RU2256168C2

RU2256168C2 - Свч способ определения толщины и комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических покрытий

Info

Publication number: RU2256168C2
Application number: RU2003126856/09A
Authority: RU
Inventors: П.А. Федюнин (RU); П.А. Федюнин; Д.А. Дмитриев (RU); Д.А. Дмитриев; Н.П. Федоров (RU); Н.П. Федоров
Original assignee: Тамбовский военный авиационный инженерный институт
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2005-07-10
Also published as: RU2003126856A

Abstract

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости, а также толщины диэлектрических покрытий и может быть использовано для контроля и регулирования состава и свойств материалов в процессе их производства и эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения диэлектрической проницаемости толщины покрытия, а также упрощение приемного устройства и отсутствие необходимости в согласующем устройстве. СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле заключается в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на металлической подложке и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле. С помощью синфазной апертуры с круговой ДН по азимуту последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две Е-волны на разных, но близких длинах волн генератора λ_Е1, λ_E2, удовлетворяющих условию:

По минимуму напряженности поля находят соседние точки минимума поля медленных поверхностных волн и рассчитывают длины волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2, как удвоенное расстояние между двумя соседними минимумами поля поверхностной медленной волны, и рассчитывают коэффициенты затухания напряженности поля каждой волны вдоль направления их распространения по приведенным математическим зависимостям. Затем усредняют значение коэффициента затухания напряженности поля вдоль оси Z и по величине затухания поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического покрытия определяют величину удельной проводимости диэлектрического покрытия γ_ОМ и рассчитывают действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости, а также толщину диэлектрического покрытия по приведенным формулам. 2 ил.

Description

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости, а также толщины диэлектрических покрытий и может быть использовано для контроля и регулирования состава и свойств материалов в процессе их производства и эксплуатации.

Известен способ определения толщины покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов, в основу которого положен пондероматорный принцип /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, с.58/.

Этот способ обладает следующими недостатками: не позволяет осуществлять быстродействующее сканирование больших поверхностей и нечувствителен к изменению диэлектрической проницаемости.

Известен способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе /см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, с.120-125/, заключающийся в создании вихревых токов в электропроводящей подложке и последующей регистрации комплексных напряжений

или сопротивлений

вихретокового преобразователя как функции электропроводности подложки и величины зазора между преобразователем и подложкой.

Недостатками данного способа являются: зависимость точности измерения толщины покрытия от зазора между преобразователем и подложкой, отсутствие возможности измерения диэлектрической и магнитной проницаемости покрытия, высокая чувствительность к изменению параметров подложки (удельной электропроводности и магнитной проницаемости) и малая скорость сканирования больших поверхностей.

Известен, принятый нами за прототип, СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле /см. Суслин М.А., Дмитриев Д.А. и др. СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле. Патент № 2193184, кл. G 01 N 15/00, от 20.11.02, Бюл. № 32/, заключающийся в создании СВЧ электромагнитного поля бегущей поверхностной медленной волны типа Е над поверхностью диэлектрик-металл в одномодовом режиме, измерении в нормальной плоскости относительно распространения медленной поверхностной волны коэффициентов затухания на двух близких по величине длинах, возбуждаемых генератором волн Е, и расчете диэлектрической проницаемости и толщины покрытия.

Недостатками данного способа являются: невозможность определения комплексной диэлектрической проницаемости (ее мнимой части, пропорциональной проводимости омических потерь γ_ОМ), трудность реализации режима бегущих волн, необходимость в согласующем устройстве, наличие направленной антенны, трудность обеспечения постоянства зазора между излучаемой апертурой и покрытием.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения диэлектрической проницаемости

и толщины покрытия b, a также упрощение приемного устройства и отсутствие необходимости в согласующем устройстве.

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ способе определения толщины и комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических покрытий, заключающемся в создании в объеме контролируемого диэлектрического материала на металлической подложке с помощью синфазной апертуры с круговой ДН по азимуту медленных поверхностных волн: две Е-волны на разных, но близких длинах волн генератора λ_Е1, λ_Е2, удовлетворяющих условию

и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле, по минимуму напряженности поля находят соседние точки минимума поля медленных поверхностных волн и рассчитывают длины волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2, как удвоенное расстояние между двумя соседними минимумами поля поверхностной медленной волны; рассчитывают коэффициенты затухания напряженности поля каждой волны вдоль направления их распространения

где

,

- напряженность электрического поля поверхностной волны λ_ЗС1 в соседних точках минимума Z_i,1, Z_i+1,1,

,

- напряженность электрического поля поверхностной волны λ_ЗС2 в соседних точках минимума Z_i,2, Z_i+1,2,

i=1, 2... - количество минимумов поля поверхностной медленной волны;

усредняют значение коэффициента затухания напряженности поля вдоль оси Z-α_Z; по величине коэффициента затухания α_Z поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического покрытия определяют величину удельной проводимости диэлектрического покрытия γ_ОМ; по найденным длинам волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2 определяют действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости ε’ покрытия и его толщину b, а по величине удельной проводимости диэлектрического покрытия γ_ОМ - мнимую ε’’ часть комплексной диэлектрической проницаемости по формулам:

где a₁=λ_E1, a₂=λ_E2, b₁=λ_ЗС1, b₂=λ_ЗС2,

Сущность предлагаемого СВЧ способа определения толщины и комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических покрытий поясняется следующим. С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн 1 в виде синфазной апертуры с круговой ДН по азимуту, у которой в качестве нижней части используется “подстилающая” металлическая поверхность-основа 7, на которую нанесен исследуемый слой диэлектрического покрытия 6 (фиг.1), последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две E-волны на разных, но близких по величине длинах волн генератора λ_E1, λ_E2 так, чтобы выполнялось условие

.

Так как у рупорного вида апертур всегда отсутствует гальванический контакт между верхней и нижней частями, то кроме излучения в раскрыве происходят паразитные излучения через щель по периметру апертуры вне раскрыва. Размеры этой щели должны быть соизмеримы с толщиной слоя. Этот случай требует применения синфазной апертуры с круговой ДН по азимуту и более мощных генераторов СВЧ (с мощностью более 10 [Вт]), что исключает также необходимость перемещения апертуры и приемного вибратора.

Из-за конечности продольного размера измеряемой структуры “диэлектрик - металл”, обладающей волновым сопротивлением

на ее границе со свободным пространством с

имеет место частичное отражение поверхностной волны.

“Чистого” режима БВ (с коэффициентом БВ (КБВ) порядка 0,85-0,9) можно добиться введением закрепленного совместно с приемным вибратором на расстоянии от него не менее λ_Г/2, где λ_Г - длина волны генератора, поглощающей согласованной нагрузки.

С помощью приемного вибратора 5 (фиг.1), перемещая его вдоль направления распространения поверхностной медленной волны (вдоль оси Z) непрерывно или дискретно с шагом ΔZ с поисковым алгоритмом индикации минимума поля смешанной волны (СмВ), находят точки минимума поля СмВ Z_i,1, Z_i+1,1 для волны λ_ЗС1(λ_Е1) и Z_i,2, Z_i+1,2 для волны λ_ЗС2(λ_Е2) (фиг.2), где i=1, 2... - количество минимумов поля поверхностной медленной волны. Расстояние от вибратора до слоя при этом должно быть минимальным.

При этом легко реализовать измерение длины волны над диэлектрическим покрытием, т.е. λ_ЗС1(λ_Е1) и λ_ЗС2(λ_Е2), как удвоенное расстояние между двумя соседними минимумами (фиг.2) поля поверхностной медленной волны.

Для каждой волны в точках минимума поля производят измерение напряженности поля поверхностной медленной волны:

,

- для λ_ЗС1(λ_Е1) и

,

- для λ_ЗС2(λ_Е2) и определяют длины волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2. Фазы напряженности поля Е в точках минимума будут отличаться на ±π. При этом возможна наибольшая локальность измерений.

По измеренным значениям длин волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2 и напряженности поля

,

и

,

в точках минимума Z_i,1, Z_i+1,1 и Z_i,2, Z_i+1,2, соответственно, рассчитывают коэффициенты затухания напряженности поля вдоль направления максимума ДН (направления распространения волны) для каждой волны

и находят среднее значение коэффициента затухания напряженности поля вдоль оси Z-α_Z.

Так как коэффициент затухания поля поверхностной медленной волны Е-типа согласно /Фальковский О.И. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1978. - 450 с./

где

- волновое число для волны в свободном пространстве;

- волновое число для поверхностной медленной волны, распространяющейся вдоль диэлектрического покрытия;

- коэффициент замедления поля поверхностной медленной волны;

тогда

С учетом выражения (4) и выражений для определения диэлектрической (действительной ее части) проницаемости и толщины диэлектрического покрытия /см. Суслин М.А., Дмитриев Д.А. и др. СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле. Патент № 2193184 от 20.11.02, Бюл. № 32/:

а также вводя обозначения: λ_E1=α₁, λ_E2=α₂, λ_ЗС1=b₁, λ_ЗС2=b₂ и

можно получить расчетные выражения для определения действительной величины диэлектрической проницаемости и толщины покрытия по длине поверхностной медленной волны, измеренной вдоль диэлектрического покрытия ε’=Ф2(λ_E1, λ_Е2, λ_ЗС1, λ_ЗС2) и b=Ф3(λ_E1, λ_Е2, λ_ЗС1, λ_ЗС2);

Коэффициент диссипативных затуханий α_Z зависит от величины удельной проводимости диэлектрического покрытия γ_ОМ и имеет, в преобразованном виде, выражение /см. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы. - М.: Сов. радио. - 1970, стр.75/:

здесь R - фактор затухания, зависящий от величины α/λ_Г, и диэлектрической проницаемости. Оптимальное (максимальное) значение этого фактора, для целей измерения γ, лежит при значениях α/λ_Г (при разных ε) в пределах:

.

Таким образом, по величине коэффициента диссипативных затуханий α_Z поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического трубопровода определяют величину удельной проводимости γ_ОМ и рассчитывают мнимую часть диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия:

В качестве излучающей апертуры предлагается круговая синфазная тарельчатая апертура, образованная верхней “тарелкой” с углом раскрыва, обеспечивающим согласование при приемлемой мощности прямой паразитной волны 2 и нижней частью апертуры, в качестве которой используется металлическая подстилающая поверхность, и снабженная согласующим конусом 3. Синфазная апертура питается через круглый волновод 4 от ГСВЧ. Излучающая система неподвижна, всенаправлена по азимуту и механически развязана с приемными вибраторами, что позволяет перемещать приемные вибраторы в любом радиальном и азимутальном направлении.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении качества и улучшении технологичности производства диэлектрических покрытий на металлической подложке за счет повышения точности определения комплексной диэлектрической проницаемости

и толщины покрытия b.

Claims

СВЧ способ определения толщины и комплексной диэлектрической проницаемости диэлектрических покрытий, заключающийся в создании в объеме контролируемого диэлектрического материала на металлической подложке с помощью синфазной апертуры с круговой ДН по азимуту медленных поверхностных волн: две Е-волны на разных, но близких длинах волн генератора λ_E1, λ_Е2, удовлетворяющих условию
, и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле, отличающийся тем, что по минимуму напряженности поля находят соседние точки минимума поля медленных поверхностных волн и рассчитывают длины волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2 как удвоенное расстояние между двумя соседними минимумами поля поверхностной медленной волны; рассчитывают коэффициенты затухания напряженности поля каждой волны вдоль направления их распространения

где E_i,1min, E_i+1,1min - напряженность электрического поля поверхностной волны λ_зс1 в соседних точках минимума Z_i,1, Z_i+1,1,

E_i,2min, E_i+1,2min - напряженность электрического поля поверхностной волны λ_ЗС2 в соседних точках минимума Z_i,2, Z_i+1,2, i=1, 2... - количество минимумов поля поверхностной медленной волны;

усредняют значение коэффициента затухания напряженности поля вдоль оси Z-α_Z; по величине коэффициента затухания α_Z поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического покрытия определяют величину удельной проводимости диэлектрического покрытия γ_OM; по найденным длинам волн над диэлектрическим покрытием λ_ЗС1 и λ_ЗС2определяют действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости ε’ покрытия и его толщину b, а по величине удельной проводимости диэлектрического покрытия γ_OM - мнимую ε’’ часть комплексной диэлектрической проницаемости по формулам

где a₁=λ_E1, a₂=λ_E2, b₁=λ_ЗС1, b₂=λ_ЗС2,