RU2803321C1 - Способ обнаружения и оценки дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металлической подложке - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу обнаружения и оценки дефектов в покрытиях диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов, и может быть использовано для контроля их качества в микроэлектронной, химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности, а также в процессе разработки и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий. Повышение вероятности обнаружения дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях, обладающих частотной дисперсией электрофизических параметров, а также повышение точности и достоверности оценки значений их высот относительно металлической подложки является техническим результатом изобретения, который достигается тем, что при обнаружении отслоения покрытия по пороговому значению коэффициента затухания эталонного образца покрытия и расчета его величины в исследуемом покрытии дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-типа последовательно на К-частотах и измеряют экспериментальную величину комплексного коэффициента затухания для каждой поверхностной волны, при этом задают диапазон возможных значений высоты отслоения покрытия по отношению к параметрам эталонного образца покрытия, после чего составляют функционал невязки (расхождение значений), по которому принимают решение о наличии покрытия или отслоении покрытия от металлической подложки, при этом за измеренное значение высоты обнаруженного отслоения принимают значение, полученное при минимизации функционала невязки. 5 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам обнаружения и оценки дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических материалах и покрытиях, и может быть использовано для контроля их качества в микроэлектронной, химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности, а также в процессе разработки и эксплуатации радиопоглощающих материалов и покрытий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является СВЧ способ обнаружения неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металлической подложке [Патент RU №2604094, МПК⁷ G01N 22/02, G01N 15/06, Заявл. 23.11.2015. Опубл. 10.12.2016. Бюл. №34], заключающийся в создании электромагнитного поля медленной поверхностной E-волны в диэлектрическом покрытии в одномодовом режиме, измерении по нормали к поверхности диэлектрик-металл его коэффициента затухания, обнаружении отслоения покрытия от металлической подложки по пороговому значению коэффициента затухания эталонного образца покрытия и расчете его величины.

Недостатками данного способа являются низкая вероятность обнаружения дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях с частотной дисперсией электрофизических параметров, а также низкая точность и достоверность оценки значений их высот относительно металлической подложки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение вероятности обнаружения дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях, обладающих частотной дисперсией электрофизических параметров, а также точности и достоверности оценки значений их высот относительно металлической подложки.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном сверхвысокочастотном способе (СВЧ) способе обнаружения неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металлической подложке, заключающемся в создании электромагнитного поля медленной поверхностной E-волны в диэлектрическом покрытии в одномодовом режиме, измерении по нормали к поверхности диэлектрик-металл его коэффициента затухания, обнаружении отслоения покрытия по пороговому значению коэффициента затухания эталонного образца покрытия и расчете его величины, предварительно измеряют полный вектор электрофизических параметров эталонного образца покрытия (без отслоения) , , - частотные зависимости комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей покрытия, соответственно, t - толщина покрытия,

в исследуемом покрытии дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е- типа последовательно на К - частотах, измеряют экспериментальное значение комплексного коэффициента затухания каждой поверхностной электромагнитной волны , ,

задают диапазон возможных значений высоты d отслоения покрытия , D - максимальное значение высоты возможного отслоения, на основе вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия составляют комплексное дисперсионное уравнение, которое позволяет находить теоретические значения комплексного коэффициента затухания , , при задании возможных значений высоты отслоения покрытия из заданного диапазона и частоты f_k,

на основе экспериментальных значений комплексных коэффициентов затухания и теоретических значений, получаемых при решении комплексного дисперсионного уравнения, составляют функционал невязки,

производят минимизацию функционала невязки варьированием значением высоты отслоения d из диапазона его возможных значений

значение высоты отслоения , при котором функционал невязки принимает минимальное значение сравнивают с нулевым значением,

если , то принимают решение о наличии отслоения покрытия от металлической подложки,

иначе принимают решение об отсутствии отслоения,

за измеренное значение высоты обнаруженного отслоения принимают значение , полученное при минимизации функционала невязки.

Сущность изобретения состоит в следующем. В прототипе производится измерение значения действительной части комплексного коэффициента затухания α_у поверхностной электромагнитной волны Е- типа для одной

частоты (длины волны), что позволяет произвести обнаружение дефекта типа «отслоение» покрытия от металлической подложки по пороговой величине коэффициента затухания эталонного образца диэлектрического покрытия без частотной дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости и оценить величину отслоения (высоту дефекта) d, путем решения уравнения, связывающего величину отслоения с коэффициентом затухания поля поверхностной волны Е- типа.

Между тем, проведенные в [С.41 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника, 2019. №9. С.39-45] исследования показали, что задача оценки параметров дефектов по одному экспериментально определенному значению действительной части комплексного коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны α_y является некорректной обратной задачей, то есть даже малые погрешности при оценке значения коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны α_у, приводят к низкой вероятности обнаружения дефектов и существенным погрешностям в оценке их параметров, которые соизмеримы с промахом.

Еще одним существенным фактором, влияющим на низкие вероятностные и точностные показатели способа-прототипа, является то, что частотная дисперсия комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей исследуемого образца покрытия не учитывается и они, фактически, описываются эквивалентными значениями комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей и . Между тем, практически все диэлектрические и магнитодиэлектрические материалы в той или иной мере обладают частотной дисперсией комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей, т.е. их значения различны для каждого значения частоты измерения , , . Кроме того, некоторые материалы обладают «сильной» частотной дисперсией, к таким, например, относятся некоторые радиопоглощающие покрытия и метаматериалы, которые, кроме того, обладают резонансной частотной дисперсией. Кроме того, в способе-прототипе при измерениях также не учитывается и мнимая часть диэлектрической проницаемости. Между тем любой диэлектрический материал обладает диэлектрическими потерями, которые характеризуются мнимой частью ε" его комплексной диэлектрической проницаемости .

Исходя из этого, при оценке значения высоты отслоения покрытия d от металлической подложки способом-прототипом, коэффициент затухания поля поверхностной электромагнитной волны измеряется с учетом частотной дисперсии диэлектрических и магнитных проницаемостей покрытия с учетом их мнимых частей, а оценка отслоения покрытия d осуществляется исходя из предположения, что они имеют эквивалентные (постоянные) действительные значения. Это приводит к тому, что решение уравнения для оценки отслоения становится неопределенным и получаются физически некорректные (с большими погрешностями) значения отслоения покрытия.

В предлагаемом способе, чтобы компенсировать и уменьшить погрешности оценки параметров дефектов применен метод квазирешений в рамках широкополосной СВЧ-интроскопии [С.50-56 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]. Это подразумевает, что оценка дефектов производится по нескольким значениям комплексных коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны в заданной полосе частот на сетке дискретных частот , . Кроме того, в способе вводится учет частотной дисперсии комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей покрытия - , . Для реализации данного метода и учета частотной дисперсии в способе вводятся дополнительные операции:

1. Оценивается полный вектор электрофизических параметров эталонного образца покрытия (без отслоения) , , - частотные зависимости комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей покрытия, соответственно, t - толщина покрытия,

2. На основе вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия составляют комплексное дисперсионное уравнение, которое позволяет находить теоретические значения комплексного коэффициента затухания , , при задании возможных значений высоты отслоения покрытия из заданного диапазона и частоты ƒ_k,

3. Обнаружение отслоения покрытия и оценка его высоты производится в одной операции минимизации целевой функции, построенной как функционал от невязки между экспериментальными комплексными коэффициентами затухания исследуемого покрытия , и теоретическими значениями , получаемыми путем решения комплексного дисперсионного уравнения, с учетом эталонных частотных зависимостей комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей, варьированием значением высоты отслоения d из диапазона его возможных значений .

Введение данных операций позволяет устранить некорректность при решении обратной задачи оценки отслоения покрытия, а также учесть частотную дисперсию комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей материала покрытия при обнаружении и оценки в нем дефектов. Это обеспечивает повышение вероятности обнаружения дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях, а также точности и достоверности оценки значений их высот относительно металлической подложки.

На фиг.1 представлен один из возможных вариантов реализации предлагаемого способа обнаружения и оценки дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металлической подложке, где цифрами обозначено: 1 - блок измерения комплексных коэффициентов затухания поверхностной электромагнитной волны Е- типа, 2 - блок перемещения приемной антенны; 3 - приемная антенна, 4 - блок формирования и решения комплексного дисперсионного уравнения, 5 - блок обнаружения и оценки дефектов, 6 - генератор СВЧ, 7 - антенна возбуждения поверхностных электромагнитных волн Е- типа, 8 - металлическая поверхность, 9 - диэлектрическое или магнитодиэлектрическое покрытие, 10 - блок измерения вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия, 11 - образец эталонного образца покрытия (без отслоения).

Назначение блока измерения комплексных коэффициентов затухания поверхностной волны Е- типа 1 следует из названия самого блока. Измерение действительной части комплексных коэффициентов затухания поля поверхностной волны может быть осуществлено по результатам косвенных измерений напряженности поля поверхностной волны E-типа по нормали к поверхности покрытия [С.122 [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит, 2013], а измерение их мнимых частей по результатам косвенных измерений коэффициента затухания поля поверхностной волны вдоль поверхности покрытия, по направлению распространения поля поверхностной волны [С.51-52 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63].

Блок измерения коэффициентов затухания поверхностной электромагнитной волны Е- типа 1 может быть реализован, например, на основе детекторных СВЧ-диодов, мультиметра цифрового и персональной электронной вычислительной машины [Федюнин П.А., Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит, 2013, С.146].

Блок перемещения приемной антенны 2 предназначен для перемещения приемной антенны в пределах исследуемого участка покрытия для возможности обнаружения и оценки всех образовавшихся дефектов в покрытии. Блок перемещения приемной антенны может быть реализован на основе роботизированной системы с числовым программным управлением [Дж. Вильяме Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. М.: NT Press, 2006, С.127-167].

Приемная антенна 3 присуща аналогу. Приемная антенна может быть реализована на основе полуволнового вибратора [Федюнин П.А. Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит, 2013, С.117].

Генератор СВЧ 6 присущ аналогу и реализует формирование СВЧ сигнала на заданной частоте , для антенны возбуждения поверхностных электромагнитных волн Е- типа 7. В качестве генератора СВЧ могут быть использованы стандартные цифровые генераторы СВЧ-сигналов, например типа R&S SMB 100А RF, работающий в диапазоне рабочих частот 100 кГц-40 ГГц с максимальной выходной мощностью +18дБм [https://www.rohde-schwarz.com/ru/product/smb100a-productstartpage_63493-9379.html].

Антенна возбуждения поверхностных волн Е- типа 7 присуща аналогу и реализует последовательное возбуждение поверхностных волн Е- типа в исследуемом на наличие дефектов типа «отслоение» диэлектрическом или магнитодиэлектрическом покрытии 9. Антенна возбуждения поверхностных электромагнитных волн Е- типа может быть реализована на основе Н-секториальной рупорной антенны [С.42 [Казьмин А.И. Методологические принципы определения электрофизических параметров материалов и покрытий со сложной внутренней структурой с помощью поверхностных электромагнитных волн // Дефектоскопия. 2022. №3. С.34-49].

Блок измерения вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия 10 предназначен для оценки полного вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия , включающего в качестве составляющих частотные зависимости комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей эталонного образца покрытия 11 - , и его толщину t. При этом блок 10 может быть реализован, например, на основе многочастотного оптимизационного метода измерений частотных зависимостей электрофизических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий и с помощью измерительно-вычислительной системы радиоволнового контроля, которая его реализует [Казьмин А.И. Многочастотный оптимизационный метод измерения частотных зависимостей электрофизических параметров диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий // Измерительная техника, 2021. №9. С.54-61].

Блок обнаружения и оценки дефектов 5 предназначен для обнаружения дефекта типа «отслоение покрытия от металлической подложки» и количественной оценки его высоты относительно металлической подложки d. Обнаружение дефектов покрытия и оценка их высот относительно металлической подложки d в блоке 5 реализовано на основе метода квазирешений в рамках широкополосной СВЧ-интроскопии - обнаружение и оценка дефектов производится путем минимизации целевой функции, построенной как функционал от невязки между экспериментально полученными , , и вычисленными теоретическими комплексными значениями коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны на частотах ƒ_k, [С.53 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]]:

где ρ(d) - расстояние в метрическом пространстве между экспериментально полученными и вычисленными теоретическими значениями коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны в области допустимых значений ; - полный вектор электрофизических параметров эталонного образца покрытия (без отслоения), - частотные зависимости комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей эталонного образца покрытия, соответственно, t - толщина эталонного образца покрытия, .

Таким образом, помимо экспериментальных значений комплексных коэффициентов затухания поверхностной электромагнитной волны E-типа , для определения высоты отслоения покрытия , необходимы их однозначные теоретические значения с учетом вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия.

Теоретические значения комплексных коэффициентов затухании в функционале невязки (1) могут быть получены путем решения комплексного дисперсионного уравнения для покрытия с «дополнительным слоем» в виде дефекта типа «отслоение» высотой d. Таким образом, высота отслоения d является неизвестным параметром дисперсионного уравнения.

Исходя из этого, в схему реализации способа введен блок формирования дисперсионного уравнения 4. Он предназначен для формирования комплексного дисперсионного уравнения для поверхностных электромагнитных волн в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях с учетом отслоения их от металлической подложки. Дисперсионное уравнение должно обеспечивать однозначное определение теоретических значений комплексных коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны при задании величины отслоения покрытия d и частоты ƒ_k с учетом измеренных частотных зависимостей комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей эталонного образца покрытия

Дисперсионное уравнение в блоке 4 может быть сформировано, например, на основе метода поперечного резонанса [С.53-54 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]. На фиг.2 приведена геометрия однослойного покрытия с диэлектрическими и магнитными потерями, в общем случае с частотной дисперсией комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей, размещенного на металлической подложке. При этом учитывается, что в данной структуре может присутствовать протяженный дефект в виде воздушного отслоения высотой d.

Появление в покрытии на металлической подложке протяженного дефекта в виде отслоения (длина отслоения в продольном направлении 1/3λ, и более) можно представить, как появление в системе «дополнительного слоя» с отличными от основного покрытия свойствами и рассматривать его как двухслойное покрытие «отслоение-покрытие». Обоснованность подобного подхода подтверждена теоретически и экспериментально в [С.52 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63].

Расчетная схема составления дисперсионного уравнения на основе метода поперечного резонанса в блоке 4 приведена на фиг.2. Уравнение «поперечного резонанса» для составления дисперсионного уравнения имеет следующий вид [С.54 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]:

где и - эквивалентные характеристические сопротивления «вверх» и «вниз» относительно произвольного опорного сечения у₀ (для удобства математических преобразований выбрано сечение у₀ между слоем «отслоение» и металлической подложкой).

Характеристическое сопротивление , так как ниже опорного сечения у₀ - металлическая поверхность, а определяется по рекуррентной формуле трансформации волновых сопротивлений [С.54 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]:

где - эквивалентное характеристическое сопротивление слоя «отслоение», слоя покрытия и области над покрытием (слой «свободное пространство»); - эквивалентное характеристическое сопротивление слоя «отслоение» и слоя покрытия; - характеристические сопротивления на границе раздела между слоем покрытия и свободным пространством, в слое покрытия и в слое «отслоение», соответственно.

Выражения для и имеют следующий вид [С.54 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]:

где - теоретический комплексный коэффициент затухания поля поверхностной электромагнитной волны, , - продольная комплексная постоянная распространения ПЭМВ; к₀ -волновое число свободного пространства, ; - комплексное поперечное волновое число поверхностной электромагнитной волны в слое покрытия, , - комплексное волновое число в слое покрытия, , с - скорость электромагнитных волн в свободном пространстве, - комплексная диэлектрическая проницаемость слоя, - комплексная магнитная проницаемость слоя, β=mπ/р - волновое число, характеризующее распределение поля поверхностной электромагнитной волны по ширине покрытия р; - комплексное волновое число в слое «отслоение»; j - мнимая единица.

Таким образом, итоговое дисперсионное уравнение для покрытия с отслоением можно представить в следующем виде [С.54 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]:

Полученное дисперсионное уравнение (4) позволяет для заданной частоты, частотных зависимостей комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей , а также толщины эталонного образца покрытия и величине отслоения d однозначно определять теоретические значения комплексных коэффициентов затухания поля ПЭМВ для функционала (1).

Устройство работает следующим образом.

Перед началом процедуры обнаружения и оценки дефектов в исследуемом покрытии с помощью блока измерения вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия 10 осуществляется оценка полного вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия (без отслоения) , , - частотные зависимости комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей покрытия, соответственно, t - толщина покрытия,

В блок формирования дисперсионного уравнения 4 вводят полный вектор электрофизических параметров покрытия . В блок обнаружения и оценки дефектов вводят диапазон возможных значений высоты d отслоения покрытия , D - максимальное значение высоты возможного отслоения. Осуществляется формирование дисперсионного уравнения (4).

С помощью генератора СВЧ 6 и антенны возбуждения поверхностных электромагнитных волн Е- типа 7 в исследуемом покрытии с возможным дефектом типа «отслоение» высотой d последовательно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е- типа на К - частотах ƒ_k, ƒ_k+1,…,ƒ_K, .

С помощью приемной антенны 3, механизма ее перемещения 2 и блока измерения коэффициентов затухания 1 для каждой из К поверхностных волн Е- типа производят измерение экспериментального значения комплексного коэффициента затухания каждой поверхностной электромагнитной волны .

Измеренные коэффициенты затухания поступают в блок обнаружения и оценки дефектов 5. В блоке 5 на основе экспериментальных значений коэффициентов затухания и теоретических значений , получаемых при решении дисперсионного уравнения, составляют функционал невязки (1)

производят минимизацию функционала невязки варьированием значением высоты отслоения d из диапазона его возможных значений ,

значение высоты отслоения , при котором функционал невязки принимает минимальное значение сравнивают с нулевым значением,

если , то принимают решение о наличии отслоения покрытия от металлической подложки,

иначе принимают решение об отсутствии отслоения,

за измеренное значение высоты обнаруженного отслоения принимают значение , полученное при минимизации функционала невязки.

Для проверки работоспособности способа проведены численные и натурные экспериментальные исследования по обнаружению и оценке дефектов типа «отслоение» в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях.

В качестве материала для численных исследований выбрали образец реального радиопоглощающего покрытия (РПП), с электрофизическими параметрами приведенными в [С.58 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]. Комплексная диэлектрическая проницаемость данного образца в диапазоне частот от 9 до 18 ГГц почти постоянная ε'=20,45, а ε''=0,73. Дисперсия комплексной магнитной проницаемости РПП описывается зависимостями

Моделирование осуществлялось для образца РПП толщиной 1 мм, с параметрами описанными выше, при величине отслоений от 0 до 0,5 мм с шагом 0,01 мм.

Частотные зависимости теоретических значений действительной части коэффициента затухания исследуемого РПП, для величин отслоений от 0 до 0,5 мм, в полосе частот измерений Δƒ=9-13,5 ГГц, на основе дисперсионного уравнения (4), приведены на фиг.3.

Экспериментальные значения действительной части коэффициента затухания поля ПЭМВ формировали на основе модели, приведенной в [С.55 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. с. 50-63]:

где - экспериментальное значение действительной части коэффициента затухания поля ПЭМВ, - теоретическое значение коэффициента затухания поля ПЭМВ, полученное путем решения дисперсионного уравнения в блоке 4; - функция моделирующая шум, возникающий в процессе измерений.

Мнимые части комплексных коэффициентов затухания были учтены, как дополнительный параметр при минимизации функционала невязки (1).

На основе электрофизических параметров РПП (5) и по экспериментальным коэффициентам ослабления (6) на основе разработанного способа оценивалась величина отслоения РПП.

На фиг.4 представлены зависимости среднего квадрата ошибки Δ_d оценки величины отслоения при возрастании значений отношения сигнал-шум (ОСШ), при фиксированной полосе частот измерений Δƒ=9-13,5 ГГц, для трех значений количества частот измерений: К₁=5, К₂=10, К₃=19.

Проведенные исследования показали, что при измерениях в полосе частот (Δƒ=9-13,5ГГц) при возрастании количества частот измерений, получили для РПП следующие относительные погрешности оценки отслоений: при L=19, δd ≈ 5%, при L=10, δd≈10,1% и при L=5, δd≈19%.

В качестве материалов для экспериментального исследования использовали следующие диэлектрики: полутвердая резина (ε'=7,1, дисперсию мнимой части диэлектрической проницаемости аппроксимировали зависимостью

толщиной 2 мм и СВЧ-материал RO3010 (компания Rogers Corporation) толщиной 1,2 мм (частотные дисперсии действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости RO3010 аппроксимировали зависимостями [С.58 [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Оценка степени отслоения диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий с использованием поверхностных электромагнитных волн СВЧ диапазона // Дефектоскопия. 2020. №9. С.50-63]:

Наличие отслоений в покрытии моделировали размещением нескольких плоскопараллельных концевых мер длины (ПКМД) между металлическим основанием и слоем соответствующего покрытия. Использовали ПКМД 1-Н10 1 класса точности. В наборе 20 ПКМД от 0,1 мм до 0,2 мм с шагом 0,01 мм.

Покрытия на основе полутвердой резины и RO3010 были исследованы при возрастающих значениях величины отслоения d=0,2-0,3 мм. С целью уменьшения случайных погрешностей измерений (особенно погрешности установки заданной величины отслоения с помощью ПКМД), измерения проводились для 5 образцов каждого типа покрытия. После этого проводили усреднение результатов измерений.

Оценку величин отслоения проводили, как и в численном эксперименте, при возрастании количества частот измерений (К=5, K=10, К=19), при фиксированной ширине полосы частот (Δƒ=9-13,5 ГГц).

После оценки экспериментальных значений коэффициентов затухания производили оценку величины отслоения на основе разработанного способа и оценивали относительную погрешность его оценки, путем сопоставления со значением отслоения, обеспечивающегося заданным номиналом ПКМД

В качестве примера на фиг.5 приведена экспериментальная частотная зависимость коэффициента затухания от частоты покрытия RO3010 без отслоения и для величины отслоения 0,2 мм.

Проведенные исследования показали, что при измерениях в полосе частот (Δƒ=9-13,5ГГц) при возрастании количества частот измерений, получили для покрытия RO3010 следующие относительные погрешности оценки отслоений: при К=19, δd≈5%, при К=10, δd≈10,1% и при К=5, δd≈19%. Таким образом, экспериментальные средние разрешения по величине отслоения получили следующие: 20 мкм, 50 мкм и 80 мкм, для K=19, K=10 и K=5, соответственно. Для образца полутвердой резины погрешности оценки отслоения несколько выше (при К=19, δd≈5,5%, при К=10, δd ≈ 11% и при L=10, δd ≈ 21%), что связано с меньшим значением ее диэлектрической проницаемости по сравнению с RO3010.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить вероятность обнаружения дефектов в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях, обладающих частотной дисперсией электрофизических параметров, а также точность и достоверность оценки значений их высот относительно металлической подложки.

Claims (8)

1. Способ обнаружения неоднородностей в диэлектрических покрытиях на металлической подложке, заключающийся в создании электромагнитного поля медленной поверхностной Е-волны в диэлектрическом покрытии в одномодовом режиме, измерении по нормали к поверхности диэлектрик-металл его коэффициента затухания, обнаружении отслоения покрытия по пороговому значению коэффициента затухания эталонного образца покрытия и расчете его величины, отличающийся тем, что предварительно измеряют полный вектор электрофизических параметров эталонного образца покрытия (без отслоения) , , - частотные зависимости комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей покрытия, соответственно, t - толщина покрытия,
2. в исследуемом покрытии дополнительно возбуждают поверхностные электромагнитные волны Е-типа последовательно на К-частотах,
3. измеряют экспериментальное значение комплексного коэффициента затухания каждой поверхностной электромагнитной волны , ,
4. задают диапазон возможных значений высоты d отслоения покрытия , D - максимальное значение высоты возможного отслоения, на основе вектора электрофизических параметров эталонного образца покрытия составляют комплексное дисперсионное уравнение, которое позволяет находить теоретические значения комплексного коэффициента затухания ,, при задании возможных значений высоты отслоения покрытия из заданного диапазона и частоты f_k, на основе экспериментальных значений комплексных коэффициентов затухания и теоретических значений, получаемых при решении комплексного дисперсионного уравнения, составляют функционал невязки, производят минимизацию функционала невязки варьированием значением высоты отслоения d из диапазона его возможных значений ,
5. значение высоты отслоения , при котором функционал невязки принимает минимальное значение, сравнивают с нулевым значением,
6. если , то принимают решение о наличии отслоения покрытия от металлической подложки,
7. иначе принимают решение об отсутствии отслоения,
8. за измеренное значение высоты обнаруженного отслоения принимают значение , полученное при минимизации функционала невязки.

Images