,Ш"

фектов и высокая производительность конграля а !недастаткам— пониженная пространственная .разрешающая.спосо~ность. Технические данные по некоторым наиболее характерным джипам радиоволновых дефектоскопов приведены в табл. 4.6.

Таблица 46

Типы ралноволновых лефектоскопов

Показатели

СД-12Д

СН-10АФ

дв-зм

ИМ-1-120

0,1Х10Х15

1

1 — 30

1,1 — 4,5

0,05Х10Х10 0,5 — 10 1,1 — 4

0,1Х10Х20

1 — 3

До 10

1,5

0,4

0,5 — 10

1,3 — 3,5

0,01

1О

О,1/50

10,3

Н

0,01

10

0,1/50

37,5

а отражение

0,02

5

0,1/30

37,5

Особенности дефектоскопа

Метод са- мосравне- ния

Поверхностная волна, диэлектрический волновод

Типичным и выпущенным серийно наиболее крупной партией является дефектоскоп СД-12Д ~11, построенный на принципе само- сравнения участков контролируемого объекта. Он предназначен для бесконтактного обнаружения дефектов типа нарушения сплошности (расслоения, неоднородности материала, инородные включения, отсутствие материала или его компонентов и т. д.) в изделиях в виде листов или покрытий из диэлектрических монолитных и слоистых материалов (резины, пластмассы, керамики, стеклопластика и т. д.). Функциональная схема дефектоскопа СД-12Д приведена на рис. 4.18.

146

Минимальный размер обнаруживаемых дефектов, мм:

расслоений

сферы

Толщина материала, мм Диэлектрическая проницаемость материала

Потери, 1д б

Допустимый зазор, мм Допустимый перекос, мм/мм Рабочая частота, ГГц Режим контроля

0,01

5

37,5 На прохождение

Изделия 1211 м, высотой до 1 м, контроль по эталону

Клистронный генератор КГ создает СВЧ-радноимпульсы (что обеспечивает модулятор МД) и через аттенюатор А и секцию с направленным ответвителем НО передает энергию к СВЧ-мосту. Направленный ответвитель ОО отводит часть СВЧ-энергии к детекторной секции АД1 для индикации уровня мощности с помощью стрелочного прибора — микроамперметра мкА. СВЧ-мост через Н-плечо разделяет СВЧ-энергию на два одинаковых потока, излучаемых одинаковыми рупорами Р1 и Р2. Прием СВЧ-колебаний, отраженных от участков контролируемого объекта, также производится ру-

Рис. 4.18. Функциональная схема дефектоскопа типа

СД-12Д

порами Р, и Р2. Если оба рупора находятся над одинаковыми бездефектными участками, то оба отраженных СВЧ-сигнала будут иметь одинаковую амплитуду, фазу и СВЧ-колебания в Е-плечо проходить не будут. При наличии же под одним из рупоров дефекта изменится коэффициент отражения от этого участка, отраженные СВЧ-сигналы будут разные и в Е-ответвлении двойного СВЧ- моста появится сигнал разбаланса. Ввиду неидеальности конструкдии двойного моста, несмотря на подстройку с помощью симметрирующих штырей, имеется остаточное прохождение СВЧ*колебаний из Н- в Е-ответвления (для моста в дефектоскопе СД-12Д этот уровень равен 50 — 55 дБ), которое в первую очередь определяет возможности электронной части прибора по реальному значению минимально выявляемого дефекта. Амплитудный детектор АД2 выпрямляет разностный СВЧ-сигнал и подает полученное напряжение частоты 1 кГц к усилителю У1, позволяющему получить большую абсолютную чувствительность к дефектам. Усиленное напряжение

147

Распознанный текст из изображения:

частоты 1 кГц подводится к амплитудному детектору АДз и далее к усилителю постоянного тока Уй и регистрирующему прибору РП типа Н340, фиксирующему сигналы от дефектов на бумаге. С усилителя У, напряжение подводится также к пороговому устройству ПУ, которое производит отсечку шумов и сигналов от структурных и,

г)

Рис. 4.19. Выходные напряжения дефектоскопа: а — изменение толщины, свойств или зазора; б — точечный дефект;

в — расслоение; г — множественные дефекты неоднородностей, и на его выход проходит только напряжение, большее уровня отсечки, устанавливаемого оператором в зависимости от целей контроля и конкретно решаемой задачи. К выходу порогового устройства подключено электромагнитное реле РЛ, включающее элементы сигнализации: световой с помощью лампы «Брак» ЛБ и звуковой в виде мультивибратора МВ, питающего телефон ТЛ.

Сверхвысокочастотные блоки дефектоскопа выполнены в виде специального переносного устройства воздействия на объект УВО, которое можно устанавливать на контролируемый объект или вблизи него так же, как это сделано в толщиномере СТ-31И (см. $4.9). 148

Настройка дефектоскопа СД-12Д заключается в установке уровня мощности в зависимости от контролируемого объекта, коэффициента усиления усилителя и уровня отсечки порогового устройства Уо. Такие операции типичны для большинства радиоволновых дефектоскопов. На рис. 4.19 приведены зависимости напряжений во времени, полученных с выхода дефектоскопа СД-12Д, характерные для двухрупорных дефектоскопов, использующих метод само- сравнения. Обозначенные уровни напряжения соответствуют; Урб— разбаланс СВЧ-моста, Уо — уровень отсечки, определяющий дефект минимально допустимых размеров. Зависимости на рис. 4.19 показывают влияние характерных дефектов (участки 2, 3, 4 на рис.

4.18) и изменений электромагнитных и геометрических параметров (участок 1 на рис. 4.18) при равномерном поступательном движении контролируемого объекта со скоростью о. Рис. 4.19, а изображает ход напряжения при плавном изменении толщины или электромагнитных свойств вдоль контролируемого объекта. Дефекты малых размеров (2 на рис. 4.18), приближающиеся к точечной модели дефектов (в виде шарообразных включений, коротких трещин), дают два импульса напряжения (рис. 4.19, б), форма которых связана с диаграммой направленности рупоров, а сдвиг их во времени определяется расстоянием между центрами рупоров 1о и скоростью движения и и равен то — — 1о/о.

Протяженные дефекты (длинные трещины, расслоения, области с недостатком одного из компонентов материала сложного состава и т. п.) длиной больше зоны контроля 1„(З на рис. 4.18) в данном случае за счет вычитания СВЧ-сигналов антенн приводят к появлению двух импульсов длительностью, примерно равной то, сдвинутых во времени на тд, соответствующая длине дефекта 1д и равная тд=1д/о.

Большие дефекты, размеры которых соизмеримы с раскрывом рупора, сложной формы и скопление многих нарушений сплошности небольших размеров (участок 4 на рис. 4.18) приводят к появлению размытых изрезанных импульсов (рис. 4.19, г), четкий количественный анализ которых затруднен (определение числа дефектов или их протяженности) .

Разрешающая способность дефектоскопа СД-12Д определяется степенью симметрии настройки моста, а также возможным непостоянством условий радиоволнового контроля и вариацией свойств контролируемого объекта. Всякое резкое изменение свойств контролируемого объекта (большое значение да/др) воспринимается так же, как дефект, что следует учитывать при организации неразрушающего контроля. Наиболее сильным мешающим фактором, связанным с условиями контроля дефектоскопом СД-12Д, является взаимный перекос контролируемого объекта и системы рупоров в плоскости их расположения (плоскость чертежа на рис. 4.18). Следует отметить, что перекос в плоскости, являющейся плоскостью симметрии для рупоров (перпендикулярно плоскости рис.

4.18), не приводит к появлению ложных сигналов, а лишь несколь-

149

Распознанный текст из изображения:

ко снижает чувствительность к дефектам. К снижению чувствительности дефектов также приводит вариация зазора, увеличение толщины контролируемого объекта и его электромагнитных параметров и в первую очередь удельной электрической проводимости о(11тб). Ложные сигналы могут создавать также металлические частицы, случайно попавшие на поверхность контролируемого объекта, и капли влаги,, сконденсированные на ней.

Высокой разрешающей способностью обладают устройства, измеряющие поляризацию отраженных или рассеянных дефектами СВЧ-волн, причем для выравнивания чувствительности к дефектам разного расположения и формы контролируемый объект облучают волной с круговой поляризацией, а о наличии дефекта судят по эллиптичности вторичных волн. Для анализа эллиптически поляризованной волны используют балансную схему с турникетным соединением волноводов [1]. Хорошие перспективы имеет поляризационный метод для контроля анизотропии материалов и полуфабрикатов.

При контроле полуфабрикатов и изделий, имеющих форму, удобную для организации сканирования по их поверхности, наилучшие результаты дает проведение дефектоскопии с помощью нескольких способов получения и обработки информации. Например, дефектоскоп СН-20П [1] реализует дифференциальный метод с амплитудно-фазовой обработкой информации в сочетании с использованием поляризационных эффектов.

Для целей дефектоскопии можно использовать также эффекты ядерного и электронного резонансов и других подобных, что даег возможность обнаруживать очень малые количества инородных включений. Широкое внедрение устройств, построенных на этих принципах, затрудняется сложностью аппаратуры для их реализации и дополнительными требованиями к контролируемым объектам.

Радиоволновые дефектоскопы являются весьма эффективным средством контроля новых современных конструкционных материалов, особенно композиционных типа армированных изделий, стеклопластиков, и их использование для неразрушающего контроля в области объектов из диэлектрических материалов является весьма перспективным.

Еп ~п ~п

оОСИ

стояниях (твердые, жидкие, газообразные, плазма). Радиоволновой контроль геометрических размеров различных изделий из ма. териалов с хорошей проводимостью возможен только относительно поверхностей, к которым возможен доступ, т. е. наружных и некоторых внутренних. Примеры такого контроля иллюстрируются на рис. 4.20. и 4.21. Р

Протяженные изделия в виде труб и прутков различного поперечного сечения можно помещать в по-

т лость объемного резонатора Р или

а) в волноводный тракт В. Если труба я чтя ~%" о я~г08 йП помещена в полость резонатора Р о— (рис. 4.20, а), то она изменяет его дд лл рабочий объем (резонансную часто- и) ту) или создает дополнительные потери энергии (уменьшает доброт-

Р ность). Для металлических изделий основным является изменение частоты, что дает возможность произво-

л дить контроль внешнего диаметра рис 4.20. Контроль геометритрубы Р, прутка и т. п. В случае, ко- ческих размеров и физико-хигда труба изготовлена из диэлектри- мических свойств: ЧЕСКОГО МатернаЛа ВЛИяЮщИМИ фаК а — объемным резонатором; б

волноводом; в — открытым резонаторами являются все геометриче

тором ские размеры трубы (внешний Р и внутренний д диаметры, толщина) и электромагнитные параметры (диэлектрическая в и магнитная 1ь проницаемости, удельная электрическая проводимость о). По схеме рис. 4.20, а можно организовать радиоволновой контроль изделий в технологическом потоке.

ф 4.12. Параметрические методы контроля

П а р а м е т р и ч е с к и е (резонансные) методы радиоволнового контроля заключаются в том, что контролируемый объект помещается в резонатор, волновод или длинную линию и по изменению параметров этих элементов (резонансная частота, добротность, распределение поля и др.) определяют качество объекта [17]. С помощью параметрического метода возможен контроль геометрических характеристик различных объектов, электромагнитных свойств их материалов и наличия неоднородностей в них. Параметрические методы позволяют испытывать вещества в любых агрегатных со- 150

ф ф Рис. 4.21. Схема контроля физико-химических свойств:

а — твердых тел; б — жндностей п Примером такого контроля является измеритель диаметра ми роровода ОР-3 [1], который дает возможность измерять диаметр

кр жилы литого провода от 0,3 до 3 мкм или его сопротивление по мощности после открытого резонатора, сквозь который проходит провод.

151

Распознанный текст из изображения:

При контроле изделий в виде коротких труб можно их включить непосредственно в СВЧ-тракт (рис. 4.20, б). В таком варианте труба может рассматриваться как отрезок волновода или длинной линии с определенными параметрами, приводящими к изменению характеристик отраженной волны. Для лучшего согласования волноводного тракта с отрезком трубы участки волноводов ПВ и ОВ выполнены специальной формы, плавно сопрягаемой с поперечным сечением трубы КО, а на их краях для снижения затекания токов на внешнюю поверхность волноводов ПВ и ОВ выполнены короткозамкнутые четвертьволновые участки (4.18) КП~ и КП2, Определенный режим работы измерительного участка волновода обеспечивает отрезок волновода ОВ, который нагружен на короткозамкнутую секцию с настроечным поршнем НП (рис. 4.20, б) или на согласованную нагрузку для получения режима бегущей волны. Крупногабаритные изделия можно контролировать по частям, как, например, показано на рис. 4.20,в, где производится радиоволновой контроль параметров диэлектрического покрытия на металлическом основании. Одной из стенок резонатора Р в этом случае служит металлическое основание. Такой вариант контроля реализует резонансный радиотолщиномер РРТ-73 [1], в котором использован СВЧ-генератор с частотной модуляцией (качающаяся частота). В качестве первичного преобразователя в нем применен измерительный резонатор, резонансная частота которого зависит от толщины покрытия и его диэлектрических параметров, а смещение ее определяется с помощью осциллографа. По смещению резонансной частоты находят контролируемую величину. Довольно эффективно проведение контроля по схеме рис. 4.20,в расстояния (зазора) Ь до внешней поверхности металлического объекта.

Успешно используются параметрические радиоволновые методы при контроле уровня и количестве жидкостей или летучих веществ. В этом случае отрезок волновода или длинной линии обычно запаивается с одного конца, с другого — подключается измерительная аппаратура, а жидкость или газ вводятся сбоку через специально предусмотренное отверстие, которое не должно существенно влиять на параметры СВЧ-тракта.

С помощью резонатора Р или отрезков волноводов В (рис. 4.21) можно проводить контроль электромагнитных свойств различных веществ. При этом твердые тела непосредственно помещают в объ ем резонатора или волновода (рис. 4.21, а), а жидкие, сыпучие и газообразные вещества предварительно загружают в дозирующие ампулы (рис. 4.21, б) или пропускают по специально предусмотренным трубкам. При радиоволновом контроле свойств вещества размеры образцов обычно выбирают небольшими, чтобы напряженность электромагнитного поля в пределах занимаемого ими объема была постоянной, а место в волноводе или резонаторе выбирают из условия получения необходимой степени влияния вещества на параметры волновода или резонатора. Размеры образцов при проведении контроля электромагнитных свойств должны быть доста-

152

точно стабильными, поскольку их изменения в этом случае будут мешающим фактором.

Параметрические радиоволновые методы дают возможность обнаруживать лишь довольно грубые неоднородности (дефекты), такие, как, например, металлические включения в диэлектрике, и вследствие этого имеют ограниченную область применения, исключение составляют дефектоскопы, построенные на принципах ядерных магнитных резонансов.

$4.13. Многопараметровый радиоволновой контроль

Контроль по одному параметру имеет довольно ограниченные возможности и часто не позволяет получить большую точность и достоверность. В связи с этим многопара метровый контр о л ь Щ. применяется в двух случаях: требуется измерить один параметр независимо от других величин и необходимо определять несколько параметров у контролируемого объекта одновременно или поэтапно. Первый тип контрольно-измерительных задач решается методами, специфичными для радиоволнового контроля и допускает решение задачи, если надо производить контроль по нескольким параметрам. Второй тип контрольно-измерительных задач носит синтетический характер, а информация о параметрах контролируемого объекта может получаться последовательно применением методов одно- или двухпараметрового контроля и затем путем совместной обработки полученных данных (часто с применением ЗВМ) делается заключение о качестве контролируемого объекта. Например, при радиоволновом контроле толстой трубы из диэлектрического материала его можно выполнить трехпозиционным: 1— определение отклонений в электромагнитных свойствах; 2 — измерение толщины стенки или диаметра; 3 — обнаружение дефектов, Для решения второй группы задач могут использоваться не только радиоволновой вид контроля, но и другие. Такой многопараметровый контроль типичен для автоматизированных линий контроля, встроенных в технологический процесс, и рассмотрение его особенностей относится к общей теории неразрушающего контроля.

Многопараметровый радиоволновой контроль может быть реализован путем применения нескольких кайалов, имеющих разные рабочие частоты, датчики, отличающиеся размерами, конструкцией; расйоложеййем и др., различных углов падения, поляризации и сочетанием различных методов контроля. Особое место занимает двухпараметровый контроль, поскольку он легко осуществляется в одном канале при одной рабочей частоте и одном датчике, так как информацию о двух параметрах несет любой электрический сигнал и она легко выделяется амплитудно-фазовым методом.

Наиболее важным и сравнительно простым методом решения многопараметровых задач первой группы является сведение ее к задаче с меньшим числом параметров путем соответствующего выбора условий контроля, конструкции измерительно-преобразова-

153

Распознанный текст из изображения:

тельного блока и функциональной схемы прибора. Например, при контроле электромагнитных свойств выбор большей рабочей частоты, где велико затухание СВЧ-колебаний, позволит устранить влияние толщины; при контроле малогабаритных объектов применение щелевого излучающе-приемного устройства малых размеров дает возможность устранить влияние краев изделия; при дефектоскопии использование двухканального устройства с самосравнением участков контролируемого объекта устранит мешающее влияние плавных изменений толщины или электромагнитных свойств материщи

ала.

ип Удачным примером реше- А л ния двухпараметровой задачи Р служит универсальный прибор

яд ПКП-2 [13~, предназначенный

п, для контроля слоистых полуОя ~~ЮП~'= АД У проводниковых и диэлектрических структур. В нем реализован двухпараметровый метод Рис. 4 22 функциональная схема амплитУДно-фазового контРолЯ универсального прибора ПКП-2 по минимальному значению на-

пряженности СВЧ-поля и по изменению его положения вдоль линии в зависимости от свойств полуфабриката или изделия.

Функциональная схема прибора ПКП-2 приведена на рис. 4.22. Клнстронный генератор КГ создает СВЧ-колебания, которые через аттенюатор А возбуждают измерительную линию ИЛ, нагруженную на щелевой преобразователь ЩП. Измерительная линия ИЛ выполнена в виде- четверти круглого кольца прямоугольного сечения н имеет прорезь для перемещения внутри нее емкостного. зонда ЕЗ. Щелевой преобразователь ЩП является по существу плавным переходом от волновода измерительной линии ИЛ сечением 3,7Х7,2 мм' к щели сечением 0,2Х4 мм', обеспечивающей взаимодействие СВЧ-энергни с контролируемым объектом КО. При поднесении его к щелевому преобразователю ЩП распределение электромагнитного поля вдоль измерительной линии ИЛ изменяется, что позволяет судить о свойствах контролируемого объекта КО. Емкостный зонд ЕЗ нагружен на петлю связи До с помощью которой возбуждается объемный резонатор Р в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами 3,7Х7,2Х Х20 мм'. С помощью второй петли связи П2 СВЧ-энергия выводится из резонатора Р и поступает на амплитудный детектор АД. Усиление полученного сигнала по мощности осуществляет усилитель постоянного тока У, на выход котоого включен стрелочный прибор — микроамперметр мкА. С емкостным зондом 3 через передаточный механизм ПМ механически связана отсчетная линейка ОЛ отсчетного устройства ОУ, на котором нанесена шкала, указывающая смещение зонда или электрическое смещение узла напряженности поля вдоль измерительной линии ИЛ (фаза), и градуировочные графики, показывающие влияние параметров полупроводниковой заготовки или структуры КО. Линейка ОЛ выполнена прозрачной и имеет такие же деления, как и стрелочный микроампер- метр М-24.

П р и о д н о п а р а м е т р о в о м неразрушающем контроле используется микроамперметр. Резонатор Р настраивается на резонансную частоту генератора КГ, а чувствительность прибора устанавливается максимальной. Затем путем перемещения зонда ЕЗ до 154

достижения минимума показаний отсчетного прибора проводится его настройка по шлифованной металлической пластине или по специальному контрольному образцу, для которого минимум напряжепия имеет наименьшее значение. Регулируя пропускание аттенюатора А и чувствительность прибора мкА, добиваются необходимой степени влияния измеряемого параметра. Затем, накладывая контролируемый объект КО на щелевой преобразователь ЩП, производят отсчет показаний прибора мкА и по градуировочной кривой или шкале отсчетного устройства ОУ определяют контролируемый параметр.

При д в у х п а р а м е т р о в о м контроле настройка, в основном, производится так же, как при однопараметровом. Если она выполнена правильно, передвижная отсчетная линейка ОЛ должна быть размещена на линии нулевой фазы, в противном случае необходимо подстроить частоту генератора КГ и более тщательно настроить резонатор Р.

В процессе измерения, когда на щелевой преобразователь ЩП помещен контролируемый объект КО, перемещением зонда ЕЗ также добиваются минимального показания прибора мкА. При этом за счет сдвига положения минимума напряженности поля вдоль линии линейка ОЛ, связанная механически с зондом ЕЗ, переместится в новое положение. Отложив на шкале линейки ОЛ показание прибора мкА, получим точку на плоскости отсчетного устройства ОУ и с помощью нанесенной на нем двухкоординатной градуировочной сетки, показывающей влияние измеряемого и мешающего факторов, произведем отсчет контролируемого параметра.

Таким образом, используя двухпараметровый способ, можно измерять различные параметры полупроводниковых полуфабрикатов независимо от влияния мешающих факторов. Например, можно измерять толщину покрытия диффузионного или эпитаксиального слоя полупроводниковой заготовки независимо от свойств основы; удельную электрическую проводимость или диэлектрическую проницаемость полупроводниковой пластины независимо от возможных изменений зазора; удельную электрическую проводимость полуфабриката независимо от его диэлектрической проницаемости или наоборот; толщину одного слоя полупроводниковой структуры независимо от толщины другого.

Погрешности измерений определяются при конкретных вариантах контроля и зависят как от точности поиска положения минимума и его отсчета по прибору, так и от неучтенных факторов, что существенно зависит от решаемой контрольно-измерительной задачи, от диапазона колебаний измеряемого и подавляемого факторов. Из числа факторов, погрешность от измерения которых необходимо учитывать при решении большинства задач контроля, следует указать влияние взаимных перекосов щелевого преобразователя и объекта из-за его неровности и кривизны, попадания загрязнений на него или на преобразователь ЩП; наличие неодно-

155

Распознанный текст из изображения:

Та бл и ца 4.7

Тип радиоиизроскопа

Показатели

сс-юк

СС-ЗОК

дтм-3

ск-юк

ск-за к

рв-и

1,8 — 2,2

32

2 — 100

8 — 150

150Х150

0,001 — 30

60Х60 До 50

80Х80

15Х 35

10Х10

12

До 55

20

20

До 40

30

30

300

32

32

0,8

22

0,5

1О а

10 "

10 — 15

0,01 — 0,5

0,2 — 2

1 — 5

0,3

157

родностей (дефектов) в полупроводниковой заготовке или структуре; влияние края и чистоты ее поверхности.

Прибор ПКП-2 и подобные ему позволяют успешно решать многие задачи радиоволнового контроля в области полупроводниковой техники, когда размеры контролируемого объекта превышают раскрыв преобразователя, в частности заготовки в виде германиевых или кремниевых монолитных пластин или слоистых структур 113~ для производства полупроводниковых приборов и микросхем, которые в дальнейшем определяют надежность и качество готового изделияя.

Рабочий диапазон

длин волн, мм

Размеры контроли-

руемого поля, см

Допустимое ослабле-

ние сигнала, дБ

Время получения кад-

ра, с

Точность определен-

ияя координат, Я>

Чувствительность ин-

троскопа, Вт/м'

Чувствительность уси-

лителя, мкВ

Пространственное

разрешение, мм

ф 4.14.. Визуализация радиоволновых полей

В и з у а л и з а ц и я (получение видимых изображений) распределения физических величин, характеризующих электромагнитное СВЧ-поле (плотности энергии, напряженности электрического или магнитного полей, их компонент и т. д.), необходима для изучения внутреннего строения сложных изделий (интроскопия, радиовидение) и для высокой производственной дефектоскопии объектов больших размеров (по сравнению с длиной волны и раскрывом антенн). В результате визуализации получают видимое радиоизображение, анализ которого дает возможность увеличить скорость контроля, облегчает расшифровку результатов для изделий различной формы и позволяет получить документ на весь контролируемый объект сразу. Основные технические данные на некоторые радиоинтроскопы приведены в табл. 4.7.

Радиоизображение можно получить путем развертки (последовательный поэлементный анализ) или сразу во всех точках двухмерной картины (анализ в реальном масштабе времени). При по- 156

следовательном анализе необходимо сканирование, которое может быть механическим или электрическим. Механическое сканирование предполагает перемещение излучающего и приемного устройств в пространстве по двум координатам и синхронное перемещение точки, формирующей изображение на индикаторе. Электрическое сканирование осуществляется путем переключения ряда излучающих приемных устройств или путем изменения свойств излучающего или приемного устройства (управление диаграммой направленности

Рис. 4.23. Функциональная схема радиоинтроскопа типа СС-10К

сложной антенны). Как правило, при работе в реальном масштабе времени радиоизображение формируется быстрее и производительность контроля выше, однако ега труднее обрабатывать. Типичными устройствами, в которых используется последовательный анализ, являются 1Ц СВЧ-установки ДТМ-З, СС-1ОК, СС-ЗОК, СК-10К, СК-ЗОК. Радиовизор РВ-П 111 дает возможность получить радиоизображение на экране сразу и реальном масштабе времени. Радиоинтроскопы СС-10К и СС-ЗОК вЂ” универсальные установки для радиоволнового контроля внутренней структуры полуфабрикатов и изделий с помощью СВЧ-излучения по изображению на экране осциллографического индикатора.

Функциональная схема радиоинтроскопа СС-10К приведена на рис. 4.23. Возбуждающая часть установки состоит из клистронного генератора КГ, вентиля В, аттенюатора А, волноводного переключателя П~, комплекта волноводов КВ и излучающей антенны ИА. Аттенюатор А позволяет расширить область применения установкн путем введения дополнительного затухания при испытаниях изделий с малыми значениями толщины или собственного затухания, что устраняет перегрузку диодов в приемной части установки. Переключатели П~ и Па, обеспечивающие сканирование контролируемого объекта КО, выполнены на базе вращающегося волноводного сочленения. Перемещение подвижных волноводных секций Сз и Са производится синхронными двигателями СД~ и СДа. Комплект

Распознанный текст из изображения:

волноводов КВ1 содержит 100 прямоугольных волноводов восьмимнллиметрового диапазона, имеющих одинаковую длину. Открытые концы волноводов комплекта КВг запаяны на одной пластине, к которой механически крепится накладная сменная излучающая антенна ИА, также содержащая 100 излучателей, выходные отверстия которых расположены строго напротив соответствующих входов волноводов КВз.

Излучение, прошедшее сквозь контролируемый объект КО или отраженное от него, попадает в приемную антенну ПА, причем точно в волноводную секцию, расположенную против включенной в тот же момент времени излучающей секции. Приемная антенна ПА выполнена подобно излучающей антенне, но излучатели могут быть иными С С С в зависимости от того, по какой компоненте электромагнитного поля определяется внутреннее строение КО. Переключение волноводов приемной антенны ПА произв) д) водится в той же последовательности, что и у излучающей антенны ИА. Комплект волиоводов КВз, переключатель Пз с подвижной секцией Сз выполнены таки- Н Н ми же, как КВг, Пь Сг, а секция Сз перемещается двигателем СД:, ииеитиеимм с СЛ, и питаемым ст той же сети. Вследствие идентичф г) ности секций Сг и Сз н двигателей

СДь СДз происходит синхронное Рис. 4.24. Вид с экрана устройства ви- пеРеключение всего волководного зуализации СВЧ-полей: тракта ог аттенюатора А до де-

текторной секции АД. Таким обраи — схема расположения дефектов; б — яркостная отметка; в — развергка по строке; а — зом организуется электромеханиквазнобъемное изображение ЧЕСКОЕ СКаНИрОВаНИЕ КОНтрОЛнруЕ-

мого объекта КО по вертикали. По горизонтали (в направлении, перпендикулярном плоскости рис. 4.23) сканирование осуществляется путем взаимного перемещения контролируемого объекта в высокочастотнОй части установки с помощью механизма МП от двигателя ДВз, управляемого блоком УД. СВЧ-сигнал, полученный на выходе переключателя Пз, выпрямляется амплитудным детектором АД и после усилителя У поступает на блок выбора режима работы БР, обеспечивающий на экране осциллографического индикатора ОИ индикацию распределения интенсивности СВЧ-излучения или другой величины, характеризующей его.

Изображение на экране осциллографического индикатора ОИ может иметь разный вид: с яркостной отметкой, с разверткой одной строки или в виде аксонометрической проекции. Примерный вид изображения на экране ОИ в этих режимах дан на рис. 4.24 для объекта в виде диэлектрической плиты (см. рис. 4.23) с пустой полостью 2, трещиной 3 и включением 1, имеющим большое затухание для радиоволн.

Построение изображения на экране ОИ осуществляется через блок режимов работы БР с помощью генераторов развертки ГРз (по вертикали) и ГРз (по горизонтали). Генераторы развертки запускаются от формирователей импульсов ФИг и ФИз, выполняющих роль синхронизаторов и связанных с двигателем СДз и механизмом перемещения МП. В такт с перемещениями переключающих секций Сг и Сз генератором развертки ГРг создаются импульсы на вертикально отклоняющих пластинах, имеющие ступенчатый вид, причем каждая «ступенька» соответствует включению определенного волноводного тракта. Импульс на выхо- 158

дс ФИз запускает генератор ГРз, работающий в ждущем режиме, а через блок Ы' напряжение развертки производит образование растра по горизонтали. Если необходимо иметь постоянно радиоизображение КО, используют возвратно-поступательное движение путем реверса двигателя ДВз через устройство управления двигателем УД, содержащим концевые выключатели и другую необходимую коммутационную аппаратуру, а формирователь импульсов ФИя создает импульс на изменение направления развертки на обратное.

Полученные радиоизображения контролируемого объекта КО с яркостной отметкой — основной режим работы установок визуализации, позволяющий получить и оценивать визуально большой объем информации о контролируемом объекте, но часто бывает слишком груб для количественных оценок, которые сильно зависят от субъективных особенностей оператора.

Работа в режиме развертки по строке позволяет производить отсчеты с точностью, определяемой погрешностями осциллографического индикатора и блоков установки как по интенсивности полученного от контролируемого объекта СВЧ-излучения, так и по местонахождению аномалий этой величины в пространстве подобно аналогичным измерениям на экране обычного осциллографа. В качестве примера на рис. 4.24 изображена осциллограмма распределения интенсивности СВЧ-излучения по строке. помеченной на рис. 4.24, б стрелкой С, а на рис. 4.24, а сечением С вЂ” С. Установив уровни, соответствующие (уровни  — В и Н вЂ” Н на рис. 4.24,в) браковочному признаку, в режиме развертки по строке можно легко определять изделия с недопустимыми дефектами, их размеры, а также оценить возможность их устранения. Для получения режима развертки по строке с помощью блока режимов БР (см. рис. 4.23) сигналы от одного волноводного тракта выбираются стробирующим импульсом и подаются на вертикальные отклоняющие пластины :-АЛТ, а по горизонтали производится обычная развертка пилообразным напряжением, запускаемым от кадрового импульса формирователя ФИ2.

Режим работы с построением квазиобъемного изображения (рис. 4.24,г), близкого к аксонометрическому по информативной способности, является промежуточным. Чтобы получить такое изображение, производят развертку по строке по всем каналам и одновременно с помощью блока режимов работы БР формируют растр на экране индикатора ОИ, но начало развертки по горизонтали смещают на величину, пропорциональную номеру волноводного тракта.

Комплект антенн ИА и ПА, даваемых к установке, позволяет работать на прохождение и отражение, производить радиоволновой контроль по поляризации СВЧ-излучения от контролируемого объм екта (в этом случае приемные волноводы повернуты на 90 в плоскости их поперечного сечения относительно излучающих) и производить дифференциальный контроль с помощью двухлепестковых излучателей.

Радиовизор РВ-П дает возможность непосредственного наблюдения распределения СВЧ- или тепловых излучений в плоскости его

159

Распознанный текст из изображения:

экрана в реальном масштабе времени. Положенный в его основу принцип преобразования интенсивности падающего на экран излучения в тепловую энергию, подогревающую люминофор, обеспечивает широкий спектральный диапазон его работы.

Основной элемент радиовизора (рис. 4.25) — люминесцирующий экран ЛС с нанесенным на него с внешней стороны тонким слоем металла СМ, который является неселективным преобразователем СВЧ- и инфракрасного излучения в тепловой рельеф. Экран ЛС с внутренней стороны равномерно освещается ультрафиолетовым

светом лампы УЛ, интенсивси- пс ность которого выбирается в зависимости от среднего уровня падающего излучения путем подбора мощности питания УЛ ии ка Ю:«регулировачными элементами РЭ. Прошедшее илн отраженное излучение от контролируемого объекта падает на слой СМ, в значительной степени рис. 4.25 Схема устройства адиови- поглощается им и создает на поверхности люминесцентного слоя ЛС различную температуру в зависимости от энергии, попадающей на данный участок. Яркость свечения люминофора зависит от его температуры и по яркости свечения экрана радиовизора судят о свойствах контролируемого объекта КО, облучаемога от источника излучения ИИ.

Радиовизор является широкополосным устройством, дает наглядную картину распределения плотности энергии электромагнитного поля, прост в обращении и успешно используется для радио- волнового и теплового контроля. Неудобством при работе с ним является невысокая чувствительность, небольшие размеры изображения и то, что результаты контроля зависят от опыта оператора,

Получение изображения в реальном масштабе времени возможно также с помощью жидких кристаллов и фотоэмульсий (фотопленок), которые восприимчивы к тепловому действию СВЧ-излучения.

Жидкие кристаллы могут быть использованы для радиоволнового контроля так же, как радиовизор, однако они не требуют особого дополнительного освещения, кроме дневного. света. Жидкие кристаллы, если это допустимо по техническим условиям на контролируемый объект, могут быть нанесены непосредственно на его поверхность, и при облучении радиоволнами он будет изменять свою окраску в зависимости от нагрева поверхности контролируемого объекта, выявляя тем самым его внутреннее строение и дефекты.

Средства визуализации СВЧ-полей могут быть применены для получения и анализа интерференционных картин и голографических

изображений.

Интерференционные методы позволяют контролировать объеккаы виде вераврувтатев<ете,вентредд ~щже). Следует веесте < тем заметить, что в СВЧ-диапазоне почти всегда накладываются прямая и отраженная волны, т. е. присутствует интерференция, и <>оычно под интерференционными методами подразумевают такие, когда контроль производится с использованием нескольких максимумов или минимумов интерференционной кривой. Существенным «граничением в таких вариантах контроля является трудность в <обеспечении однозначного отсчета контролируемой величины, что и сдерживает широкое применение интерферениионных методов.

Устройства визуализации полей СВЧ-диапазона дают возможность получить голографическое изображение объекта (физическая голограмма). Помимо этого голограмму можно получить и расчетным путем на ЭВМ и вывести ее на графопостроитель или передать по линиям связи на значительные расстояния (расчетная голограмма). В радиоволновом контроле голографические методы не имеют пока широкого применения, но могут оказаться эффективными там, где надо изучать объемное изображение или вести обработку информации оптическими методами. Особенностью голограмм радиоволнового контроля являются их большие размеры, что <1пределяется длиной волны СВЧ-колебаний, и в соответствии с этим необходимость уменьшения полученных голограмм в тысячи раз для наблюдения их в видимом диапазоне. Это приводит к менее подробному, чем в диапазоне видимого света, изучению контролируемого объекта в радиодиапазоне. Вместе с тем радиоволновая голография имеет преимущество при контроле крупногабаритных объектов, когда важно оценить общую конфигурацию и отклонение от заданной формы или размеров. Примерами таких объектов, где применение голографических методов целесообразно, является контроль антенн большого размера, имеющих правильную форму тел вращения (сфера, параболоид, гиперболоид, плоскость или конус п т. п.), и различных крупногабаритных тел из диэлектрических материалов. Расчетные голограммы, масштабируемые до необходимого значения, в этих случаях могут выполнять роль эталона, с которым производится сравнение контролируемого объекта. В целом голографические методы могут оказаться необходимыми как при проведении контроля одиночных объектов уникального назначения с помощью расчетных голограмм, так и при контроле круппогабаритных изделий массового производства, поскольку в первом случае затраты не являются решающим фактором, а во втором — они окупаются за счет массовости продукции.

161

160

6 — 203