свч способ локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценка их относительной величины

Формула изобретения

СВЧ способ локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотное поле, отличающийся тем, что возбуждают медленную поверхностную Е-волну, измеряют в начальной точке с помощью системы приемных вибраторов затухание напряженности поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно ее направления распространения в разнесенных точках; рассчитывают коэффициент нормального затухания _j по формуле

где E(y_j-1) и E(y_j) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений y _i-1 и у_i;

d - расстояние (шаг) между точками измерений;

j[1,…n-1] - количество точек измерений по нормали к поверхности (по оси Y);

вычисляют среднее значение коэффициента нормального затухания _cp напряженности поля поверхностной медленной волны

определяют максимальное отклонение коэффициента затухания _макс

_макс=j _макс- _ср,

где j _макс - максимальное значение коэффициента нормального затухания из всех возможных измеренных значений;

и сравнивают его величину с пороговой = _порог- _макс;

в микропроцессорном устройстве запоминаются координаты начальной точки сканирования и значение ;

производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия и по массиву значений по всем дискретным точкам измерений определяют границы неоднородности и ее площадь и по соотношению S₁/S, где S₁ - площадь неоднородности; S - общая площадь поверхности сканирования, судят об относительных размерах локализованной области неоднородности;

вычисляют "информативный" объем

где Z_H и Х_H - начальные точки измерений;

Z_кон и Х_кон - конечные точки измерений,

x и z – расстояние (шаг) между соседними точками сканирования поверхности по осям X и Z;

и определяют интегральный параметр, характеризующий неоднородность

_эфф=V/S₁.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к способам определения неоднородностей электрофизических и геометрических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле состава и свойств твердых покрытий на металле при разработке неотражающих и поглощающих покрытий, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.

Известен СВЧ способ контроля нарушения сплошности, базирующийся на воздействии контролируемой среды или объекта на сигнал, прошедший через образец /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева. T.1. - М.: Машиностроение, 1976. С. 198/.

Недостатками данного способа являются: низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей из-за влияния переотражений; необходимость согласования границы раздела с приемной и излучающей антеннами; невозможность измерения неоднородностей покрытий на металлической подложке; трудность реализации способа для объекта с большими геометрическими размерами.

Известен СВЧ способ контроля внутреннего состояния объекта, в основе которого лежит воздействие контролируемой среды или объекта на сигнал, прошедший через образец, либо отраженный от него /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева. T.1. - М.: Машиностроение, 1976. С.201/.

Недостатками данного способа являются: низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей из-за влияния переотражений; необходимость начального согласования плоскостей поляризации приемной и передающей антенн, когда сигнал в приемной антенне равен нулю; трудность реализации способа для многослойных сред.

Известен принятый за прототип СВЧ способ контроля нарушения сплошности, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого материала и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотный сигнал, отраженный от дефекта или поверхности образца /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. Клюева. T.1. - М.: Машиностроение, 1976.С.199/.

Недостатками данного способа являются: наличие непосредственной электромагнитной связи между приемной и передающей антеннами; влияние изменения зазора между поверхностью контролируемого материала и приемной антенной; малая чувствительность и низкая точность локализации и оценки геометрических и электрофизических параметров неоднородностей; наличие зон необнаружения дефекта из-за интерференции волн; большие габариты измерительной системы, реализующей данный способ.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения и оценки неоднородностей геометрических и электрофизических параметров непроводящих покрытий на металлической подложке.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ способе локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины, заключающемся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического покрытия на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения параметров, характеризующих высокочастотное поле возбуждают медленную поверхностную Е-волну, измеряют в начальной точке с помощью системы приемных вибраторов затухание напряженности поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно ее направления распространения в разнесенных точках;

рассчитывают коэффициент нормального затухания _j по формуле:

где E(y_j-1) и E(y_j) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений y _j-1 и y_j;

d - расстояние (шаг) между точками измерений;

- количество точек измерений по нормали к поверхности (по оси Y);

вычисляют среднее значение коэффициента нормального затухания _ср напряженности поля поверхностной медленной волны:

определяют максимальное отклонение коэффициента затухания _макс:

где _{j макс} - максимальное значение коэффициента нормального затухания из всех возможных измеренных значений;

и сравнивают его величину с пороговой: = _порог- _макс;

в микропроцессорном устройстве запоминаются координаты начальной точки сканирования и значение ;

производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия и по массиву значений по всем дискретным точкам измерений определяют границы неоднородности и ее площадь и по соотношению S₁/S, где S₁ - площадь неоднородности; S - общая площадь поверхности сканирования, судят об относительных размерах локализованной области неоднородности;

вычисляют "информативный" объем:

где z_n и Х_н - начальные точки измерений; Z_кон и Х_кон - конечные точки измерений, х и z - расстояние (шаг) между соседними точками сканирования поверхности по осям Х и Z;

и определяют интегральный параметр, характеризующий неоднородность:

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого СВЧ способа локализации неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле и оценки их относительной величины. С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн, представляющего собой рупорную антенну 1, возбуждают медленную поверхностную Е - волну, длиной , вдоль расположенного на электропроводящей металлической подложке 2 диэлектрического покрытия 3 с неизвестными параметрами: толщиной слоя b, относительной диэлектрической проницаемостью , относительной магнитной проницаемостью , модулем волнового сопротивления z_В и фазовой скоростью V_ф; при условии обеспечения режима ее одномодовости, т.е. отсутствия следующей моды волны Н, выбирая длину волны генератора _г из условия:

где _макc, _макc, b_макс - максимально возможные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей и толщины покрытия.

С помощью системы приемных вибраторов 4 в начальной точке поверхности (х_i, z_i) на линии максимума диаграммы направленности (ДН) устройства возбуждения медленной поверхностной волны, направленной вдоль оси Z, измеряют напряженность поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления ее распространения (в точке у). Делают первоначальный шаг y=d и измеряют напряженность поля поверхностной волны в точке y+d.

При этом существует два варианта реализации системы приемных вибраторов: вибратор, перемещаемый в нормальной плоскости относительно направления распространения поля поверхностной медленной волны, или набор приемных вибраторов с постоянным дискретным расстоянием d между ними.

Рассчитывают коэффициент нормального затухания _i из выражения:

где Е(у) и E(y+d) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений y и y+d;

d - расстояние (шаг) между точками измерений.

Мерой параметров неоднородностей покрытия является отклонение распределения напряженности поля в зоне дифракции от экспоненциального Е(у)=Е₀ехр[-(y)y], характерного для зоны покрытия без неоднородностей или, что то же самое, непостоянство (y), т.е. его зависимость от у в точке измерения. 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 (yb) для геометрической неоднородности любого типа, т.к. она может быть аппроксимирована суммой клиновидных неоднородностей при малом шаге z или внутри слоя (y<b), причем любая электрофизическая неоднородность может быть сведена к геометрической неоднородности.

На фиг.2 показана векторная картина дифракции неоднородной поверхностной волны длиной от топологической неоднородности с постоянными диэлектрической и магнитной проницаемостями и градиентом толщины покрытия grad_z b, взятым в качестве примера параметра геометрической неоднородности (в принципе, зная связь a(b,), любую электрофизическую неоднородность можно привести к геометрической), где

"- вектор затухания поверхностной электромагнитной волны в нормальной плоскости (недиссипативный вектор затухания);

’- фазовый вектор, определяющий величину распространения поверхностной электромагнитной волны вдоль замедляющей структуры;

- суммарный вектор распространения поверхностной электромагнитной волны;

- вектор распространения отраженной (быстрой) волны;

_н - угол наклона (начальный) вектора отраженной волны до топологической неоднородности;

_К - угол наклона (конечный) вектора отраженной волны на топологической неоднородности;

b₁ - толщина слоя диэлектрического покрытия до топологической неоднородности;

b₂ - максимальная толщина слоя с топологической неоднородностью;

- угол наклона топологической неоднородности покрытия.

Анализ векторной диаграммы показывает, что деформация экспоненциального распределения напряженности поля поверхностной волны (Фиг.3б) объясняется суперпозицией недиссипативного вектора затухания поверхностной волны ” и конуса векторов быстрой волны дифракции .

Далее переводят приемный вибратор в следующую точку, делая постоянный, либо адаптивно изменяющийся относительно величины изменения коэффициента затухания шаг у и повторяют измерения.

Вычисляют все значения j, где j[1,...n-1] - количество точек измерений, и рассчитывают среднее значение коэффициента затухания _cp:

Определяют максимальное отклонение коэффициента затухания _макс:

и сравнивают его значение с пороговым _порог, величина которого назначается по необходимой точности локализации неоднородности или по метрологическим соображениям, например, пороговой точности измерения Е, и т.д. Можно также сравнивать счетную сумму по индексу j модулей всех отклонений, сравнивая ее с назначенной пороговой величиной.

В микропроцессорном устройстве (МПУ) запоминаются координаты этой точки сканирования и значение = _порог- _макс.

Делают шаг z ₁ в направлении максимума ДН и производят аналогичный цикл измерений коэффициента затухания в точке (х_i, z_i+z ₁). Если среднее значение коэффициента затухания _cp в точке (х_i, z_i) отличается от _cp в точке (х_i, z_i+z ₁), то следующий шаг в направлении максимума ДН (оси Z)-z выбирается адаптивно из условия:

где C₁ и С₂ - коэффициенты пропорциональности, имеющие постоянные значения.

Повторяют цикл измерения _макс по направлению максимума ДН в пределах заданного изменения размера покрытия по оси Z от начального Z_H до конечного Z_кон.

Делают шаг х ₁, перемещая аппертуру излучателя и приемные вибраторы, и производят измерения _макс по направлению максимума ДН по оси Z в обратном направлении от Z_кон до Z_H. Цикл измерения _макс повторяется. При этом возможно адаптивное изменение x _i и у _j, подобно z _n.

В МПУ запоминается массив дискретных значений по всем дискретным точкам измерений и строится график значений по поверхности XZ. Определяют границы неоднородностей и площади поверхностей S₁, где 0, и S₂, где =0, а по соотношению S₁/(S₁+S₂) судят об относительных размерах локализованной в области S ₁ неоднородности (фиг.4).

Вычисляют “информативный ^” объем:

и определяют интегральный параметр, характеризующий неоднородность:

Для устранения погрешности от влияния конечных размеров площади сканирования переводят излучатель и приемные вибраторы так, чтобы максимум ДН был направлен по оси Х, и определяют коэффициент затухания по алгоритму, как и для рассмотренного выше случая, когда максимум ДН был направлен по оси Z. Результаты измерений и вычислений усредняют в каждой дискрентной точке.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить границы неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и их относительные размеры и количественную относительную меру отклонения от однородности покрытия, а так как измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов до поверхности, то не требуется специальных мер отстройки от зазора, что повышает точность измерений и дает возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя поверхностной волны.