RU2240504C1

RU2240504C1 - Method for determining thickness of dielectric material

Info

Publication number: RU2240504C1
Application number: RU2003116326/28A
Authority: RU
Inventors: Г.Н. Ахобадзе (RU); Г.Н. Ахобадзе
Original assignee: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-11-20

Abstract

FIELD: measuring equipment engineering.

SUBSTANCE: method includes probing controlled material by signal of infrared range. Impulses reflected from surface of controlled material and from base surface are received. Energetic light levels of surfaces of controlled material and base are measured. Thickness of controlled material is determined from relation of measured energetic light levels of surfaces of controlled material and base from relation from invented formula.

EFFECT: higher precision.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in process control systems.

Известен способ, реализуемый волноводным толщиномером (см. В.А.Викторов и др. “Радиоволновые измерения параметров технологических процессов”, 1989, стр.46), в котором о толщине листа судят по характеристикам (амплитуде) распространения электромагнитных волн в волноводах, в поле которых находится контролируемый лист.A known method implemented by a waveguide thickness gauge (see V.A. Viktorov et al. “Radio wave measurements of technological process parameters”, 1989, p. 46), in which the sheet thickness is judged by the characteristics (amplitude) of the propagation of electromagnetic waves in waveguides, in the field of which is the controlled sheet.

Недостатком этого известного способа является сложность в конструкции волноводного датчика и преобразовании информационного сигнала.The disadvantage of this known method is the complexity in the design of the waveguide sensor and the conversion of the information signal.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения толщины диэлектрического слоя (см. В.А.Викторов и др. “Радиоволновые измерения параметров технологических процессов”, 1989 г., стр. 50). В устройстве, реализующем указанный способ, колебания с СВЧ генератора по измерительному (направленный ответвитель) и опорному (умножитель частоты) каналам поступают на передающие антенны, которые излучают волны в сторону объекта контроля. Отраженные от объекта сигналы, улавливаемые приемными антеннами и передаваемые далее соответственно направленным ответвителем и умножителем частоты, сравниваются в фазовом детекторе. Здесь по разности фаз опорного и измерительного сигналов определяют толщину контролируемого материала.The closest technical solution to the proposed one is the method for determining the thickness of the dielectric layer adopted by the author for the prototype (see V.A. Viktorov et al. “Radio-wave measurements of the parameters of technological processes”, 1989, p. 50). In a device that implements this method, the oscillations from the microwave generator through the measuring (directional coupler) and reference (frequency multiplier) channels are transmitted to transmitting antennas that emit waves in the direction of the control object. The signals reflected from the object, captured by the receiving antennas and transmitted further respectively by a directional coupler and frequency multiplier, are compared in a phase detector. Here, the thickness of the controlled material is determined by the phase difference of the reference and measuring signals.

Недостатком данного двухчастотного фазового способа следует считать погрешность, обусловленную сложностью определения разности фаз при широком диапазоне измерения контролируемого параметра.The disadvantage of this two-frequency phase method should be considered the error due to the complexity of determining the phase difference with a wide measurement range of the controlled parameter.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения.The objective of the proposed technical solution is to increase the accuracy of measurement.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины диэлектрического материала, расположенного на диэлектрическом основании, использующем взаимодействие электромагнитных колебаний с контролируемым материалом при его зондировании волнами и отражении от него волн, толщину диэлектрического материала d определяют по формуле:The problem is solved in that in a method for determining the thickness of a dielectric material located on a dielectric base using the interaction of electromagnetic waves with a controlled material when it is probed by waves and reflected from it, the thickness of the dielectric material d is determined by the formula:

где R_o - расстояние между излучателем электромагнитных колебаний и диэлектрическим основанием, Е_м - энергетическая освещенность, создаваемая излучением, отраженным от поверхности контролируемого диэлектрического материала, Е_о - энергетическая освещенность, создаваемая излучением, отраженным от поверхности диэлектрического основания.where R _o is the distance between the emitter of electromagnetic waves and the dielectric base, E _m is the energy illuminance created by the radiation reflected from the surface of the controlled dielectric material, E _o is the energy illuminance created by the radiation reflected from the surface of the dielectric base.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании контролируемого диэлектрического материала электромагнитными волнами, по измеренным значениям энергетических освещенностей отраженными от поверхностей материала и основания излучениями определяют толщину материала.The essence of the claimed invention, characterized by a combination of the above features, is that when probing a controlled dielectric material with electromagnetic waves, the thickness of the material is determined from the measured values of the energy illuminance reflected from the surfaces of the material and the base radiation.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины диэлектрического материала, на основе использования интенсивности отраженных от поверхностей основания и материала электромагнитных волн с желаемым техническим результатом, т.е. высокой точностью измерения.The presence in the claimed method of the totality of the listed existing features allows us to solve the problem of determining the thickness of the dielectric material, based on the use of the intensity of electromagnetic waves reflected from the base surfaces and the material with the desired technical result, i.e. high accuracy of measurement.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство, реализующее данное технического решение, содержит излучатель инфракрасных волн 1, приемник 2, индикатор 3 для регистрации результатов измерения толщины диэлектрического плоского материала 4, расположенного на диэлектрическом основании 5.A device that implements this technical solution contains an infrared wave emitter 1, a receiver 2, an indicator 3 for recording the results of measuring the thickness of a dielectric flat material 4 located on a dielectric base 5.

Суть предлагаемого способа заключается в определении толщины диэлектрического плоского материала на диэлектрическом основании путем измерения и преобразования отраженных от поверхностей материала и основания электромагнитных сигналов.The essence of the proposed method is to determine the thickness of a dielectric flat material on a dielectric base by measuring and converting electromagnetic signals reflected from the surfaces of the material and the base.

При зондировании плоского диэлектрического материала, расположенного на диэлектрическом основании, инфракрасными волнами для оценки интенсивности (энергетической освещенности) отраженной от поверхности объекта инфракрасной волны можно использовать формулу:When probing a plane dielectric material located on a dielectric base with infrared waves, the following formula can be used to estimate the intensity (energy illumination) of an infrared wave reflected from the surface of an object:

где Е_м - величина энергетической освещенности отраженным инфракрасным излучением, θ_м - угол между нормалью и отражающей поверхностью диэлектрического материала и направлением на приемник, Р - мощность излучателя, ρ_м - коэффициент отражения от поверхности раздела двух сред (воздух - диэлектрический материал), R_м - расстояние между излучателем и поверхностью контролируемого материала.where E _m is the magnitude of the energy illuminance by reflected infrared radiation, θ _m is the angle between the normal and the reflecting surface of the dielectric material and the direction to the receiver, P is the emitter power, ρ _m is the reflection coefficient from the interface between the two media (air - dielectric material), R _m is the distance between the emitter and the surface of the controlled material.

Аналогично при отсутствии диэлектрического материала на диэлектрическом основании для оценки интенсивности отраженной от поверхности диэлектрического основания инфракрасной волны можно записать:Similarly, in the absence of dielectric material on a dielectric base, to estimate the intensity of the infrared wave reflected from the surface of the dielectric base, one can write:

где E₀- величина энергетической освещенности отраженным инфракрасным излучением, θ₀ - угол между нормалью к отражающей поверхности диэлектрического основания и направлением на приемник, ρ₀ - коэффициент отражения от поверхности раздела двух сред (воздух - диэлектрическое основание), R₀ - расстояние между излучателем и диэлектрическим основанием.where E ₀ is the magnitude of the energy illuminance by reflected infrared radiation, θ ₀ is the angle between the normal to the reflecting surface of the dielectric base and the direction to the receiver, ρ ₀ is the reflection coefficient from the interface between the two media (air - dielectric base), R ₀ is the distance between the emitter and dielectric base.

При предположении ρ_м=ρ_о и ρ_м=θ_о совместное преобразование уравнений (1) и (2) дает возможность записать, что:Under the assumption that ρ _m = ρ _о and ρ _m = θ _{о, the} joint transformation of equations (1) and (2) makes it possible to write that:

В данном случае, так как изменение толщины материала сопряжено с изменением расстояния R_м, то при R_o=const параметр R_м, как следует из формулы (3), можно вычислить следующим образом:In this case, since a change in the thickness of the material is associated with a change in the distance R _m , then at R _o = const the parameter R _m , as follows from formula (3), can be calculated as follows:

С другой стороны, геометрическая величина параметра R_м с учетом толщины диэлектрического материала и расстояния R_o может быть определена как:On the other hand, the geometric value of the parameter R _m taking into account the thickness of the dielectric material and the distance R _o can be defined as:

где d - толщина диэлектрического материала.where d is the thickness of the dielectric material.

В результате совместного преобразования уравнений (4) и (5) имеем:As a result of the joint transformation of equations (4) and (5), we have:

Последнее выражение показывает, что при постоянном значении расстояния R_o путем измерения энергетических освещенностей отраженных от поверхностей диэлектрического материала и диэлектрического основания излучениями можно оценить величину толщины контролируемой среды.The last expression shows that at a constant value of the distance R _o by measuring the energy illuminance reflected from the surfaces of the dielectric material and the dielectric base by radiation, it is possible to estimate the thickness of the controlled medium.

Для этого в устройстве, реализующем предлагаемый способ, сначала инфракрасные волны, излучаемые излучателем 1, направляются в сторону диэлектрического плоского материала 4, расположенного на диэлектрическом плоском основании 5. После этого отраженные от поверхности материала (и при отсутствии материала на диэлектрическом основании от поверхности последнего) волны улавливаются приемником 2. Здесь следует отметить, что источник и приемник излучения располагаются в одной плоскости, т.е. на одном расстоянии от объекта контроля. С выхода приемника сигнал, связанный с отражающими свойствами диэлектрического материала (диэлектрического основания) и расстоянием между поверхностью контролируемого объекта и излучателем (приемником), переносится в индикатор 3. В этом блоке отражается информация о толщине диэлектрического материала на основании.To do this, in a device that implements the proposed method, first the infrared waves emitted by the emitter 1 are directed towards the dielectric flat material 4 located on the dielectric flat base 5. After that, reflected from the surface of the material (and in the absence of material on the dielectric base from the surface of the latter) waves are captured by receiver 2. Here it should be noted that the radiation source and receiver are located in the same plane, i.e. at one distance from the control object. From the output of the receiver, the signal associated with the reflective properties of the dielectric material (dielectric base) and the distance between the surface of the controlled object and the emitter (receiver) is transferred to indicator 3. In this block, information on the thickness of the dielectric material on the base is reflected.

Проведены лабораторные эксперименты по определению толщины перфокарты (82 х187 мм), расположенной на фторопласте. В опытах в качестве излучателя и приемника использовался инфракрасный диод типа АЛ107Б с мощностью излучения 9 мВт и длиной волны 0,9...12 мкм. При изменении толщины перфокарты от 0,16 до 4 мм разность инфракрасного сигнала на выходе приемника составила 26,71 мВ. В испытаниях погрешность измерения толщины перфокарты не превышала 0,2%.Laboratory experiments were carried out to determine the thickness of a punch card (82 x187 mm) located on the fluoroplastic. In the experiments, an AL107B type infrared diode with a radiation power of 9 mW and a wavelength of 0.9 ... 12 μm was used as a radiator and a receiver. When changing the thickness of the punch card from 0.16 to 4 mm, the difference in the infrared signal at the output of the receiver was 26.71 mV. In the tests, the error in measuring the thickness of the punch card did not exceed 0.2%.

Таким образом, согласно предлагаемому способу, на основе измерения интенсивности отраженных от диэлектрического материала на диэлектрическом основании инфракрасных волн можно обеспечить более высокую точность и чувствительность измерения толщины контролируемой среды.Thus, according to the proposed method, based on measuring the intensity of infrared waves reflected from the dielectric material on the dielectric base, it is possible to provide higher accuracy and sensitivity for measuring the thickness of the controlled medium.

Claims

A method for determining the thickness of a dielectric material located on a dielectric base, in which a controlled dielectric material is probed with an electromagnetic signal from the emitter and signals reflected from the surface of the controlled material are received, characterized in that the energy illuminance E _M generated by radiation reflected from the surface of the controlled dielectric material is measured, and _on irradiance E created by the radiation reflected from the surface of dielectric on a base material and a controlled thickness d is given by:

where R _O is the distance between the emitter and the dielectric base.