CN109458961A - 一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波、毫米波测试技术领域，提供一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法，在测试传感器上，将开放式同轴腔开路端内、外导体进行渐变，使开路端口径变小，以减小开路端辐射损耗；同时将开路端内导体缩短，以降低腔内能量与吸波涂层耦合强度；这些改进有效提高了开放式同轴腔的有载品质因数，保证高损耗吸波涂层加载下仍能存在有效的谐振峰，便于高损耗吸波涂层厚度测试；在测量方法上，根据吸波涂层对微波能量衰减大的特点，利用开放式同轴腔品质因数(而不是谐振频率)的变化来推导不同涂层厚度。综上，本发明具有适用吸波涂层类型多、测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低、易于携带、操作方便等特点。

Description

一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法

技术领域

本发明属于微波、毫米波测试技术领域，涉及吸波涂层厚度无损测量，尤其是基于开放式同轴腔进行厚度测量的装置及方法。

技术背景

吸波涂层具有高性能、工艺简单、施工便捷和不受目标外形限制等特点，是目前应用最广、发展最好、最为有效的隐身技术手段之一。吸波涂层厚度是一个重要的工艺参数，在产品质量、性能和成本控制方面起着重要的作用；吸波涂层厚度测量技术一般采用无损测量法，可在不损坏涂层材料的前提下测量材料的厚度。无损测量方法主要有磁性测量、涡流测量、超声波测量、热成像测量、微波测量等；磁性测量适用于铁磁性基底上的非磁性涂层厚度测试，对于非铁磁性基底或磁性涂层材料则无法测量；涡流测量要求吸波涂层基底为非磁性金属，且当吸波涂层有磁性时，其磁导率对涡流探头阻抗影响显著，难以找出涂层厚度与探头之间的数学关系，测试建模复杂；超声波测量仅适合超声波均匀传播的涂层材料，而吸波涂层中的吸收剂会对超声波产生杂乱散射，导致超声波传播不均匀，测试分辨率降低；热成像测量需对涂层进行加热并采集涂层红外热图像，测试设备复杂，难以适应便携式测试；微波测量利用微波与材料互作用时，传感器微波参数的变化来检测材料特性，由于吸波涂层对微波具有较强扰动，不同厚度的涂层扰动量不同，可利用传感器微波参数的变化来反演涂层厚度。

在公告号为CN 106482677 A、《一种微波测厚仪》的专利中采用T型波导支路及反馈电路，利用微波信号对材料厚度的相位敏感性来测量厚度；该方法适用于单独的板材或涂层，对于粘贴或涂覆于基底上的待测材料难以进行测试。在文献《NoncontactMeasurement of C omplex Permittivity and Thickness by Using PlanarResonators》(IEEE Transactionson Micro wave Theory and Techniques,64(1),2016)中提出一种利用平面开口环谐振器测量厚度的方法，根据不同厚度材料加载下谐振器谐振频率的偏移来确定厚度；但平面开口环谐振器品质因数较低，且与待测材料能量耦合较强，适合对损耗不高的介质基板进行测试；若用于测量吸波涂层，由于吸波涂层损耗较大，可能导致加载后谐振回路损耗过大，使得谐振峰消失或难以提取谐振参数，因此不适于吸波涂层测量。在文献《微波同轴腔介质厚度测量理论分析》中公开了一种利用微波同轴腔进行介质厚度测量的方法，利用不同厚度加载下谐振频率的变化确定厚度；该方法由于是对谐振频率的变化量进行测量，适用于与空气介电常数相差较大的介质，如水膜、冰层等；由于吸波涂层需与空气进行阻抗匹配，其介电常数一般不大，若采用该方法可能导致加载吸波涂层前后谐振频率的变化量较小，测试精度较低；同时，该方法使用的微波同轴腔开路端未采用渐变结构，腔内能量与待测材料耦合较强，若用于吸波涂层测试，也可能导致谐振回路损耗过大，谐振峰消失，因此不适于吸波涂层测量。

基于此，针对现有技术存在的不足，本发明提供一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有吸波涂层厚度无损检测方法存在的不足，提供一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法；本发明对现有的开放式同轴腔测厚技术进行改进，设计具有较高品质因数的开放式同轴腔，利用不同厚度吸波涂层加载下开放式同轴腔品质因数的变化推导涂层厚度；通过集成微波扫频仪和数控模块实现对已涂覆吸波涂层进行便携式测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种便携式吸波涂层厚度测量装置，包括：测试传感器1、扫频仪2和数控模块3，其中，扫频仪通过微波电缆5、6与测试传感器的耦合装置连接，数控模块通过信号线4与扫频仪连接，用于供电以及控制扫频仪发送、接收和导出信号；其特征在于，所述测试传感器由开放式同轴腔、弹簧顶针11、支撑套12和耦合装置16组成；所述开放式同轴腔为一端短路、一端开路结构，开路端采用渐变形式使其口径变小，耦合装置由短路端伸入腔内进行耦合；所述开放式同轴腔由内导体13、外导体14、填充介质15构成，其中，内导体固定于外导体内中心位置，且内导体与外导体之间设置填充介质；所述弹簧顶针一端固定在开放式同轴腔短路端外导体上，另一端与支撑套内壁接触并在弹力作用下将支撑套朝上顶、使得支撑套底端平面高于开放式同轴腔外导体开路端平面，开放式同轴腔的外导体外壁和支撑套内壁之间滑配接触。

进一步的，所述外导体14的开路端还设置有圆对称分布的三个相同结构的小凸点141。

进一步的，所述弹簧顶针呈圆对称分布固定在开放式同轴腔短路端外导体上。

进一步的，所述填充介质采用低损耗材料。

一种吸波涂层厚度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：制备标准样件，标准样件包括基底和涂覆在基底上的已知厚度的吸波涂层；标准样件的吸波涂层和待测涂层材料相同；标准样件的基底和待测涂层基底材料相同，厚度分两种情况：(1)若基底为良导体，则标准样件的基底厚度大于1mm；(2)若基底为非金属，则标准样件的基底厚度和待测涂层基底厚度相同；

步骤2：开放式同轴腔开路端加载涂层厚度为h₁的标准样件，测量品质因数Q₁；

步骤3：开放式同轴腔开路端加载涂层厚度为h₂的标准样件，测量品质因数Q₂；

步骤4：将已知标准样件的吸波涂层厚度h₁、h₂和测试的品质因数Q₁、Q₂，代入公式h＝a·exp(b·Q)中，计算得到系数a、b；

步骤5：开放式同轴腔开路端加载待测涂层，测量品质因数Q，并代入公式h＝a·exp(b·Q)根据中计算得到待测涂层的厚度h。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法，基于开放式同轴腔实现对吸波涂层厚度的测量；在测试方法上，根据吸波涂层对微波能量衰减大的特点，利用开放式同轴腔品质因数(而不是谐振频率)的变化来推导不同涂层厚度；在测试夹具(测试传感器)上，将开放式同轴腔开路端内、外导体进行渐变，使开路端口径变小，以减小开路端辐射损耗；同时将开路端内导体缩短，以降低腔内能量与吸波涂层耦合强度；这些改进有效提高了开放式同轴腔的有载品质因数，保证高损耗吸波涂层加载下仍能存在有效的谐振峰，便于高损耗吸波涂层厚度测试。基于此，本发明具有适用吸波涂层类型多、测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低、易于携带、操作方便等特点。

附图说明

图1为本发明便携式吸波涂层厚度测量装置的结构示意图；

图2为本发明测试传感器结构示意图；

其中，1为测试传感器，2为扫频仪，3为数控模块，4为信号线，5、6为微波电缆，7为吸波涂层(或待测涂层)，8为基底，11为弹簧顶针，12为支撑套，13为内导体，14为外导体，15为填充介质，16为耦合装置，141为小凸点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种便携式吸波涂层厚度测量装置及方法，其中测量装置结构如图1所示，包括：测试传感器1、扫频仪2和数控模块3，其中，扫频仪通过微波电缆5、6与开放式同轴腔的耦合装置连接，数控模块通过信号线4与扫频仪连接，用于供电以及控制扫频仪发送、接收和导出信号；

其中，测试传感器的结构如图2所示，由开放式同轴腔、弹簧顶针11、支撑套12和耦合装置16组成；所述开放式同轴腔为一端短路、一端开路结构，开路端采用渐变形式使其口径变小，耦合装置由短路端伸入腔内进行耦合；所述开放式同轴腔由内导体13、外导体14、填充介质15构成，其中，内导体固定于外导体内中心位置，且内导体与外导体之间设置填充介质；所述弹簧顶针一端固定在开放式同轴腔短路端外导体上，另一端与支撑套内壁接触并在弹力作用下将支撑套朝上顶、使得支撑套底端平面高于开放式同轴腔外导体开路端平面，开放式同轴腔的外导体外壁和支撑套内壁之间滑配接触。

从工作原理上讲，本发明便携式吸波涂层厚度测量装置中：

1)开放式同轴腔开路端内导体和外导体均采用渐变的形式使开路端口径变小，以减小开路端辐射损耗，提高开放式同轴腔品质因数；内导体开路端平面高于外导体开路端平面，使得开放式同轴腔开路端电磁场与吸波涂层7的耦合减弱，保证高损耗吸波涂层加载下仍能存在有效的谐振峰，便于高损耗吸波涂层厚度测试。

2)所述外导体14的开路端还设置有圆对称分布的三个相同结构的小凸点141，使得外导体与吸波涂层之间接触紧密，有利于提高吸波涂层厚度测试稳定性；

3)填充介质一般采用聚四氟乙烯等低损耗材料，用于隔离腔体与外部环境，防止外部杂质对腔体的污染；

4)弹簧顶针呈圆对称分布固定在开放式同轴腔短路端外导体上，其伸缩端将支撑套朝上顶，使得每次手握支撑套向吸波涂层下压时，开放式同轴腔与吸波涂层的接触压力相同，提高测试稳定性；弹簧顶针弹力可调，以适应不同类型的吸波涂层，防止吸波涂层因测试传感器压力过大而发生形变，影响测试效果；

5)数控模块是一个基于控制芯片的嵌入式系统，由控制芯片和外围部件——显示屏、矩阵键盘、储存卡和电池组成。连接数控模块和扫频仪的信号线包括电源线和串口通信线，用于供电以及控制扫频仪。矩阵键盘可执行初始化、校准、测试、数据导出功能，通过输入标准样件的吸波涂层厚度值并利用扫频仪测量标准样件加载下的品质因数，利用预设公式计算得到校准数据并储存于控制芯片中。吸波涂层测量数据可通过显示屏显示，或利用储存卡进行数据导出。

一种吸波涂层厚度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：制备标准样件，标准样件包括基底和涂覆在基底上的已知厚度的吸波涂层；标准样件的吸波涂层和待测涂层材料相同；标准样件的基底和待测涂层基底材料相同，厚度分两种情况：(1)若基底为良导体，则标准样件的基底厚度大于1mm；(2)若基底为非金属，则标准样件的基底厚度和待测涂层基底厚度相同；

步骤2：开放式同轴腔开路端加载涂层厚度为h₁的标准样件，测量品质因数Q₁；

步骤3：开放式同轴腔开路端加载涂层厚度为h₂的标准样件，测量品质因数Q₂；

步骤4：根据已知标准样件的吸波涂层厚度h₁、h₂和测试的品质因数Q₁、Q₂，确定该种吸波涂层厚度与品质因数关系式，其计算过程如下：

开放式同轴腔开路端辐射场强随着与开路端距离增加呈指数衰减，吸波涂层厚度越厚，开放式同轴腔的耗散功率越大，品质因数越低，因此吸波涂层厚度与品质因数可近似为如下关系：

h＝a·exp(b·Q) (1)

式中h为吸波涂层厚度，Q为对应该厚度时测试的品质因数，a、b为待定系数。已知(Q₁，h₁)和(Q₂，h₂)，根据式(1)可确定系数a、b；

步骤5：开放式同轴腔开路端加载待测涂层，测量品质因数，根据式(1)求得厚度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种便携式吸波涂层厚度测量装置，包括：测试传感器(1)、扫频仪(2)和数控模块(3)，其中，扫频仪通过微波电缆(5、6)与测试传感器的耦合装置连接，数控模块通过信号线(4)与扫频仪连接；其特征在于，所述测试传感器由开放式同轴腔、弹簧顶针(11)、支撑套(12)和耦合装置(16)组成；所述开放式同轴腔为一端短路、一端开路结构，开路端采用渐变形式使其口径变小，耦合装置由短路端伸入腔内进行耦合；所述开放式同轴腔由内导体(13)、外导体(14)、填充介质(15)构成，其中，内导体固定于外导体内中心位置，且内导体与外导体之间设置填充介质；所述弹簧顶针一端固定在开放式同轴腔短路端外导体上，另一端与支撑套内壁接触并在弹力作用下将支撑套朝上顶、使得支撑套底端平面高于开放式同轴腔外导体开路端平面，开放式同轴腔的外导体外壁和支撑套内壁之间滑配接触。

2.按权利要求1所述便携式吸波涂层厚度测量装置，其特征在于，外导体(14)的开路端还设置有圆对称分布的三个相同结构的小凸点(141)。

3.按权利要求1所述便携式吸波涂层厚度测量装置，其特征在于，所述弹簧顶针呈圆对称分布固定在开放式同轴腔短路端外导体上。

4.按权利要求1所述便携式吸波涂层厚度测量装置，其特征在于，所述填充介质采用低损耗材料。

5.基于权利要求1所述便携式吸波涂层厚度测量装置的吸波涂层厚度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：制备标准样件，标准样件包括基底和涂覆在基底上的已知厚度的吸波涂层；标准样件的吸波涂层和待测涂层材料相同；标准样件的基底和待测涂层基底材料相同，厚度分两种情况：(1)若基底为良导体，则标准样件的基底厚度大于1mm；(2)若基底为非金属，则标准样件的基底厚度和待测涂层基底厚度相同；

步骤2：开放式同轴腔开路端加载涂层厚度为h₁的标准样件，测量品质因数Q₁；

步骤3：开放式同轴腔开路端加载涂层厚度为h₂的标准样件，测量品质因数Q₂；

步骤4：将已知标准样件的吸波涂层厚度h₁、h₂和测试的品质因数Q₁、Q₂，代入公式h＝a·exp(b·Q)中，计算得到系数a、b；

步骤5：开放式同轴腔开路端加载待测涂层，测量品质因数Q，并代入公式h＝a·exp(b·Q)中计算得到待测涂层的厚度h。