Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор и постановка задачи исследования 13
1.1. Электрические и магнитные методы контроля толщины покрытий 13
1.1.1 Электроемкостной метод 14
1.1.2 Неразрутающий контроль методом вихревых токов 18
1.13 Индукционные толщиномеры 20
1.1.4 Магнитные толщиномеры 21
1.1.5 Приборы магнитостатического типа 23
1:2 Радиоволновые методы контроля толщины покрытий 25
1.2.1 Радиоволновой контроль диэлектрических материалов 25
1.2.2 Классификация СВЧ методов и средств 30 1:2.3 Средства измерения толщины диэлектрического слоя 31
1.3 Основные недостатки существующих методов контроля толщины покрытий 34
1.4.: Постановка задачи разработки метода контроля толщины магнитодиэлектрических покрытий на металле 35
Заключение по первой главе 37
2 Математическое описание взаимодействия поверхностных волн с магнитодиэлектрическим слоем на металлической поверхности 38
2.1 Описание явления распространения поверхностной волны над системой «магнитодиэлектрик-проводник» 3 8
2.2 Решение краевой задачи распространения поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник» и адаптация к ограниченной системе 47
2.3 Применение явления распространения поверхностной волны к решению задачи 57
2.4 Схема реализации метода 62
2.5 Выбор длин волн генератора 66
2.6 Аппроксимация аналитической модели и ее оценка 73
2.7 Предлагаемые алгоритмы измерения 76
2.8 Коррекция модели для слоя, содержащего ферромагнитные частицы 80
2.9 Измерение волнового сопротивления магнитодиэлектрических покрытий 83 Заключение по второй главе 90
3 Разработка устройств для реализации метода 91
3.1 Классификация апертурных излучателей, 91
3.2 Внешние апертуры 93
3.3 Внутренние апертуры 98
3.3.1 Разработка направленных внутренних апертур 100
3.3.2 Разработка круговых синфазных апертур 102
3.3.3 Разработка излучателя для реализации трехчастотного алгоритма контроля толщины покрытия 105
3.4 Разработка измерительной системы поверхностного сканирования
толщины покрытий 109
Выводы по третьей главе 111
4 Экспериментальная оценка метода и его метрологический анализ 112
4.1 Методика вычисления коэффициента затухания 112
4.2 Базовая структура поля 113
4.3 Экспериментальные данные 116
4.4 Погрешность косвенных измерений метода 121
4.5 Проверка адекватности математической модели 122
4.6 Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическому анализу метода 123
Выводы по четвертой главе 124
Основные результаты и выводы по работе 125
Список использованной литературы
- Неразрутающий контроль методом вихревых токов
- Решение краевой задачи распространения поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник» и адаптация к ограниченной системе
- Разработка направленных внутренних апертур
- Погрешность косвенных измерений метода
Введение к работе
Аюуальность темы. В современном: мире технический прогресс в различных отраслях промышленности 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 веществ,, материалов и изделий. Для качественного управления новыми технологическими процессами требуется = получение значительного количества измерительной информации; а к средствам контроля предъявляются все более высокие требования по быстродействию < и точности.
Производство композиционных материалов и контроль, качества готовой продукции требует измерения толщины слоя гетерогенных дисперсных сред, таких, как ферромагнитные жидкости: (ФМЖ), применяемые в технологиях лакокрасочных покрытий, а также в производстве радиозащитных материалов (РЗМ).
Контроль качества продукции заключается в проверке соответствия ее качества установленным требованиям. Важными, критериями качества покрытий на металле являются геометрические показатели, а также технологические признаки качества, например, отсутствие недопустимых дефектов типа нарушения сплошности.
В производстве широко: применяют неразрушающий контроль, позволяющий^ проверить - качество продукции» без нарушения ее годности - к использованию по; назначению. При этом особая роль в повышении эффективности производства и улучшения; качества продукции? ОТВОДИТСЯ; автоматическим средствам измерения.
Актуальной и требующей скорейшего разрешения, является проблема контроля толщины покрытий 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.
Широкий спектр материалов и покрытий приводит к необходимости применения специализированных приборов ш сложных методик: контроля; толщины их слоя. Многие из известных методов измерения толщины магнитодиэлектрических покрытий чувствительны к изменению ряда неконтролируемых параметров, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемости; которые могут изменяться в процессе сушки и затвердевания слоя.
Все приведенное выше, определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств измерения толщины слоя магнитодиэлектрических покрытий^ а также обоснование их технической; реализуемости;
Цель работы.. Разработать бесконтактный < метод измерения толщины слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле в процессе их нанесения' и финишного контроля результата, с учетом влияния неконтролируемых параметров: диэлектрической и магнитной относительной проницаемостей.
Методы исследования основаны- на применении теории; электродинамики, математическом моделировании и метрологии.
В первой главе «Литературный обзор и постановка задачи исследования» произведен сравнительный анализ существующих методов и-устройств контроля толщины 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 неконтролируемых параметров, высокую чувствительность к переменной величине зазора между поле образующими поверхностями проводящих элементов и контролируемым слоем.
В; главе дана классификация радиоволновых СВЧ методов и средств контроля параметров покрытий.
Обоснована необходимость разработки нового бесконтактного СВЧ метода контроля толщины слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле, с учетом влияния, неконтролируемых параметров: относительной диэлектрической; и относительной магнитной: проницаемости контролируемого слоя.
Во второй главе «Математическое описание: взаимодействия поверхностных волн: с магнитол иэлектрическим слоем на металлической: поверхности» дано математическое описание процесса взаимодействия электромагнитного поля с магнитодиэлектрическим покрытием на металле, и: предложен метод быстродействующего определения свойств 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.
Теоретические зависимости^ получены для бесконечных синфазных источников поверхностных волн. Условием пренебрежения влияния конечных размеров реальных несинфазных излучателей на; характер распространения поля; является измерение напряженности; поля в дальней: зоне по максимуму диаграммы направленности (ДН).
Предложен бесконтактный СВЧ метод измерения толщины слоя- Ь, с учетом влияния неконтролируемых параметров: относительных; диэлектрической є и магнитной: ц. проницаемостей. Метод основан на эффекте взаимодействия электромагнитного поля поверхностной волны.со слоем «диэлектрик-металлическая поверхность» при ее распространении, вдоль этого слоя.
В случае отсутствия существенного градиента неоднородностей: электрофизических" параметров исследуемого слоя, величина нормального коэффициента затухания-. напряженности: поля а,, не является функцией координаты у. Благодаря этому процесс измерения-инвариантен положению датчика по оси у; что является большим преимуществом.
В главе произведено упрощение модели и дана оценка1 погрешности такого у проще ния.
В третьей главе «Разработка устройств для реализации метода» произведен; анализ существующих.внутренних и внешних апертур с целью выбора варианта апертуры применительно к поставленной задаче.
Проведенный анализ показал, что не существует ярко^ выраженного оптимального положения ДН внешнего излучателя, так как доля энергии отраженной или преломленной прямой волны существенно снижает точность измерения.
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. обычной; синфазной круговой апертурой. При этом; подстилающая металлическая подложка входит, 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.
Для разработанной: апертуры предложен ряд усовершенствований с целью повышения их эффективности. Это, в частности,.отсекатель прямой волны в дальней зоне, и корпус из поглощающего покрытия, уменьшающий паразитные излучения токов.
Показано соответствие санитарным нормам при работе с источниками электромагнитного излучения СВЧ диапазона.
Поставлена и решена задача конструирования специального электромагнитного экрана — отсекателя: прямой волны, помещенного в раскрыве апертуры, с целью уменьшения мощности паразитного излучения.
В четвертой главе «Экспериментальная оценка, метода и его метрологический анализ» произведена экспериментальная оценка метода и і его метрологический анализ.
Экспериментально подтверждена адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому физическому процессу.
В приложениях приведены: фотографии экспериментальной установки; результаты и: анализ экспериментальных исследований; материалы сопутствующие основной теме работы; документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.
Научная новизна. Разработан СВЧ метод измерения толщины слоя Ъ магнитодиэлектрических покрытий на металле, с учетом влияния неконтролируемых параметров: относительной диэлектрической- є и относительной магнитной проницаемости (Ї. Метод основан на эффекте: взаимодействия электромагнитного поля со слоем магнитодиэлектрического покрытия на металле и обладает высоким быстродействием, точностью и локальностью измерения. Метод не чувствителен к величине зазора между датчиком и контролируемым слоем.
Практическая ценность., Используя предложенный метод, разработано устройство бесконтактного быстродействующего измерения толщины слоя 6 магнитодиэлектрических покрытий на металле.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы апробированы и рекомендованы к внедрению в практику аналитического контроля в. ОАО «Котовский; лакокрасочный^ завод» (Тамбовская обл; г. Котовск) w в учебном; процессе Тамбовского военного авиационного нженерного института (г. Тамбов).
Апробация работы- Основные научные И; практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на і 7-й Всероссийской научно-технической конференции. «Состояние и проблемы измерений» МГТУ им. Баумана (Москва, 1999); 5-й Научно-методической конференции^ ТГТУ (Тамбов, 2000), 14-й Международной: научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001),. II Международной научной конференции: «Измерения, контроль, информатизация» > Алтайский: ГТУ (Барнаул, 2001), Четвертой международной* теплофизической школы «Теплофизические измерения в начале XXL века» ТГТУ (Тамбов, 2001), 15-й; Международной; научной? конференции «Математические методы в: технике и: технологиях» ТГТУ (Тамбов, 2002).
Публикации. По теме диссертации! опубликовано 14 работ, в том числе получен один патент РФ на изобретение.
Структура и: объем работы. Диссертационная< работа состоит из-введения, четырех глав, списка; литературы и 11 приложений, работа изложена на 160 страницах, содержит 79 рисунков, У таблицы и- 62 наименования библиографического указателя;
Автор благодарит д-ра техн. наук, профессора Дмитриева Д.А. и канд.техн.. наук Федюнина П.А. за консультации при работе: над диссертацией.
Неразрутающий контроль методом вихревых токов
Для контроля толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе широкое распространение получили индукционные толщиномеры. Их действие основано на определении изменения магнитного сопротивления (проводимости) магнитной цепи, состоящей из ферромагнитной основы (деталь), преобразователя прибора и немагнитного зазора между ними, который является объектом измерений.
На рисунке 1.2 приведена схема индукционного толщиномера МТ-20Н. Преобразователь представляет собой три катушки: возбуждающую и две измерительные, включенные дифференциально. Катушки расположены на ферромагнитном сердечнике.
Вдали от ферромагнитной детали ЭДС, наводимые на измерительные катушки, расположенные по обе стороны от возбуждающей, взаимно компенсируются. При поднесении преобразователя к ферромагнитной детали его магнитная симметрия нарушается и в измерительной обмотке наводится ЭДС, которая в определенных пределах пропорциональна расстоянию между деталью и преобразователем.
Магнитные толщиномеры предназначены для контроля толщины защитных покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов. Толщиномеры диэлектрических покрытий на электропроводящих основаниях представляют собой измерители зазора.
Магнитные-толщиномеры, действие которых основано на магнитном методе измерения толщины покрытий, делятся на: - приборы с постоянными магнитами, сила отрыва от детали которых измеряется при помощи пружинных динамометров; - приборы с электромагнитами, сила отрыва от детали которых измеряется по измерению тока намагничивания; - приборы, действие которых; основано на регистрации изменений магнитного сопротивления контролируемого участка, вызванных изменением; расстояния между датчиком и поверхностью объекта.
Магнитный метод применим для определения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитной основе [8].
Точность измерения толщины покрытий зависит от различных технологических и конструктивных факторов: кривизны и неплоскостности контролируемой поверхности, ее шероховатости, толщины, состояния и свойств, материала основы и т. д.
При большой шероховатости увеличивается расстояние между магнитом и ферромагнитной основой изделия, вместе с тем уменьшается эффективная поверхность взаимодействия, что обуславливает большую погрешность измерения толщины покрытия.
Большую группу таких приборов составляют толщиномеры пондеро-моторного действия, работа которых. основана: на измерении силы отрыва или притяжения постоянных магнитов и электромагнитов к контролируемому объекту [1].
Сила притяжения пропорциональна квадрату магнитной индукции в зазоре между ферромагнитным изделием и намагниченным телом. Индукция зависит от намагничивающей силы и зазора между ее источником и ферромагнитным изделием;
Приборы пондеромоторного действия получили широкое распространение за рубежом: Наибольший интерес из них представляет прибор типа: «Микротест» (Германия), который имеет несколько модификаций и применяется для контроля толщины немагнитных и гальванических покрытий на магнитной основе, а также никелевых покрытий на немагнитной и магнитной основе.
На: результаты измерений толщины покрытай в значительной степени влияют магнитные свойства материала деталей, на которые нанесено покрытие. Поэтому магнитные толщиномеры калибруются с помощью рабочих образцов, изготовленных из той же стали, что и контролируемые детали; с покрытиями заданной толщины.
Состояние поверхности (шероховатость) оказывает значительное влияние на погрешности магнитных толщиномеров. Поэтому значения приводимых погрешностей относятся к обработке, определяемой шероховатостью поверхности не более Rz = 20.
Основной недостаток приборов этой группы - цикличность процесса измерения, связанная: с необходимостью тщательного; измерения силы до момента отрыва магнита. Это обстоятельство затрудняет автоматизирование -процесса контроля;
По сравнению с магнитными толщиномерами покрытий значительно меньшее распространение получили магнитные толщиномеры для измерения: толщины изделий из ферромагнитных материалов. Это объясняется сложностью создания таких приборов с малой погрешностью, особенно при измерении больших толщин.
Решение краевой задачи распространения поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник» и адаптация к ограниченной системе
Уравнения (2.7), (2.8) совместно с граничными условиями (2.10), (2.11) составляют граничную задачу.
Для решения поставленной граничной задачи используем преобразование Фурье функций А{ и Ах\.
Сначала рассмотрим физические соображения, которыми руководствуются при решении задачи. Сторонний ток возбуждает электромагнитное поле, которое, распространяясь в слое при Q y b, возбуждает поле в верхнем полупространстве при у Ь. Возбуждаемая нитью тока волна, распространяясь в направлении границы у = 0 под некоторым углом, должна отразиться. Отраженная волна, распространяясь в направлении верхней границы под некоторым углом, должна тоже частично или полностью отразиться. Поле в слое диэлектрика образуется, таким образом, в результате наложения парциальных волн.
Полное электромагнитное поле ЕьНл. в слое магнитодиэлектрика представим в виде суммы первичного поля Еу,Н" и вторичного поля Еу,Н{. Первичное поле вычисляется в предположении, что сторонний источник расположен в неограниченном пространстве с параметрами єй1, цо1. Вторичное поле обусловлено переотражениями от границ раздела или, другими словами,, возникающими эквивалентными поверхностными токами на границах раздела сред. В соответствии с этими представлениями векторный потенциал А полного поля тоже является суммой векторных потенциалов Ап первичного поля и А8 вторичного поля: 2 = 1 +At t 0 y b. (2.12) Векторы Ап, А{"в удовлетворяют соответственно неоднородному и однородному векторным уравнениям Гельмгольца. Граничные условия (2.10) и (2.11) для Ав и (2.12) для А" являются неоднородными, так как в них входит заданная функция Ап. В математической записи неоднородности в граничных условиях можно считать источником вторичных полей и, значит, функций Ав, Ay , удовлетворяющих однородным уравнениям Гельмгольца. Известное решение задачи в таком приближении (см. [14], ее. 180-183) имеет составляющие векторов напряженности поля Епов, цпов поверхностных волн:
Волновой множитель медленной волны Re{ехр[/(со„г - z)]exp[-ауу\ или Jmxp\j(o nt - z)]exp[-ay,yj}. Эти выражения описывают поле поверхностных #-волн. Тип волны характеризуется числом и. Вектор Пойнтинга Ппов имеет две составляющие П2 и Пу . Но tf., является чисто мнимым, а П2 действительным. Значит, слой диэлектрика на металле является направляющей системой: энергия канализируется вдоль слоя перпендикулярно нити стороннего тока. С помощью выражений (2.13)-(2.15) можно рассчитать мощность, переносимую поверхностной волной вдоль слоя на разных расстояниях от слоя диэлектрика. Очевидно, что с ростом ЭС(„) амплитуды составляющих поля у поверхности у = Ь увеличиваются и большая часть энергии электромагнитного поля переносится поверхностной волной в слое и на малых расстояниях от поверхности раздела сред у = Ъ (волна локализуется у поверхности раздела сред).
Для того, чтобы изучить разные типы поверхностных Е- волн, характеризуемых числом п, надо рассмотреть влияние параметров слоя на значения Хм и на количество полюсов. Рассмотрим характеристическое уравнение, 9Eaich(?i )+ iEasn(?i )= 0, (2.19) определяющее значения %(пу, т. е. значения коэффициентов распространения или коэффициентов фазы (при % пу действительном) поверхностных волн (2.13)-(2.15). Пусть к1{ = к}.-к2 = iqx. Тогда уравнение (2.19) после умножения на bприводится к виду qb = kub tgknb. (2.20)
Это трансцендентное уравнение можно решить и проанализировать графическим методом. С этой целью построим график зависимости правой части уравнения (2.20) от киЬ (кривые 1 на рисунке 2.8). Для того, чтобы построить график зависимости левой части уравнения qb от kub учтем, что (gbf + (kubf = (kl-k2)b2=(pb)2, (2.21) где р = Щ—к2у =к(єа1\іа1/га\ха -і) - известная величина (параметры сред заданы).
Последнее выражение есть уравнение окружности на плоскости переменных киЬ я qb с центром в начале координат. С его помощью просто построить зависимость левой части уравнения (2Л 9) от кпЬ (кривая 1 на рисунке 2.8). Точки к±1п или qnb, в которых графики пересекаются, соответствуют равенству левой и правой частей уравнения (2.20), т. е. корням уравнения. Величины кпЬ и qb являются положительными, поэтому графики функций изображены только в первом квадранте.
Разработка направленных внутренних апертур
Вариантом является разработанная пирамидальная апертура с плавно-переменным углом раскрыва для реализации СВЧ способа локализации не-однородностей и оценки их относительной величины.
Согласно [54] 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 Нп. Кроме того, структура поля в рас крыве (рисунок 3.66) говорит о том, что полуконические апертуры могут служить источником как Е, так и //-мод, ибо вектор Е в раскрыве имеет составляющие по осям хну.
Применение мощных ГСВЧ (ГС) при Р \0[Вт] позволяет реализовать апертуру, обеспечивающую синфазность поверхностной волны в ДЗ — круговой синфазной апертуры, с шириной ДН по азимуту р = 360 [55].
Разработана специальная излучающая система с азимутальным углом излучения 360- круговой «тарельчатый» излучатель Е-поверхностной волны Еп, показанный на рисунке 3.7.
Устройство состоит из круглого отрезка волновода 1 с волной 01, сопряженного с верхней «тарелкой» излучателя 2 . Внутри 1 и 2 находится конструкция держателя нижней тарелки 2", состоящего из радиопрозрачной вставки 3 и крепления 4 согласующего конуса 6, являющегося частью 2". Вместо 2", удобно использовать в ее качестве подстилающую металлическую поверхность 5. Величина диаметра конуса 6 - d , выбирается в этом случае, значительно меньше dm ]i (диаметр 2 и2", соответственно). Конус диаметром dj может быть всей нижней тарелкой, а подстилающая поверхность 5 - ее продолжением. То есть при dmin « dmax роль нижней тарелки выполняет конус 6 с подстилающей поверхностью 5.
Такое устройство обладает непрерывной по азимуту всенаправленно-стью, не требует вращения, хорошо согласовано, имеет достаточно простую конструкцию, но требует повышенной мощностью излучателя.
Для минимизации мощности неинформативной прямой БВ разработаны варианты круговой апертуры с ее «отсекателем» (рисунок 3.8). А также вариант с поглощающим покрытием, уменьшающим паразитное излучение токов, затекающих на внешнюю поверхность апертуры (рисунок 3.9).
Вариантом, без необходимости перемещения рупорных излучателей, является разработанный секторный «круговой» рупор (рисунок 3.11), собранный из состыкованных одиночных рупоров 3 с углом раскрыва в азимутальной плоскости 28 (13 рупоров по окружности).
Колебания из круглого волновода 1 через щель возбуждения 4 поступают в прямоугольный резонатор 2. Эта система, дискретно вращаясь, через щель связи 4, возбуждает последовательно рупоры 1р, 2р... 13р. Синхронно с 1 и 2 вращается приемное устройство, подобное приемному устройству кругового «тарельчатого» излучателя. Измерения проводятся по линии максимума основного лепестка ДН.
К недостаткам такого устройства излучения поверхностной волны следует отнести: а) конструктивная сложность; б) дискретность сканирования по углу азимута ф, по максимуму ос новного лепестка ДН. Зато такое устройство также как и однорупорное, обладает большой мощностью остронаправленной поверхностной волны.
Разработка излучателя для реализации трехчастотного алгоритма контроля толщины покрытия
Конструктивные особенности апертурного излучателя для реализации трехчастотного алгоритма измерения электрофизических свойств покрытия состоят в следующем: 1. Необходимо, чтобы а - min, т.е. а — Ь — min.
2. Величина 0О выбирается минимальной для достижения компромисса между минимумом энергии прямой волны и удовлетворительным согласованием со свободным пространством.
3. ДН секториальной круговой электронно-коммутируемой апертуры тем ближе к ДН круговой синфазно-азимутальной апертуры, чем больше число секторов п..
А. Условие реализации режима двух мод Я1 на Xvl и моды Н\ на i3, при которых в круглом ВВ на Х{ 2 з режим для волн Еог (Хх 2 ) иЯ01 (Х,3) будет эффективно одномодовым. Необходимо из этих соображений выбрать величины щ Hdj, Волна Е01 при эффективном радиусе at ВВ как диафрагмированной ЗС будет медленной при условии Xmin» d»t, где min = тіп(А,1,Л-2). oi - БВ с эффективным радиусом ВВ а2 а1, из-за кольцевой структуры -силовых линий ее поля [37]. Для ВВ моды Е01 условие одномодовости 1,64 2 01 =2,61а,. (3.13) Оно не исключает возможности существования паразитной моды Яп, у которой аналогичное условие имеет вид 2,05 2 3,41 . (3.14)
Однако при этом диафрагмированный ВВ является ее фильтром. Кроме того, если разность а — а2 близка к величине Хх 2 /4 для Яи, при соответствующем выборе аг и а2» коэффициент замедления будет столь велик, что существованием волны можно практически пренебречь. По выражению (3.13) при экспериментально выбранных Л,} »8,6[см] и Х2 « 8,1 [см] значение а- - А[см]. Для одной моды H0i:. Я-з ХкрІІ01 = 1,638а2 При выбранной длине волны Х3 = 4,2 [см] величина Й2 = 3 [см] Выбор ах и а2 делался со стандартным запасом полосы ДА. = -а.1ДЗ (1,24,5 (дБ)).
Погрешность косвенных измерений метода
Адекватность математической модели процессу, протекающему в измерительной системе, проверялась на созданной экспериментальной установке (рисунок 4.1).
Проверка адекватности математической модели процессу, протекающему в измерительной системе, осуществлялось путем сравнения результатов, полученных по математической модели, с результатами, полученными в ходе эксперимента.
При обработке экспериментальных данных определялись разности коэффициентов затухания между расчетными значениями, полученных по математической модели ат, и полученных экспериментально аэ.
При этом использовалась последовательность операций рекомендованная в [61]. После определения математического ожидания М = ±-Ъ(0, (4.7) где y(i) - экспериментальные данные, N- количество измерений, и дисперсии = тгЦ-ЕЬС0-м]2, (4.8) находится число 122 S = 7І,ЬіО-У Р(І)Т, (4.9) где уР(0 -данныерассчитанные по модели. Используя полученные значения D и 5, определяют расчетное значение квантиля F-распределения Фишера DJN-2) F= У (4-Ю) По таблицам [62] для соответствующих значений степеней свободы /= N--2, находят FT -табличное значение квантиля распределения Фишера.
В рассматриваемом случае получили следующие значения N=7, 1=5, FT=5.05. Среди всех вычисляемых значений F максимальное значение равно F=l,6.
Исследуемая математическая модель адекватна, так как F FT. Таким образом, адекватность математической модели проверялась сравнением квантиля распределением Фишера, рассчитанного по экспериментальным, данным, с квантилем, найденным по таблице. Результаты экспериментов позволяют сделать вывод о том, что расчетные математические зависимости адекватны процессам, протекающим в измерительной системе.
Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическому анализу метода
Метрологическое обеспечение измерения толщины покрытия Ь с известным по экспериментально-табличным данным значением диэлектрической проницаемости є методами толщинометрии с точностью не хуже 0,1 [мм]. Точность измерения толщины согласно экспериментальным данным (рисунки 4.9-4.11) не хуже 0,5 [мм] для длины волны генератора 123 Хг =8,6[aw]. Согласно теории электродинамического подобия погрешность дб=о,оаг.
Метрологическое обеспечение измерения диэлектрической проницаемости по табличным данным с учетом дисперсии (для разных экспериментальных частот волн) с точностью измерения не хуже 5%. Применялись методы СВЧ Q-метрии (Q-метр ВМ-302 [Венгрия]) с помощью стандартной методики измерения пробных круглых пластин диаметром 52 [мм] в цилиндрическом объемном резонаторе. Частота измерения= 1,5[ГГц] (для материала с малыми потерями).
Точность измерения диэлектрической проницаемости согласно экспериментальным данным не хуже 10%. Выводы по четвертой главе 1 Экспериментально подтверждена адекватность расчетных математических зависимостей процессу, протекающему в измерительной системе. Погрешность измерения толщины не превышает 5%. 2 Экспериментально показано быстродействие метода. 3 Экспериментально показана локальность измерения метода. 4 Экспериментально показана инвариантность метода к зазору между приемными датчиками и поверхностью покрытия. 5 Экспериментально показана независимость работоспособности метода к виду режима распространяемых волн.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1 Решена краевая задача распространения медленной поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник» и произведена адаптация результатов расчетов к ограниченной системе.
2 Предложен СВЧ метод измерения толщины слоя магнито диэлектрического покрытия с учетом влияния неконтролируемых параметров: диэлектрической и магнитной относительной проницаемостей, в основе которого лежит явление взаимодействия медленной поверхностной волны со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности. Метод обладает высоким быстродействием, локальностью измерения и отсутствием необходимости отстройки величины зазора между датчиком и исследуемой поверхностью.
3 Разработаны излучающие устройства, реализующие предложенный метод, в частности внутренняя электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная апертура, обладающая большей мощностью излучения по, сравнению; с обычной синфазной круговой апертурой. Для разработанных апертур предложен ряд усовершенствований с целью повышения их эффективности.
4 Техническим результатом работы является повышение точности определения толщины покрытия, а также расширение функциональных возможностей (дополнительное; определение относительной диэлектрической! проницаемости и относительной магнитной проницаемости слоя).
5 Разработана измерительная система, реализующая предложенный метод, и экспериментально подтверждена адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому физическому процессу. Погрешность измерения толщины не превышает 5%.
6 Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и рекомендованы к внедрению для служб аналитического контроля.
