SU1753379A1 - Способ измерени толщины диэлектрических покрытий металлов и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  неразрушающего контрол  толщины композиционных покрытий металлов. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и чувствительности. Способ позвол ет повысить точность при высокой локальности измерений за счет возбуждени  в диэлектрическом волноводе двух ортогонально пол ризованных волн и использовани  пол ризационной методики измерений в услови х полного внутреннего отражени . Дл  этого разработан специальный диэлектрический волновод и в устройство дополнительно введены СВЧ-фазовращатель, запоминающее устройство и измеритель отношени  напр жений. Использование одного приемного канала дл  определени  пол ризационного параметра, по которому суд т о толщине покрыти , позвол ет создать переносной малогабаритный прибор и СВЧ-датчик. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил. лических основани х, основанный на возбуждении поверхностной волны в диэлектрическом волноводе пр моугольного сечени , взаимодействии поверхностной волны с контролируемым покрытием и определении ее параметров, по которым осуществл етс  контроль толщины покрыти . Данный способ имеет низкую точность и чувствительность контрол  из-за вли ни  большого числа мешающих факторов, а именно непосто нства величины зазоры между диэлектрическим волноводом (ДВ) и сл с VI сл СА) СО -ч ч

Description

покрытием; вли ни  подложки на электродинамические характеристики ДВ; нестабильности частоты и мощности СВЧ-генераторов. Следует также отметить, что при несогнутом ДВ зона контрол  велика и невозможно осуществить измерени  с высокой локал1ностью. е

Наиболее бУизким fio технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению  вл етс  основанный на возбуждений Поверхностной волны в ДВ, изогнутом по дуге окружности, взаимодействии поверхностной волны с приложенным без зазора покрытием и определении параметров электромагнитной волны, по которым суд т о толщине г окрыти .

Однако при контроле толщины неметаллического покрыти  на металле последний (подложка) оказывает сильное вли ние на параметры электромагнитной волны по сравнению с вли нием покрыти . Дл  исключени  этого вли ни  увеличивают зазор между ДВ и покрытием, что, в свою очередь, уменьшает чувствительность и приводит к погрешности, св занной с непосто нством величины зазора. Также на точность контрол  оказывает вли ние нестабильность частоты и мощности излучени .

Известно устройство дл  измерени  толщины диэлектрических покрытий металлов , содержащее СВЧ-генератор, ДВ, СВЧ- детектор, усилитель и индикатор,

Однако данное устройство имеет низкую точность измерени  из-за необходимости наличи  зазора между ДВ и покрытием дл  уменьшени  вли ни  металлической подложки на параметры волны, что, очередь, уменьшает чувствительность и требует посто нства величины зазора. Также на точность измерений вли ет нестабильность мощности и частоты излучени .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  СВЧ-де- фектоскоп, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генератор, первый согласующий переход, облучатель, выполненный в виде отрезка ДВ, изогнутого по дуге окружности, плоскость которого перпендикул рна поверхности контролируемого покрыти , второй согласующий переход, СВЧ-детектор и индикатор.

Основным недостатком СВЧ-дефекто- скопа  вл ютс  низка  точность и чувствительность измерени  толщины немагнитных покрытий на металлических основани х из-за необходимости наличи  зазора между ДВ и контролируемым покрытием . Это св зано с тем, что при расположении контролируемого покрыти  на некотором рассто нии от ДВ эффективное

вли ние на электродинамические характеристики последнего будет оказывать только поверхностный слой (покрытие). Однако во внешней среде поле экспоненциально спадает при удалении от поверхности ДВ, и чувствительность измерени  также уменьшаетс . При этом погрешность измерени  в значительной степени зависит от стабильности частоты и мощности СВЧ-излучени .

0 Цель изобретени  - повышение точности и чувствительности измерений.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе, заключающемс  в возбуждении поверхностной волны в ДВ, изогнутом по

5 дуге окружности, взаимодействие этой волны с областью контролируемого покрыти , измерени  параметров провзаимодейство- вавшей поверхностной волны при наличии контролируемого покрыти  и без него и оп0 ределении толщины по величине этих изме- ненных параметров, дополнительно возбуждают две ортогонально пол ризованные волны равной амплитуды, плоскости пол ризации которых лежат в нормальной и

5 тангенциальной плоскост х относительно поверхности контролируемого покрыти  соответственно , параметры провзаимодейст- вовавшей волны при отсутствии контролируемого покрыти  измер ют путем

0 расположени  ДВ, изогнутого по дуге окружности , на металлическую подложку, при этом относительна  разность фаз между ортогонально пол ризованными волнами равна п  градусов (где п 1,3,5...), а параметры

5 провзаимодействовавшей волны при наличии покрыти  - путем расположени  ДВ, изогнутого по дуге окружности, на контролируемое покрытие, а в качестве измер емого параметра выбирают отношение

0 компонент ортогональных составл ющих волны.

Поставленна  цель в устройстве дл  измерени  толщины диэлектрических покрытий металлов, реализующем способ,

5 достигаетс  тем, что оно помимо последовательно соединенных СВЧ-генератора, первого согласующего перехода, облучател , выполненного в виде отрезка ДВ, изогнутого по дуге окружности, второго согласующе0 го перехода, СВЧ-детектора и индикатора, имеет облучатель, снабженный СВЧ-фазов- ращателем, и последовательно соединенные переключатель, запоминающий блок и измеритель отношени  напр жений, выход

5 которого подключен к индикатору, а второй вход - к выходу введенного селективного усилител , вход которого соединен с вторым выходом переключател , вход которого соединен с выходом СВЧ-детектора, при этом ДВ имеет квадратное сечение, а его концы

выполнены в виде плавных переходов с двугранного клина на квадратное сечение ДВ, а ребра клиньев лежат в одной плоскости и во взаимно ортогональных диагональных плоскост х сечени  ДВ, при этом ребра параллельны широким стенкам соответствующих согласующих переходов.

СВЧ-фазовращатель выполнен в виде отрезка полого ДВ квадратного сечени , внутреннего квадратное сечение которого равно сечению ДВ, а диэлектрические проницаемости материалов отрезка полого ДВ и ДВ равны, при этом отрезок полого ДВ имеет возможность перемещатьс  вдоль ДВ, а одна из стенок отрезка полого ДВ может перемещатьс  от поверхности ДВ параллельно ей на рассто ние до Я/2, где А- длина волны излучени , причем эта стенка с внутренней стороны имеет металлическое покрытие.

Сущность за вл емого технического решени  состоит в следующем. В ДВ возбуждают одновременно две ортогонально пол ризованные волны равной амплитуды, плоскости пол ризации которых лежат в нормальной и тангенциальной плоскост х относительно поверхности контролируемого покрыти . Дл  этого используетс  отрезок ДВ квадратного сечени , концы которого выполн ютс  в виде плавных переходов с двугранного клина на квадратное сечение ДВ, при этом ребра двугранников начала и конца отрезка ДВ лежат во взаимно ортогональных диагональных плоскост х сечени  ДВ.

Дл  уменьшени  габритов облучател  и зоны (локальности) контрол  отрезок ДВ изгибают в середине по дуге окружности так, чтобы его начало и конец (ребра двугранников ) лежали в одной плоскости. При возбуждении ДВ линейно пол ризованной волной, плоскость пол ризации которой перпендикул рна входному ребру двугранного клина, в ДВ будет иметь место возбуждение двух ортогонально пол ризованных ТМ и ТЕ волн равной амплитуды, плоскости пол ризации которых будут перпендикул рны боковым плоскост м ДВ.

Преобразованна  выходна  волна будет суперпозицией этих двух волн и будет также линейно-пол ризованной, плоскость пол ризации которой будет коллинеарна входной волне. При установлении дуги ДВ на металлическую подложку или на тонкое диэлектрическое покрытие на металле значени  амплитуд ортогональных волн не измен ютс , а измен ютс  только из фазы, причем в значительной степени измен етс  фаза волны, лежаща  в нормальной плоскости к поверхности образца. При соответствующем выборе радиуса кривизны дуги ДВ можно добитьс , что при установлении ее на металл относительна  разность фаз между ортогональными волнами станет лг градусов по отношению к первоначальному состо нию . Дл  точного установлени  относительной разности фаз, равной п градусов, между ортогональными составл ющими на ДВ (облучатель) дополнительно устанавливают фазовращатель. В этом случае преобразованна  выходна  волна также будет линейно пол ризованной, однако ее плоскость пол ризации повернетс  на 90°. При установлении дуги ДВ на металлическую

подложку с покрытием относительна  разность между фаз ортогональными волнами дополнительно изменитс , причем этот дополнительный сдвиг будет зависеть только от толщины и диэлектрической проницаемости контролируемого покрыти . При этом выходна  преобразованна  волна станет эллиптически пол ризованной, а ее азимут (положение большой оси эллипса пол ризации ) не изменитс  по сравнению с чистой

металлической подложкой за счет того, что амплитуды ортогональных волн в ДВ не измен ютс . Диэлектрическа  проницаемость материала контролируемого покрыти  должна быть больше диэлектрической проницаемости материала ДВ.

Если разделить преобразованную эллиптически пол ризованную выходную волну на ортогональные составл ющие, измерить их и вз ть отношение, то оно зависит только от толщины контролируемого покрыти  (дл  данного типа покрыти ) и пропорционально эллиптически, котора  инвариантна к амплитудно-временной нестабильности источника излучени . Пол ризационна  методика измерени  позвол ет учитывать вли ние металлической подложки , исключить вли ние непосто нства зазора и при этом повысить чувствительность за счет использовани  всей амплитуды поверхностной волны. При этом обеспечиваетс  высока  локальность контрол .

В устройстве дл  осуществлени  измерени  пол ризационного параметра - эллиптичности выходной волны используетс  только один канал, что позвол ет исключить нелинейность второго СВЧ- детектора, а также значительно уменьшить габариты первичного преобразовател  и упростить приемный СВЧ-канал, который состоит из второго согласующего перехода, оканчивающегос  пр моугольным волноводом и СВЧ-детектором. Конец ДВ имеет плавный переход, как и в начале, с квадратного сечени  на двугранный клин, ребро

которого лежит в диагональной плоскости ДВ. Больша  стенка металлического волновода (и согласующего перехода) устанавливаютс  параллельно ребру клина ДВ. Таким образом, по металлическому волноводу сначала (без установлени  дуги на образец или металл) распростран етс  компонента электромагнитной волны, пропорциональна  большой оси эллипса пол ризации (котора  запоминаетс ), а после установлени  на образец дуги ДВ пол ризационный эллипс поворачиваетс  на 90°, и по металлическому волноводу распростран етс  компонента волны, пропорциональна  малой оси эллипса пол ризации,котора  усиливаетс  селективным усилением и поступает на второй вход измерител  отношени  напр жений, на первый вход которого поступает сигнал с запоминающего блока. При установлении ДВ на образец срабатывает переключатель, который переключает сигнал с СВЧ-детек- тора на вход селективного усилите;1 . Сигнал на выходе измерител  отношени  напр жений пропорционален эллиптичности и, следовательно, толщине покрыти . При установлении ДВ на металлическую подложку без покрыти  провер етс  начальна  калибровка, при которой относительна  разность фаз между ортогональными волнами равна тгградусов, а эллиптичность выходной волны - нулю. Это достигаетс  за счет того, что облучатель снабжен СВЧ-фазовращателем, принцип работы которого основан на установлении металлической пластинки на некотором рассто нии от боковой поверхности ДВ и возможности ее перемещени  от самой поверхности ДВ на рассто ние от Я/2.

На чертеже показана блок-схема- устройства , реализующего способ.

Сопоставительный анализ с известным способом показывает, что за вленный способ отличаетс  наличием операций возбуждени  двух ортогонально пол ризованных волн равной амплитуды, изменени  относительной разности фаз между ортогональными волнами в ДВ и формировани  линейно пол ризованной выходной волны при установлении дуги на металл, разделении преобразованнойэллиптически пол ризованной волны на ортогональные составл ющие и определении их отношени  - величины эллиптичности, при которой наход т толщину покрыти . Сопоставительный анализ с известным устройством показывает, что предлагаемое устройство отличаетс  наличием дополнительно введенных СВЧ-фазовраща- тел , переключател , запоминающего блока , селективного усилител  и измерител  отношени  напр жений, причем ДВ имеет квадратное сечение и плавные переходы в начале и в конец ДВ с квадратного сечени 

на двугранный клин, ребра которых лежат во взаимно ортогональных диагональных плоскост х ДВ.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, первый согласующий переход 2, изогнутый

по дуге окружности ДВ 3 квадратного сечени , измерительный столик 4, фазовращатель 5, второй согласующий переход 6, СВЧ-детектор 7, переключатель 8, запоминающий блок 9, селективный усилитель 10,

измеритель 11 отношени  напр жений и индикатор 12.

Устройство работает следующим образом .

Амплитудно-модулированна  и линейно пол ризованна  СВЧ-волна с СВЧ-гене- ратора 1 через пр моугольный металлический волновод попадает в первый согласующий переход 2, который согласует пр моуголный металлический волновод с

ДВ, дл  чего плавный клинообразный переход ДВ 3, длина которого должна быть не менее (5-6) Л вставл етс  в согласующий переход 2. Здесь происходит преобразование основного типа колебаний металлического волновода в две ортогонально пол ризованные волны ТМ и ТЕ типа равной амплитуды ДВ 3. Плоскости пол ризации двух ортогональных волн в ДВ перпендикул рны боковым поверхност м ДВ. Выходна  преобразованна  волна ДВ при условии, что размеры ДВ выдержаны правильно , будет также линейно пол ризована, причем ее плоскость пол ризации будет коллинеарна падающей.

Дл  получени  высокой локальности измерений и дл  уменьшени  габаритов СВЧ приемно-передающего датчика ДВ сгибают в середине по дуге окружности, с радиусом не менее (5-6)1. Дл  получени  выходной

преобразованной волны линейно пол ризованной при установлении дуги ДВ на металлическое основание на ДВ устанавливают СВЧ-фазовращатель 5, который выполнен в виде отрезка полого ДВ квадратного сечени , одна из внутренних поверхностей которого имеет металлическое покрытие, которое может перемещатьс  от поверхности ДВ на рассто нии до Я/2. Отрезок полого волновода может также передвигатьс 

вдоль ДВ и после настройки жестко крепитьс  к ДВ. При установлении дуги ДВ на металлическое основание с контролируемым покрытием выходна  волна станет эллиптически пол ризованной, причем

больша  и мала  оси эллипса пол ризации не измен ет своего направлени  и будет лежать в диагональных плоскост х ДВ. Это св зано с тем, что амплитуды распростран ющихс  в ДВ ортогональных 8олн не измен тс , а изменитс  только их относительна  разность фаз. Таким образом, измер   значение сигналов, соответствующих большой и малой ос м эллипса пол ризации, и определ   их отношение, равное величине эллиптичности , можно найти толщину покрыти . Дл  измерени  эллиптичности провзаимодействовэвшей волны необходимо волну разделить на ортогонально пол ризованные составл ющие, продетек- тировать эти сигналы и вз ть их отношение. Устройство, реализующее способ, конструктивно состоит из выносного приемопередающего СВЧ-датчика, соединенного кабелем с блоком питани , обработки сигнала и индикации. В измерительном столике 4 имеетс  паз, в котором крепитс  от0езок дуги ДВ с помощью пенопласта, диэлектрическа  проницаемость которого близка к единице. В верхней части измерительного столика А имеютс  два выступа, к которым жестко креп тс  первый и второй 6 согласующие переходы. В них вставл ютс  плавные переходы начала и конца ДВ, которые жестко закрепл ютс  в согласующих переходах с помощью скобы и винта, сжимающих металлические пластины согла- сователей. К волноводным фланцам согласующих переходов 2 и 6 креп тс  соответственно СВЧ-генератор 1, выполненный на лавинопролетном диоде, и СВЧ- детектор 7. В измерительном столике встроен переключатель 8, который при установлении его на контролируемое покрытие переключает СВЧ-детектор 7 с входа запоминающего устройства 9 на вход селективного усилител  10. В устройстве используетс  только один канал, а значение эллиптичности определ етс  путем измерени  большой оси эллипса пол ризации перед установлением СВЧ-датчика (измерительного столика с встроенным ДВ) на контролируемое покрытие на металлическом основании. Значение этой величины запоминаетс  в запоминающем блоке 9 и поступает на первый вход измерител  1 отношени  напр жений. После установлени  измерительного столика на покрытие переключатель 8 подключает СВЧ-детектор 7 к селективному усилителю 10, на вход которого поступает сигнал, пропорциональный значению малой оси эллипса пол ризации. Усиленный селективным усилителем 9 сигнал поступает на второй вход измерител  11 отношени  напр жений, выходной сигнал

которого пропорционален эллиптичности и поступает на индикатор 12, проградуиро- ванный в значени х толщины.

Способ и устройство дл  его осуществлени  имеет следующие преимущества:

высокую чувствительность и локальность при контроле тонких покрытий и изделий малых размеров за счет использовани  полной амплитуды поверхностной волны

0 миллиметрового диапазона;

высокую надежность в св зи с жестким креплением ДВ и всей жесткой конструкции СВЧ-датчика, а также за счет изготовлени  ДВ из прочных диэлектрических материа5 лов;

малый вес и малые габритные размеры СВЧ-датчика, что позвол ет создать переносной малогабаритный толщиномер;

высокую точность измерени  за счет

0 возбуждени  дополнительной второй ортогональной волны и использовани  пол ризационной методики измерений, исключающей вли ние металлической подложки , зазора и интерференции.

5

Claims (3)

1. Формула изобретени  1. Способ измерени  толщины диэлектрических покрытий металлов, заключающийс  в возбуждении поверхностной волны

   0 в диэлектрическом волноводе, изогнутом по дуге окружности, взаимодействии этой волны с областью контролируемого покрыти , измерении параметров провзаимодейство- вавшей поверхностной волны при наличии

   5 контролируемого покрыти  и без него и определении толщины по величине этих измененных параметров, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и чувствительности, возбуждают две ортого0 нально пол ризованные волны равной амплитуды , плоскости пол ризации которых лежат в нормальной и тангенциальной плоскост х относительно Поверхности контролируемого покрыти  соответственно,

   5 параметры провзаимодействовавшей волны при отсутствии контролируемого покрыти  измер ют путем расположени  диэлектрического волновода, изогнутого по дуге окружности, на металлическую под ож0 ку, при этом относительна  разность фаз между ортогонально пол ризованными волнами равна njTградусов (где п 1,3,5...), а параметры провзаимодействовавшей волны при наличии покрыти  - путем располо5 жени  диэлектрического волновода, изогнутого по дуге окружности, на контролируемое покрытие, а в качестве измер емого параметра выбирают отношение компонент ортогональных составл ющих волны.
2. 2. Устройство дл  измерени  толщины диэлектрических покрытий металлов, содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор, первый согласующий переход , облучатель, выгаадшенный в виде отрез- ка диэлектрического волновода, изогнутого по дуге окружности, второй согласующий переход и СВЧ-детектор, индикатор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и чувствительности, облучатель снабжен СВЧ-фазовращателем, введены последовательно соединенные переключатель , запоминающий блок и измеритель отношени  напр жений, выход которого подключен к индикатору, а второй вход - к выходу введенного селективного усилител , вход которого соединен с вторым выходом переключател , вход которого соединен с выходом СВЧ-детектора, при этом диэлектрический волновод имеет квадратное сече- ние, а его концы выполнены в виде плавных переходов с двугранного клина на квадратное сечение диэлектрического волновода, а ребра клиньев лежат в одной плоскости и во взаимно ортогональных диагональных пло- скост х сечени  диэлектрического волновода , при этом ребра параллельны широким стенкам соответствующих согласующих переходов .
3. 3. Устройство по п.2, отличающее- с   тем, что СВЧ-фазовращатель выполнен в виде отрезка полого диэлектрического волновода квадратного сечени , внутреннее квадратное отверстие которого равно сечению диэлектрического волновода, а диэлектрические проницаемости материалов отрезка полого диэлектрического волновода и диэлектрического волновода равны, при этом отрезок полого диэлектрического волновода установлен с возможностью перемещени  вдоль диэлектрического волновода , а одна из стенок отрезка полого диэлектрического волновода установлена с возможностью перемещени  от поверхности диэлектрического волновода параллельно ей на рассто нии до Я/2, где Я - длина волны излучени , причем эта стенка с внутренней стороны имеет металлическое покрытие .