автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Автогенераторный метод автоматизированной оценки параметров неоднородных материалов в процессе их обработки в СВЧ поле

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ТУЛУЗСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Тарасов Дмитрий Александрович

АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ НЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ОБРАБОТКИ В СВЧ ПОЛЕ

Специальность 05.12.01- Теоретические основы радиотехники

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители

- кандидат технических наук, доцент Белов Л. А. (МЭИ)

- доктор наук, профессор Серж Лефевр (ТНПИ)

Москва-Тулуза - 1999 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представляемая работа была выполнена на кафедре Формирования Колебаний и Сигналов Московского энергетического института- Технического университета и в Лаборатории Электроники Высшей Национальной Школы Электроники, Электротехники, Информатики и Гидравлики Тулузского Национального Политехнического Института под совместным руководством Леонида Алексеевича БЕЛОВА и господина Сержа ЛЕФЕВРА.

Я благодарю Леонида Алексеевича БЕЛОВА, который согласился быть научным руководителем моих исследований, за всё то, чему он научил меня в науке, за его бодрость духа и моральную поддержку, а также за большую помощь в редактировании этой диссертации.

Я выражаю свою глубокую признательность господину Сержу ЛЕФЕВРУ за то, что он предоставил мне экспериментальную базу своей лаборатории для завершения этого исследования. Я благодарю его за оказанное мне доверие и неоценимую помощь в работе.

Я выражаю благодарность всем сотрудникам кафедры ФКС за их помощь, поддержку и интерес к моей работе, которые сопровождали меня все эти годы. Я благодарю Валентина Николаевича Кулешова, Татьяну Ивановну Курочкину, Николая Николаевича Удалова, Анатолия Васильевича Хрюнова, Дмитрия Петровича Царапкина за помощь в работе и ценные замечания и предложения по материалу диссертации.

Я рад выразить благодарность всем своим русским и французским друзьям, которые, прямо или косвенно, помогали мне в моей научной работе.

Я говорю всем: СПАСИБО ЗА ВСЁ!

АННОТАЦИЯ

Ключевые слова: ДИЭЛЕКТРИЦЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ, НЕОДНОРОДНЫЙ ОБРАЗЕЦ, ИНТРОСКОПИЯ, ФУРЬЕ-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА, АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ МЕТОД

Разрабатывается автогенераторный метод измерения параметров неоднородных диэлектрических материалов в одномерном приближении. Проводится сопоставление возможностей различных методов измерения частотной характеристики материала.

Для решения задачи восстановления параметров материалов используются различные математические методы. Приводятся соотношения для выбора полосы частот, оптимальной для работы алгоритма решения обратной задачи.

Приводятся структура и описание автоматизированного стенда и программного обеспечения автогенераторных измерений.

Получены экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования автогенераторного метода для контроля состояния образца в процессе его обработки в СВЧ печи.

SUMMARY Key words:

PERMITTIVITY, INHOMOGENEOUS SAMPLE, ENDOSCOPIE, FOURIER TRANSFORMATION, INVERSE PROBLEM, AUTO-OSCILLATOR METHOD

The auto-oscillator method of measurement of parameters of nonuniform dielectric materials using one-dimensional approach is developed. The opportunities of various methods of measurement of the frequency characteristics of a material are compared.

The various mathematical methods are used while solving the inverse problem of material parameters restoration. The expressions describing the choice of a optimal frequency band are resulted.

The structure and description of the automated installation and software of the measurement procedure on auto-oscillator are described.

The experimental data confirming an possibility of application of the auto-oscillator method for a sample monitoring during its processing in the microwave oven are obtained.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

80- абсолютная диэлектрическая проницаемость Но- абсолютная магнитная проницаемость ё = г' -3-г" - относительная диэлектрическая проницаемость ] = \/-7 - мнимая единица, п = 7ё - комплексный показатель преломления, / - частота,

(л=2п/- угловая (круговая) частота, X - длина волны в свободном пространстве, 2-71

к =- -волновое число,

X

с - скорость света в вакууме,

х, у, 2- координатные оси декартовой системы координат, г, (р- оси циллиндрической системы координат, Q- собственная добротность резонаторной системы, Г(оз)=С(сй)+] ■В(ау)- комплексная проводимость, q- заряд частицы,

ей т- соответственно заряд и масса электрона, В- магнитная индукция,

Е - вектор напряженности электрического поля,

-V

V - вектор скорости частицы в межэлектродном пространстве, Ф- потенциал между электродами, р- плотность объемного заряда, Ж- волновое сопротивление,

Ро- характеристическое сопротивление колебательной системы ЦАП- цифро-аналоговый преобразователь, АЦП- аналого-цифровой преобразователь, ЭМП- электромагнитное поле,

ПЭВМ- персональная электронно-вычислительная машина.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 9

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 12

1.1. Проблема взаимодействия материала с 12 электромагнитным полем

1.2. Постановка задачи 17

1.3. Обзор литературы 20

1.3.1. Измерительные средства и методы 23

1.3.2. Модели неоднородного материала 28

1.3.3. Методы решения обратных задач 33

1.4. Разрешающая способность и точность восстановления 38 параметров образца

1.5. Задачи исследования 42

Глава 2. МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕОДНОРОДНОГО 44 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С СВЧ ПОЛЕМ

2.1. Представление профиля диэлектрической проницаемости 44 непрерывной функцией

2.2. Модель неоднородного образца в виде 47 последовательности однородных слоев

2.3. Комбинированная модель образца 51

2.4. Частотные характеристики неоднородного материала 52

2.5. Выводы 56

Глава 3. ПРОЦЕДУРА РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ В 57 УСЛОВИЯХ СВЧ НАГРЕВА

3.1. Метод параметрической идентификации 57

3.2. Градиентный поиск минимума 61

3.3. Процедура регуляризации 64

3.4. Метод Фурье-интроскопии 65

3.5. Восстановление параметров образца в процессе его 69 обработки

3.6. Выводы 74

Глава 4. АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ 75 ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА

4.1. Принцип измерения (общая постановка) 75

4.2. Оценка потенциальной точности 76

4.3. Выбор параметров измерительных цепей 79

4.4. Определение параметров нагрузки по данным 85 автогенераторных измерений

4.5. Выводы 88

Глава 5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МАГНЕТРОННОГО 89 АВТОГЕНЕРАТОРА.

5.1. Общие положения 89

5.2. Расчет электронной проводимости 93

5.3. Влияние нагрузки на режим и параметры сигнала 99 магнетронного автогенератора

5.4. Выводы 101

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 102

6.1. Общая структура экспериментальной установки 102

6.2. Установка с внешним генератором измерительного 103 сигнала

6.3. Установка с использованием автогенераторного метода 115

6.4. Выводы 124

Глава 7. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА 125

7.1. Результаты имитационных расчетов 125

7.2. Обработка результатов измерений при использовании 128 генератора зондирующего сигнала

7.3. Обработка результатов измерений по автогенераторной 129 методике

7.4. Сопоставление методов восстановления параметров 133 материала

7.5. Выводы 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136

Список литературы 138

Приложения

ПЛ. Текст программы восстановления параметров 149

комбинированной модели образца П.2. Текст программы расчета колебательной 151

характеристики магнетронного автогенератора П.З. Текст программы автоматизированных измерений по 155

автогенераторному методу П.4. Характеристики использованных источников СВЧ 157

мощности и эталонных нагрузок П.5. Акты об использовании результатов диссертационной 160 работы Тарасова Д. А.

ВВЕДЕНИЕ

Микроволновая электротермия является сегодня распространенным приемом технологической обработки материалов [80]. Известны разнообразные бытовые и промышленные приложения этой технологии:

• сушка древесины, кирпича, зерна;

• размораживание и нагрев пищевых продуктов;

• обеззараживание зерна;

• ферментация молока и молочных продуктов;

• обработка и скручивание чайных и табачных листьев;

• подготовка коконов шелкопряда;

• полимеризация органических материалов;

• вулканизация резины;

• подготовка проб для химического анализа, и др.

Достоинствами этой технологии являются высокая интенсивность взаимодействия материала с электромагнитным полем и его безынерционность. Первое свойство позволяет проводить традиционную обработку материалов (сушка) с к.п.д., большим, чем у термических печей; второе свойство является ключевым при обработке материалов, сильно чувствительных к температуре или к количеству поступившей энергии.

Традиционные технологии базируются на априорной информации, в соответствии с которой задаются два параметра- время обработки и излучаемая источником мощность. Как правило, длительность обработки устанавливается несколько больше необходимой, чтобы гарантировать равномерность внутренних свойств материала по окончании процесса, а мощность источника выбирается максимальной.

Однако такой подход не всегда дает хорошие результаты, особенно в случае быстрой полимеризации, так как в материале происходят необратимые изменения. Возникает потребность в бесконтактном контроле состояния внутренних слоев материала в процессе обработки. Мониторинг свойств образца позволил бы не только улучшить качество обработки чувствительных материалов, но и увеличить к.п.д. традиционных процессов за счет снижения времени обработки и экономии электроэнергии. Задача такого контроля осложняется, как

правило, неполным знанием свойств исходного материала и параметров его наружных слоев и их изменением при обработке, как по пространственным координатам, так и во времени.

Использование радиоволновых методов неразрушающего контроля позволяет напрямую получать информацию лишь об электродинамических параметрах образца. Однако знание связи, например, между диэлектрической проницаемостью материала и его плотностью или влажностью делает возможным их применение для контроля технологических процессов.

Задача неразрушающего контроля параметров неоднородных диэлектрических материалов возникает и во многих других приложениях- при зондировании атмосферы или подстилающей поверхности Земли, при интроскопии земных недр для обнаружения подповерхностных объектов или залежей полезных ископаемых, при медицинской томографии, при дефектоскопии покрытий и трактов линий передачи, и т.д. Известные способы интроскопии используют внешний источник зондирующего сигнала и специфические измерительные цепи для получения первичной информации. Возникающая задача восстановления свойств образца по его полю рассеяния (называемая обратной задачей электродинамики) в большинстве случаев не имеет аналитического решения. Для ее решения обычно используют различные методики идентификации параметров модели взаимодействия поля с образцом. Они основываются на минимизации разности между экспериментальными частотными характеристиками образца и характеристиками его модели при помощи различных процедур оптимизации. Существенным недостатком традиционных методик идентификации является значительная зависимость получаемого решения от начальных условий и погрешностей измерений, возникающая из-за многоэкстремальности задачи. При увеличении числа параметров модели с целью повышения точности описания образца увеличивается число ложных минимумов, что повышает требования к начальному приближению.

Достижение требуемой точности результатов измерений частотных характеристик материала, обрабатываемого в СВЧ печи, средствами традиционной интроскопии осложняется жесткими требованиями по

обеспечению электромагнитной совместимости. Применение автогенераторной методики измерений, использующей в качестве информационных параметры колебаний источника мощности, позволит снять указанную проблему и отказаться от использования дорогостоящего измерительного оборудования. Последнее обстоятельство особенно важно для обеспечения экономической эффективности модернизации существующих промышленных печей.

Использование известных методик восстановления параметров материалов осложняется также наличием сильной связи между электродинамическими и термодинамическими процессами в СВЧ печи. Такая связь вызывает изменения параметров, как обрабатываемого образца, так и источника сигнала, которые необходимо учитывать.

С целью достижения высокого качества обработки при минимальном расходе энергии необходимо контролировать свойства материала в темпе технологического процесса для управления ходом обработки. Для решения такой задачи требуется создать автоматизированную методику измерений и вторичной обработки информации на базе средств вычислительной техники.

Таким образом, представляется весьма актуальной разработка устройства и методики автоматизированного анализа свойств неоднородного материала, в которых информация об образце извлекается из результатов измерений реакции источника основной мощности микроволновой печи на изменения свойств и внутренней структуры обрабатываемого материала.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Проблема взаимодействия материала с электромагнитным полем

Известны варианты классификации [1] электромагнитных методов интроскопии по диапазону частот, в которых выделяются радиоволновые, оптические, тепловые, радиационные и др. Среди них радиоволновый метод более всего подходит для измерения комплексной диэлектрической проницаемости в подповерхностных слоях исследуемого неоднородного материала. Вместе с тем приемы вторичной обработки данных, используемые в оптических, тепловых или рентгеновских методах, оказываются применимы и при радиоволновых измерениях.

Проведем классификацию направлений современных работ по проблеме взаимодействия электромагнитного поля (ЭМП) с неоднородными средами с целью очертить область данного исследования и его возможных приложений.

Первое направление связано с решением прямых задач дифракции волн на неоднородных объектах. Модель среды представлена [48] в виде некоторой структуры, электродинамические параметры которой -относительные диэлектрическая £ и магнитная ¡л. проницаемости изменяются в пределах ограниченного объема V (см. рис. 1.1 а).

Пусть неоднородная диэлектрическая структура находится в бесконечном свободном пространстве с постоянными параметрами £о, Цо-Внутри этой структуры могут находиться области с резко отличающимися электрофизическими параметрами, например, с высокой проводимостью (область У0). При взаимодействии первичного поля Е\ с этой средой возникают поле рассеяния Е2 и прошедшее в среду поле Е. Ставится задача нахождения составляющих Е2 и Е при известных параметрах среды и заданных характеристиках поля Е\.

Такая модель используется, в частности, при решении задачи создания неотражающих покрытий. В качестве основного рассеивающего объекта часто выступает проводящее включение У0, а целью анализа становится минимизация поля Е2 путем вариации параметров

неоднородности. Не менее важным приложением является СВЧ-дефектоскопия. В этом случае решается обратная задача дифракции: параметры неоднородной среды частично или полностью неизвестны, а для их определения используются Е2, Е и Ех.

а)

е)

б)

г)

д)

Рис. 1.1. Модели взаимодействия поля со средой

Развитием этой задачи стало второе направление, связанное с исследованием взаимодействия поля со сложными пространственно-неоднородными структурами, расположенными в неоднородном пространстве или полупространстве (рис. 1.1,6). Неоднородное полупространство с параметрами £ и ц граничит со свободным

пространством поверхностью Неоднородности с параметрами £1, выделяющиеся на фоне среды с параметрами е, р, могут быть как локальными, так и протяженными, например, при конечных размерах сечения иметь бесконечную длину. Сторонние источники у'ст могут располагаться как в нижнем полупространстве, так и в верхнем.

Задачи этого направления часто состоят в определении параметров неоднородной структуры при известных характеристиках неоднородного полупространства г, ц и заданных или измеренных параметрах полей Е\ и Еъ Такие задачи решаются при исследовании природных ресурсов Земли, например, в подповерхностной радиолокации [2] и при интерпретации данных дистанционного зондирования [3, 4]. Полученные результаты могут быть использованы для картографирования земной поверхности, т.е. восстановления поверхности £.

В задачах третьего направления (рис. 1.1.в) модель среды такая же, как и в первом случае, но источниками излучения являются сторонние токи у'ст, расположенные внутри неоднородности. Такие задачи называются внутренними задачами дифракции [48], их целью является определение характеристик полей Е\ в неоднородности и £2 в свободном пространстве по известным параметрам среды £, ц и характеристикам источников.

Такие задачи возникают в теории волноведущих систем миллиметрового, субмиллиметрового и светового диапазона волн. Аналогичные проблемы возникают и при проектировании объемных интегральных схем СВЧ- и КВЧ- диапазонов.

Объектом исследован