RU2688902C1 - Non-contact microrelief sensor - Google Patents

Non-contact microrelief sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2688902C1
RU2688902C1 RU2018122966A RU2018122966A RU2688902C1 RU 2688902 C1 RU2688902 C1 RU 2688902C1 RU 2018122966 A RU2018122966 A RU 2018122966A RU 2018122966 A RU2018122966 A RU 2018122966A RU 2688902 C1 RU2688902 C1 RU 2688902C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
resonator
signal
microrelief
slots
Prior art date
Application number
RU2018122966A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Витальевич Шитов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Priority to RU2018122966A priority Critical patent/RU2688902C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2688902C1 publication Critical patent/RU2688902C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B15/00Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • G01B15/08Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/20Investigating the presence of flaws
    • G01N27/205Investigating the presence of flaws in insulating materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention can be used to detect and measure microrelief of surface from metals and dielectrics, as well as to surface defectoscopy and detection of inhomogeneity of near-surface layers. Non-contact microrelief sensor consists of one or more microwave resonators located near the analyzed surface and operating using the standing wave amplitude variation effect in the resonator depending on the gap shape between the resonator and the surface, as well as on the surface material properties in the area of its interaction with the resonator. According to the invention, the resonator used is a planar structure on a dielectric substrate, having two resonant slots, in-phase excited by a high-frequency signal, and equipped with a separate port for reading an antiphased signal of such resonance slots.
EFFECT: invention enables to divide the signal into two channels, in which signals which depend on the distance between the sensor and the surface are separately recorded and signals depending on the relief gradient in the active region of the sensor, in addition, such a sensor enables to substantially increase the sensitivity and information content of measurements in the near electromagnetic field microscopy mode.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение может использоваться в качестве сенсора в составе электронно-механических устройств, предназначенных для аттестации поверхности из металлов и диэлектриков, а также их комбинации, с применением метода механического сканирования, в том числе, для выявления и измерения микрорельефа, а также с целями дефектоскопии поверхности и обнаружения неоднородности приповерхностных слоев в широком диапазоне размеров, от миллиметров до долей микрометра, в том числе, в труднодоступных местах, например, при профилактическом исследовании металлических и полимерных стенок трубопроводов, используемых для перекачки агрессивных жидкостей, включая нефтепродукты.The invention can be used as a sensor as part of an electronic-mechanical device designed to certify the surface of metals and dielectrics, as well as their combination, using the method of mechanical scanning, including the detection and measurement of microrelief, as well as for the purposes of surface detection and detection of heterogeneity of the surface layers in a wide range of sizes, from millimeters to fractions of a micrometer, including in hard-to-reach places, for example, during preventive research m -metallic and polymeric wall pipes used for pumping corrosive liquids, including oil.

Аналогами бесконтактного датчика микрорельефа (БДМ) является целое семейство датчиков, применяемых в так называемой микроскопии ближнего поля, например, описанные в обзоре [Bjorn Т. Rosner, Daniel W. van der Weide. "High-frequency near-field microscopy". Review of Scientific Instruments 73, 2505 (2002); https://doi.Org/10.1063/l.1482150]. Это активные датчики, которые, в отличие от сенсоров дальнего поля (радаров), воздействуют электромагнитным полем на испытываемую поверхность, находящуюся на расстояниях малых по сравнению с зоной концентрации поля, излучаемого датчиком (от миллиметров до долей микрометра). Такой датчик, или линейка датчиков (мульти датчик), связан со специализированными электронными цепями, в качестве которых может выступать, в том числе, стандартный измеритель импеданса (измеритель S-параметров), который регистрирует уровень отражения и прохождения токов в цепях датчика в зависимости от его зазора с поверхностью. Результаты измерений могут быть обработаны с помощью персонального компьютера (ПК), используя специальное программное обеспечение (ПО). Методы создания такого ПО описаны, например, в [СВ. Китаев. Основы технической диагностики объектов транспорта и хранения нефти и газа. Электронный учебно-методический комплекс.Analogues of the contactless microrelief sensor (BDM) are a whole family of sensors used in so-called near field microscopy, for example, described in the review [Bjorn T. Rosner, Daniel W. van der Weide. "High-frequency near-field microscopy". Review of Scientific Instruments 73, 2505 (2002); https://doi.Org/10.1063/l.1482150]. These are active sensors, which, unlike far-field sensors (radars), affect an electromagnetic field on a test surface located at small distances compared to the field concentration zone emitted by the sensor (from millimeters to fractions of a micrometer). Such a sensor, or a range of sensors (multi sensor), is associated with specialized electronic circuits, which may include, among other things, a standard impedance meter (S-parameter meter), which records the level of reflection and passage of currents in the sensor circuits depending on its clearance with the surface. The measurement results can be processed using a personal computer (PC) using special software (software). Methods for creating such software are described, for example, in [CB. Chinas. Fundamentals of technical diagnostics of objects of transport and storage of oil and gas. Electronic educational and methodical complex.

http://doidpo.rusoil.net/pluginfile.php/15820/mod resource/content/1/Fundamental s%20of%20technical%20diagnostics/index.html]. Такое ПО визуализирует вариации импеданса датчика в координатах исследуемой поверхности, и после соответствующей калибровки, позволяет получить математически точное описание рельефа или карту неоднородностей в объеме, прилегающем к поверхности за счет пористости или чужеродных включений.http://doidpo.rusoil.net/pluginfile.php/15820/mod resource / content / 1 / Fundamental s% 20of% 20technical% 20diagnostics / index.html]. Such software visualizes variations of the sensor impedance in the coordinates of the surface under study, and after appropriate calibration, allows you to get a mathematically accurate description of the relief or a map of inhomogeneities in the volume adjacent to the surface due to porosity or alien inclusions.

Конструктивно, чувствительная зона известных датчиков ближнего поля (ДБП) располагается вблизи конца волновода, например, коаксиального кабеля, который может быть магнитным излучателем, если оснащен проволочной петлей, как описано в работе [М. Kanda, "An Electromagnetic Near-Field Sensor for Simultaneous Electric and Magnetic-Field Measurements," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility (Volume: EMC-26, Issue: 3) pp.102-110 (Aug. 1984) https://doi.org/10.1109/TEMC. 1984.304200].Structurally, the sensitive area of the known near-field sensors (DBP) is located near the end of the waveguide, for example, a coaxial cable, which can be a magnetic radiator if equipped with a wire loop, as described in [M. Kanda, "An Electromagnetic Near-Field Sensor for Simultaneous Electric and Magnetic-Field Measurements," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility (Volume: EMC-26, Issue: 3) pp.102-110 (Aug. 1984) https: // doi .org / 10.1109 / TEMC. 1984.304200].

Другим семейством-аналогом в области дефектоскопии можно назвать чисто магнитные сенсоры для труб, изготовленных из ферромагнитных сплавов, в которых дефекты (раковины) выявляются по изменению магнитного зазора между стенкой трубы и магнитной головкой. Такие головки устанавливаются на самодвижущийся носитель, который имеет возможность передвигаться внутри стальной трубы. Такой носитель может быть запрограммирован и накапливать информацию о магнитном низкочастотном взаимодействии головок со стенкой трубы с учетом координаты передвижения носителя вдоль трубы, см., например, [Внутритрубный индикатор дефектов промысловых трубопроводов. http://intron-vtd.ru/4.html]. Однако магнитные датчики могут работать только с изделиями из ферромагнитных сплавов.Another family-analogue in the field of flaw detection can be called pure magnetic sensors for pipes made of ferromagnetic alloys, in which defects (shells) are detected by a change in the magnetic gap between the pipe wall and the magnetic head. These heads are mounted on a self-propelled carrier, which has the ability to move inside the steel pipe. Such a carrier can be programmed and accumulate information about the magnetic low-frequency interaction of the heads with the pipe wall, taking into account the coordinate of carrier movement along the pipe, see, for example, [Pipeline indicator of defects in field pipelines. http://intron-vtd.ru/4.html]. However, magnetic sensors can only work with products from ferromagnetic alloys.

Недостаток существующих датчиков, как ближнего СВЧ поля, так и магнитных, описанных выше, заключается в их чувствительность к расстоянию от идеальной поверхности. С одной стороны, чувствительность к расстоянию является мерой выявления микрорельефа, но с другой стороны, такой же эффект возможен вследствие неидеальности сканирующей механики, что может приводить к неравномерности зазора между зондом и поверхностью в процессе движения датчика вдоль волнистой (в целом бездефектной) поверхности. При этом снижает чувствительность и точность измерений, появляются систематические ошибки, а случайные или периодические вибровоздействия, могут приводить к ложному заключению о качестве исследуемой поверхности.A disadvantage of existing sensors, both near-field and magnetic, described above, is their sensitivity to distance from an ideal surface. On the one hand, distance sensitivity is a measure of identifying a microrelief, but on the other hand, the same effect is possible due to the imperfection of scanning mechanics, which can lead to uneven clearance between the probe and the surface during movement of the sensor along a wavy (generally defect-free) surface. At the same time, it reduces the sensitivity and accuracy of measurements, systematic errors appear, and random or periodic vibration effects can lead to a false conclusion about the quality of the surface under study.

Наиболее близкий прототип резонансного датчика ближнего поля описан в работе [D.Е. Steinhauer, С.P. Vlahacos, S.К. Dutta, В.J. Feenstra, F.С.Wellstood, and S.М. Anlage, "Quantitative imaging of sheet resistance with a scanning near-field microwave microscope." Appl. Phys. Lett. 72, 861 (1998) https://doi.Org/10.1063/l.120918]. Датчик-прототип представляет собой отрезок цилиндрического коаксиального кабеля (ниже - коаксиала), который имеет длину около половины дины волны на частоте измерительного тока. С одного конца центральная жила коаксиала подключена к измерителю коэффициента отражения через конденсатор малой емкости, а на другом, зондирующем конце центральная жила располагается как можно ближе к исследуемой поверхности так, что имеет с ней заметную электрическую емкость. При изменении рельефа поверхности происходит изменение электрической емкости зондирующего конца датчика с поверхностью, и возникает изменение уровня сигнала, отраженного от резонатора, что рассматривается как обнаружение неоднородности аттестуемой поверхности. Зондовый конец резонатора и исследуемая поверхность передвигаются относительно друг друга с помощью X-Y-Z транслятора. Измеренный комплексный коэффициент отражения как функция координат используется для построения карты поверхности. Разрешение в плоскости сканирования составляет десятые доли от поперечного сечения зондового конца резонатора, то есть зависит от возможностей его миниатюризации, и составляет около 10 мкм.The closest prototype of the resonant near-field sensor is described in [D.E. Steinhauer, C.P. Vlahacos, S.K. Dutta, V.J. Feenstra, F.S.Wellstood, and S.M. Anlage, "Quantitative imaging of the microscope. Appl. Phys. Lett. 72, 861 (1998) https://doi.Org/10.1063/l.120918]. The prototype sensor is a segment of a cylindrical coaxial cable (below - coax), which has a length of about half the wavelength at the frequency of the measuring current. At one end, the central core of the coax is connected to the reflection coefficient meter through a small capacitor, and at the other, probing end, the central core is located as close as possible to the surface under study so that it has a noticeable electrical capacitance. When the surface relief changes, there is a change in the electrical capacitance of the probe end of the sensor with the surface, and a change occurs in the level of the signal reflected from the resonator, which is considered to be a detection of the inhomogeneity of the certified surface. The probe end of the resonator and the test surface are moved relative to each other with the help of the X-Y-Z translator. The measured complex reflection coefficient as a function of coordinates is used to construct a surface map. The resolution in the scanning plane is tenths of the cross section of the probe end of the resonator, that is, it depends on the possibilities of its miniaturization, and is about 10 microns.

Недостатком датчика-прототипа, как было упомянуто выше, является невозможность разделить два разных эффекта, вызывающие отклик датчика: изменение расстояния до идеальной поверхности и наличие дефекта поверхности, так как комплексный коэффициент отражения такого резонатора со стороны измерительной системы зависит, в первом приближении, от емкости зондового конца, то есть от расстояния между зондовым концом резонатора и исследуемой поверхностью.The disadvantage of the prototype sensor, as mentioned above, is the inability to separate two different effects causing a sensor response: changing the distance to an ideal surface and the presence of a surface defect, since the complex reflection coefficient of such a resonator from the measuring system depends, in the first approximation, on the capacitance probe end, that is, from the distance between the probe end of the resonator and the surface under study.

Технический результат выражается в том, что новый бесконтактный датчик микрорельефа позволяет разделить сигнал на два канала, в которых по отдельности регистрируются сигналы, зависящие от расстояния между датчиком и поверхностью, и сигналы, зависящие от градиента рельефа в активной области датчика. Такой датчик позволяет принципиально повысить чувствительность и информативность измерений в режиме микроскопии ближнего электромагнитного поля.The technical result is expressed in the fact that the new non-contact sensor of the microrelief allows the signal to be divided into two channels, in which the signals depending on the distance between the sensor and the surface and the signals depending on the gradient of the relief in the active region of the sensor are recorded separately. Such a sensor makes it possible in principle to increase the sensitivity and informativeness of measurements in the microscopy mode of a near electromagnetic field.

Технический результат достигается тем, что бесконтактный датчик микрорельефа, состоящий из одного или нескольких микроволновых резонаторов, каждый из которых расположен вблизи исследуемой поверхности, и работающих с использованием эффекта изменения амплитуды стоячей волны в резонаторе в зависимости от формы зазора между резонатором и поверхностью, а также от свойств материала поверхности в области ее взаимодействия с резонатором, и отличающийся тем, что в качестве резонатора используется планарная структура на диэлектрической подложке, содержащая две резонансные щели, синфазно возбуждаемых высокочастотным сигналом, и снабженная отдельным портом для считывания противофазного сигнала таких резонансных щелей.The technical result is achieved by the non-contact micro-relief sensor consisting of one or several microwave resonators, each of which is located near the surface under study, and working with the effect of changing the amplitude of the standing wave in the resonator depending on the shape of the gap between the resonator and the surface, as well as material properties of the surface in the region of its interaction with the resonator, and characterized in that a planar structure on the dielectric is used as the resonator zhke comprising two resonant slots are excited in phase high frequency signal, and provided with a separate port for reading such resonant antiphase signal slits.

Фигура 1 качественно иллюстрирует топологию и принцип работы нового датчика. Синфазное возбуждение двух щелей производится источником i1 и, измеряя напряжение V1, можно измерить импеданс этой симметричной (четной) моды. Если амплитуды в двух щелях не равны между собой или эти колебания не синфазны, то их разница регистрируется измерителем V2. Стрелками на Фиг. 1 показаны векторы электрического поля щелей E1 и Е2. Разностная (нечетная) мода характеризуется вектором-суммой E3=E1+E2, то есть она является комбинацией полей двух щелей и регистрируется как сигнал перемычки V2. Для четной моды копланарного волновода всегда выполняется условие V2=0, то есть нечетная мода не может возникнуть при сохранении полной симметрии или при простом изменении расстояния между открытыми концами двух щелей резонатора и поверхностью, если датчик и поверхность взаимно ортогональны. При наличии микро-градиента поверхности, сигнал V2 становится отличным от нуля. Регистрируемый ток в перемычке можно назвать дифференциальным сигналом двух щелей, а сам датчик дифференциальным сенсором, так как, из-за разной электрической емкости каждой из щелей с поверхностью, амплитуды противонаправленных полей Е1 и Е2 не равны и не могут компенсировать друг друга. В показанной на Фиг. 1 конфигурации измерители V1 и V2 по отдельности регистрируют интегральный и дифференциальный сигналы датчика, что более точно (с большим разрешением) характеризует профиль поверхности.Figure 1 qualitatively illustrates the topology and operation of the new sensor. Common-mode excitation of two slots is produced by the source i 1 and, by measuring the voltage V 1 , it is possible to measure the impedance of this symmetric (even) mode. If the amplitudes in the two slits are not equal to each other or these oscillations are not in-phase, then their difference is recorded with a V 2 meter. The arrows in FIG. 1 shows the electric field vectors of the slots E 1 and E 2 . The difference (odd) mode is characterized by the vector sum E 3 = E 1 + E 2 , that is, it is a combination of the fields of two slots and is recorded as a signal of the V 2 jumper. For an even mode of a coplanar waveguide, the condition V 2 = 0 is always satisfied, that is, an odd mode cannot occur while maintaining full symmetry or simply changing the distance between the open ends of two resonator slots and the surface if the sensor and the surface are mutually orthogonal. In the presence of a micro-gradient surface, the V 2 signal becomes non-zero. The recorded current in the jumper can be called the differential signal of the two slots, and the sensor itself is a differential sensor, since, due to the different electrical capacitance of each of the slots with the surface, the amplitudes of the opposing fields E 1 and E 2 are not equal and cannot compensate each other. In the FIG. 1 configuration meter V 1 and V 2 separately recorded integral and differential sensor signals, which more accurately (with high resolution) characterizes the surface profile.

Фигура 2 представляет собой эскиз технической реализации устройства с применением технологии печатных плат или технологии тонких пленок. Данная структура является точным трехмерным изображением электромагнитной модели, выполненной в лицензионной программе электромагнитного моделирования "Microwavw Office" (MWO) фирмы NI AWR (США). Расчеты, проведенные с помощью данного программного обеспечения, использованы для подтверждения заявленных электродинамических свойств нового датчика. Внешние по отношению к устройству электродинамические цепи - волноводы (коаксиальные кабели) не показанны, так как они могут иметь стандартные решения и не претендуют на оригинальность. Цифрами на Фиг. 2 обозначены: 1 - электромагнитный эквивалент металлической поверхности с дефектом, который указан стрелкой и находится в активной области устройства; 2 - электромагнитный порт возбуждения резонатора, которому присвоен схемный номер порта №1, и к которому подключается регистратор V1 (см. Фиг. 1) для регистрации отражения (параметра S11); 3 - последовательное включение электромагнитных портов №2 и №3, к которым подключается регистратор V2 (см. Фиг. 1 справа) для измерения параметра S21. Внешние по отношению к устройству электродинамические цепи - волноводы (коаксиальные кабели) подключаются к портам 2 и 3 и показаны условно в виде двухпроводных линий. Физические элементы этих цепей не показанны, так как они могут иметь стандартные решения и не претендуют на оригинальность. Длина щелей составляет около 3/4 длины электромагнитной волны в щели с учетом коэффициента диэлектрической проницаемости подложки. В центральном проводнике копланарной линии на расстоянии половины длины волны от чувствительной зоны имеется узкий разрыв, играющий роль возбуждающей емкости, аналогично малому конденсатору в коаксиальном прототипе https://doi.org/10.1063/1.1482150.Figure 2 is a sketch of the technical implementation of the device using the technology of printed circuit boards or the technology of thin films. This structure is an accurate three-dimensional image of the electromagnetic model, made in the licensed electromagnetic modeling program "Microwavw Office" (MWO) of the NI AWR company (USA). Calculations using this software were used to confirm the stated electrodynamic properties of the new sensor. External to the device electrodynamic circuits - waveguides (coaxial cables) are not shown, as they may have standard solutions and do not pretend to originality. The numbers in FIG. 2 marked: 1 - electromagnetic equivalent of a metal surface with a defect, which is indicated by the arrow and is in the active area of the device; 2 - electromagnetic excitation port of the resonator to which the circuit number of port No. 1 is assigned, and to which the recorder V 1 is connected (see Fig. 1) for recording the reflection (parameter S 11 ); 3 - series connection of electromagnetic ports No. 2 and No. 3, to which the recorder V 2 is connected (see Fig. 1 on the right) for measuring the parameter S 21 . Electrodynamic circuits external to the device — waveguides (coaxial cables) are connected to ports 2 and 3 and are shown conventionally as two-wire lines. The physical elements of these circuits are not shown, since they can have standard solutions and do not claim to originality. The length of the slits is about 3/4 the length of the electromagnetic wave in the slit, taking into account the dielectric constant of the substrate. In the central conductor of the coplanar line at a distance of half the wavelength from the sensitive zone there is a narrow gap, which plays the role of the excitation capacitance, similar to a small capacitor in the coaxial prototype https://doi.org/10.1063/1.1482150.

Фигура 3 иллюстрирует взаимные электродинамические конфигурации датчика и поверхности, примененные для демонстрации взаимодействия нового датчика с неоднородностью. Неоднородность в виде выемки в металле глубиной 250 мкм и длиной 500 мкм (справа) и собственно планарный датчик постепенно передвигаются относительно друг друга. Показаны три характерных случая взаимного расположения: два несимметричных, но зеркальных относительно оси датчика и третий, симметричный относительно его оси. Цифровые обозначения на Фиг. 3 совпадают с обозначениями на Фиг. 2.Figure 3 illustrates the reciprocal electrodynamic configurations of the sensor and the surfaces used to demonstrate the interaction of the new sensor with heterogeneity. Heterogeneity in the form of a notch in a metal with a depth of 250 μm and a length of 500 μm (on the right) and the planar sensor itself gradually move relative to each other. Three characteristic cases of mutual arrangement are shown: two asymmetrical, but mirror-like with respect to the sensor axis and the third, symmetric with respect to its axis. The digital indications in FIG. 3 coincide with the notation in FIG. 2

Фигура 4 демонстрирует результаты моделирования отражения структуры, представленной на Фиг. 2, при ее последовательной модификации сдвигом, как показано на Фиг. 3 (последовательность модификации - сверху вниз). Соответствующие зависимости амплитуды и фазы отраженного сигнала представлены как стандартный параметр S11 (комплексный коэффициент потерь отражения). Кривая 4 (амплитуда) и кривая 5 (фаза) соответствуют случаю, когда электромагнитный эквивалент металлической поверхности с дефектом находится, как показано в верхней части Фиг. 3. Кривые 6 (амплитуда) и 7 (фаза) соответствуют случаю, когда неоднородность находится в среднем положении, как показано в средней части Фиг. 3. Кривые 8 (амплитуда) и 9 (фаза) соответствуют случаю, когда неоднородность находится в нижнем положении, как показано в нижней части Фиг. 3. Из Фиг. 4 видно, что в верхнем и нижнем положениях, которые показаны на Фиг. 3. характеристики S11 неотличимы друг от друга. Данные на Фиг. 4 получены с использованием электромагнитной модели, в которой электромагнитные порты №2 и №3 соединены воздушным мостиком, нагруженным импедансом 50 Ом (вторым портом измерителя цепей), как показано на Фиг. 1. Из Фиг. 4 видно, что изменения амплитуды отраженного сигнала не превышают 1 дБ по амплитуде и 10 градусов по фазе, при этом существуют некоторые (симметричные) положения дефекта, при которых сигнал имеет те же параметры. Это может приводить к повторному детектированию одной и той же неоднородности, но при других взаимных координатах сенсора и исследуемого объекта (повторное, ложное обнаружение). Представленные на Фиг. 4 данные отражают фундаментальное ограничение по разрешению как для прототипа в его классическом коаксиальном исполнении, так и для копланарного сенсора в его одномодовом исполнении.Figure 4 shows the results of modeling the reflection of the structure shown in FIG. 2, when it is successively modified by a shift, as shown in FIG. 3 (modification sequence - from top to bottom). The corresponding dependences of the amplitude and phase of the reflected signal are presented as standard parameter S 11 (complex reflection loss coefficient). Curve 4 (amplitude) and curve 5 (phase) correspond to the case when the electromagnetic equivalent of a metal surface with a defect is located, as shown in the upper part of FIG. 3. Curves 6 (amplitude) and 7 (phase) correspond to the case when the heterogeneity is in the middle position, as shown in the middle part of FIG. 3. Curves 8 (amplitude) and 9 (phase) correspond to the case when the heterogeneity is in the lower position, as shown in the lower part of FIG. 3. From FIG. 4 that in the upper and lower positions shown in FIG. 3. The characteristics of S 11 are indistinguishable from each other. The data in FIG. 4 are obtained using an electromagnetic model in which electromagnetic ports No. 2 and No. 3 are connected by an air bridge loaded with an impedance of 50 Ohms (the second port of a circuit meter), as shown in FIG. 1. From FIG. 4, it can be seen that the changes in the amplitude of the reflected signal do not exceed 1 dB in amplitude and 10 degrees in phase, while there are some (symmetric) defect positions at which the signal has the same parameters. This can lead to repeated detection of the same inhomogeneity, but with different mutual coordinates of the sensor and the object under study (repeated, false detection). Presented in FIG. 4 data reflects a fundamental limitation in resolution for both the prototype in its classical coaxial version and the coplanar sensor in its single-mode version.

Фигура 5 демонстрирует результаты моделирования нового сенсора с добавленным каналом считывания дифференциальной моды V2 (см. Фиг. 1). На Фиг. 5 представлен коэффициент прохождения на второй порт измерителя цепей S21 рассчитанный для разных положений неоднородности, полностью аналогично тому, как это сделано для построения Фиг. 4. Кривая 10 (амплитуда) и кривая 11 (фаза) соответствуют случаю, когда электромагнитный эквивалент металлической поверхности с дефектом находится, как показано в верхней части Фиг. 3. Кривые 12 (амплитуда) и 13 (фаза) соответствуют случаю, когда неоднородность находится в среднем положении, как показано в средней части Фиг. 3. Кривые 14 (амплитуда) и 15 (фаза) соответствуют случаю, когда неоднородность находится в нижнем положении, как показано в нижней части Фиг. 3. Кривые 10 и 14 на Фиг. 5 показывают, что одинаковые неоднородности рельефа, расположенные симметрично, дают одинаковый, но несравнимо больший отклик относительно симметричного положения (кривая 12). Этот отклик составляет более 30 дБ (1000 раз) вместо 1 дБ (1,2 раза) у прототипа, то есть, примерно, в 5000 раз больше. При этом сдвиг фазы, показанный кривыми 11 и 15 достигает 180 градусов вместо 10 градусов у прототипа и плавно меняется от отрицательных до положительных значений. Это позволяет различать не только абсолютную величину, но и направление градиент профиля неоднородности, устраняя эффект повторного (ложного) обнаружения. График на Фиг. 5 характеризует технический результат применения нового сенсора, демонстрируя возможность многократного повышения динамического диапазона измерения, а следовательно и чувствительности, с помощью нового сенсора.Figure 5 shows the simulation results of the new sensor with the added channel reading the differential mode V 2 (see. Fig. 1). FIG. 5 shows the transmission coefficient to the second port of the network meter S 21 calculated for different positions of heterogeneity, completely similar to the way it was done to build FIG. 4. Curve 10 (amplitude) and curve 11 (phase) correspond to the case when the electromagnetic equivalent of a metal surface with a defect is located, as shown in the upper part of FIG. 3. Curves 12 (amplitude) and 13 (phase) correspond to the case when the heterogeneity is in the middle position, as shown in the middle part of FIG. 3. The curves 14 (amplitude) and 15 (phase) correspond to the case when the non-uniformity is in the lower position, as shown in the lower part of FIG. 3. Curves 10 and 14 in FIG. 5 show that the same inhomogeneity of the relief, located symmetrically, give the same, but incomparably greater response relative to the symmetric position (curve 12). This response is more than 30 dB (1000 times) instead of 1 dB (1.2 times) for the prototype, that is, approximately 5000 times more. In this case, the phase shift shown by curves 11 and 15 reaches 180 degrees instead of 10 degrees in the prototype and smoothly changes from negative to positive values. This allows you to distinguish not only the absolute value, but also the direction of the gradient profile of the heterogeneity, eliminating the effect of repeated (false) detection. The graph in FIG. 5 characterizes the technical result of applying a new sensor, demonstrating the possibility of a multiple increase in the dynamic range of measurement, and hence sensitivity, with the help of a new sensor.

Изобретение осуществляется следующим образом. Определяется масштаб микрорельефа, подлежащий регистрации и частота, на которойбудет производится такая регистрация. В первом приближении, размер щелей в металле должен быть одного порядка с размером детектируемой неоднородности (по ширине и глубине). Детальная геометрия линии выбирается с учетом других общих правил конструирования СВЧ устройств. Методами фотолитографии изготавливается планарная структура резонатора, показанная выше на Фиг. 2 и Фиг. 3, но не включающая в себя электромагнитный эквивалент металлической поверхности с дефектом, обозначенный на Фиг. 2 и Фиг. 3 цифрой 1. В качестве заготовки может быть использован либо стандартный фольгированный металлом (медью) диэлектрик (стеклотекстолит, высокочастотный ламинат и др.), либо применены методы тонкопленочной технологии, позволяющие наносить тонкие пленки металла или диэлектрика на диэлектрическую подложку и добиваться самой высокой точности и предельной миниатюризации устройства. К точке 2 (электромагнитный порт возбуждения резонатора) подключается, в зависимости от выбюранных габаритов сенсора, стандартный коаксиальный разъем или - переход на микрополосковую, коаксиальную или щелевую линию, оснащенную стандартным коаксиальным разъемом и образующую порт №1 регистратора Vi (см. Фиг. 1) для измерения отражения на основной моде копланарного резонатора (параметр S11); к узлу 3, используя стандартную технологию симметричных фидеров (например, телевизионных антенн), подключается двупроводная или щелевая линия с металлизацией, лежащей в плоскости перпендикулярной подложке сенсора и имеющая на другом конце адаптер перехода на нужный тип линии (коаксиал или микрополосок), к которому подключается порт №2 измерителя цепей для регистрации параметра S21 дифференциального сигнала V2 (паразитной моды копланарного волновода). Готовый сенсор закрепляется на подвижной платформе, обеспечивающей механическое сканирование аттестуемой поверхности на расстоянии порядка ширины щелей. В процессе механического сканирования производится запись, а в дальнейшем -сопоставление, амплитуды и фазы сигнала S2i и соответствующих им координат поверхности, используя подходящее для этого программное обеспечение.The invention is as follows. The scale of the microrelief to be registered and the frequency at which such registration will take place is determined. In the first approximation, the size of the gaps in the metal should be of the same order as the size of the detected inhomogeneity (in width and depth). Detailed line geometry is selected taking into account other general rules for designing microwave devices. Photolithographic methods are used to fabricate the planar structure of the resonator, shown above in FIG. 2 and FIG. 3, but not including the electromagnetic equivalent of a metal surface with a defect, indicated in FIG. 2 and FIG. 3 digits 1. As a blank, either a standard metal-foiled dielectric (fiberglass laminate, high-frequency laminate, etc.) can be used, or thin-film technology can be applied to apply thin films of metal or dielectric to a dielectric substrate and achieve the highest accuracy and extreme miniaturization of the device. Depending on the sensor dimensions selected, a standard coaxial connector is connected to point 2 (electromagnetic excitation port of the resonator) or - transfer to a microstrip, coaxial or slotted line, equipped with a standard coaxial connector and forming port No. 1 of the Vi recorder (see. Fig. 1) to measure the reflection on the main mode of the coplanar resonator (parameter S 11 ); using standard symmetric feeders (for example, television antennas), node 3 is connected to a two-wire or slit line with metallization lying in the plane perpendicular to the sensor substrate and having at the other end a transition adapter to the desired type of line (coaxial or microstrip) to which it is connected port number 2 of the network meter for registering the parameter S 21 of the differential signal V 2 (the parasitic mode of the coplanar waveguide). The finished sensor is mounted on a movable platform that provides mechanical scanning of the certified surface at a distance of the order of the width of the slits. In the process of mechanical scanning, a recording is made, and further, a comparison is made of the amplitudes and phases of the signal S 2 i and the corresponding surface coordinates using the appropriate software.

На Фиг. 6 схематически показаны возможные конфигурации из нескольких датчиков (мультидатчик): для тестирования плоской поверхности по принципу планшетного сканнера (слева) и для криволинейной поверхности, например, для продольной внутритрубной диагностики (справа).FIG. Figure 6 shows schematically possible configurations from several sensors (multi sensor): for testing a flat surface according to the principle of a flatbed scanner (left) and for a curved surface, for example, for longitudinal in-line diagnostics (right).

Принцип действия устройства состоит в том, что сигнал переменного тока подается на проводник в точке 2 (см. Фиг. 2) и возбуждает резонатор, в котором устанавливается режим стоячей волны, определяемый длиной резонатора и его граничными условиями. Одно из граничных условий фиксировано (со стороны возбуждающего электрода 2), а второе зависит от конфигурации зазора с исследуемой поверхностью 1 и свойств самой поверхности, конкретнее, от импеданса поверхности на частоте резонатора. Импеданс резонатора в точке возбуждения 2 измеряется стандартным двухпортовым анализатором цепей переменного тока в режиме отраженного сигнала (S11). Уровень дифференциального сигнала измеряется как прошедший сигнал с бокового вывода 3 тем же анализатором (S21). Описанный датчик или образец устанавливается на подвижную платформу X-Y-Z, как показано на Фиг. 6, которая движется вдоль поверхности заданным образом под управлением ПК. При движении платформы X-Y-Z вдоль идеальной геометрической плоскости с однородными свойствами импеданс резонатора в точке 2 и уровень сигнала в точке 3 не меняются, причем сигнал в точке 3 близок к нулю. Если в движении платформы X-Y-Z возникает паразитная вибрация в нормальном к поверхности направлении, то импеданс в точке 2 может изменяться в соответствие с изменением зазора. То же самое может происходить при нарушении центровки датчиков в трубопроводе, изображенном на Фиг. 6 справа. При этом уровень дифференциального сигнала в точке 3 (S21) будет оставаться пренебрежимо малым, так как сохраняется локальная симметрия поля датчика. Если имеется неоднородность материала, или же на поверхности присутствует загрязнение в виде выступа или раковины коррозии, то при определенном положении платформы импеданс двух щелей датчика становится неодинаковым, и в точке 3 появляется отличный от нуля сигнал нечетной моды, как представлено на Фиг. 5. Разрешение (точность обнаружения) описанных неоднородностей зависит от ширины щелей датчика и от расстояния до поверхности. Оптимальным можно считать условие, когда зазоры и расстояние до поверхности имеют одинаковый порядок с размером ожидаемой шероховатостью поверхности. С применением литографии микронного разрешения эта точность может составлять доли микрометра. Устанавливая в систему различные датчики, можно независимо оптимизировать диапазон измеряемых неоднородностей, как по масштабу в плоскости, так и по амплитуде рельефа.The principle of the device is that the AC signal is applied to the conductor at point 2 (see Fig. 2) and excites the resonator, which sets the standing wave mode, determined by the length of the resonator and its boundary conditions. One of the boundary conditions is fixed (from the side of the exciting electrode 2), and the second depends on the configuration of the gap with the surface 1 under study and the properties of the surface itself, more specifically, on the surface impedance at the resonator frequency. The impedance of the resonator at the point of excitation 2 is measured by a standard two-port analyzer of alternating current circuits in the mode of the reflected signal (S 11 ). The level of the differential signal is measured as the transmitted signal from the side output 3 with the same analyzer (S 21 ). The described sensor or sample is mounted on a movable platform XYZ, as shown in FIG. 6, which moves along the surface in a predetermined manner under the control of a PC. When the XYZ platform moves along an ideal geometric plane with uniform properties, the impedance of the resonator at point 2 and the signal level at point 3 do not change, and the signal at point 3 is close to zero. If a parasitic vibration occurs in the direction normal to the surface in the XYZ platform movement, then the impedance at point 2 may change in accordance with the change in the gap. The same can happen if the sensor alignment in the pipeline shown in FIG. 6 on the right. The level of the differential signal at point 3 (S 21 ) will remain negligibly small, since the local symmetry of the sensor field is preserved. If there is a heterogeneity of the material, or there is pollution on the surface in the form of a protrusion or sink of corrosion, then at a certain position of the platform the impedance of the two sensor slots becomes unequal, and at point 3 a non-zero odd mode signal appears, as shown in FIG. 5. The resolution (detection accuracy) of the described irregularities depends on the width of the sensor slits and on the distance to the surface. The best condition can be considered when the gaps and the distance to the surface have the same order of magnitude with the expected surface roughness. With the use of micron-resolution lithography, this accuracy can be fractions of a micrometer. By installing various sensors in the system, it is possible to independently optimize the range of measured inhomogeneities, both in scale in the plane and in the relief amplitude.

Claims (1)

Бесконтактный датчик микрорельефа, состоящий из одного или нескольких микроволновых резонаторов, расположенных вблизи исследуемой поверхности и работающих с использованием эффекта изменения амплитуды стоячей волны в резонаторе в зависимости от формы зазора между резонатором и поверхностью, а также от свойств материала поверхности в области ее взаимодействия с резонатором, и отличающийся тем, что в качестве резонатора используется планарная структура на диэлектрической подложке, содержащая две резонансные щели, синфазно возбуждаемые высокочастотным сигналом, и снабженная отдельным портом для считывания противофазного сигнала таких резонансных щелей.Non-contact microrelief sensor consisting of one or several microwave resonators located near the surface under study and operating using the effect of changing the amplitude of the standing wave in the resonator depending on the shape of the gap between the resonator and the surface, as well as on the material properties of the surface in its interaction with the resonator, and characterized in that a planar structure on a dielectric substrate containing two resonant slots is used as a resonator, we in phase excite e high frequency signal, and provided with a separate port for reading such resonant antiphase signal slits.
RU2018122966A 2018-06-25 2018-06-25 Non-contact microrelief sensor RU2688902C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018122966A RU2688902C1 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Non-contact microrelief sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018122966A RU2688902C1 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Non-contact microrelief sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2688902C1 true RU2688902C1 (en) 2019-05-22

Family

ID=66636744

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018122966A RU2688902C1 (en) 2018-06-25 2018-06-25 Non-contact microrelief sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2688902C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3916047A1 (en) * 1989-05-17 1990-11-22 Hund Helmut Gmbh Multiple-shell points for contactless scanning microscopy - has metal cores, dielectric and metal coatings coaxial cable-like structure, with differently shaped ends
SU1679185A1 (en) * 1989-06-20 1991-09-23 Институт проблем управления Method and sensor for measuring thickness of metal sheets
US6809533B1 (en) * 1999-09-10 2004-10-26 University Of Maryland, College Park Quantitative imaging of dielectric permittivity and tunability
US20090206831A1 (en) * 2006-02-24 2009-08-20 Commissariat A L'energie Atomique Method and device for non destructive evaluation of defects in a metallic object

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3916047A1 (en) * 1989-05-17 1990-11-22 Hund Helmut Gmbh Multiple-shell points for contactless scanning microscopy - has metal cores, dielectric and metal coatings coaxial cable-like structure, with differently shaped ends
SU1679185A1 (en) * 1989-06-20 1991-09-23 Институт проблем управления Method and sensor for measuring thickness of metal sheets
US6809533B1 (en) * 1999-09-10 2004-10-26 University Of Maryland, College Park Quantitative imaging of dielectric permittivity and tunability
US20090206831A1 (en) * 2006-02-24 2009-08-20 Commissariat A L'energie Atomique Method and device for non destructive evaluation of defects in a metallic object

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D.Е. Steinhauer et al., "Quantitative imaging of sheet resistance with a scanning near-field microwave microscope." Appl. Phys. Lett. 72, 861 (1998). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6188218B1 (en) Absolute property measurement with air calibration
US6992482B2 (en) Magnetic field sensor having a switchable drive current spatial distribution
Zhao et al. Uniaxial ACFM detection system for metal crack size estimation using magnetic signature waveform analysis
Dziczkowski Elimination of coil liftoff from eddy current measurements of conductivity
Chen et al. Analysis of arc-electrode capacitive sensors for characterization of dielectric cylindrical rods
Syas’ ko et al. Measurement of electromagnetic parameters of metal-coating thickness measures
Tytko et al. Fast calculation of the filamentary coil impedance using the truncated region eigenfunction expansion method
US7362108B2 (en) Method and system for measurement of sidewall damage in etched dielectric structures using a near field microwave probe
RU2647182C1 (en) Method of measuring the position of the border of the section of the two environments in the tank
Cao et al. Analytical modelling and simulations for high-frequency eddy current testing with planar spiral coils
RU2702698C1 (en) Method of measuring the interface position between components of a three-component medium in a container
WO2022085441A1 (en) Measurement device and measurement method for measuring magnetic permeability and dielectric constant
Burke et al. Impedance of a horizontal coil in a borehole: a model for eddy-current bolthole probes
RU2688902C1 (en) Non-contact microrelief sensor
JP2009512864A (en) Permeability measurement method and reference sample used in the method
RU2706455C1 (en) Method of measuring interface position of two substances in a reservoir
CN108593683B (en) Microwave reflection-based nondestructive quantitative identification method and system for metal component defects
JP4370463B2 (en) Broadband high frequency dielectric constant measurement method and apparatus
Hasar Determination of full S-parameters of a low-loss two-port device from uncalibrated measurements
JP7448898B2 (en) Magnetic permeability measurement probe and magnetic permeability measurement device using the same
RU2193184C2 (en) Method of determination of dielectric permittivity and thickness of dielectric coats on metal
Röper A high-frequency eddy current method for the thickness measurement of thin metallic foils using ferrite-core transmission systems
Hasar et al. On the application of microwave calibration-independent measurements for noninvasive thickness evaluation of medium-or low-loss solid materials
JP2021162327A (en) Permeability measurement probe and permeability measurement device using the same
Aurino et al. Discrete model analysis of the critical current-density measurements in superconducting thin films by a single-coil inductive method