автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.08, диссертация на тему:Исследование функциональных возможностей и характеристик сверхвысокочастотного измерителя физических параметров материалов

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ

05.11.08 - Радиоизмерительные приборы

05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

Г-

материалов и изделии

р Г 5 од

1 О ФЕВ В98

На правах рукописи

АБРОСИМОВА Елена Борисовна

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 1997

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор С.М. Никулин

кандидат технических наук, доцент СЛ. Лабутин

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Андриянов Александр Владимирович

кандидат технических наук Козлов Валерий Александрович

Ведущее предприятие - СКВ Радиоизмерительной аппаратуры

(РИАЛ)

Защита состоится "12" февраля 1998 г. в_час. на заседании специализированного Совета Д 063.85.03 Нижегородского Государственного Технического Университета по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан "12" января 1997 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук

А.Н. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное производство ставит задачи по созданию эффективных методов и средств контроля качества различных материалов и изделий. Наиболее важными параметрами, которые необходимо контролировать в процессе производства, являются влажность и плотность материалов и компонентов на всех стадиях изготовления изделия, его геометрические характеристики и наличие различных структурных дефектов. Как показала практика, наиболее эффективными методами являются тепловые, радиационные, акустические и радиоволновые, позволяющие контролировать практически все технологические параметры с высокой точностью. При выборе методов определения влажности необходимо учитывать и влияние различных видов влаги на свойства материалов.

Существующие косвенные методы и аппаратура не обеспечивают достаточной точности и достоверности результатов измерений, что объясняется заметной зависимостью результатов от уровня шумов и переходных процессов в аппаратуре, температуры окружающей среды и объекта измерений, неравномерности распределения влаги по глубине и по поверхности, неоднородности структуры и отклонения физико-химических характеристик материала. Кроме того, практически вся имеющаяся аппаратура обладает большими габаритами и массой, что затрудняет процесс транспортировки и существенно ограничивает область ее применения.

Определенными преимуществами обладает метод микроволновой влагометрии, основанный на регистрации ослабления энергии электромагнитной волны, распространяющейся в неэкранированной полосковой линии передачи и взаимодействующей с исследуемым материалом. Ослабление энергии электромагнитной волны вызвано релаксацией молекул воды и зависит от толщины слоя материала и его влажности.

На основании этого метода создано устройство экспресс-анализа влажности твердых и сыпучих материалов, состоящее из двух функциональных блоков: выносного микроволнового датчика и базового измерительного модуля.

Микроволновый датчик, благодаря своей универсальности, может быть использован в научных и производственных целях, что позволяет расширить область применения микроволнового метода измерения.

Цель работы заключается в исследовании функциональных возможностей -и характеристик сверхвысокочастотного измерителя физических параметров материалов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Экспериментально установлены параметры интегральной модели микроволнового датчика и изучено влияние на них различных неинформационных воздействий.

1 2. Предложено и экспериментально подтверждено выражение для мнимой части диэлектрической проницаемости влажных сред в СВЧ диапазоне.

3. Исследованы градуировочные характеристики измерителя влажности с учетом влияния неинформационных факторов, определены источники погрешностей и найдены способы их уменьшения.

4. Предложен новый способ градуировки прибора при работе с сыпучими материалами, позволяющий получить информацию о характере взаимодействия воды и исследуемого вещества.

5. Исследовано влияние растворимых солей на показания измерителя, предложена методика определения процентного содержания соли в веществе.

6. Исследован процесс изменения объема песка при увеличении влажности, предложено выражение, описывающее этот процесс с высокой точностью.

7. Предложены различные варианты использования сверхвысокочастотного датчика для определения линейных размеров образцов и изучения нестационарных процессов влагообмена.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты и разработанные экспериментальные методики могут быть использованы для:

1. Построения градуировочных характеристик измерителя физических параметров твердых и сыпучих материалов с учетом источников погрешностей и способов их уменьшения.

2. Определения влажности твердых и сыпучих материалов.

3. Определения процентного содержания солей в различных материалах.

4. Контроля за технологическими процессами сушки и увлажнения природных материалов.

5. Определения характера влагонасыщения различных материалов и получения информации об их внутреннем строении.

6. Определения толщины образцов.

Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе и научных исследованиях на кафедре

"Компьютерные технологии в проектировании и производстве", на предприятии ВГГП "Волгогеология" для определения влажности песков в полевых условиях.

Достоверность результатов подтверждается адекватностью полученных математических выражений изучаемым физическим процессам, соответствием полученных результатов с их аналогами, найденными другими авторами, проведенными многократными экспериментальными исследованиями с последующей статистической обработкой полученных данных.

На защиту выносится:

1. Результаты исследования математической модели микроволнового датчика.

2. Эмпирическая математическая модель диэлектрических характеристик влажных сред в СВЧ диапазоне.

3. Анализ градуировочных характеристик амплитудного СВЧ измерителя влажности с датчиком на основе многослойной полосковой линии передачи.

4. Результаты исследований структурных изменений в песке при изменении влажности.

5. Методика определения процентного содержания соли в веществе.

6. Результаты экспериментальных исследований нестационарных процессов влагообмена.

7. Методика определения толщины образцов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции "Computer methods and inverse problems in nondestructive testing and diagnostics" (r. Минск, 1995), Международной научной конференции " Методы и средства; управления технологическими процессами" (г. Саранск, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Микроволновые технологии в народном хозяйстве" (г. Казань, 1995), Всероссийской научно-технической конференции "Высокие технологии в радиоэлектронике" (г. Н. Новгород, 1996), Региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (г. Н. Новгород, 1996), первой Нижегородской сессии молодых ученых (г. Выкса, Нижегородская область, 1996), научно-технической конференции Нижегородского технического университета (Дзержинский филиал) "Приборостроение и автоматизация технологических процессов" (г. Дзержинск, 1996), научно-технической конференции факультета Радиоэлектроники и технической кибернетики

"100-летие радио" (г. Н. Новгород, 1995), научно-технической конференции факультета Радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 80 - летаю НГТУ (г. Н. Новгород, 1995), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1997) и опубликованы в работах [18-21,32,33,38,47,48,57].

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 18 работах, из них 5 статей и 11 опубликованных тезисов докладов на научно-технических конференциях, 1 научная публикация и 1 методическая работа.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 137 страниц, включая библиографию из 61 наименования, 34 рисунка, 21 таблицу, 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, практическая значимость, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

Во введениях к главам определяется круг рассматриваемых в них вопросов. В заключениях к главам кратко сформулированы основные результаты и выводы.

Первая глава посвящена анализу существующих методов и устройств для определения диэлектрических и физических параметров материалов (влажность и плотность), линейных размеров образцов. На основе анализа сделаны выводы о преимуществе радиоволнового метода измерения, позволяющего определять практически все технологические параметры с высокой точностью.

Рассматриваемый в диссертации радиоволновый измеритель, состоящий из двух функциональных блоков: базового измерительного модуля и выносного датчика на основе многослойной полосковой линии передачи, обладает существенными преимуществами по сравнению с имеющейся • аппаратурой: высоким быстродействием, малыми габаритами и массой, автономным питанием, возможностью легко перестроиться с одного вида материала на другой. Указанные преимущества позволяют использовать измеритель как в лабораторных, так и в полевых условиях. Структурная схема прибора представлена на рис. 1.

Ь

1 - Полосковая линия передачи 13- Источник опорного напряжения

2- Защитный диэлектрический слой 14- Пороговый детектор

*> ;> - Генератор СВЧ сигнала 15- АЦП

4- Квадратичный детектор 16- Перекодирующее устройство

5- Модулятор 17- Цифровой индикатор

6- Усилитель низкой частоты 18- Аккумуляторная батарея

7,8 ; - Аттенюаторы 19- Ключ

9, 10- Штыревые элементы 20- Переключатель

11 • - Амплитудный детектор 21 - Соединительный гибкий кабель

12- - Сумматор

Рис. 1. Структурная схема измерителя влажности

В данной главе проведен анализ потребительских свойств и технических характеристик (см. табл. 1) исследуемого прибора на основании мето-

да СФК (структурирования функции качества) в сравнении с существующими приборами, основанными на радиоволновых методах измерения. По результатам анализа дана оценка качества рассматриваемого измерителя, определены его преимущества (см. выше) и недостатки, к которым можно отнести сравнительно низкую точность (по сравнению с некоторыми другими измерителями), что связано с наличием только одного информационного канала (исследуется лишь изменение амплитуды выходного сигнала в зависимости от влажности материала и толщины) и не учитываемым изменением плотности исследуемого материала при его контакте с датчиком. Широкое применение таких приборов для определения влажности ограничено из-за реакции его на объемную, а не на весовую влажность.

Таблица 1.

Технические характеристики Базовый измерительный модуль Выносной микроволновый датчик

Габариты 240 х 80 х 30 мм 70 х 50 х 30 мм

Масса 0,5 кг 0.25*!

Напряжение питания 9 В

Потребляемая мощность 0,18 Вт

Температурный диапазон от +5 до +40 °С

Время непрерывной работы > 3 час

Длительность единичного измерения 4с

Предел измерения влажности 0-80 %

Абсолютная погрешность измерения влажности 0,5 - 2 %

На основании проведенного анализа поставлены задачи дальнейшего исследования. К ним относятся:

- исследование параметров математической модели прибора, определение их численного значения и диапазона изменения под воздействием неинформационных факторов;

- построение и анализ градуировочных характеристик для различных условий эксплуатации;

- расширение области применения прибора для решения научных и прикладных задач.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию параметров эвристической математической модели, определению их численного значения, изучению влияния неинформационных факторов на эти параметры.

В разделе 2.1 рассматривается математическая модель прибора для случая неоднородного распределения влаги по глубине материала.

Известно, что влажный материал обычно представляют как бинарную смесь воды и сухого вещества. В диапазоне СВЧ диэлектрическая проницаемость становится комплексной величиной: е*=е'-(е", а е' и б" входят в выражение аддитивно, на основании чего можно предположить, что известные модели л/Ёп = 5 -л/е2+(1 - 5) (Беера) и

/пгр = 8 ■ 1п с 2 + (1 - 5)■ 1п е, (Лихтенекера), где ер - диэлектрическая проницаемость влажной смеси, ег и £; - соответственно диэлектрические проницаемости воды и сухого вещества, 5 - объемная доля влаги в смеси, могуг быть использованы и в случае комплексных значений диэлектрических проницаемостей. Поскольку описываемый микроволновый метод определения влажности основан на регистрации ослабления электромагнитной волны, прошедшей через исследуемый материал, результат измерений будет пропорционален г" смеси. Чем выше содержание влаги в материале, тем меньше амплитуда выходного сигнала датчика. Необходимо также отметить, что диэлектрическая проницаемость сухого вещества является в определенной степени случайной величиной и зависит от плотности в момент измерения, от температуры и от наличия химических примесей.

Таким образом, параметры сухого материала (плотность, комплексная диэлектрическая проницаемость, химический состав и др.) влияют на вид нелинейной зависимости П=/(1У) (где С - сигнал на выходе сумматора 12, 1¥- влажность материала), однако для конкретного материала эти параметры можно считать при измерениях влажности неизменными и рассматривать зависимость С от IV как однопараметрическую функцию.

Процедура градуировки прибора при измерениях влажности какого-либо материала состоит в определении вида функции ./(Ю- Так, например, для песков и древесины в диапазоне значений относительной влажности 1У< 17% эта зависимость с достаточной степенью точности аппроксимируется квадратичной функцией С = (а + Ы¥)2.

Перекодирующее устройство 16 преобразует цифровой код, пропор-

ПТ

циональный (7, в нормированные показания I = /''(О) =-—цифрового индикатора 17, где Ос~аг - значение С для сухого материала, / '((;) функция, обратная функции

Если относительная влажность IV (х, у, г) различна в разных точках материала, то с учетом уменьшения энергии СВЧ волны с увеличением х

(х- расстояние от поверхности защитного слоя полосковой линии вглубь исследуемого материала), можно полагать, что показания прибора У в наиболее общем случае связаны с пространственным распределением влажности Щх, у, г) интегральным соотношением

I = ¡Миг(х.у,2)-ф,у,2)с/х1!уЖ, (1)

V

где £ (х, у, г) - пространственная чувствительность датчика к влажности, V -объем материала.

Так как полосковый проводник имеет радиусные изгибы для устранения влияния анизотропии материала на показания прибора, то можно перейти к одномерному распределению зависимости показаний от влажности при условии, что влажность изменяется только вглубь образца:

/ = , (2)

где = 1, ho - толщина материала. Вид данной функции можно оп-

о

ределить, если проводить измерения влажного слоя материала, известной толщины, на сухом слое того же материала

Поскольку диэлектрические параметры гетерогенных смесей зависят от диэлектрических параметров сухого вещества и воды, показания прибора могут быть описаны выражением:

оо | / ос | ( U^

N = л/G = Nc J(1 -5{h))—exd--dh + b\Щ ■ — exri -— dh , (3)

0 Lx V L\J 0 ¿2 V

.M .. Уо{Ь)

где о(я)= lim--распределение ооъемнои влаги в материале по рас-

Y-+0 Vm

т

стоянию h от поверхности датчика, Fi, - объем воды в объеме Vm влажной смеси; Ъ - коэффициент, характеризующий чувствительность прибора к влаге вообще (дает представление о максимально возможной амплитуде выходного сигнала при измерении влажности конкретного материала), Nc -показания прибора в случае сухого вещества, L, и Li - параметры, характеризующие чувствительность прибора по координате h =х соответственно в случае сухого вещества и воды. Множитель (1-8(А)) приближенно характе ризует содержание сухой фазы в объеме влажного материала и условно за-

меняет собой функцию, характеризующую процесс заполнения влагой пустот в материале. Основной вклад в погрешности определения влажности, исходя из данной модели, вносят неточности, связанные с вычислением объемного содержания влаги в материале.

Как показали экспериментальные исследования, для большинства материалов математическая модель может быть упрошена, показания прибора в данном случае описываются одной экспонентой и зависят от Л'с, коэффициента Ь, параметра 1, и толщины слоя исследуемого материала.

В разделе 2.2 приведены экспериментальные методики, позволяющие проверить справедливость модели и определить численное значение параметра /,. С целью численного анализа Л создавалось неравномерное распределение влаги в образце с помощью увлажненного слоя материала или резистивной пленки. Полученные значения параметра Ь для некоторых материалов приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Материал Бумага Шпон Песок речной

Ь, мм 2,808 3,8 3,68

Результаты исследования модели позволяют утверждать, что в области значений влажности 1У< 15^25% для песка и IV < 25-30% для древесины математическая модель (2) находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными. Практическое применение этой модели позволяет упростить градуировку датчика в случае измерения влажности новых материалов, решать задачу восстановления пространственного распределения влажности 1У(х) (обратная задача влагометрии), определять параметры известной теоретической зависимости Иг(х, /), описывающей динамику проникновения влаги в материал при заданных граничных условиях, путем измерения значений сигнала Л/(0 или I (?) в различные моменты времени и т.д. В разделе 4.1 описываются экспериментальные результаты решения последней из перечисленных задач.

Следует особо отметить, что при проведении исследований с песками в кювете с размерами (длиной и шириной), сравнимыми с размерами датчика, наблюдаются ошибки определения параметров математической модели из-за более сложной структуры электромагнитного поля (полученные данные описываются с помощью двух экспонент), возникающей при отражении от стенок кюветы.

В разделе 2.3 на примере песка и древесины исследуется влияние неинформационных факторов (температура, плотность) и влажности на параметры математической модели.

Исследование влияния плотности и влажности материала на параметры интегральной модели проводились с использованием 5 различных видов песков. Как показали исследования, чувствительность прибора к влаге по глубине в значительной степени зависит от плотности материала и практически не зависит от его влажности.

Влияние температуры материала связано с температурной зависимостью его диэлектрической проницаемости (времени релаксации молекул воды). В экспериментах с песком при +2ЧС < / <+30XI наблюдается неоднозначная зависимость параметров модели при изменении температуры материала, что может быть связано с некоторой упрощенностью модели, не учитывающей структуру и физические особенности материала.

Для получения более точных результатов проведены эксперименты с дистиллированной водой, где +6 °С < I <+40 °С. Исследования показали, что чувствительность прибора к воде, характеризуемая параметром /„2, экспоненциально зависит от температуры и изменяется на 32% в указанном диапазоне.

Принимая во внимание зависимость ¿г(0 и экспоненциальное изменение мнимой части диэлектрической проницаемости воды (е"2) при изменении температуры, в разделе 2.4 установлена связь между этими величинами.

Параметр чувствительности ¿2 связан с -у/ЁУ следующим образом.

-у== = 0,88 ± 0,032 - для воды или к = —£=■ «1 - для влажного материала \£2 л/е2

(песка). Коэффициент пропорционачьности />*= Ь, / связан с л/^У через Ъ *

соотношение -т=== 0,125 ± 0,015 при 0< 8 <100%.

лЯ

На основании полученных данных построена модель для мнимой части диэлектрической проницаемости влажного материала:

^(8) = *, ^(1-5) + *, ^-8. (4)

Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями, см. рис. 2, абсолютное расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает 0,856.

/Д

и УВр 1~2 "С 1=17°с

Рис. 2.. Экспериментальная зависимость (//(8) - М) и рассчитанная по формуле (4) характеристика для двух температур

В разделе 2.4 предложен упрощенный способ построения градуиро-вочных характеристик по показаниям прибора при измерении сухого вещества и воды, что существенно облегчает процесс градуировки за счет отсутствия длительной и многократно повторяющейся процедуры перемешивания сухого вещества с водой для создания равномерного распределения влажности. Кроме того, новый способ градуировки позволяет определить наличие различных форм связи воды в материале.

Третья глава диссертации посвящена исследованию градуировоч-ных характеристик амплитудного СВЧ измерителя при анализе влажности различных материалов (песок, древесина (шпон)).

В разделе 3.1 приведены экспериментальные результаты градуировки, при обработке которых в целях повышения точности определения влажности использовались различные методы аппроксимации. Для построения обобщенной градуировочной характеристики по результатам измерений 21 песка и оценки погрешности градуировки применена численная обработка экспериментальных данных с помощью специально разработанных программных средств (раздел 3.2).

Проведенные исследования показали, что градуировочные характеристики для песка носят линейный характер (рис. 3). Максимальная абсолютная погрешность (А1У) определения влажности по индивидуальным характеристикам находится в пределах 0,35%^ А\¥ < 1,1% , а в случае обобщенной характеристики соответствует соотношению:

0,5 * 1,48% для 0%< 1У< 6,5% , 0,258 + 0,075И' для 6,5%<№< 17%. N

\А/, %

Рис.3. Линейная (сплошная прямая линия) - обобщенная градуиро-вочная характеристика прибора и экспериментальные значения N и ^ для четырех песков из табл. 1: х - № 8, о - № 10, + - № 11, • - № 20. Криволинейными сплошными линиями показаны верхние границы полосы, в которой лежат все экспериментальные значения N и IV для 21 вида песка.

т

Градуировочные характеристики для шпона претерпевают излом, что связано со слоистой структурой материала, ЛУУ во всем диапазоне влажности составляет 0,2%.

В разделе 3.3 выполнен теоретический анализ градуировочной характеристики прибора, в ходе которого установлена связь между полученными экспериментальными результатами и характеристиками полосковой линии передачи: при (е')0-25» 1 из результатов градуировки прибора и выражения N = ~лК2 -V1 ~ -Ла2 ~(где У= иехр(-схI) - амплитуда сигнала на выходе линии передачи, е = е'- _)е" - комплексная эффективная диэле>прическая проницаемость линии передачи) следует линейная связь между и 5 (или IV) в диапазоне значений 1У< 17 %, что

подтверждает зависимость показаний прибора от .

В разделе 3.4 приведены результаты исследования влияния структурной перестройки в песке при изменении влажности. Учет структурных изменений позволяет снизить Д ¡V в 1,5 ч- 2 раза.

В разделах 3.5, 3.6 исследовано влияние различных "мешающих" факторов, таких как наличие проводящих примесей и изменение температуры исследуемого образца, на процесс получения градуировочных характеристик и их погрешности.

Наличие растворимых солей в воде приводит к дополнительным потерям на электропроводность (кроме поляризационных потерь), при 'Этом градуировочная характеристика становится нелинейной и описывается выражением:

IV

N = а(к) + 6- ехр--, (5)

н цк)

где к - концентрация ионов соли в растворе.

Температурные характеристики прибора при измерении влажности изучались в экспериментах с песком и древесиной (шпон). Исследования показали, что для песка зависимость коэффициентов градуировочных характеристик носит сложный и неоднозначный характер. Для шпона наблюдается уменьшение угла наклона характеристик на 30,5% при изменении температуры от +22 °С до +40 "С, что подтверждает зависимость показаний прибора от г"г, которая изменяется в указанном диапазоне температур на 31%, и позволяет предложить температурную компенсацию результатов измерений.

Четвертая глава посвящена практическому применению микроволнового датчика для решения научно-исследовательских и производственных задач, таких как: экспериментальное изучение нестационарных процессов впитывания воды различными материалами; экспериментальное исследование процесса сушки и испарения воды из влажных материалов; измерение толщины образцов и определение процентного содержания соли в веществе.

Исследование нестационарных процессов влагообмена (раздел 4.1) показало преобладающий характер капиллярных явлений при впитывании влаги. На основании выражения (6) были определены средние значения радиусов капилляров для различных пород древесины (табл. 3).

1(0 = ¡ус

-ехр

(6)

где А = , г - средний радиус капилляров (поры, сосуды и др.) в древесине, а- коэффициент поверхностного натяжения воды, гм - средний ради-

ус кривизны мениска воды в капилляре, 7 - коэффициент вязкого трения воды.

Таблица 3

Значения параметра А и среднего радиуса капилляров г для различных

пород древесины

Вид древесины А, мм2/с г, нм (при гег„) р, г/см3

обычная вязкость воды повышенная вязкость воды

ель 0,088 4,7 6,5 0,39

ель 0,13 6,8 10,4 0,39

осина 0,11 5,8 9 0,39

сосна 0,19 10,6 16,2 0,45

береза 0,2 10,8 16,5 0,47

клен 0,31 16,7 24,8 0,6

Экспериментальное изучение процессов сушки и испарения {раздел 4.2) показало сложный характер испарения для некоторых материалов (древесина, кирпич), связанный с периодическим изменением скорости процесса и высокую эффективность сушки даже при температуре +50 °С.

В разделе 4.3 приведены результаты измерения толщины образцов с помощью микроволнового датчика. Как показали исследования, чувствительность микроволнового датчика к толщине материала носит экспоненциальный характер, а расстояние, на котором чувствительность уменьшается в е раз составляет величину порядка 2+4 мм для различных материалов. Достаточно высокая чувствительность прибора позволяет определять толщину образца с абсолютной погрешностью 0,23 мм.

В разделе 4.4 описана разработанная методика определения процентного содержания соли в песке по заранее полученным градуировочным характеристикам, которая в случае дальнейшей доработки может быть использована для анализа засоленности почв. Преимущество данной методики - в высокой точности при значительной простоте использования, что подтверждается проведенными метрологическими исследованиями.

4Ь

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Экспериментально подтверждена и исследована математическая модель микроволнового датчика на основе многослойной полосковой линии передачи, получены численные значения соответствующих коэффициентов при работе с различными материалами и определен диапазон их изменения в результате влияния неинформационных факторов. Найдена и исследована связь между коэффициентами интегральной математической модели датчика и диэлектрическими параметрами исследуемого материала, что позволило получить выражение для мнимой части диэлектрической проницаемости материалов в СВЧ диапазоне (2,5 ГГц). Рассчитанные по этой формуле градуировочные характеристики находятся в хорошем соответствии с экспериментальными зависимостями.

2. Предложен новый способ построения градуировочных характеристик, применение которого позволяет определять характер взаимодействия воды с исследуемым материалом (показывает наличие связанной влаги).

3. Построены и исследованы градуировочные характеристики измерителя влажности с датчиком на основе многослойной полосковой линии передачи и оценены их погрешности. Для обработки экспериментальных данных в случае построения индивидуальных градуировочных характеристик использовался метод "мини-макса", при построении же обобщенной градуировочной характеристики был применен специально разработанный численный метод обработки результатов измерений. Исследовано влияние неинформационных факторов (температура, наличие растворимых солей) и физических параметров материала на вид и погрешности градуировочных характеристик.

4. Изучен процесс изменения объема песка при изменении влажности ("набухание песка") и его влияние на процесс градуировки прибора; предложено выражение, описывающее этот процесс с высокой точностью.

5. Теоретические и экспериментальные исследования микроволнового датчика физических параметров материалов подтвердили возможность его применения для решения научных и практических задач, в том числе и в области неразрушающего контроля. С помощью датчика проведены исследования нестационарных процессов влагообмена в материалах (древесина, кирпич), в результате которых выявлен преобладающий характер процесса проникновения влаги в материал (капиллярный или диффузионный). Исследован процесс сушки материалов (песок, древесина, кирпич) и показаны его преимущества по сравнению с естественным испарением влаги.

6. Предложена методика определения процентного содержания растворимых солей в веществе, обладающая высоким показателем воспроизводимости. Основные преимущества данной методики — простота использования и малое время проведения анализа при достаточной точности полученных результатов.

7. Предложен.способ определения толщины образцов с использованием микроволнового датчика; определены условия, при которых обеспечивается максимальная точность измерений. Благодаря данному способу стало возможным определение толщины неметаллических покрытий в многослойных структурах (толщина поверхностного или приповерхностного слоя) и количества листов материала в пачке.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М. Градуировочная характеристика радиоволнового измерителя влажности песков // Вестник ВВО АТН РФ.Серия : Высокие технологии в радиоэлектронике, 1996, № 1(2), с. 43 - 46.

2. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М., Петров В.В. Малогабаритный сверхвысокочастотный измеритель влажности твердых и сыпучих материалов и его математическая модель. // Вестник ВВО АТН РФ. Серия : Высокие технологии в радиоэлектронике, 1996. № 1(2), с. 47 -51.

3. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М., Петров В.В. Амплитудный СВЧ влагомер твердых и сыпучих материалов // Измерительная техника, 1996, № 11, с. 66-68.

4. Абросимова Е.Б., Никулин С.М. Экспресс-анализ влажности материалов // В межвуз. сб. : Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. - Нижний Новгород: НГТУ, 1995, с. 80 - 83.

5. Амплитудный СВЧ влагомер на основе полосковой линии передачи. /Е.Б. Абросимова, С.А. Лабутин, С.М. Никулин - Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 1996. - 35 с.

6. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Никулин С.М. Математическая модель амплитудного СВЧ влагомера. // Вестник ВВО АТН РФ. Серия : Высокие технологии в радиоэлектронике, 1997. №2(4), с. 191 - 199.

7. Е.Б. Абросимова. Исследование структурных изменений в песке при впитывании влаги и их влияние на градуировочную характеристику амплитудного СВЧ измерителя влажности. // Вестник ВВО АТН РФ. Серия : Высокие технологии в радиоэлектронике, 1997. № 2(4), с. 206 - 209.

i В

8. Е.Б. Абросимова, С.М. Никулин. Измерение толщины материала микроволновым методом. Научно-техническая конференция факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященная 80 - летиго НГТУ. Тезисы докладов. - Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет, 1997. с 30 - 31.

9. Е.Б. Абросимова. Влияние растворимых солей на градуировочную характеристику амплитудного СВЧ влагомера и методика определения концентрации NaCl в песках. Научно-техническая конференция факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященная 80 -летню НГТУ. Тезисы докладов. - Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет, 1997. с 31 -32.

10. Е.Б. Абросимова. Изменение объема песков при впитывании воды. Тезисы докладов региональной НТК "Методы и средства измерений физических величин", 1996, с. 10.

11. Е.Б. Абросимова. Исследование температурных характеристик радиоволнового влагомера при измерениях влажности песка. Тезисы докладов региональной НТК "Методы и средства измерений физических величин", 1996, с. 6.

12. Лабутин С.А., Абросимова Е.Б., Лопаткин A.B., Никулин С.М., Петров В.В. Радиоволновые приборы для измерения параметров материалов. Тезисы докладов I I научно-технической конференции "Приборостроение и автоматизация технологических процессов", г. Дзержинск, 1996, стр. 22.

13. Абросимова Е.Б., Лабутин С.А., Лопаткин A.B., Никулин С.М., Петров В.В. Радиоволновые методы измерения влажности твердых и сыпучих материалов в технологических процессах. Тезисы докладов международной научной конференции " Методы и средства управления технологическими процессами", г. Саранск, 1995, стр. 5-6.

14. Абросимова Е.Б., Никулин С. М. Nondestructive control of moisture in materials. Материалы международной конференции "Computer methods and inverse problems in nondestructive testing and diagnostics", г. Минск, 1995, стр. 55-58.

15. Абросимова Е.Б., Никулин С.М. Микроволновый экспресс-анализ влажности материалов. Тез. докл. Всероссийской НТК "Микроволновые технологии в народном хозяйстве", г. Казань, 1993, с.36.

16. Абросимова Е.Б., Никулин С. М. Сверхвысокочастотный экспресс-анализ влажности материалов. Тезисы докладов НТК ФРК "100-летие радио", г. Нижний Новгород, 1995, стр. 13.

17. Е.Б. Абросимова, С.А. Лабутин, С.М. Никулин, В.В. Петров. Исследования амплитудного СВЧ влагомера и нестационарных процессов вла-

гообмена. Методические указания к лабораторным, научно-исследовательским и курсовым работам по дисциплине "Методы и средства измерений" для студентов специальности 190900 "Информационно-измерительная техника и технологии". - Нижний Новгород, 1996. - 12 с.

18. И.М. Седельникова, Е.Б. Абросимова. Структурирование функции качества для амплитудного СВЧ измерителя влажности. Тезисы докладов Международной НТК "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", г. Пенза, 1997, стр. 163-164.

Подп. к .еч. 23./*, 9?. формат 60x84 '/16- Бумага Г^с^мйЛ. Печать »сетная. Уч.-изд. л. С . Тираж ВС экз. Заказ .

Беспла!

Типограф, г ; НГГУ. 603600, Н.Новгород, ул.Минина, 24. ч,'