Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния контроля технологических II параметров изделий из ПКМ
1.1 Сравнительный анализ эффективности методов контроля технологических параметров материалов II
1.2 Анализ технических средств радиоволнового контроля 17
1.3 Постановка задачи исследования 24
2. Теоретические основы взаимодействия электромагнитных волн, возбуждаемых в диэлектрическом волноводе с контроли руемой средой 27
2.1 Методы расчета фазовой постоянной в направляющих диэлектрических структурах 27
2.2 Фазовый коэффициент распространения волн в диэлектрическом волноводе и диэлектрическая проницаемость объекта 32
2.3 Амплитуда электромагнитных волн в диэлектрическом волноводе как характеристика технологических параметров объектов 41
2.4 Влияние технологических параметров на частотные свойства датчиков 51
Взводы 65
3. Оптимизация параметров датчиков на основе ДВ и их адаптация к условиям работы 68
3.1 Критерии качества датчиков и условия оптимизации 68
3.2 Оптимизация математического описания моделей датчиков 74
3.3 Точность оценок контролируемых параметров 81
3.4 Основные характеристики метода визуализации электро-магнитных полей СВЧ диапазона с помощью термотропных жидких кристаллов 88
3.5 Визуализация электромагнитных полей в открытых направляющих системах 97
Шводы 104
4. Экспериментальное исследование волноводных датчиков 106
4.1 Экспериментальное определение основных характеристик волноводных датчиков Юб
4.2 Диэлектрический волновод как датчик для оценки состояния связующего 117
4.3 Использование поляризации электромагнитных волн диэлектрического волновода 125
4.4 Экспериментальное исследование датчиков с частотно-зависимыми свойствами 133
5. Практическое применение волноводных датчиков и устройств на их основе для неразрушающего контроля технологических па раметров ПКМ 147
5.1 Техническая реализация устройства для контроля диэлектрической проницаемости 147
5.2 Дополнительные возможности использования полученных результатов 165
5.2.1 Прогнозирование разрушения объекта по данным многопа-раметрового контроля 165
5.2.2 Контроль технологических параметров ПКМ по результатам визуализации электромагнитного поля І7&'
Шводы 178
Заключение 1$0
Список используемой литературы
- Анализ технических средств радиоволнового контроля
- Фазовый коэффициент распространения волн в диэлектрическом волноводе и диэлектрическая проницаемость объекта
- Оптимизация математического описания моделей датчиков
- Диэлектрический волновод как датчик для оценки состояния связующего
Введение к работе
Актуальность проблемы. Решениями XXY1 съезда КПСС повышение качества и надежности промышленной продукции отнесено к числу наиболее важных задач. Значительная роль в ее решении должна быть отведена физическим неразрушающим методам контроля (ШК). В соответствии с межвузовской комплексной целевой программой по развитию методов неразрушающего контроля, на кафедре ЭВМ Днепропетровского госуниверситета проводятся плановые научно исследовательские работы по развитию и внедрению методов и и приборов неразрушающего контроля материалов, используемых в ряде областей новой техники.
Одно из наиболее перспективных направлений в разработке методов и средств неразрушающего контроля связано с микроволновым диапазоном. Еызванное потребностями производства широкое внедрение композиционных материалов ( классифицируемых во многих случаях как случайно-неоднородные и плохо приспособленных, в силу их физических свойств и технологических особенностей, для контроля такими методами как ультразвуковой, тепловой, рентгеновский), значительно повысило роль ШК радиоволнового диапазона.
Большая часть этих методов основана на использовании прошедших через объект контроля или отраженных от него, т. е. взаимодействующих с объектом и, следовательно, несущих информацию о его свойствах электромагнитных волн,распространяющихся в свободном пространстве. Однако, следует отметить, что имеющееся практическое применение ШК радиоволнового диапазона ограничено малой "управляемостью". Получаемые характеристики являются интегральными по ;всему объему исследуемого объекта. Поэтому возникают значительные трудности при необходимости ограничения области контроля только, например, приповерхностными слоями, что важно как для целей дефектометрии, так и для определения диэлектрических свойств первого слоя в задаче послойной толщинометрии, например, двухслойных объектов, или при отстройке от влияния толщины стенок изделия при контроле электрофизических параметров в однослойных конструкциях.
Определенные перспективы в повышении " управляемости " радиоволновых методов в настоящее время связывают с разработкой и внедрением в технику неразрушающего контроля датчиков, использующих поверхностные электромагнитные волны /9/, однако, как показывает анализ опубликованных работ, этот вопрос исследован недостаточно.
Цель работы формулируется следующим образом: теоретически и экспериментально исследовать информационные возможности применения датчиков на основе диэлектрических волноводов для контроля технологических параметров полимерных композиционных материалов ( ІЖМ ), разработать методику их применения и возможные варианты конструкций СВЧ приборов на их основе.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснована возможность применения датчиков на основе диэлектрических волноводов для неразрушающего контроля параметров ПКМ, исследованы их информационные возможности;
- теоретически и экспериментально установлены основные характеристики предлагаемых для НМК измерительных элементов и параметры контролируемых материалов ( чувствительность, разрешая способность, величина краевого эффекта, характерные размеры контролируемой зоны, эффективная глубина контроля), связь измеряемая величина - параметры устройства системы контроля, установлена эффективность его применения при описании вход -выход волноводных и резонансных систем, применяемых для НМК; определена точность оценок контролируемых параметров по полу -5 ченньш функциональным связям;
- теоретически и экспериментально обоснована возможность визуализации распределения электромагнитного поля в устройствах, использующих поверхностные волны с помощью жидкокристаллических термоиндикаторов; оценены их основные характеристики, степень влияния на характеристики волноводного тракта, определены методы расчета полей в индикаторах, рассмотрены схемы и сферы их применения.
Практическая ценность работы определяется: I. Разработанной методикой использования "управляемых" датчиков на основе диэлектрических волноводов позволяющей:
- локализовать зону контроля технологических параметров ПИЛ в необходимой области;
- осуществлять визуализацию электромагнитного поля в открытых направляющих системах с целью повышения наглядности: получаемых при неразрушающем контроле результатов и повышения информативности контроля.
П. Разработанным прибором, позволяющем осуществлять контроль диэлектрической проницаемости объекта в необходимом диапазоне частот и повысить точность и достоверность получаемых результатов.
В первой главе работы рассмотрено современное состояние методов и средств неразрушающего контроля технологических параметров ПИЛ, указаны основные ограничения этих методов и определены их недостатки. Особое внимание уделено радиоволновым методам, проведен анализ аппаратурных средств и указаны характеристики, достигнутые при решении задач неразрушающего контроля. На основе этого рассмотрения сформулирована цель диссертационной работы, основное содержание которой состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании возможностей применения в уст -6 ройствах неразрушающего контроля датчиков, использующих диэлектрические волноводы и резонаторы и практическом их пршяенении при контроле технологических параметров изделий из ПКМ.
Теоретические предпосылки применения таких датчиков, описание способа их взаимодействия с контролируемой средой и анализ их специфических особенностей рассмотрены во второй главе. Основой для такого рассмотрения является электродинамический расчет структур, объединяющих диэлектрический волновод и контролируемый объект. Наибольшее развитие получили методы расчета подобных структур, применяющихся в интегральной технике оптического и СВЧ диапазонов. Для всех типов структур электромагнитное поле локализовано, главным образом, в волноводном канале, но часть его проникает в окружающую среду. Предлагается управлять степенью этого проникновения изменяя диэлектрические характеристики, размеры волновода и частоту, на которой производятся измерения. Такая возможность позволяет устранить или значительно уменьшить степень влияния неинформативных для оценки диэлектрической проницаемости характеристик объекта таких как толщина контролируемого слоя, параметры подложки. В качестве измеряемых величин в этой главе рассмотрены фазовый коэффициент распространения, амплитуда и частота СВЧ сигнала и их связь с характеристиками контролируемой среды. Отмечается, что по чувствительности рассматриваемые структуры близки к известным в технике измерений методам с частичным заполнением исследуемым диэлектриком полых резонаторов и волноводов.
В третьей главе рассматривается методика оптимизации волно-волных, датчиков для оценок параметров материалов. На основе анализа соотношений, связывающих диэлектрическую проницаемость и измеряемую в ходе контроля величину, например, фазовый коэффициент распространения, используемых во второй главе, свойств диэ лектрических материалов, применяемых для изготовления диэлектрических волноводов и резонаторов и ограничений, связанных с электродинамическими соображениями делается вывод о том, что оптимизация датчиков в ряде случаев может быть осуществлена в ходе решения общей задачи нелинейного программирования - минимизации целесообразно выбранного критерия качества с ограниченишли в виде неравенств. Отмечается, что во многих случаях прямое применение методов нелинейного программирования не представляется воз-возможным в связи с тем, что функционалы качества не могут быть сформулированы в явном виде, поскольку измеряемая характеристика волноводного тракта связана с остальными характеристиками электромагнитного поля, параметрами датчика и объекта системами трансцендентных уравнений высокой размерности. С целью обеспечения возможностей оптимизации условий проведения неразрушаїощего контроля предлагается использовать иное, по сравнению с электродинамическим описанием,описание системы датчик - контролируемый объект, получаемое с использованием метода группового учета аргументов (МГУА) на основании модельных расчетов системы или экспериментальных данных. Значительное место в этой главе отведено подтверждению возможностей получения оптимальных описаний датчиков при использовании квадратичных описывающих Функций. Отмечается возможность использования получаемых описаний в системах неразрушающего контроля, включающих вычислительные средства малой мощности. Проведена оценка точности получаемых результатов при использовании выбранного описания и анализ случайных погрешностей, связанный с ошибками в определении рабочей длины волны и при измерении фазового коэффициента распространения.
Для проведения экспериментальной отработки датчиков и адаптации их характеристик к реальным объектам предлагается использовать дополнительную информацию, содержащуюся в распределении
электромагнитного поля в нем. Для этого теоретически и экспериментально обосновываются основные характеристики и методика визуализации поля в датчиках с использованием жидкокристаллических термоиндикаторов. Подчеркивается, что основными аргументами в пользу их применения являются малое влияние на характеристики датчика и высокая пространственная однородность.
В четвертой главе основное влияние уделено детализации применения фазовых, амплитудных, амплитудно-фазовых и частотных схем контроля, использующих диэлектрические волноводы и резонаторы при решении некоторых типовых задач. Излагаются методы определения характеристик датчиков при существенно меньшем, чем обычно, объеме экспериментальных данных. В этом контексте рассматриваются вопросы разрешающей способности и краевые эффекты при контроле диэлектрических покрытий на металлическом основании, устанавливается эмпирический коэффициент, определяющий степень взаимодействия волноводного датчика с контролируемым . технологическим параметром, которым в данном случае является вязкость связующего, используемого в ходе намотки. Особое внимание уделяется экспериментальным данным, характеризующим особенности применения датчиков на основе диэлектрических волноводов для изучения напряженного состояния изделий, индуцирующего анизотропию его диэлектрических свойств. Проводится сравнение полученных результатов с данными НМК тех же объектов традиционным, поляризационным методом. В заключение рассматриваются экспериментальные данные, определяющие зависимость резонансной частоты цилиндрических и дисковых резонаторов и частоты максимального отражения волноводов переменной толщины от диэлектрических свойств плоских образцов и их толщины, устанавливается размер контролируемой зоны, на основании чего выносится заключение о перспективности применения этих датчиков для неразрушающего контроля изделий из ПКМ.
Пятая глава посвящена описанию конструкции и технических характеристик прибора для оценки диэлектрической проницаемости первого слоя двухслойных изделий из полимерных материалов. Описываются основные теоретические и экспериментальные результаты, положенные в основу его работы и принятого метода обработки информации, получаемой в ходе контроля. В этой же главе производится описание дополнительных возможностей применения результата ! работы. Рассматривается вопрос прогнозирования с помощью соотношений, полученных МГУА,величины разрушающего давления для мембран, изготовленных из ПКМ при использовании данных об их диэлектрических свойствах, полученных с помощью рассматриваемых датчиков. Приводятся данные, характеризующие возможности применения разработанной методики и анализ ее эффективности.
Реализация результатов работы.Созданный прибор внедрен на одном из предприятий с экономическим эффектом 38022 руб, что подтверждено соответствующим актом внедрения.
Апробация работы.Материалы диссертации доложены и обсуждены на:
1) ІУ Всесоюзной конференции по жидким кристаллам. Иваново, 1977.
2) Всесоюзном семинаре по тепловым и капиллярным методам контроля. Азов, 1978.
3) П Всесоюзном симпозиуме по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Харьков, 1978.
4) Всесоюзной конференции " Методы и средства измерений электромагнитных характеристик радиоматериалов на ВЧ и СВЧ. Новосибирск, 1979.
5) Всесоюзном семинаре "Неразрушающие методы контроля изделий из полимерных материалов". М., 1980.
6) IX Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Минск, 1981. 7) Всесоюзном семинаре " Остаточные напряжения и методы регулирования", М., 1982.
Анализ технических средств радиоволнового контроля
В ходе рассмотрения технических средств ограничимся кругом задач,наиболее часто встречающихся на практике, и являющих-/ ся особенно актуальншли .Будем считать, что объект контроля имеет односторонний доступ.
Методы, схемы устройств и приборов, предназначенных для контроля технологических параметров, СВЧ дефектоскопии и струк-турометрии достаточно хорошо описаны в литературе /7,29-35/. Определяющим обстоятельством, обеспечивающим необходимую чувствительность радиоволновых приборов к изменению характеристик КС является выбор рабочей длины волны. Теоретически, чем короче длина волны, тем вероятнее надежное выявление более мелких структурных элементов. Однако, при этом возрастает поглощение (рассеяние) в среде и относительная.допустимая неоднородность материала выражается через отношение л /б . Поэтому, оптимальную длину волны находят теоретически и экспериментально. Чувствительность зависит от выбранного метода и схемы прибора, реализующего метод, от типа и размеров антенн и т.д. Для априорной оценки возможности контроля того либо другого параметра, как правило, производится математическое моделирование процесса взаимодействия СВЧ волны с КС. При этом прибор, контролируемый объект и окружающая среда рассматриваются как единая система. Составляя математическую модель системы, необходимо учитывать свойства среды и материала изделия и их изменчивость и распределение в трех измерениях.
В настоящее время при контроле изделий с односторонним доступом наибольшее применение находят приборы, построенные на основе амплитудного, фазового, амплитудно-фазового и поляризационного методов.
На рис. I.I а приведена схема типичных амплитудно-фазовых приборов, которая построена на использовании двойного тройника в качестве СВЧ моста. Сигнал СВЧ генератора пройдя через вентиль делится в направленном ответвителе на две части. Если одинаковые плечи тройника имеют одинаковую нагрузку, то отраженные СВЧ волны не проходят в выходное плечо тройника, мост согласован, а сигнал на выходе детекторной секции равен нулю. Балансировку моста, как правило, проводят за счет изменения положения перестраиваемых элементов опорного плеча при постоянных значениях рабочего зазора и толщины объекта на эталонном изделии при бездефектном его участке. Тройник должен выполняться с высоким уровнем развязки плеч Е и Н, составляющем величину 60-70 Дб, это позволяет выявлять набег фазы до 0,02 - 0,002 рад, изменение модуля коэффициента отражения до 2x10 , изменение д от 0,19 до 0,002 и расслоение с раскрывом от 0,5 до 0,005 мм /32/. С помощью подобных приборов возможно обнаружение локальных воздушных включений с размерами порядка 0,05 - 0,01 X (X - длина волны электромагнитных колебаний в диэлектрике), трещин с раскрывом порядка 0,05 мм, различия в плотности 0,05 г/см /33/.
Достоинством таких приборов является наглядность показаний и легкая их расшифровка, так как всем участкам контролируемого изделия, характеристики которого значительно отличаются от эталонного образца, соответствуют высокие значения выходного сигнала. Основными мешающими факторами являются толщина контролируемых изделий и изменение измерительной базы. Если последнюю можно стабилизировать относительно легко, то изменение толщины
КС является неустранимым фактором.
Схема, приведенная на рис. I.I б лишена этого недостатка /36/. Она отличается тем, что в ней опорное плечо из управляемых аттенюаторов заменено второй антенной. Симметричные плечи двойного волноводного тройника повернуты в одну сторону контролируемого объекта. Оба плеча тройника являются рабочими.Контроль производится за счет сравнения коэффициентов отражения от двух участков объекта, находящихся под антеннами. Если электрическая длина одинакова, то схема самобалансируется. Недостатком ее является то, что она фиксирует лишь границы протяженных неодно-родностей, не дает информации об изменении свойств изделий в целом, а также результат зависит от перекоса датчика.
На рис. 1.2 изображена чувствительная к изменению поляризации электромагнитной волны схема, в которой приемная и передающая антенны повернуты на 90. Максимальная чувствительность ее будет лишь к таким неоднородностям, которые производят поворот плоскости поляризации падающей волны на 90. Эти приборы выяв-лягот дефекты площадью больше, чем 0,5 - 1,0 см . Они пригодны для обнаружения различных деполяризующих дефектов в изотропных материалах, но наиболее перспективно их применение для контроля технологической анизотропии, а также внутренних действующих или остаточных напряжений в диэлектрических объектах /35/. Чувствительность поляризационных дефектоскопов не одинакова к любым дефектам, так как не обеспечивается независимость результатов контроля от расположения дефекта, например, трещины к вектору поляризации падающей волны.
Фазовый коэффициент распространения волн в диэлектрическом волноводе и диэлектрическая проницаемость объекта
Специфические особенности применения открытых направляющих систем для исследования диэлектрических свойств объектов будем рассматривать в рамках следующей модели (рис. 2.1 а). Плоский волновод с диэлектрической проницаемостью rg является бесконечно протяженным вдоль оси X, вариации поля в этом направлении отсутствуют. Волновод расположен над полупространством с проницаемостью гкс - этот параметр будет рассматриваться как предмет контроля. При таких ограничениях поле плоского волновода можно представить в виде ТЕ- ТМ-мод /61,62/. Составляющие поля ТЕ-мод имеют следующий вид:
Здесь fcu , fyyg , кцкс - поперечные коэффициенты распространения окружающего пространства, волновода и контролируемой среды, соответственно; ffi - относительная диэлектрическая проницаемость волновода; Сгкс - относительная диэлектрическая проницаемость
Геометрия задачи при определении фазового коэффициента распространения волн в диэлектрическом волноводе. контролируемой среды; М0 - магнитная проницаемость свободного пространства; о - толщина волновода; «Г - частота электромаг нитных колебаний; Лд - продольный коэффициент распространения. fc„g=Crg]b0 " Кд 9 Множитель в в выражениях (2.2.1) h i = kz-6nkt , опущен. где к0 - ifolk ; Efi =1; fri - диэлектрическая проницаемость окружающего пространства; Л - длина волны СВЧ колебаний. При гб гкс волновД направляет дискретный набор ТЕ-мод. Уравнение для собственных значений имеет вид:
Интерес представляют следующие обстоятельства:
а) продольный коэффициент распространения в диэлектри ческом волноводе зависит от 6Г& , о , ГкС и частоты электро магнитной волны, распространяющейся в нем иТ ;
б) коэффициенты распространения Ayg , kyKC зависят от па раметров иГ , S , 6п , с ; в) поле вне волновода экспоненциально спадает при удалении от его поверхности.
Этим обеспечивается: I- принципиальная возможность определения диэлектрических свойств среды, примыкающей к волноводу, при измерении фазового набега волны в волноводе; 2- независимость результатов измерения от свойств подложки при контроле двухслойных сред ( диэлектрик на металлической или диэлектрической подложках - рис. 2.1 в,г);возможность контроля приповерхностных слоев; 3- управляемый характер воздействия гкс на характеристики волн, распространяющихся в диэлектрическом волноводе,
Волны магнитного типа (ТЕ) ниже рассматриваться будут более подробно по сравнению с волнами ортогональной поляризации. Это связано с тем, что вектор электрического поля ( EL в соответствии с рис. 2,1 а ) так же, как и электрическая компонента обычно используемых при определении диэлектрических свойств волн ТЕМ типа,тангенциальна поверхности объекта контроля. На рис. 2.2 приводятся зависимости ( гкс) » получен ные при решении уравнений (2.2.1), (2.2.2) для некоторых соче таний с.г6 и о . По крутизне характеристики КР для /0( ГКС значений crg [3 - 5] и толщине волновода 1,5 - 2 мм они составляют 50 - 70 1/(М вд г) при частоте колебаний 36 ГГц, что совпадает по порядку с величинами, получаемыми при определении диэлектрической проницаемости волноводными методами при частичном заполнении образцом поперечного сечения. /15/. Однако, в этом случае не требуется изготовлять образцы строго заданных геометрических размеров, достаточно, чтобы одна из поверхностей объекта была плоской.
Переход от случая, соответствующего рис. 2.1 а к более интересным ( рис. 2.1 б,в,г ) связан с существенным усложнением математической модели. Системы уравнений для определения собственных значений Кд , kyi имеют следующий вид. Для волновода, расположенного над однородным полупространством на расстоянии d от него ( рис. 2.1 б)
Оптимизация математического описания моделей датчиков
Практическое использование приведенных в главе 2 связей между измеряемыми сигналами и контролируемыми величинами связано с решением соответствующих систем трансцендентных уравнений и отбором решений. Это требует значительных затрат времени и достаточно мощных вычислительных устройств, занятых непосредственно в ходе эксперимента.
Рассмотрим возможность оптимизации математической модели датчиков за счет использования соотношений измеряемый сигнал -параметры системы контроля с помощью метода группового учета аргументов ( МГУАО /79/. Выбор этого метода обусловлен следующими причинами: -возможностью использования МГУА для описания систем при малом объеме исходных данных; - направленность метода на описание систем с большим количеством параметров; - оптимальная сложность получаемых математических моделей систем.
Обсуждение этого вопроса начнем с простого случая - рас -смотрим плоский волновод и следуя представлению о зигзагообразных волнах коэффициент распространения определим выражением:
Здесь @ - угол, образованный нормалью к волновому фронту и нормалью к поверхности раздела диэлектрический слой - окружающая среда. Условия самосогласования, обеспечивающие распространение волн в плоском волноводе (условие поперечного резонанса), определяет дисперсионное уравнение волновода: в котором V - фазовый сдвиг, претерпеваемый волной при отраже нии от границ раздела ( рассматривается симметричный случай ), л. - порядок моды. Фазовый сдвиг является функцией угла 0 и для Е (ТМ)-волн о f Єг - диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Состав исходных аргументов; Q d lQ М/«, Модели были получены для случая распространения в волноводе низшего типа колебаний. При отборе лучших описаний использовались критерии регулярности и несмещенности (3.1). Для имитации изменения параметров ( rg , # , Я ) использовался стандартный датчик псевдослучайных чисел /ШМ(1Х,ГУ,УЕ1-) так,что rg6 [3-5] , Ь = [0,5-І J онр , (у - критическое значение толщины, обеспечивающее одномодовый режим, X = [ 7-9] хЮ"" м ( частота СВЧ колебаний в интервале 33,3 ГГц - 42,8 ГГц). Параметры, характеризующие условия выбора модели: число рядов селекции 5, количество лучших описаний, пропускаемых на каждом ряду селекции 14, количество узлов интерполяции - 40, iT„j =28, iLj =12 при использовании критериев регулярности, а для критериев несмещенности --N"„5 = .AL =20. Полученное описание определяет связь между зависимой переменной и исходными аргументами в виде: ІкЬ = -0.0U+0,09 6 + Z,00083 %ntqQ при теоретической связи: кх I = 1 тиЬа%.
Уже для первого ряда достигается значение коэффициента отбора (несмещенности) на порядок меньшее, чем для других описаний. не представляет собой конечной цели. Речь скорее должна идти о получении указанной связи в виде более удобного для использования соотношения полиномиального типа. При составе аргументов решалась задача установления связи & ef Кгё» гксЛ) гкс-диэлектричесная проницаемость среды, окружающей волновод. Учитывалось, что для обеспечения волноводного режима Єп гксі а для задания одномодового режима толщина волновода варьировалась в пределах Ь =[0,5-1] о и, . Лучшая математическая модель, полученная на третьем ряду:
Следующий результат получен для прямоугольного диэлектрического волновода с размером поперечного сечения си о =0,02х 0,01 и окруженного средой, диэлектрическая проницаемость которой изменяется от области к области ( рис. 2.5 ) /85/. При расчете использовался базовый алгоритм МГУА /80/. Выходной переменной является коэффициент распространения в системе , расчи-танный в соответствии с /46/. Входные данные, используемые для получения необходимого описания сформированы следующим образом. Значения -; , і=1,2,3,4,5 задаются квазислучайно,ішспользуя генератор случайных чисел RAWDU,(IX,iy,yeL), распределенных на интервале 0,1 равномерно. Частота j =[10 -1, x10 , количество отсчетов - 20, i x =16, lL =4. Разбиение всех модельных данных на различные последовательности осуществлялось при ранжировке по величине дисперсии.
Диэлектрический волновод как датчик для оценки состояния связующего
Общеизвестно, что механическая прочность изделий из компо ЗИЦИОННЫХ материалов зависит от соотношения в них связующего и наполнителя. Последнее определяется технологическим режимом изготовления изделия и во многом связано со скоростью пропитки связующим жгута или нити. Основным параметром, влияющим на скорость пропитки является вязкость связующего/Ю7/» зависищая как от состояния ингридиентов в нем, так и от температурного режима, которого придерживаются в процессе намотки.
В основе контроля состояния связующего в микроволновом диапазоне лежит корреляция между его вязкостью и диэлектрическими свойствами /13 /. Так, для связующего типа ЭДТ-10 при Т=60С такая зависимость может быть представлена следующим образом
i r =3,708527+0,398І0бхІ0 25Є -5,954552 (4.3.1) &{(эе)=- 8 =0,208327-0,175636xI0"2» +0,363642 (4.3.2) зс - вязкость связующего. Результаты исследования подобных зависимостей для связующих типа УП 612 М, ДЦЦПДМ, УП 632, представленные в /13 /, позволяют считать наиболее информативной характеристикой для опосредованной оценки вязкости значение диэлетри-ческих потерь.
Характеристики электромагнитной волны в ВДВ ( в частности, коэффициент распространения) являются функцией следующих параметров: fcj ( & Ь, 6г6, r, i d, j ) , где ir , Ьцо - диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь в связующем. Толщина контролируемого слоя при фиксированных прочих параметрах, зависит от частоты СВЧ колебаний и увеличивается при ее уменьшении. Экспоненциальная зависимость поля во внешней, по отношению к волноводу среде приводит к тому, что эффективно учитывается сое»о тояние связующего только вблизи волновода.
Теоретический анализ взаимодействия волн, направляемых ДВ прямоугольным волноводом прямоугольного поперечного сечения, погруженном в среду со значительными диэлектрическими потерями, как следует из результатов /13/ именно к таким материалам относятся получившие широкое применение связующие, сопряжен с целым рядом трудностей, дискретная часть спектра волн, существующих вблизи ДВ без потерь состоит из поверхностных волн, определяется действительными корнями соответствующих транцевдентных уравнений имеющих дополнительно бесконечное множество комплексных корней, определяющих вытекающие волны /108/. При наличии потерь такой простой (по порядку) зависимости между значением корня и типом волны не существует.
Для проведения оценок вязкости бнла использована установка, схема которой приведена на рис. 4.10. Сигнал от генератора электромагнитных колебаний СВЧ диапазона через вентиль В поступает в направленный ответвитель НО, где делится на две части. Одна из них попадает в опорный канал и пройдя через детектор Д измеряется ( индикатор И). Другая часть сигнала поступает в измерительный канал, содержащий диэлектрический волновод ДВ, проходящий через кювету с контролируемым веществом КС, и также измеряется.
Если амплитуда опорного сигнала равна А0, а измеренного -А0 Є , где Хк, - длина рабочего участка ДВ, то по их соотношению можно оценить значение вязкости Э& .
Результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 4.II. Первый из них (рис. 4.II а) представляет зависимость нормированного значения регистрируемого амплитудной схемой 4.10 сигнала от вязкости связующего ЭДТ-10. Эти данные были получены при погружении волноводного датчика, изготовленного из керамики с 6rg =5 и поперечными размерами 3,5x1,5 мм на частоте 38,5 ГГц в запоненную связующим и окруженную термостатирующей рубашкой кювету.
