Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор и постановка задачи исследования 14
1.1 Обзор существующих покрытий и методов контроля их параметров 14
1.1.1 Обзор методов контроля толщины диэлектрической проницаемости покрытий 14
1.1.2 Приемники волн СВЧ 28
1.1.3 Классификация СВЧ методов и устройств 30
1.1.4 Основные недостатки существующих методов контроля параметров покрытий 45
1.2 Задача сканирования волнового сопротивления на больших поверхностях 47
1.3 Постановка задачи разработки метода контроля толщины, диэлектрической, магнитной проницаемостеи и волнового сопротивления магнитодиэлектрических покрытий на металле 54
1.4 Выводы по разделу 1 55
2 Математическое описание взаимодействия поверхностных волн с магнитодиэлектрическим слоем на металлической поверхности 57
2.1 Решение краевой задачи распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация к ограниченной системе 57
2.2 Исследование решения задачи 75
2.3 Схема реализации метода измерения b,s',fj.',ZB,Уф 76
2.4 Выбор мод, длин волн генератора и диапазонов одномодовости Е- иН-мод 79
2.5 Основная мода Е1 85
2.6 Выводы по разделу 2 91
3 Метод, алгоритмы и устройства измерения электрофизических и геометрических параметров магнитодиэлектрического слоя на металле 92
3.1 Метод, алгоритмы измерения электрофизических параметров покрытия 92
3.2 Анализ аналитического решения для расчета величины недиссипативного ослабления моды Е1 107
3.3 Метод определения электрофизических параметров по измеренному значению коэффициента ослабления. Коррекция модели для слоя, содержащего ферромагнитные частицы 113
3.4 Определение волнового сопротивления спиновых магнитодиэлектрических покрытий 115
3.5 Выводы по разделу 3 129
4 Разработка устройств для реализации метода определения 130
4.1 Классификация апертурных излучателей 130
4.2 Внешние апертуры 132
4.3 Внутренние апертуры 138
4.4 Разработка направленных внутренних апертур 140
4.5 Разработка круговой секториальной антенны 142
4.6 Экспериментальная оценка метода определения и его метрологический анализ. Методика вычисления коэффициента ослабления 146
4.7 Базовая структура поля 148
4.8 Экспериментальные данные 153
4.9 Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическим свойствам метода определения 154
4.10 Оценка погрешности измерении метода определения Ь,Б',Ц'Л 157
4.11 Оценка погрешности определения диэлектрической, магнитной проницаемостей и толщины покрытий 158
4.12 Погрешность определения диссипативных величин 159
4.13 Оценка погрешности определения волнового сопротивления... 160
4.14 Проверка адекватности математической модели 161
4.15 Выводы по разделу 4 162
5 Метод индикации и идентификации параметров слоя и алгоритм оценки неоднородности 164
5.1 Реализация микроволнового метода индикации и идентификации параметров слоя и алгоритм оценки неоднородности 164
5.2 Алгоритм оценки неоднородности 171
5.3 Выводы по разделу 5 177
Заключение 178
Список использованных источников 179
Приложение. Акты внедрения результатов диссертационной работы 186
- Обзор методов контроля толщины диэлектрической проницаемости покрытий
- Решение краевой задачи распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация к ограниченной системе
- Анализ аналитического решения для расчета величины недиссипативного ослабления моды Е1
- Разработка направленных внутренних апертур
Введение к работе
Актуальность исследования. В современном мире технический прогресс в различных отраслях производства материалов, определяется совершенствованием известных и созданием новых технологий. Особое внимание уделяется исследованиям и разработкам методов и средств получения информации о параметрах технологических процессов и показателях качества авиационных материалов и изделий. Для качественного управления новыми технологическими процессами, контролем в течение всего жизненного цикла требуется получение значительного количества измерительной информации, а к средствам контроля предъявляются все более высокие требования по быстродействию и точности.
Производство композиционных поглощающих материалов и контроль качества готовой продукции требует измерения толщины слоя гетерогенных дисперсных магнитодиэлектрических покрытий, применяемых в технологиях производства радиозащитных материалов (РЗМ).
Актуальной и требующей скорейшего разрешения является проблема контроля толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей для слоя магнитодиэлектрических поглощающих покрытий на металле в процессе их нанесения и финишного контроля результатов этого процесса. Причем большое внимание придается скорости сканирования относительно больших по площади поверхностей с высокой разрешающей способностью локальных измерений. Это определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств определение толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле, а также обоснование их технической реализуемости.
Цель работы. Разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны для одновременного определения толщины,
электрофизических параметров (ЭФП) и неоднородностей слоя магнитодиэлектрических поглощающих покрытий на металле. Задачи диссертационного исследования:
решить краевую задачу распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и произвести коррекцию результатов расчетов к ограниченной системе для реального источника ЭМВ;
разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны определения, диэлектрической и магнитной относительных проницаемостей, толщины слоя магнитодиэлектрического покрытия, в основе которого лежит эффект взаимодействия медленной поверхностной волны (МПВ) со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности;
- разработать измерительные микроволновые устройства, реализующее
предложенный метод;
- разработать измерительную систему и алгоритмы обеспечения
локализации и оценки неоднородностей.
Методы исследований решения задачи диссертационной работы базируются на применении теории макроскопической электродинамики, математического и машинного моделировании, теории антенно-фидерных устройств и метрологии.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
Решение краевой задачи распространения медленной поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация результатов расчетов к ограниченной системе для реальных несинфазных излучателей по максимуму их ДН и для синфазной круговой антенны с круговой ДН.
Предложенный микроволновой бесконтактный метод определения толщины слоя магнитодиэлектрического покрытия, диэлектрической и магнитной проницаемостей, с оценкой локальных неоднородностей, а также
определение волнового сопротивления МДП, в основе которого лежит эффект взаимодействия МПВ со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности.
3 Разработанные излучающие устройства, реализующие предложенный
метод, в частности, внутренняя электронно-управляемая по максимуму ДН
секториальная антенна, обладающая большей мощностью излучения по
сравнению с обычной синфазной круговой антенной.
4 Разработанная информационно-измерительная система,
реализующая предложенный метод, и экспериментально подтверждающая
адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому
физическому процессу. Относительные погрешности совокупного измерения
толщины покрытия, диэлектрической и магнитной относительных
проницаемостей не превышает 5%, погрешности диссипативных величин
составили 8Є. < 6%, 5Ц. < 6.5% соответственно, погрешность модуля волнового
сопротивления составляет 5zB=10%.
Научная новизна результатов. На основе теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия неоднородного электромагнитного поля разных мод МПВ с МДП на металле разработан микроволновой метод МПВ неразрушающего контроля толщины, ЭФ свойств, поглощающих МДП с оценкой локальных ЭФ неоднородностей. Метод обладает высоким быстродействием, локальностью измерения и инвариантен величине зазора между приемным датчиком и контролируемым покрытием. Отличительной особенностью метода является то, что толщина, ЭФ параметры покрытия и их неоднородности определяются по измеренным величинам нормального к направлению распространения недиссипативного ослабления поля неоднородной МПВ на двух длинах волн моды Е и одной длине волны моды Я, причем при определенном оптимальном значении трех длин волн нелатентных мод.
Достоверность и обоснованность полученных основных результатов и выводов подтверждается корректностью физических и математических моделей основанных на электродинамической теории распространения поверхностных медленных волн.
Подтверждение теоретических результатов экспериментально при их лабораторных и промышленных испытаниях.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного метода МПВ контроля магнитодиэлектрических параметров, толщины поглощающих покрытий с оценкой локальных ЭФ неоднородностей, который защищен четырьмя патентами РФ № 2256165, 2251073, 2193184, 2273839, создано и внедрено в производство измерительное устройство с соответствующим программным, алгоритмическим, метрологическим обеспечением, позволившее решить задачу быстродействующего определения ЭФ, геометрических параметров относительно больших по площади сканируемых поверхностей МДП и материалов с необходимой для технологических измерений точности.
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 23 работы, получено 4 патента РФ на изобретение.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на VII Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» МГТУ им. Баумана (Москва, 2000); IV Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); II Международной научной конференции «Измерения, контроль, информатизация» Алтайский ГТУ (Барнаул, 2001); IV Международной теплофизической школы «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ТГТУ (Тамбов, 2002); VII Всероссийская НТК «Состояние и проблемы измерений» (Москва: МГТУ
им. Баумана, 2002); VIII Всероссийская научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и безопасности полетов и ЛА с учетом климатографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (Иркутск, 2003); IX Всероссийской научной конференции «Состояние и проблемы измерения» МГТУ им. Баумана (Москва, 2004).
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственные испытания и внедрены в в/ч 15401, в ОАО "Завод подшипников скольжения" г.Тамбов, реализованы при разработке и выполнении «Основных направлений развития вооружения и военной техники на период до 2005 года». Основные результаты технических и экспериментальных исследований использованы в НИР «Замедление-99», заданной ГК ВВС. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской практике Тамбовского ТВВАИУРЭ, ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения. Объем работы 193 страницы машинописного текста. Список использованных источников включает 57 наименований библиографического указателя. Работа содержит 94 рисунка, 5 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, показаны результаты реализации и апробации, изложено краткое содержание глав.
В первом разделе произведен сравнительный анализ существующих методов и устройств контроля поглощающих магнитодиэлектрических покрытий. Приведены достоинства и недостатки электрических и магнитных методов.
Рассмотрены конструкции вихретоковых и емкостных датчиков. Произведен сравнительный анализ средств толщинометрии покрытий. На основе проведенного анализа были установлены основные недостатки, сужающие возможность их применения. Сюда, в первую очередь, следует отнести: малое быстродействие сканирования больших поверхностей; нелокальность измерений; влияние контролируемых параметров; высокую чувствительность к переменной величине зазора между полеобразующими поверхностями проводящих элементов и контролируемым слоем.
В разделе дана классификация радиоволновых СВЧ методов и средств контроля параметров покрытий.
Обоснована необходимость разработки нового бесконтактного СВЧ
метода контроля указанных параметров поглощающих
магнитодиэлектрических покрытий на металле.
Во втором разделе дано математическое описание процесса взаимодействия электромагнитного поля с магнитодиэлектрическим покрытием на металле, и предложен метод быстродействующего определения ЭФС и толщины слоя таких покрытий.
Решена краевая задача распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник».
Возбуждаемое электромагнитное поле, описываемое уравнениями Максвелла в слое диэлектрика и в окружающем пространстве, удовлетворяет условиям излучения, а также граничным условиям на металлической поверхности и на поверхности раздела диэлектриков.
В третьем разделе рассмотрены разработанные методы и устройства измерения ЭФ и геометрических параметров магнитодиэлектрического покрытия, произведен анализ внутренних и внешних апертур с целью выбора варианта апертуры применительно к поставленной задаче, предложена совокупность алгоритмов реализации процесса измерения и модели измерения.
В четвёртом разделе была поставлена задача проектирования формы апертуры излучающей системы, обеспечивающей максимум энергии волны в магнитодиэлектрическом слое на металле. Для этого необходимо обеспечить такую диаграмму направленности излучателя по углу места, чтобы с одной стороны наблюдалось полное внутреннее отражение в слое, а с другой - не было отраженной прямой волны от поверхностного слоя. В качестве внутреннего излучателя была разработана электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная апертура, обладающая большей мощностью излучения по сравнению с разработанной синфазной круговой апертурой. При этом подстилающая металлическая подложка входит в излучающую систему. Показаны преимущества апертуры применительно к решаемой задаче по сравнению с узконаправленными излучателями.
Показано соответствие санитарным нормам при работе с источниками электромагнитного излучения СВЧ диапазона.
В пятом разделе рассмотрен метод наиболее простой и доступной исследователям аппаратурной реализации индикации и идентификации параметров слоя и алгоритмы оценки неоднородности измерений поверхностных волн. В предложенном методе определения неоднородностей покрытия мерой параметров неоднородностей покрытия является отклонение распределения напряженности поля в зоне дифракции от экспоненциального, характерного для зоны покрытия без неоднородностей или, что то же самое, непостоянство. Отклонение напряженности поля от экспоненциального есть результат интерференции полей поверхностной медленной волны с рассеянно отраженной от неоднородности быстрой волны (являющейся результатом дифракции медленной поверхностной волны на неоднородности) вне слоя для геометрической неоднородности любого типа, так как она может бьпъ аппроксимирована суммой клиновидных неоднородностей при малом шаге или внутри слоя, где также любая электрофизическая неоднородность может быть сведена к геометрической неоднородности. Экспериментально подтверждена адекватность расчетнькматематических зависимостей исследуемому физическому процессу.
Обзор методов контроля толщины диэлектрической проницаемости покрытий
К диэлектрическим покрытиям на электропроводящем основании относятся различные оксидные, фосфатные, лакокрасочные, керамические, эмалевые, пластмассовые и другие покрытия на ферро- и неферромагнитных металлах и сплавах.
К электропроводящим покрытиям относят различные виды гальванических покрытий. Они могут быть как ферромагнитными (например, никелевые), так и не ферромагнитными (например, цинковые, медные, золотые, серебряные и т.д.). Материал основания может быть ферро- и неферромагнитными.
Многообразие комбинаций покрытий и оснований приводит к необходимости применения специализированных приборов и сложных методик контроля, которые заключаются в предварительных градуировках приборов по контрольным образцам [1].
В настоящее время для контроля параметров многослойных покрытий в процессе их нанесения и затвердевания применяются в основном вихретоковые и емкостные датчики [2, 3].
Электрические методы основаны на создании в контролируемом объекте электрического поля.
В качестве первичного информативного параметра используются характеристики объекта контроля: электрические (например, диэлектрическая проницаемость, коэффициент диэлектрических потерь) и его геометрических размеров.
Косвенным путем можно определить и другие физические характеристики материала: плотность, содержание компонентов в гетерогенных системах, влажность, степень полимеризации и старения, механические параметры, радиопрозрачность и пр. [1].
К наиболее информативным геометрическим параметрам объекта контроля следует отнести толщину пластин, оболочек и диэлектрических покрытий на проводящем и непроводящем основаниях, поперечные размеры линейно-протяженных проводящих и диэлектрических изделий (нитей, стержней, лент), локализацию проводящих и диэлектрических включений и др.
В качестве первичного информативного параметра при использовании электрических методов контроля используются электрические характеристики объекта контроля, в частности, диэлектрическая проницаемость.
Конструкция электроемкостного преобразователя (ЭП) зависит от объекта контроля и, в первую очередь, от агрегатного состояния исследуемой среды [1].
Наиболее сложную задачу представляет контроль твердых материалов. При этом конструкцию ЭП определяет условие обеспечения неразрушающего контроля. Для решения такого рода задач применяют, в частности, накладные ЭП, электроды которых расположены на одной стороне поверхности объекта контроля или непосредственно на поверхности контролируемого объекта или в непосредственной близости от него. С целью обеспечения дистанционного контроля часто некоторые элементы измерительной схемы располагают в выносном блоке преобразователя.
Накладные ЭП характеризуются большой неоднородностью создаваемого ими электростатического поля в объекте контроля с максимальным значением напряженности поля (и, следовательно, максимальной чувствительностью) непосредственно у поверхности электродов и быстрым затуханием поля по мере удаления от электродов. В связи с этим использование накладных ЭП обычно требует осуществления мер по компенсации влияния контактных условий (шероховатость поверхности, ее загрязнение и пр.).
Широкое применение для измерения электрических характеристик объекта контроля нашли односторонние емкостные накладные датчики [3, 4]. На рисунке 1.1 показана расчетная схема планарного преобразователя с охранным электродом.
На непроводящем основании 1 находятся: высокопотенциальный 2, измерительный 5, внутренний охранный 4 и наружный охранный 6 электроды. Преобразователь контролирует изделие 3. Между электродом 2 и электродами 4, 5, 6, имеющими одинаковое напряжение, образуется электрическое поле, состоящее из трех областей А, Б и В, каждая из которых связана с напряжением на электродах 4, 5 и 6 соответственно. Силовые линии на границах этих областей показаны штриховыми линиями. К измерительному электроду 5 ток проходит только через зону Б и поэтому изменения, происходящие в зонах А и В, преобразователем практически не учитываются.
Охранный электрод выполнен в виде корпуса. В прорезях корпуса на изоляторах 1 установлены высокопотенциальный электрод 2 и измерительный электрод 5. В окнах корпуса 4 электроды соединены с жилами коаксиальных кабелей 3, 6.
Магнитные толщиномеры предназначены для контроля толщины защитных покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов. Рисунок 1.3 Магнитные толщиномеры, действие которых основано на магнитном методе измерения толщины покрытий, подразделяются: -на приборы с постоянными магнитами, сила отрыва от детали которых измеряется при помощи пружинных динамометров; -на приборы с электромагнитами, сила отрыва от детали которых измеряется по измерению тока намагничивания; -на приборы, действие которых основано на регистрации изменений магнитного сопротивления контролируемого участка, вызванных изменением расстояния между датчиком и поверхностью объекта.
Решение краевой задачи распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация к ограниченной системе
Предлагаемый метод определения электрофизических параметров покрытия на металле использует явление «разлития» поверхностной волны по плоскости и быстродействующего сканирования результатов взаимодействия поля со слоем покрытия в функциях комплекса параметров: относительной диэлектрической є, магнитной проницаемости р, и толщины покрытия Ъ [15].
Метод основан на том факте, что поле поверхностной (медленной) волны Е(Н), при распространении вдоль слоя «диэлектрик-металлическая поверхность», затухает по оси Y, причем величина коэффициента затухания ап в случае отсутствия существенного градиента электрофизических параметров неоднородностей исследуемого слоя не является функцией координаты у, т.е. процесс его измерения инвариантен положению датчика по оси у, что является большим преимуществом. Все существующие методы определения электрофизических параметров покрытия на металле со всеми их достоинствами и недостатками используют два глобальных способа взаимодействия полей в информативных целях: -взаимодействие квазистационарных магнитных и электрических полей относительно низких частот (менее 1 МГц); -вне зависимости от способа измерения (амплитудный, фазовый и т.д.) информативно используется результат интерференции однородных бегущих в свободном пространстве над слоем волн диапазона СВЧ. В работе впервые рассмотрена возможность использования в информативных целях определения электрофизических параметров так называемых медленных поверхностных неоднородных волн. Их характерной особенностью является то, что направление распространения ортогонально направлению недиссипативного ослабления. Это затухание и является информативным параметром для режима разных мод, возбуждаемых в слое.
Обоснуем, почему имеет место хорошее соответствие между экспериментальными величинами ау и их теоретическими значениями. На рисунке 2.1 показан первичный несинфазный источник (апертура с ДН, ограниченной по азимуту и углу места) совместно с «отсекателем» прямой волны и прочими специальными мерами построения излучающей апертуры, обеспечивающими минимум поля быстрой волны вне слоя и максимум медленной волны в слое.
Следовательно, формально необходимы отдельные апертурные системы, как самостоятельные источники либо мод -волн, либо //-волн, хотя все реальные источники - источники (в азимутальной ширине диаграммы направленности (ДН)) гибридных волн ЕН- или /Ж-волн.
Указанная выше замена реальной апертуры эквивалентным источником Гюйгенса с учетом нижеприведенных допущений (постулатов), позволяет решить краевую задачу распространения неоднородных поверхностных волн над исследуемым слоем с переменными параметрами и дать физические и теоретические обоснования применимости этих волн к решению поставленных задач. Результаты, полученные для бесконечных синфазных источников поверхностных волн, могут быть применены для реальных излучателей при следующих допущениях.
Допущение 1. Решение задачи для реальных несинфазных излучателей по максимуму их диаграммы направленности совпадает с аналитическим решением для бесконечно длинных синфазных излучателей. Векторная картина для Е- или Н-волн синфазного излучателя бесконечной длины, а также для реального излучателя с пучковой ДН при азимутальном угле Ф = О (т.е. по максимуму ДН). На рисунке 2.4 а, б показаны векторные картины силовых линий электромагнитной волны (ЭМВ) для волн синфазного излучателя бесконечной длины и для реальной апертуры соответственно. Допущение 2. Решение задачи для специальной круговой апертуры с диаграммой направленности шириной по азимуту фтах = 2% в дальней зоне (рисунок 2.5), также совпадает с аналитическим решением для бесконечно длинных синфазных излучателей при условии L = 2%R»Xr, где R внешний радиус апертуры [15].
Частью апертуры любого излучателя поверхностных (медленных) волн можем считать части синфазных излучателей Е и Я-волн. Поэтому проанализируем краевую задачу для Е и Я-волн и получим характеристическое уравнение для волновых векторов (собственные числа) для условия распространения и недиссипативного нормального к поверхности ослабления.
Рассмотрим простейшие случаи бесконечных синфазных источников Е и Я поверхностных волн. Эти поверхностные волны являются медленными, т.е. имеет место экспоненциальное недиссипативное ослабления поля над замедляющей структурой. Таким образом, имеют место быть неоднородные медленные волны.
Важнейшим свойством медленной волны, является ее поверхностный характер — ослабление ее амплитуды в нормальном по отношению к вектору Пойтинга Ilz направлении над замедляющей структурой (рисунок 2.4). Поле волны оказывается, как бы, «прилипающим» к поверхности, т.е. носит поверхностный характер [9, 18]. Причем, ослабление волны в этом направлении не связано с распространением в среде с потерями (не носит диссипативный характер) [8, 17].
На рисунке 2.6 показано распространение медленной волны в замедляющей структуре. На рисунке обозначены: 1 - нить синфазного электрического (источник Я-мод) или фиктивного магнитного тока (источник -мод); 2 - замедляющая структура (слой диэлектрика совместно с металлической плоскостью 3).
Анализ аналитического решения для расчета величины недиссипативного ослабления моды Е1
Решение трансцендентного уравнения (2.27) для получения аналитических выражений информативной величины cci= Ф (X, є , b) с учетом того, что по (2.30) величина 0 РЕ п / 2, возможно лишь графически или только численно. Разработанные нами программы численного расчета аЕ\ по (2.27) с учетом (2.30) позволяют получить графическое их решение. Аппроксимация этих графических решений вполне возможна в необходимых диапазонах измерений толщины и диэлектрической проницаемости покрытий при удобных для экспериментальной реализации наборах длин волн (4, 8.1, 8.6, см и т.д.). Указанные программы позволяют получить графические решения выражений, кроме зависимостей oti...«= Ф (X, є , b), также зависимости и для Хн\...п - Ф (X, є , b), с учетом того, что \ь Ф 1, вычислить функции чувствительностей по измеряемым и мешающим факторам, погрешностей измерений, получить аппроксимирующие функции и т.д..
Расчеты подтверждают тот факт, что согласно теории электродинамического подобия, с уменьшением величины длины волны увеличивается чувствительность метода в сторону малых величин толщины и диэлектрической проницаемости. Также отметим тот факт, что зависимость коэффициента затухания волны от величины диэлектрической проницаемости аппроксимируются линейно в достаточно широком диапазоне.
В качестве примера на рисунке 3.7 показаны зависимости коэффициента затухания а от толщины b при единой є диэлектрической проницаемости и различных длин волн X. На рисунке 3.8 показаны зависимости а от є диэлектрической проницаемости при единых b толщины слоя и при экспериментально реализуемых величинах Я,. Эти графики подтверждают тот факт, что согласно теории электродинамического подобия, с уменьшением величины длины волны X увеличивается чувствительность метода в сторону малых величин толщины b и диэлектрической проницаемости є .
На рисунке 3.9 а,б показаны двумерные зависимости информативного параметра а= Ф (г ,Ь) для моды Ej, и позволяют при выбранной длине волны провести необходимую оценку размеров поля измеряемых величин є и Ь, при X = 0,086 м и X = 0,5 м соответственно.
Численное решение задачи определения чувствительности Sa,e =да/де(е ,Ь) и So, ь - да / db (г ,Ь) при X = 0,086 м как двумерных зависимостей представлены на рисунке ЗЛО а,б соответственно. Они показывают, что максимумы чувствительности величины а к изменению є и Ъ лежат на противоположных границах диапазона измеряемых величин диэлектрической проницаемости. Это позволяет судить о том, что большие величины толщин слоев с высокой точностью можно измерять при малых величинах диэлектрической проницаемости (порядка 1...2). Кроме того, очевиден тот факт, что чувствительность S% е = да I дв (s , b) растет в сторону больших величин толщины и диэлектрической проницаемости покрытия, что согласуется с тем фактом, что в этой области величина pi стремиться к тг / 2.
На рисунке 3.11 а,б показаны двумерные картины распределения абсолютной погрешности определения Да для моды Ei при ц/ = 1,2 и ц = 2 соответственно.
При использовании для измерений є и Ъ алгоритма 1 величина ц Ф1 (fj/ l) приводит к погрешностям их измерений. С целью устранения этой погрешности необходимо уточнение расчетной модели (2.27) или (2.40). С другой стороны, применение алгоритмов 2 и 5 (см.ЗЛ) в прямую требует выявления взаимосвязи величин s и ц сложных слоевых покрытий, состоящих в основном из жидкости носителя (с параметрами єн 1, \хн = 1) и ФМЧ (ФМЧ, ИФМЧХ связанных с основной характеристикой спинового слоя -концентрацией СФМЧ.
Иными словами, следует учесть, что указанные величины є и \а являются относительными величинами смесей «носитель-ФМЧ» и обе зависят от значения относительной объемной концентрации ФМЧ Су. Получим взаимозависимость є и \і! с целью выражения комплекса є ц только через є (є і = Фі(е )) для (2.27) или только через ц (є ц = Ф2(р. )) для (2.28).
Разработка направленных внутренних апертур
В этом случае [условие (4.14)] требуется увеличение мощности излучения. К этому же выводу приводит невысокий коэффициент бегущей волны КБВ 0,5, а также тот факт, что на открытом конце прямоугольного ВВ возникают волны высших порядков (при основной - #,о), и появляются токи, затекающие на наружную поверхность ВВ.
Применение прямоугольных Е- и Я-секториальных, пирамидальных (с постоянными и переменными углами раскрыва) рупоров, обладающих меньшими значениями азл» большими Дтах и КБВ, позволяет уменьшить мощность излучения, но требует введения поправки на несинфазность фронта даже в дальней зоне (ДЗ). На рисунке 4.6 а,б показаны конструкции рупорных излучателей-возбудителей поверхностной волной на прямоугольном и на круглом ВВ соответственно.
Вариантом является разработанная пирамидальная апертура с плавно-переменным углом раскрыва для реализации СВЧ метода локализации неоднородностей и оценки их относительной величины [42].
Согласно [43] конические апертуры обладают неустойчивостью поляризации электромагнитной волны. Этого недостатка лишен рупор с полуконической апертурой. При этом металлическая подложка (нижняя часть апертуры) обеспечивает стабилизацию поляризации ЭМВ. Поле в полурупорной апертуре в силу «зеркального» принципа по структуре совпадает с «половиной» поля основной волны Нц. Кроме того, структура поля в раскрыве (рисунок 4.6 б) говорит о том, что полуконические апертуры могут служить источником как Е-, так и Н-мод, ибо вектор Е в раскрыве имеет составляющие по осям х и у.
В данном разделе решается задача проектирования формы апертуры излучающей системы, обеспечивающей максимум энергии волны в магнитодиэлектрическом слое на металле. Для этого необходимо обеспечить такую диаграмму направленности излучателя по углу места, чтобы с одной стороны наблюдалось полное внутреннее отражение в слое, а с другой - не было отраженной прямой волны от поверхностного слоя.
В качестве внутреннего излучателя была разработана электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная апертура (рисунок 4.7), обладающая большей мощностью излучения по сравнению с разработанной синфазной круговой апертурой. При этом подстилающая металлическая подложка входит в излучающую систему. Показаны преимущества апертуры применительно к решаемой задаче, по сравнению с узконаправленными излучателями. Это, в первую очередь, непрерывная по азимуту всенаправленность, отсутствие необходимости вращения и достаточно простая конструкция [44].
Устройство, реализующее электронно-управляемую секториальную апертуру, показанное на рисунке 4.7, состоит из круглого волновода 1, верхней «тарелки» 2 апертуры с углом раскрыва 6popt, обеспечивающем удовлетворительное согласование со свободным пространством при приемлемой мощности прямой волны, согласующего конуса 3, N-излучающих секторов 4 с узкой ДН, шириной по азимутальному углу A p = 2n/N электромагнитного экрана-отсекателя прямой волны 5, подстилающей металлической поверхности 7 с нанесенным поглощающим покрытием 5, вентиля на поперечно намагниченном (Я0± - поле поперечного резонанса) феррите или на /?ш-диоде, управляемом величиной Е0 (#0 = 0 - вентиль открыт - волна на выходе есть; Н0 =Н01 - вентиль закрыт - волны на выходе нет) 8, поглотителя затекающего тока 9; «крышки-преломителя» 10.
В электронноуправляемой круговой секториальной апертуре в качестве нижней части апертуры используется подстилающая металлическая поверхность 7. Расстояние между слоем покрытия б и верхней стенкой апертурного излучателя 4 или верхней тарелкой круговой секториальной апертуры должно удовлетворять условию bmin amin bmax, где bmin и Ьтах минимальная и максимальная толщина покрытия.
Особенностью приемной части аппаратурной реализации способа является наличие устройства создания постоянного поля поперечного ферромагнитного резонанса Я0± для определения гиромагнитных потерь уга.
Устройство подмагничивания (рисунок 3.13) расположено над горизонтально расположенным вибратором вблизи диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия и представляет собой пустотелый цилиндр из ферромагнитного материала, на котором находится соленоид подмагничивания. Включают ток подмагничивания в соленоиде подмагничивания, создают постоянное поле подмагничивания, соответствующее поперечному ферромагнитному резонансу Н01 и производят измерения напряженности электрического поля Е±(х0, ZQ) Н-волны вблизи покрытия.
В данной точке исследуемой поверхности (х0, ZQ), расположенной по максимуму ДН сектора, шириной Аф апертурой антенны, определяют локальные значения є , \і и b.
Апертура сочетает возможности синфазной круговой апертуры и обеспечивает электронное обегание круговой синфазной ДН при большой мощности излучения в секторе N-pynopa с узкой ДН по ее максимуму. При этом отсутствует необходимость перемещения излучающей апертуры.
Алгоритм обегания секториальной ДН последовательный по включению N вентилей или, при необходимости, адаптивный. В случае адаптивного алгоритма переключения ДН секторов следует синхронизировать положение ЛПВ по максимуму ДН сектора.
Рупорные возбудители (апертуры) наиболее эффективны для возбуждения поверхностной волны. Раскрыв рупора перехватывает не всю энергию поверхностной волны, а только ее часть, связанную с его площадью и определяемую кпд возбуждения. Поэтому согласование раскрыва рупорного возбудителя производится не с волновым сопротивлением этой волны WEH3C, а с величиной pfVEI{3C (р 1 - объемная плотность электрического поля). В связи с этим имеется прямая быстрая волна.
Согласование рупорной апертуры можно также добиться применением так называемой «крышки-преломителя» 10, помещенной в раскрыве апертуры. В этом случае полный коэффициент отражения в месте перехода рупорного возбудителя к линии поверхностной волны будет определяться ее профилем и местоположением относительно раскрыва апертуры. Кроме того, обеспечивается защита внутренней полости рупора от влияния окружающей среды.
Предлагаемый алгоритм позволяет повысить точность определения диэлектрической и магнитной проницаемостей за счет измерения их мнимой части, а также волнового сопротивления и толщины диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия, а так как измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов от поверхности, то не требуется специальных мер отстройки от зазора, что повышает точность и дает возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя поверхностных волн.
