Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор и постановка задачи исследования 14
1.1 Современное состояние вопроса измерения электрофизических, концентрационных и геометрических параметров твердых гиромагнитных материалов, выбор частотного диапазона 14
1.2 Обзор существующих неразрушающих методов контроля магнитодиэлектрических жидких и твердых материалов 17
1.2.1 Амплитудно-фазовые методы «на отражение» 17
1.2.2 Средства дефектоскопии 27
1.2.3 Средства структуроскопии 34
1.2.4 Средства контроля физико-механических параметров 37
1.3 Микроволновые методы поверхностных волн измерения толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей маг-нитодиэлектрических покрытий на металле 40
1.4 Постановка задачи разработки радиоволнового метода контроля электрофизических и геометрических параметров и их неоднородностей магнито диэлектрических материалов 41
1.5 Выводы по разделу 1 46
2 Распространение плоской электромагнитной волны в системе «магнитодиэлектрик-проводник » 47
2.1 Математическое описание распространения поверхностной медленной электромагнитной волны в системе «магнитодиэлектрикпроводник» 47
2.2. Схема реализации метода измерения b,s',ju',Zb,V^ и интроскопии ПВМ ^2
2.3 Диапазоны одномодовости Е- и Я-мод "4
2.4 Основная мода электромагнитной волны электрического типа распространяющейся в системе «магнитодиэлектрик-проводник».. 69
2.5 Аппроксимация аналитической модели и ее оценка 75
2.6 Выводы по разделу 2 79
3 Методы и алгоритмы определения, оценки и визуализации неоднородностей электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий на металлической подложке 81
3.1 Алгоритмы измерения толщины и электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий 81
3.2 Основной алгоритм определения и локализации неоднородностей магнитодиэлектрических покрытий 88
3.3 Алгоритм визуализации неоднородностей по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания Оу поля поверхностной медленной волны - микроволновая интроскопия поверхностной медленной волны 96
3.4 Методы фрактального анализа неотражающих и поглощающих покрытий 99
3.5 Определение электрофизических параметров радиопогло-щающих покрытий с учетом стохастической фрактальной шероховатости 105
3.6 Разработка круговой синфазной внутренней апертуры для реализации предложенного метода определения электрофизических параметров и оценки их неоднородностей 112
3.6.1 Внешние излучатели 112
3.6.2. Круговые синфазные внутренние апертуры 115
3.6.3 Аппаратная реализация разработанной апертурно-
измерительной системы 118
3.7 Выводы по разделу 3 126
4 Экспериментальная оценка метода определения электрофизи ческих и геометрических параметров магнитодиэлектрических покрытий и их неоднородностей, метрологический анализ 128
4.1 Экспериментальная оценка метода определения Ь, є', /л', ZB и его метрологический анализ. Методика вычисления коэффициента ослабления 128
4.2 Базовая структура поля 134
4.3 Экспериментальные данные 139
4.4 Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическим свойствам метода определения электрофизических параметров и неоднородностей покрытий 139
4.5 Оценка погрешности измерений метода определения b,E',n',ZB 143
4.6 Оценка погрешности определения диэлектрической, магнитнои проницаемостеи и толщины покрытии 148
4.7 Оценка погрешности определения волнового сопротивления 14R
4.8 Погрешность определения диссипативных величин
4.9 Проверка адекватности математической модели
4.10 Выводы по разделу 4 153
Заключение
Список используемых источников
- Обзор существующих неразрушающих методов контроля магнитодиэлектрических жидких и твердых материалов
- Основная мода электромагнитной волны электрического типа распространяющейся в системе «магнитодиэлектрик-проводник»..
- Алгоритм визуализации неоднородностей по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания Оу поля поверхностной медленной волны - микроволновая интроскопия поверхностной медленной волны
- Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическим свойствам метода определения электрофизических параметров и неоднородностей покрытий
Введение к работе
Актуальность исследования. Технический прогресс в различных отраслях промышленности (химической, нефтеперерабатывающей, авиационной, лакокрасочной и т.д.) 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 материалов и изделий. Для повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции требуется получение значительного количества измерительной информации, а к средствам контроля предъявляются все более высокие требования как по быстродействию, так и по точности.
В процессе разработки композиционных материалов, отработки технологии их производства, контроля качества готовой продукции возникает необходимость определения электрофизических параметров гетерогенных дисперсных материалов с потерями, важнейшими из которых являются диэлектрическая є и магнитная ju проницаемости и удельная проводимость у.
Многообразие комбинаций радиопоглощающих магнитодиэлектрических материалов и покрытий, важность задач решаемых ими приводит к необходимости применения специализированных приборов и сложных методик неразрушающего контроля не только их электрофизических и физико-механических параметров, но также и неоднородностей этих параметров, их распределения по толщине слоя материала и по всей площади покрытия, что являются важнейшими критериями качества радиопоглощающих магнитодиэлектрических покрытий металлов.
Все приведенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработок бесконтактных методов и устройств неразрушающего контроля электрофизических параметров, а также неоднородностей этих параметров, широкого класса диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов и покрытий металлов. Цель работы. Разработка микроволнового метода и устройства определения электрофизических параметров магнитодиэлектрических и диэлектрических покрытий на металле и их неоднородностей на основе математического описания распространения медленной поверхностной волны в слое магнитоди-электрика на металле.
Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач:
- провести анализ современного состояния микроволновых методов контроля электрофизических и геометрических параметров и их неоднородностей магнитодиэлектрических и диэлектрических материалов и покрытий металлов, определить тенденции и направления их дальнейшего развития;
- разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны для контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических поглощающих покрытий металлов и их неоднородностей - метод микроволновая интроскопия поверхностной медленной волной;
- разработать алгоритм визуализации размещения неоднородностей электрофизических параметров магнитодиэлектрических и диэлектрических покрытий на всей площади сканируемой поверхности по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны;
- разработать измерительно-вычислительную систему, реализующую предложенный метод микроволновой интроскопии поверхностной медленной волной, провести ее метрологический анализ.
Методы исследований базируются на применении теории электродинамики, математического и машинного моделировании, теории антенно-фидерных устройств, измерений и метрологии.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты: 1 Математическое описание 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.
2 Микроволновой бесконтактный метод определения диэлектрической и магнитной проницаемостей, с оценкой их локальных неоднородностей, а также определение волнового сопротивления МДП, в основе которого лежит эффект взаимодействия МПВ со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности.
3 Неразрушающий микроволновой метод контроля неоднородностей
электрофизических параметров магнитодиэлектрических радиопоглощающих материалов и покрытий металлов.
4 Измерительная система, реализующая разработанный метод, и экспериментально подтверждающая адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому физическому процессу, с приемлемой точностью измерений.
Научная новизна результатов. На основе теоретических и экспериментальных исследований эффекта распространения ЭМВ в слое магнитодиэлектрика на металле получены следующие научные результаты:
- обоснован и разработан СВЧ метод неразрушающего контроля диэлектрической и магнитной проницаемостей материала и неоднородностей этих параметров по оценке деформации пространственно-временной структуры поля поверхностной медленной волны, распространяющейся в исследуемом материале. Метод отличается высоким быстродействием и точностью, а также инвариантностью (нечувствительность) к вариациям зазора между полеобразующими поверхностями проводящих элементов и сканируемой сложной слоистой системой «маг-нитодиэ л ектрик-металл»;
- разработан алгоритм визуализации неоднородностей электрофизических параметров по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания ау поля поверхностной медленной волны, позволяющий повысить точность определения неоднородностей материала, минимизировать мас-согабаритные размеры реализующего устройства и обеспечивающий высокое быстродействие сканирования больших поверхностей покрытий; - разработана измерительно-вычислительная система реализующая предложенный метод, основным элементом которой является круговая синфазная «внутренняя» антенна, обеспечивающей согласование ЭМВ с объектом контроля.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается корректностью физических и математических моделей основанных на электродинамической теории распространения поверхностных медленных волн вдоль магнитодиэлектрического материала, а также экспериментальным подтверждением теоретических результатов при лабораторных и промышленных испытаниях измерительно-вычислительных устройств неразрушающего контроля толщины и электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий, а также определения и оценки неоднородностей этих параметров.
Практическая ценность. На основе разработанного микроволнового метода неразрушающего контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий разработана измерительно-вычислительная система, алгоритмическое обеспечение и проведен метрологический анализ метода.
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе имеется 1 патент РФ, 1 работа опубликована в издании рекомендованном ВАК Министерства образования России для опубликования результатов научных исследований по кандидатским диссертациям.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на IX Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, 2004 г.); XIV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов ЛА» (Иркутск, 2005 г.); 18 Международной научно-технической конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Казань, 2005); Международной научно-практической конференции «Качество науки - качество жизни» (Тамбов, 2006 г.); 8 Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2006 г.). Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственные испытания и внедрены в в/ч 15401, в ОАО "Завод подшипников скольжения" г. Тамбов, выполнены на основании «Основных направлений развития вооружения и военной техники на период до 2010 года». Основные результаты технических и экспериментальных исследований использованы в НИР «Стержень», «Поверхность», «Дисперсия», заданных Начальником тыла ВВС и Начальником авиации ВВС РФ. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской практике Тамбовского ТВВАИУРЭ.
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.
Обзор существующих неразрушающих методов контроля магнитодиэлектрических жидких и твердых материалов
Внутреннее состояние объекта контроля в амплитудно-фазовых методах «на отражение» определяется по воздействию среды на сигнал, отраженный от объекта или поверхности образца.
Принципиальная схема амплитудно-фазовых приборов, работающих по схеме «на отражение», приведена на рисунке 1.2, где /0 - длина рупора; /. N ей расстояние от среза рупора до поверхности; h - толщина образца; Е\ - сигнал связи приемной и излучающей антенн; Е2- сигнал, отраженный от первой границы; Е3 - сигнал, отраженный от второй границы; ЕА - сигнал, отраженный от дефекта, g — коэффициент прозрачности, г - коэффициент отражения. Основой метода является одностороннее расположение приемной и излучающей антенн.
Существуют две структурные схемы приборов, работающих по методу «на отражение». На рисунке 1.3 а, б представлена блок-схема амплитудно-фазовых приборов, работающих по схеме «на отражение», для одноантенного и двухантенного вариантов соответственно [2].
Конструктивная связь является по существу опорным сигналом, с которым суммируется отраженный сигнал. Для различных задач эта связь может быть полезной и мешающей. Так, для выделения сигнала только от дефекта другие компоненты сигнала должны быть исключены. В этом случае обнаружение дефекта зависит только от чувствительности приемника и на показания приборов не влияет изменение расстояния от образца до антенны.
В случае наличия всех компонентов сигнала форма сигнала от расстояния носит ярко выраженный характер, который зависит от соотношения между амплитудой и фазой сигналов отраженного и связи. Отраженный сигнал зависит от структуры отраженного поля, свойств контролируемого образца и от расстояния /.
Отличие электромагнитных свойств дефектной области от бездефектной является причиной изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала. Это приводит к изменению вида интерференционной кривой. Возможность регистрации дефекта основана на существовании разности интенсивностей А/ при заданном положении антенны (при данном расстоянии между поверхностью образца и антенной).
Следует иметь в виду, что в точках пересечения, соответствующих точкам пересечения двух интерференционных кривых, невозможно обнаружить дефект, т.е. могут существовать зоны необнаружения. Их ширина А/ определя о сч Он ется тем минимальным значением сигнала, которое может быть зафиксировано системой регистрации.
Приборы поляризации. Внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию на вектор поляризации сигнала[13].
В приборах могут быть использованы схемы «на прохождение» и «на отражение». Принципиальным положением является такое начальное взаимное расположение плоскостей поляризации излучающей и приемной антенн, когда сигнал в приемной антенне равен нулю. Только при наличии дефекта и структурной неоднородности, меняющих плоскость поляризации излученного или меняющих вид поляризации (левое и правое), что также может служить информативным параметром.
Основным мешающим фактором при дефектоскопии многослойных изделий является изменение толщины составляющих слоев, обусловленное обычно случайными технологическими или специальными конструктивными причинами. Применение волн круговой поляризации позволяет в значительной степени уменьшить влияние толщины при контроле дефектов, физико-механические свойства, форма и пространственная ориентация которых различным образом взаимодействует с ортогональными компонентами электрического вектора падающей волны[14].
При отсутствии дефектов величина отраженной энергии пропорциональна квадратам коэффициентов отражения, которые являются функцией толщины, свойств и угла падения. Зависимости R± и Rn от этих параметров носят сложный осциллирующий характер. Амплитуда этих осцилляции меняется в довольно широких пределах. Однако при малых значениях угла падения эти изменения практически адекватны и разность АК = Я± - R//\ весьма мала. На рисунке 1.4 а-в представлена картина наклонного падения электромагнитной волны на слоистую среду в воздухе и кривые зависимости коэффициентов отражения R±,R/i их разности AR для волн горизонтальной и вертикальной поляризации соответственно в зависимости от угла падения 0О (угол Брюстера). Аналогичный характер имеют и изменения фаз отраженных волн.
Основная мода электромагнитной волны электрического типа распространяющейся в системе «магнитодиэлектрик-проводник»..
Практическое значение величин Л Е н соседних Е, Н и Е-соседних мод должно обеспечивать отношение их ауЕН на /ІЯ не хуже, соответственно, 40 и 60 дБ. Например (рисунок 2.5 а), отношение сс Е\1а нх в точке ауЕ1 столь велико ( 40 дБ), что в точке Лкт режим можно считать одномодовым для нелатентной моды НІ, пренебрегая воздействием латентной моды на результаты взаимодействия нелатентной моды со слоем. В точке ауН1 - режим нелатентной моды Е2 и т.д. 7 Все алгоритмы измерений комплекса параметров слоя должны исполь зовать либо режим одной моды, либо режимы на двух соседних нелатентных модах Е и Н (окружность 1), представленной на рисунке 2.5 а, либо режимы на двух соседних модах Е, Н и -модах, попеременно нелатентных.на различных Лг (окружность 3, рисунок 2.5 а). Заведомо ясно, что предыдущие моды до пары соседних мод сильно ла-тентны, а последующие - еще не возбуждаются [59]. На рисунке 2.5 б показаны величины критических длин волн \рЕ,н - Е,н т-е- начальных для данной моды, с учетом того, что для основной моды El, самой широкополосной, /L — оо (критическая длина волны отсутствует).
Условно ЛЕ1 =ЛкР1 =Лпах- Величины же ЛЕН определяют границы од номодового и двухмодового режимов с полосой АЛЕ н (рисунок 2.5 а). Например, в полосе АЛЕ1Я1 конкурируют нелатентные моды, в полосе АЯЯ1 - режим одной моды НІ и т.д. 8. В каждом конкретном вышерассмотренном случае необходимо оценить в точках Дк, то значение ymin, с которых можно измерить величину ауЕН нела тентной моды. Заметим, что J3E Hb никогда не может быть — \2п -1] - .Е-моды; пп -Н-иоды, т.е. J3EI нфф— или п и т.д. (и = 1, 2...) и не является границей мод.
При уменьшении Я1, когда lim/?b - — мода Е1 может быть «залипает» сильно, но продолжает существовать, т.е. число одновременно существующих мод тем больше, чем меньше Яг и больше рЬ. Нормально реализуется последняя мода, а все предыдущие находятся в латентном (сильно «залипшем») состоянии. Зона области &ЛН]Е1, АЛЯ12, Л #2,2 и т.д. - области конкуренции нелатентных мод. В зависимости от Я при ее уменьшении это приводит к увеличению числа мод по алгоритму: -Е — нелатентная мода; - начиная с J3Hlb = — , но не достигая /3ЕХЪ = — мода Е1 становится ла тентной (сильно прижатой к поверхности из-за очень большого коэффициента ослабления аЕ1)\ - далее HI — нелатентная мода, затем при J3mb = тг, появляется нелатент ная мода Е2, а Н2 - становится латентной и т.д.
Основная мода электромагнитной волны электрического типа, распространяющейся в системе «магнитодиэлектрик-проводник»
Основной модой электромагнитной волны электрического типа является первая мода. У нее нет критической частоты. В этом случае диапазон по длине волны ограничен сверху величиной, определяющей возможность физической реализуемости информативного эффекта поверхностной медленной волны (порядка единиц дециметров). Таким образом, мода является самой широкополосной и единственной из всех мод, для которых реализуется чисто одномодовый режим в полосе длин волн от Л ах = ЯЕ1 до m = №т (рисунок 2.5 а, б) [60, 61]. К ограничениям на первую моду Е1 относятся следующие условия: 2ж Л С другой стороны, yjs ju k = ,и к? к\с -к2 +а2 к2 ООО Отсюда а к{ -к , что следует из физической возможности существования поверхностных волн в слое Ъ Ф со (при Z? - со кх = кзс ). К -ййЧ 2лЬ 2 Условие Л 2л і „ .. л (К 2 ал — J є и -1- — = 21Л є м -І ҐЛА2 АЪ) Объединяя условия 1 и 2, будем иметь: 2lfLy-l- j aEZ21fJeV-l (2.34) Кроме того, должно выполняться условие: є /і -\ 4л2 КАЪ; о= - - 1 Л-/4 -v W71 Отсюда
Соседней модой для основной моды является мода НІ, при Л- н\ - кряі конкурирующая с ней (пока Е1 не стала латентной). Условие, при котором (т.е. при какой Лг ДЯ1) начинает существовать НІ-мода: ( лЛ 0 -ctg = tg РНЪ v ж оо; — рнЪ ж (2.36) В общем случае для /и У 1ж J (2.37) При bmin и (є У)тіп, когда am = О 2жЬі Лі #1 ЬтіпЛІ(єУ)тіп-\ (2.38) mitr Например, при (e //)min =10, ЛЯ1 126, Э# Так как — 0 (ф = /?/6), т.е. с уменьшением Л г , /3Е1Ь должно возрас тать, а величина сс (Л) 0, и ссЕ возрастает с уменьшением Лг, рассмотрим простейший случай: для моды El, когда (3ЕХЪ «1; уравнение (2.23), при том, что tgftEb» pEb (смотри далее аппроксимацию и ее оценку, по которой J3Eb не так мало). При ат = а, Лг - ЯЕ1 = Л
Алгоритм визуализации неоднородностей по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания Оу поля поверхностной медленной волны - микроволновая интроскопия поверхностной медленной волны
Алгоритм визуализации неоднородностей по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания Оу поля поверхностной медленной волны - микроволновая интроскопия поверхностной медленной волны
С целью повышения точности и вероятности определения и оценки неоднородностей геометрических и электрофизических параметров непроводящих покрытий на металлической подложке, а также визуализации их распределения по всей поверхности покрытия разработан алгоритм интроскопической визуализации по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания а поля поверхностной медленной волны[70].
Основу данного алгоритма составляет рассмотренный выше базовый алгоритм определения неоднородностей по информативному объему.
Суть предлагаемого алгоритма состоит в том, что в каждой точке измерений по значениям коэффициентов нормального затухания электрического поля поверхностной волны (Xj определяют математическое ожидание та и дисперсию коэффициента затухания Da как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей.
Математическим ожиданием величины называется сумма произведений всех возможных значений величины на вероятности этих значений.
Кроме характеристик положения - средних, типичных значений величины, - употребляется еще ряд характеристик, каждая из которых описывает то или иное свойство распределения. В качестве таких характеристик чаще всего применяются так называемые моменты.
Понятие момента широко применяется в механике для описания распределения масс (статические моменты, моменты инерции и т.д.). Совершенно теми же приемами пользуются для описания основных свойств распределения случайной величины. Чаще всего применяются на практике моменты двух видов: начальные и центральные [71].
Общее определение начального момента 5-го порядка, справедливое как для прерывных, так и для непрерывных величин: JS[X] = M[XS\ т.е. начальным моментом SO порядка величины X называется математическое ожидание s-й степени этой величины.
Центрированной величиной, соответствующей величине X, называется отклонение величины X от ее математического ожидания: о Х = Х тх.
Моменты центрированной величины носят название центральных моментов. Они аналогичны моментам относительно центра тяжести в механике. Центральным моментом порядка s величины X называется математическое ожидание 5-й степени соответствующей центрированной величины. Для любой величины центральный момент первого порядка равен нулю. Из всех моментов в качестве характеристик величины чаще всего применяются первый начальный момент (математическое ожидание) и второй центральный момент. Второй центральный момент называется дисперсией величины. Согласно определению центрального момента X D[X]=M т.е. дисперсией величины X называется математическое ожидание квадрата соответствующей центрированной величины.
Дисперсия величины есть характеристика рассеяния, разбросанности значений величины около ее математического ожидания. Само слово «дисперсия» означает «рассеивание».
Если обратиться к механической интерпретации распределения, то дисперсия представляет собой не что иное, как момент инерции заданного распределения масс относительно центра тяжести (математического ожидания). Дисперсия величины имеет размерность квадрата величины. Математическое ожидание и дисперсия - наиболее часто применяемые характеристики величины. Они характеризуют наиболее важные черты распределения: его положение и степень разбросанности.
Таким образом, по матрице экспериментальных значений информативных величин ау(приложение Б, таблицы Б.1 и Б.2), рассчитаны математическое ожидание и дисперсия коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования, с помощью программ обработки полученных данных были построены распределения математического ожидания и дисперсии коэффициента нормального затухания а поля поверхностной медленной волны (приложение Б, рисунки Б.1-Б.7). Пространственная картина дисперсии визуально отображает форму и геометрические размеры искусственной неоднородности в виде ферритового стержня или ферритовых цилиндров.
На рисунке 3.9 представлена пространственное распределение дисперсии коэффициента нормального затухания а поля поверхностной медленной волны экспериментальная зависимость дисперсии коэффициента нормального затухания как функции геометрических и электрофизических параметров неоднород-ностей в координатах XYZ полученная при сканировании поверхности диэлектрического покрытия с различными неоднородными включениями, такими как 1 - простое отверстие диаметром 1,5 мм и 2 - ферритовый шарик диаметром 2 мм и 3 - ферритовый стержень диаметром 2 мм (длиной 1 см).
Алгоритм интроскопической визуализации неоднородностей по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания а поля поверхностной медленной волны представлен в приложении А.
Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическим свойствам метода определения электрофизических параметров и неоднородностей покрытий
Устройство, содержит полупроводниковый генератор СВЧ с блоком управления, диодный переключатель, управляемый микропроцессорным устройством (МПУ), к первому выходу диодного переключателя, через Y - цирку-лятор с согласованной нагрузкой, подключена рупорная приёмно-излучающая часть комбинированной антенны с поглотителем затекающего тока и углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, ко второму выходу диодного переключателя, через второй Y — циркулятор с согласованной нагрузкой, подключена вторая часть антенны в виде спиральной волноводно-щелевой антенны с поглощающей (согласованной) нагрузкой, блока приёмных вибраторов с блоком переключения и подмагничивания, управляемым МПУ, приемного зонда измерения мощности отраженной волны и устройства для измерения температуры окружающей среды, блока АПЧ по поиску минимума мощности отражённой волны, сопряженного с МПУ и устройством управления ГСВЧ.
Комбинированная приемно-излучающая антенна состоит из круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны с углом раскрыва, обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством, поглотителя затекающего тока, спиральной волноводно-щелевой антенны с поглощающей (согласованной) нагрузкой.
Устройство работает в двух режимах, позволяющее произвести оценку электрофизических и геометрических (топологических) неоднородностей диэлектрического покрытия и определения коэффициента "незеркальности" Кнз поверхности.
В первом режиме работы с помощью круговой синфазной приемно-передающей рупорной антенны, питаемой УСВЧ через диодный переключатель и волноводный Y - циркулятор, возбуждают медленную поверхностную Е-волну с длиной волны Хг = 2 - 3 см вдоль магнитодиэлектрического покрытия с неизвестными электрофизическими параметрами и толщиной покрытия Ъ. С помощью приёмных вибраторов блока, управляемых МПУ через блок переключения и подмагничивания, производят сканирование поверхности покрытия в заданных границах AS и определяют в каждой точке измерений совокупность значений коэффициента нормального затухания поля а,-, где jє[1,...,/7-1] ] — количество измерений по нормали к поверхности (по оси Y). В МПУ запоминаются координаты точек сканирования и соответствующие им значения а,- в каждой точке.
По полученным значениям а,- в каждой дискретной точке поверхности определяют математическое ожидание та : 121 I n—\ и дисперсию коэффициента затухания Da. как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей: п /=1 J Вычисляют среднеквадратическое отклонение коэффициента затухания поля аа. и определяется его среднее значение по всей площади сканирования. Сравнивают получившееся значение сгаср с пороговыми значениями отклонения коэффициента затухания поля Aanopi, где i[l,...,N] - количество предварительно заданных дискретных значений Аапор: Д«с/и- = аср anopi Методом наименьших квадратов определяют зависимость Aacpi = f{Aanopi J в виде линейной функции у = к х + Ъ, тангенс угла наклона которой есть фрактальная размерность: Mf = tga.
Далее определяют коэффициент "незеркальности" сканируемой поверхности:
Переводят измерительное устройство во второй режим работы [92, 93]. Устанавливают комбинированную приёмно-излучающую антенну в центре площади сканирования. Перестраивают генератор СВЧ 1 на длину волны Хг = 0,45 см. Электромагнитная волна через управляемый МПУ 3 диодный пе 122 реключатель 10 и второй волноводный Y - циркулятор 8 поступает на спиральную переменнофазную многощелевую антенну 15, угол наклона максимума ДН 6 которой зависит от величины длины волны Хг возбуждающих СВЧ колебаний.
Изменяя с помощью блока управления ГСВЧ 2, сопряжённого с МПУ 3, и блока АПЧ 4 длину волны Хг диодного генератора СВЧ, изменяют угол наклона ДН излучающей антенны [94] и добиваются минимума мощности отражённой волны в приемной части 13 комплексной антенны 7. Угол наклона максимума ДН вт(Лг) излучающей антенны при котором наблюдается эффект максимального поглощения падающей электромагнитной волны будет равен углу Брюстера вБр.
Минимум мощности отраженной волны „„щт пропорционален минимуму критерия Qmin напряженности поля отраженной волны, в угловом спектре ДН, то есть в зоне существенной при отражении по максимуму ДН.
