автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Научные и инженерные основы метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля

На правах рукописи

АВДЕЕВ Виктор Петрович

НАУЧНЫЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПЛИТОЧНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ СВЧ ПОЛЯ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж-2005

Работа выполнена на кафедре математического моделирования и вычислительной техники Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Суровцев Игорь Степанович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коробко Виктор Иванович

доктор технических наук, профессор Чернышев Владимир Николаевич доктор физико-математических наук, профессор Нечаев Юрий Борисович

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет гражданской авиации

Защита диссертации состоится

седании диссертационного совета Д 212.182.01 Орловского государственного технического университета по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 302020, г.Орел, Наугорское шоссе, 29, Орел ГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета.

Автореферат разослан "2?"де)са(>р1Я 2005г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор техн. наук, проф.

А.И. Суздальцев

их?6 А ¿и>6

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В проблеме обеспечения высокого и стабильного качества выпускаемых предприятиями стройиндустрии плиточных строительных материалов (ПСМ) важную роль играет неразрушающий контроль

Средства НК обеспечивают надежное, достоверное и оперативное определение характеристик качества продукции, что позволяет автоматизировать процесс ее сортировки. Автоматизация, в свою очередь, ведет к повышению производительности труда, улучшает условия и культуру производства, обеспечивает экологическую безопасность работников предприятия.

В настоящее время в отечественной промышленности контроль готовых ПСМ, во многих случаях, осуществляется человеком без использования средств автоматизации. Это приводит к ошибкам, обусловленным неопытностью, усталостью человека, воздействием на него внешних факторов и, в конечном итоге, к субъективному принятию решения о контролируемой продукции.

Например, на заводах по производству строительной керамики процент бракованных изделий составляет от 5% до 15%.

Ошибочное принятие решения, особенно в случае, когда высок процент брака, весьма нежелателен, поскольку приводит к ненадежному контролю.

Известные методы и средства НК, в том числе и радиоволновые, основанные на измерениях отдельных параметров поля, не находят должного применения на предприятиях стройиндустрии, в том числе и из-за их невысоких информационных возможностей.

Поэтому в настоящее время актуальным является проведение исследований для создания методов и средств НК по комплексу различных характеристик поля. В области радиоволнового контроля к таким характеристикам относятся амплитудные, фазовые, часто остранст-

(НК).

венно-временные характеристики СВЧ поля, рассеянного объектом контроля (ОК).

Работы, связанные с контролем характеристик качества ПСМ радиоволновым методом, характеризуются высоким уровнем интеллектуализации. В связи с этим они требуют привлечения не только современной элементной базы СВЧ техники и измерительной аппаратуры, но и разрабатываемых моделей, алгоритмов измерений пространственно-временных характеристик, программ их обработки на ЭВМ с использованием элементов искусственного интеллекта в виде экспертной системы (ЭС). Это свидетельствует о том, что создание научных и инженерных основ по комплексу указанных вопросов является не только важной задачей сегодняшнего дня, но и актуальнейшей задачей на перспективу в плане совершенствования радиоволнового метода НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.

Целью работы является разработка метода и технических средств Ж ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля для повышения достоверности, надежности, оперативности контроля, улучшения экологических условий при производстве контролируемых изделий. В соответствии с целью работы определены следующие ее задачи:

1. Дать анализ современных проблем неразрушающего контроля радиоволновым методом в области строительной индустрии и определить комплекс используемых при этом пространственно-временных характеристик СВЧ поля для обоснования модели взаимодействия электромагнитной волны с ОК.

2. Разработать математическую модель и выполнить теоретические исследования возможности реализации радиоволнового метода НК по поляризационным характеристикам рассеянного СВЧ поля за счет обработки сигнала в поляризационно-ортогональных каналах при наличии помех.

3. Исследовать физический процесс взаимодействия произвольно поляризованного СВЧ поля с ОК являющимся нагрузкой длинной линии. Разработать математическую модель процесса, теоретически обосновать ра-

диоволновый метод НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, реализующий указанную модель.

4. Создать и практически реализовать комплекс технических средств автоматического измерения, обработки, регистрации и хранения пространственно-временных характеристик СВЧ поля с целью их дальнейшего использования для НК ПСМ. Разработать при этом средства программного обеспечения для решения данной задачи.

5. Используя возможности современных информационных технологий, построить ЭС, позволяющую на основе предварительного обучения и в соответствии с определенными и установленными решающими правилами обеспечивать решение различных задач контроля ПСМ.

6. Провести экспериментальные исследования радиоволнового метода и средств НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля на натурных образцах ПСМ.

Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, выполнены автором в 1980 - 2005 г.г. на кафедре Математического моделирования и вычислительной техники Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по темам плановых НИР ГКНТ, хозяйственным договором с предприятиями стройиндустрии г. Воронежа и программам Минобразования РФ.

Научная новизна работы. Развиты основы научно-практического направления в области радиоволновых методов для НК материалов и изделий по комплексу пространственно-временных характеристик СВЧ поля.

Теоретически обоснована, методами статрадиофизики описана статистическая модель процесса НК по поляризационным характеристикам частично поляризованного сигнала, являющегося результатом рассеяния СВЧ поля от ОК в пространстве. Полученный при этом комплекс поляризационных характеристик в виде матрицы когерентности, параметров Стокса, а также коэффициенты Френеля могут быть использованы для определения электрофизических характеристик ПСМ.

Разработаны теоретические основы радиоволнового метода НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, физическая модель которого представляет процесс взаимодействия этого поля с ОК, являющимся нагрузкой длинной линии.

Построена математическая модель, описывающая процесс интерференции произвольно поляризованных падающей и отраженной от ОК радиоволн в длинной линии. На основе математической модели установлены и определены зависимости между пространственно-временными характеристиками СВЧ поля, отражающими, поляризационными и электрофизическими характеристиками ОК, которые, в общем случае, имеют векторный характер.

Результаты теоретических исследований нашли отражение в создании технических средств измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде измерительных комплексов и программно-аппаратных средств для автоматизированной обработки результатов измерения и формирования необходимой базы данных (БД).

Создан алгоритм работы системы информационного обеспечения НК, основанный на использовании комплекса, определенным образом сформированных информативных параметров (ИП), инвариантных относительно положения (ориентации) ОК в пространстве и позволяющих получить о нем дополнительную информацию для повышения надежного контроля и реализации конвейерного принципа работы контролирующей техники.

Разработаны структура ЭС, математическая модель обучения и принятия решения для автоматизации НК, определены и введены в ЭС оригинальные правила принятия решений (решающие правила), позволяющие минимизировать ошибки при осуществлении контроля. Впервые предложена процедура оптимизации инвариантных ИП в ЭС, позволяющая составить (выбрать) набор параметров с наивысшей эффективностью в смысле правильного принятия решения о качестве ПСМ.

Комплекс разработанных математических, алгоритмических, программных и аппаратных средств позволили впервые использовать ЭС в качестве

интеллектуальной основы для НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы очевидна. Она определяется возможностями решения на основе полученных научных результатов прикладных задач НК ПСМ в лабораториях испытания материалов и на технологическом конвейере за счет модернизации и технического перевооружения производства на базе средств автоматизации и современных интеллектуальных компьютерных систем.

Как показывают экспериментальные исследования по определению качества керамической плитки для пола, методологические аспекты, положенные в построение соответствующей ЭС, могут быть распространены в области других разнообразных ПСМ для определения их характеристик качества (ХК) путем выбора эффективных наборов ИП и соответствующих решающих правил.

Разработанный радиоволновой метод НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля позволяет на практике отказаться от традиционных способов измерения амплитудно-фазовых характеристик и перейти к измерениям комплексного коэффициента отражения (КО) в поля-ризационно-ортогональных каналах, использование которого в качестве инвариантного ИП повысит эффективность и надежность ЭС.

Использование существующей широкополосной аппаратуры для измерения комплексного КО позволяет создавать технические средства НК ПСМ, работающие в широком спектре частот, что является важным для расширения функциональных возможностей рекомендуемого метода.

Методы и методики исследования. Исследования, представленные в диссертации, базируются на основополагающих принципах статрадиофизи-ки, электродинамики, поляризационной селекции сигналов, теории цепей, теории распознавания, экспертных систем с использованием аппарата теории вероятности, векторной алгебры, вычислительной математики и современных компьютерных технологий.

Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ, при постановке новых учебных курсов и выполнении учебно-исследовательских работ в Воронежском государственном университете на факультете компьютерных наук и в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете на факультете автоматизации и информационных систем.

Результаты работы внедрены и внедряются на ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ОАО «Семилукский завод огнеупорного кирпича».

Получены также положительные рекомендации по внедрению отдельных результатов работы в ряде научных и производственных организаций г. Воронежа.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на VIT Международной научно-технической конференции «Оптические радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1977 г.), VI, VII, VIII Международных научно-технических конференциях «Информационная среда вуза» (г. Иваново, 1999-2001 гг.), Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-98» (г Воронеж, 1998 г.), II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Теория активных систем» (г. Москва, ИПУ им. Трапезникова, АН России, 2000 г.), Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 2004» (гг. Винница, Ялта, 2004 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительном производстве» (г. Москва, 1983 г.), Всесоюзном семинаре «Развитие АСУ и автоматизация производственных процессов» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительстве» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.). Отдельные результаты работы

докладывались на V и У1-х чтениях в Российской академии архитектуры и строительных наук «Современные проблемы строительного материаловедения» в г. Воронеже, 1999 г. и в г. Иваново в 2000 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, в числе которых 1 монография, 9 статей в центральной печати, 1 авторское свидетельство, программные продукты, зарегистрированные в Государственном фонде алгоритмов и программ и двух электронных журналах.

Структура и объем диссертации. Материалы диссертации содержатся в 2-х томах. Том первый состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы общим объемом 311 страниц, включая 55 рисунков и 9 таблиц.

Том второй объемом 163 страниц включает приложения в виде листингов программ, интерфейс пользователя ЭС "Радиоконтроль", результаты экспериментальных исследований и акты внедрения результатов работы. На защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретические разработки математических моделей процесса обработки частично поляризованного сигнала в приемном канале и процесса взаимодействия произвольно поляризованного СВЧ поля с ОК в системе радиоволнового НК.

2. Основные аналитические соотношения, описывающие процессы происходящие в предложенных моделях и устанавливающие взаимосвязь между пространственно-временными характеристиками СВЧ поля.

3. Технические средства для измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде лабораторных измерительных комплексов, работающих как в режиме разнесенного приема и передачи ЭВМ, так и в совмещенном режиме, а также программно-аппаратные средства для обработки и хранения информации с целью дальнейшего использования ее в системе НК.

4. Математическая модель и структура ЭС "Радиоконтроль" для автоматизации радиоволнового НК разнообразных ПСМ на основе введенных

инвариантных информативных параметров и правил принятия решения в задачах определения качества, типа дефекта и количественной оценки характеристик качества ПСМ.

5. Результаты экспериментальных исследований, полученные на натурном образце ПСМ в автоматизированной системе НК при заданных информативных параметрах и при использовании процедуры оптимизации количества информативных параметров в их наборе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана роль и место НК на предприятиях строительной индустрии при производстве различных ПСМ. Освещен вклад отечественной и зарубежной науки, научных школ и ученых в разработку методов и средств радиоволнового контроля качества. Сформулирована, обоснована актуальность исследований, проводимых при выполнении диссертационной работы. Определена цель и поставлены задачи для реализации этой цели. Раскрыта научная новизна, практическая ценность работы и указаны результаты ее апробации.

В первой главе сделан обзор работ по методам и средствам радиоволнового НК, используемым для определения различных ПСМ на предприятиях стройиндустрии. Рассмотрено также состояние вопросов, связанных с моделированием процессов контроля и диагностики, созданием средств их информационного обеспечения, в том числе и на основе систем с элементами искусственного интеллекта в виде ЭС. Анализ работ показывает, что радиоволновые методы используются для контроля ХК при производстве бетонных и железобетонных изделий, стекла, цементного камня, изделий из керамики, дерева и пластмасс, теплоизоляционных материалов, минеральных и органических вяжущих, кровельных материалов и т.п. Наиболее разработаны радиоволновые методы для определения таких ХК, как диэлектрическая про-

ницаемость £, проводимость а. тангенс потерь, влажность, плотность, геометрические размеры объекта контроля (ОК).

Контроль ХК при этом осуществляется путем измерения амплитудных, фазовых, частотных (спектральных), поляризационных пространственно-временных характеристик СВЧ поля. В качестве ИП для указанных целей используют, как правило, амплитуду, фазу, частоту, параметры поляризации, а также другие вторичные параметры, измеренные в приемном канале системы контроля.

При технической реализации радиоволновых средств НК используют методы взаимодействия СВЧ поля при его прохождении («на прохождение») через ОК или при его отражении («на отражение») от ОК. Исследуемый ОК может находиться в свободном пространстве, в резонаторе либо в волноводе.

Радиоволновые методы НК ПСМ в большей части основаны на одно-параметровых измерениях. Из научной и справочной литературы известно, что основная часть методов реализована с помощью амплитудных, фазовых, либо совместных амплитудно-фазовых измерений.

Радиоволновые поляризационные методы НК, основанные на эффекте деполяризации СВЧ поля и контроле параметров эллипса поляризации, сформировались в направление под названием «Эллипсометрия». Попытки использования их в стройиндустрии, например, для дефектоскопии стеновой керамики, определения диэлектрической проницаемости и тангенса потерь теплоизоляционных материалов не получили должного распространения. В отдельных случаях методы радиоволновой поляриметрии применяют также для определения влажности материалов, в толщинометрии и определении геометрии различных строительных изделий.

В связи с информационной недостаточностью и ограниченностью од-нопараметровых методов НК в последние годы разрабатываются многопара-метровые методы контроля. Носителем информации о свойствах ОК могут быть акустические, магнитные, электрические, термоэлектрические, радиоволновые и другие характеристики поля.

При многопараметровом контроле решаются две задачи. Результатом решения первой задачи является описание исследуемых ОК набором ИП.

11

Вторая задача позволяет разделить исследуемые ОК на группы по соответствующим ХК. Эта задача решается с использованием методов дискриминант-ного, дисперсионного либо кластерного анализов.

Многопараметровый НК, основанный на использовании СВЧ поля, в настоящее время недостаточно исследован и разработан, поэтому требует создания физических и математических моделей взаимодействия этого поля с ОК, выбора ИП, использования современных методов приема и обработки сигналов, выработки критериев и решающих правил классификации ОК.

Современный этап развития методов и средств радиоволнового НК ПСМ связан с внедрением на отдельных производствах информационных технологий в виде ЭС, использующих высокопроизводительные возможности ЭВМ. Зарубежный опыт показывает, что наиболее эффективно ЭС применяются в военных отраслях, аэрокосмических и медицинских приложениях, электронике, сельском хозяйстве и др. областях.

В строительной отрасли таких разработок и опыта их использования для целей НК нет.

Во второй главе рассмотрен комплекс пространственно-временных характеристик СВЧ поля и дано их аналитическое представлений с целью дальнейшего использования при рассмотрении моделей процесса радиоволнового НК.

Электромагнитная волна (ЭМВ) или движущееся СВЧ поле, представляющее пространственно-временной процесс, зависящий от координат х, у, г, времени ? и изменяющийся по гармоничному закону с частотой со, определено комплексным вектором следующего вида:

Ё(х,у,2,0= <Ёхех + Ёуёу + ЁгёгУе'»-*-г\ где Ёх,Ёу,Ёг - составляющие вектора по осям координат, ех,еу,ё2 - орты выбранной системы координат, к - волновой вектор, г - радиус-вектор, характеризующий направление распространения ЭМВ. Каждая из составляющих вектора характеризуется соответственно амплитудой и фазой на монохрома-

тической частоте со. При распространении и рассеянии ЭМВ на ОК она становится не монохроматической. Для этого случая такая ЭМВ или зондирующий сигнал £(/) представляется рядом Фурье, что позволяет найти ампли-

ставляющих вектора £(?)•

Поляризация, как одна из важных пространственно-временных характеристик СВЧ поля, определена набором ее геометрических параметров, параметров ортогонального разложения ЭМВ, параметрами Стокса и поляризационной матрицей рассеяния, устанавливающей взаимосвязь между падающим и рассеянным (отраженным) СВЧ полем

Матричное равенство свидетельствует о связи амплитудно-фазовых характеристик СВЧ поля и элементов поляризационной матрицы, являющейся "портретом" ОК в этом поле.

Приведены также основные соотношения между коэффициентом эллиптичности К, углом ориентации в, параметрами ортогонально-линейного разложения \г\, 8 и параметрами ортогонально-кругового разложения Щ, 30.

Частотные (спектральные) характеристики рассмотрены с позиции сложно поляризованной ЭМВ, у которой годограф вектора напряженности электрического поля описывает сложную фигуру отличную от эллипса. Такая ЭМВ представлена комплексным рядом Фурье

ту дно-частотные

и фазо-частотные (ФЧХ) а (гу) характеристики со

где комплексная составляющая спектра Ап^ находится по формуле

Для такой ЭМВ введено понятие поляризационного спектра, определенного равенством

составляющие спектра поляризационных параметров ортогонального раз-

Спектры геометрических параметров коэффициента эллиптичности К и угла ориентации в имеют соответственно вид:

Полученные зависимости характеризуют поляризационную структуру и поляризационный спектр ЭМВ в зависимости от спектра ее ортогонально поляризационных составляющих. Поскольку процесс НК связан с измерением пространственно-временных характеристик, то информацию о качестве ОК содержат также характеристики и параметры приемо-передающего канала. Поэтому рассмотрены вторичные параметры СВЧ поля такие как комплексный коэффициент отражения Г, коэффициент стоячей волны по напряжению Ксвн, коэффициент бегущей волны Кбв и полное сопротивление в линии 2л. Представлены основные соотношения, связывающие эти параметры, которые используются в дальнейших теоретических исследованиях.

В третьей главе рассмотрена статистическая модель процесса НК ПСМ в средствах, использующих пространственно-временные характеристики СВЧ поля. Исследована при этом возможность использования для контроля качества информативных возможностей матрицы когерентности и параметров Стокса. Найдены статистические характеристики ортогонально поляризованных компонент ЭМВ или принимаемого сигнала и дан анализ их не-

где уп - составляющая поляризационного спектра на и-ой гармонике, |гп |, 8,

п

ложения ЭМВ |г| и <5на /1-ой гармонике.

9.

пользования в средствах дефектоскопии ПСМ. Рассмотрена практическая возможность определения диэлектрической проницаемости £ и проводимости сг ПСМ путем измерения различных параметров поляризации СВЧ поля. Статистическая модель процесса НК ПСМ представлена на Рис.1.

Рис.1 Модель процесса НК для приемного канала

В состав модели входят следующие компоненты:

- пространство полезных сигналов »*?(?)> включающее компоненты сигнала, отраженного от эталонного ОК;

- пространство помех Лг(/), вызванное отклонениями параметров ОК от эталонного;

- пространство суммарных сигналов ^ (/);

- устройство преобразования суммарных сигналов по двум поляриза-ционно-ортогональным компонентам УПС;

- устройства обработки ортогональных компонент (?) и 522(0;

- устройство обработки сигналов УО;

- устройство исходных данных ИД;

- пространство выходных эффектов ПВЭ;

- пространство решений ПР.

Математически суммарный сигнал представляет частично поляризованную ЭМВ, квадратурные составляющие ортогонально поляризованных компонент которой являются случайными величинами, распределенными по

гормональному закону. Найденная совместная плотность вероятности квадратурных составляющих , г2, г3, г4

где т1 - среднее значение составляющей, <71 - ее дисперсия, — корреляционная матрица, является исходным соотношением для получения плотностей вероятностей параметров (огибающих, фаз) ортогонально поляризованных компонент ЭМВ в любом произвольном базисе ее разложения. В соответствии с правилами перехода к новому базису разложения получена совместная плотность вероятности

которая является инвариантной к любому базису разложения ЭМВ. Это обстоятельство является существенным для выбора поляризационного базиса разложения при практической реализации радиоволновых средств НК.

Используя статистическую модель процесса НК найдены соотношения для параметров Стокса частично поляризованной ЭМВ. Они выражаются через элементы матрицы когерентности М, представляющей сумму матриц когерентности для ее детерминированной составляющей Кс и флуктуирующей составляющей 3

В общем виде г-й параметр Стокса представляется следом произведения соответствующей матрицы Паули /7, на матрицу когерентности и определяется по формуле

Он также состоит из детерминированной составляющей, характеризующей эталонный ОК, и флуктуирующей составляющей, характеризующей

(г)-/я,Хг„ ~т„) ,

^^/С,^>(2^Г2(аеи2)-1/2ехр -1(7 - С)/;1 (Г - С) ,

м = кс+У.

Б, = Тг{П:М}, где / = 0,1,2,3.

отклонение ХК этого эталонного ОК. По параметрам Стокса можно рассчитать различные поляризационные параметры ЭМВ.

В качестве вторичного ИП рассмотрено отношение сигнал/помеха.

Сигнал является результатом рассеяния ЭМВ от эталонного ОК, а помеха вызвана аномалией его ХК. Аналитическое соотношение параметра сигнал/помеха для 1-го поляризационно-ортогонального канала (1—1,2) имеет вид:

(С/П), = (Е^Е^)1 ■ уЦ (1 + у1) + (оЦо1)1(1 + у1), где Е- соответственно амплитуды регулярных составляющих сигнала

и помехи, уа = Е? / л/2<тС(, ут = -У2<тш - коэффициенты флуктуаций сигнала и помехи. Анализ приведенного соотношения показывает, что (С/ /7)( зависит от аналогичных отношений регулярных

(С 1 П)^ = (Д? / } и флуктуирующих составляющих (С /П^ = сг* /а2т.

Графические зависимости (С/77)(, найденные по вышеприведенной формуле, позволяют вести количественную оценку ХК исследуемого ПСМ. К числу таких ХК, как указывалось выше, относятся электрофизические параметры е и <т, а также связанные с ними физико-механические ХК, например, влажность и прочность ПСМ. Проведенные теоретические исследования позволили отыскать аналитические соотношения, связывающие £ и <т с поляризационными параметрами ЭМВ и, в частности, с параметрами Стокса. Использование последних в радиоволновом контроле, основанном на рассмотренной статистической модели, позволяет упростить процесс измерения и обработки пространственно-временных характеристик, связанных с поляризацией, и создания технических средств, использующих сложно поляризованные ЭМВ.

В четвертой главе дано теоретическое обоснование метода радиоволнового контроля основанного на измерениях пространственно-временных характеристик СВЧ поля в линии передачи, нагрузкой которой является ОК в

виде ПСМ. Модель физического процесса взаимодействия произвольно поляризованного, в общем случае эллиптически поляризованного СВЧ поля, с ПСМ в линии представлено на рис. 2.

_0_

Рис. 2 Физическая модель взаимодействия электромагнитных волн в линии передачи.

В такой схеме падающая ЭМВ, имеющая в общем случае зависимость от времени I и пройденного расстояния г, представляется комплексным вектором Дд/,2). Она распространяется в направлении, противоположном направлению оси 02. В преобразователе Пр она расщепляется (разделяется) на ортогонально поляризованные компоненты и Епг($,г), направле-

ния движения которых также противоположно направлению оси 02.

Нагрузка линии характеризуется в общем случае комплексным векторным импедансом 2Л составляющие которого в поляризационно-ортогональных каналах также можно характеризовать, соответственно, ком-

плексными векторными импедансами и С учетом обозначе-

ний можем записать:

Ортогонально поляризованные компоненты отраженной ЭМВ Еа (?, г)

представлены на схеме как и Ёо2(1,г). Их направления распро-

странения совпадают с направлением оси ОХ и являются положительными. Значение 2 в точке «О» считается равным нулю.

В результате интерференции ЭМВ Ёпг) и Е0Ц,г) в приемопередающем канале будет иметь место суммарная квазистоячая ЭМВ, которая характеризуется соотношением

£(/, г) = Ёп (/, *)+ Ё0 (/, 2) = Ех (/, г)+ Ё2«, г),

Ех (С, г), Ё2 ({, ¿У - ортогонально поляризованные компоненты ЭМВ.

Комплексные амплитуды ортогонально поляризованных компонент представляются соотношениями

где Г1(2) = |Г|(2)|еж,от и Г2(г) = |Г2(2)|е'"'3<г} - КО в поляризационно-

ортогонапьных каналах.

Последние соотношения устанавливают аналитические зависимости между амплитудно-фазовыми и отражающими характеристиками СВЧ поля. Они позволяют также установить взаимосвязь между поляризационными параметрами и КО в различных базисах разложения ЭМВ. Так для ортогонально линейного разложения поляризация определяется параметром

= {д,2 + 2о,а2|г„|со5р(а2 -а,) + ^]+1г„[2а22}^

где а, = 1 + г^созу^О) + ¡Г,|2,

а2 = 1 + 2|Г21 сое у/2 (г) + |Г212, [Г^кцу, (2)

а, =

1+ Г, соз^,(г)' Г^вту/^)

а2 — ,. ,

1 + |Г2|соз^2(2)

Как видно, /(г) зависит от отражающих свойств ПСМ, расстояния г в приемо-передающем канале и параметра ортогонального разложения падающей ЭМВ гп.

Таким образом, измеряя модули и фазы коэффициентов отражения в поляризационно-ортогональных каналах [Г^, |Г2|, у/х(г), у/2{г) и зная поляризацию падающей волны, можно определять поляризацию отраженной ЭМВ.

Комплексные КО характеризуют деполяризующие свойства ПСМ. Они входят коэффициентом в равенство

г„=Ьгп,

где г0, гп - соответственно параметры ортогонального разложения ЭМВ, р

Б = -г- - коэффициент деполяризации падающей ЭМВ. Зависимость КО от

Ц

расстояния 2 для простоты опущена.

Коэффициент деполяризации является важной поляризационной характеристикой ПСМ. Он свидетельствует о величине изменения параметров поляризации СВЧ поля рассеянного ПСМ.

Обобщенной отражающей характеристикой ПСМ является комплексный вектор отражения Г, который определен, в частности, в линейном базисе разложения ЭМВ как

Г = ёхГх+ёуГу,

где ёх, ёу - единичные орты базиса.

Его составляющие связаны матричным равенством

1X 'п

г„ \Г,

Матричное равенство позволяет связать вектор Г с поляризацией падающей и отраженной ЭМВ и ввести вторичные ИП такие как

Я = — = — - параметр преобразования нуль-вектора, г г„

п о

D„ = ^-,í)0 - коэффициенты трансформации поляризации naje у

дающей и отраженной ЭМВ в поляризационно-ортогональных каналах, а

также модуль

и фазу цг комплексного вектора отражения.

Предложенная модель позволяет найти аналитические зависимости поляризационных параметров рассеянного СВЧ поля и определить его поляризацию по результатам измерения комплексных КО. В частном случае, например, ортогонально-кругового разложения ЭМВ, геометрические параметры определяются по формулам

где ]ГЛ|, |Ги/,| - модули коэффициентов отражения ортогонально-круговых каналах, |4„| - модуль параметра ортогонально-кругового разложения ЭМВ и

где ва - угол ориентации поляризационного эллипса падающей ЭМВ, ц/пр, Ц/л - фазы коэффициентов отражения.

Наиболее полной характеристикой ПСМ в плане ее поляризационных и отражающих свойств является поляризационная матрица рассеяния. Поляризационные характеристики ПСМ полностью определены, если найдены элементы поляризационной матрицы рассеяния.

Для случая рассматриваемой квазистоячей ЭМВ они находятся из рассмотрения линии передачи в виде физической модели представленной на рис. 3.

Рис. 3 Физическая модель линии передачи с учетом поляризационных характеристик ПСМ

Математическая модель, характеризующая процесс интерференции ЭМВ в такой линии, описывается матричным равенством

¿2100 ¿22 (О,

'А

^„(гг) 0 рп1 , О ¿яфЛАа

Л2<?У

Линия передачи в соответствии с моделью представляет собой цепь, в поляризационно-ортогональные каналы которой включены передаточные звенья. Коэффициенты передачи звеньев определяются элементами матриц

о ^

V 0 422 00, '

Поляризационная матрица рассеяния - это набор коэффициентов передачи виртуальной линии передачи, характеризующей процесс рассеяния СВЧ поля на ОК. Матрица передачи - это набор коэффициентов передачи реальной приемо-передающей линии. Элементы поляризационной матрицы рассеяния представляют обобщенные характеристики, зависящие от различных свойств как ПСМ, так и приемо-передающего канала.

Связь их с поляризационными параметрами, КО, характеристиками по-ляризовано-ортогональных каналов КСвн, Кбв находится из решения матричного уравнения при двух различных поляризациях падающей ЭМВ.

В пятой главе рассматриваются вопросы практической реализации радиоволновых средств измерения и обработки пространственно-временных характеристик СВЧ поля в системе НК.

Теоретические расчеты по определению различных характеристик СВЧ поля, проведенные в предыдущей главе, показывают, что средства измерения должын обладать возможностью регистрации амплитудно-фазовых, отражающих и поляризационных характеристик ЭМВ. Они должны отвечать ряду других требований, например, они должны быть защищены от воздействия внешних помех и переотражений ЭМВ, в них должны быть предусмотрены устройства, обеспечивающие идентичные условия при проведении из-

мерений на различных ПСМ. Длина падающей ЭМВ должна быть выбрана, исходя из условия наиболее эффективного ее отражения от ПСМ, т.е. она должна быть соизмерима с геометрическими размерами дефектов в ПСМ.

В рамках настоящей работы были разработаны и практически реализованы измерительные комплексы, работающие как в разнесенном режиме, так и в режиме однопозиционной радиолокации (совмещенном режиме).

Структурная схема измерительного комплекса, работающего в разнесенном режиме, показана на рис. 4. Для передачи (излучения), приема и канализации энергии СВЧ поля в измерителе используются волноводы сечением 23x10.

Рис. 4 Структурная схема измерительного комплекса, реализующего разнесенный прием

1 - СВЧ генератор, 2 - передающая антенна, 3 - исследуемый образец ПСМ, 4 - приемная антенна, 5 - поляризационный разделитель, 6, 7 - Т-мосты, 8,9- приемники ФК2-26, 10 - ЭВМ, 11 - цепи компенсации, 12 - аттенюатор

В качестве СВЧ генератора 1 используется специально разработанный и изготовленный малогабаритный генератор с длиной волны Х=Ъ,2 см, рабо-

24

тающий на диоде Ганна. Его мощность не превышает 50 мВт, а геометрические размеры - 55x30x20 мм. Для питания СВЧ генератора также изготовлен малогабаритный источник питания с размерами 150x90x90 мм.

Передающая антенна 2 представляет рупор для излучения линейно-поляризованной ЭМВ. Приемная антенна 4 также является рупорной с квадратным выходом сечения 18x18 мм. Поляризационный разделитель - это специально выполненный волноводный элемент, представляющий переход с волновода квадратного сечения 18x18 мм на два взаимопер-пендикулярых (ортогональных) волновода сечением 23x10 мм. Поляризационный расщепитель имеет развязку по ортогональным каналам не менее 50 дБ. В качестве сумматоров 6, 7 используются Т-мосты. Измерительная аппаратура 8,9 в виде амплифазометров ФК2-26 подключена к приемным каналам с помощью адаптеров перехода с волновода на коак-сиал, а их выходы через соответствующий интерфейс подключены к ЭВМ. Конфигурация вычислительных средств 10 включает ЭВМ 1ВМ-архитектуры не ниже 1ВМ-486 с монитором и устройством печати. В качестве платы сопряжения амплифазометров 8, 9 и ЭВМ используется специально разработанный интерфейс в стандарте 1ЕЕЕ488. Объектом контроля 3 является керамическая плитка для полов размером 200x200 мм. Измерения велись в дальней зоне на расстоянии Зм от приемной антенны в безэховой камере. Безэховая камера выполнена в виде полусферы радиусом 2 метра В качестве поглощающего покрытия использован материал «Ясень». На нем проверялась возможность выявления качественных отличий плитки радиоволновым методом по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля. Результаты эксперимента представлены на рис. 5.

отраженной от плиток различного качества

На нем изображены три зоны (площади), в которые попали измеренные значения параметров |г0| и 80 для трех типов плитки. Само значение параметра изображено в виде круга определенного диаметра в комплексной плоскости г0 = \га\е15°. Центр круга соответствует значениям \га|, 80, а диаметр -

соответственно

Результаты измерений показывают на возможность

контроля качества на основе геометрической меры. Участки пересекающихся зон параметров свидетельствуют о возможных ошибках в классификации плитки по типу ее брака.

Измерительный комплекс с разнесенным приемом имеет ряд недостатков, основным из которых является работа с жестко выбранной поляризацией падающей ЭМВ и невозможность оперативно измерять элементы поляризационной матрицы рассеяния ПСМ и его отражающие характеристики. Свободным от указанных недостатков является измерительный комплекс с совмещенным приемом, схема которого изображена на рис.6. Этот комплекс

26

имеет совмещенный приемо-передающий тракт с разделением его на поляри-зационно-ортогональные каналы и автоматическим управлением поляризацией падающей ЭМВ. Он обеспечивает измерения амплитудных, фазовых, поляризационных, отражающих электрофизических и других характеристик.

Рис. 6 Функциональная схема однопозиционного измерительного комплекса

1 - генератор СВЧ излучения с источником питания; 2, 3 - ортогональные линейно-поляризованные волноводные каналы; 4 - опорный канал; 5 -скрутка; 6 - аттенюатор; 7 - фазовращатель; 8 - автоматический фазовращатель; 9 - вентиль; 10 - тройник; 11 - поляризационный разделитель; 12 - рупорная приемо-передающая антенна; 13 - приемник ФК2-26; 14 - ЭВМ.

СВЧ элементной базой в ней являются в основном те же устройства, которые использовались в установке с разнесенным приемом представленной

на рис.4. Для управления поляризацией в поляризационно-ортогональные каналы были включены аттенюаторы 6 и фазовращатели 7, 8. Режим поляризации падающей ЭМВ Еп выбирался таким, чтобы можно было измерить элементы поляризационной матрицы рассеяния. В частности при измерениях поляризация выбиралась круговой с изменением направления ее вращения на противоположные.

Для измерительного комплекса была изготовлена специальная приемопередающая антенна, апертура которой соответствует геометрическим размерам (200x200 мм) керамической плитки. Антенна установлена вертикально для удобства размещения керамической плитки в кассете, закрепленной на раскрыве антенны. Тем самым достигается идентичность расстояний и ориентации исследуемых образцов относительно приемо-передающей антенны. Кассета выполнена из радиопрозрачного материала - пенопласта.

Настройка комплекса и определение поляризации Еп проводились с использованием компенсационного метода. Кроме настройки комплекса на определенную поляризацию Еп проводилась также его калибровка. Калибровка была связана с нахождением координат zx и z2 подключения амплифазо-метров в поляризационно-ортогональных каналах. Методика калибровки основана на измерении амплитуд и фаз ЭМВ сначала в режиме холостого хода, а затем в режиме короткого замыкания.

Автоматизированная обработка информации для НК, процесс хранения и визуализации измеряемых параметров, управление работой измерительного комплекса осуществляется ЭВМ. Для связи ЭВМ с приемо-передающей аппаратурой разработан аппаратный и программный интерфейс. Аппаратный интерфейс, как уже упоминалось, выполнен в стандарте IEEE488. Программный интерфейс включает программы «Experiment», «Raschet» и «Stat», которые реализуют определенные функции.

Программа «Experiment» включает набор программных модулей, обеспечивающих информационно-логическую связь амплифазометров ФК2-26 с ЭВМ для вывода на экран монитора значений измеренных, расчетных параметров и формирования текстовых файлов этих параметров.

Основная функция программы «Raschet» - это расчет, визуализация и хранение данных об элементах поляризационной матрицы рассеяния ПСМ, модулях и аргументах комплексных коэффициентов отражения, Kqbh> нормированных сопротивлениях в приемных каналах, пространственно-временных характеристиках суммарной и отраженной ЭМВ.

С помощью программы «Stat» реализуется классификация точек, координаты которых на плоскости соответствуют измеренным и рассчитанным пространственно-временным характеристикам СВЧ поля и их вывод на монитор в виде прямоугольных областей. Она также обеспечивает расчет, визуализацию, хранение, вывод на печать статистических параметров этих характеристик. Разработанный программный интерфейс подтвердил его широкие возможности для измерения, обработки пространственно-временных характеристик СВЧ поля и использования в средствах информационного обеспечения радиоволнового НК.

В шестой главе представлены результаты исследований по созданию ЭС "Радиоконтроль" в составе радиоволнового комплекса НК.

Согласно классификации ЭС, принятой в литературе, «Радиоконтроль» относится к категории ЭС, решающих задачи интерпретации - анализа данных с целью определения их смысла.

Алгоритм работы ЭС включает в себя три этапа:

1. Этап обучения или получения знаний о ПСМ с известными дефектами.

2. Этап автоматического определения пространственно-временных характеристик СВЧ поля рассеянного контролируемым ПСМ.

3. Этап принятия решений и классификации ПСМ.

На этапе 1 ПСМ классифицируются любым известным способом, например, визуально на группы (:' = 1,2,... /V) с идентичными ХК. Для каждой /-ой группы ПСМ измеряется набор Х^Ц — 1,2,3,.../и) пространственно-временных характеристик в виде их параметров и формируется база знаний (БЗ), состоящая из совокупности измеренных параметров отнесенных к

соответствующей группе ПСМ {X,, / 5, .

Этап 2 реализует измерение аналогичных параметров Хы для контролируемого ПСМ и формирование для него базы данных (БД) в виде набора {Х01 / 80}"=1.

На этапе 3 в соответствии с выбранным критерием принимается решение о принадлежности 5"0 к одному из классов 5,.

В качестве входной информации в ЭС "Радиоконтроль" можно использовать амплитудные, фазовые, частотные, поляризационные, отражающие, электрофизические и т.п. параметры. Из набора этих параметров для построения ЭС выбрана поляризационная матрица рассеяния контролируемого ПСМ.

В зависимости от положения ПСМ в пространстве его поляризационная матрица рассеяния будет изменяться. Это свидетельствует о том, что элементы этой матрицы неинвариантны для различных ориентации ПСМ в пространстве. Для получения инвариантных информативных ИП необходимо измерить поляризационную матрицу рассеяния в четырех положениях, полученных путем поворота ПСМ или объекта контроля (ОК) на угол, кратный л/2, как показано на рис.7.

Рис. 7 Ориентация ОК относительно апертуры А приемо-передающей антенны

Комбинации, составленные из элементов этих 4-х поляризационных матриц рассеяния 5(1),5(2),5(3),5'(4\ являются ИП, инвариантными относительно поворота ОК и определяются соотношениями

где к = 1,4, у = 1,8 _ модули и аргументы элементов матриц рассеяния ^(1) ^(2) ^(3) ^(4). перВЫе четЫре значения индекса/ относятся к модулям указанных матриц, а остальные четыре - к их аргументам;

Р\|у - ИП, представляющие средние по четырем матрицам значения соответствующих элементов матриц рассеяния;

Рг] - ИП, определяющие степень несимметричности дефектов ОК при

я:

повороте его на угол ~;

Ру - ИП, определяющие степень несимметричности дефектов при повороте ОК на угол к.

Таким образом, каждому ОК ставится в соответствие двадцать четыре

ип 0=О).

Аналогично для каждой рассмотренной в диссертации пространственно-временной характеристики СВЧ поля можно составить группу из 24-х инвариантных ИП. Общее же количество таких ИП, которые можно использовать в ЭС "Радиоконтроль", равно 192.

Эффективность использования инвариантных ИП и работы всего комплекса НК ПСМ проверялась при контроле качества керамической плитки для пола.

Керамическая плитка в зависимости от наличия дефекта в ней делится на три группы:

- с дефектом типа "Скол",

- с дефектом типа "Трещина",

- с дефектом типа "Деформация", которые являются браком. Тип дефекта при обучении ЭС определяется визуально, а качество каждой группы оценивается двумя ХК. К ним относятся размер дефекта "а" и величина его отклонения от осевой линии плитки "Ь". Плитка не бракованная, т.е. эталонная имеет нулевые ХК, т.е. а = Ь = 0.

Связь между ИП и ХК устанавливается в соответствии со следующей моделью.

Пусть Р0 - один из двадцати четырех ИП эталонного ОК. Если ОК имеет какой-либо дефект, то для него этот параметр

Р = Р0+АР

Знак и величина АР зависят от значений введенных ХК. Здесь и в дальнейшем индекс, определяющий номер ИП, опущен.

На этапе обучения (прямая задача) ЭС устанавливаются функциональные связи между ИП плиток и их ХК. Эта связь для каждого ИП ищется в виде полинома я-й степени, называемого добавочной функцией.

Для принятых в нашем случае двух ХК полином имеет вид:

Неизвестные коэффициенты полиномов Су рассчитываются методом полиномиальной регрессии. При этом найденным значениям с,у для каждого ОК ставятся в соответствие измеренные ИП и ХК хранящиеся в БЗ ЭС. Таким образом осуществляется обучение ЭС.

Для оценки качества аппроксимаций при расчете коэффициентов полиномов также рассчитываются средние значения ИП / где к = 0, 3 - индекс, соответствующий номеру класса качества (0 - «эталон», 1 - «скол», 2 -«трещина», 3 - «деформация»); их среднеквадратические отклонения остаточная дисперсия (погрешность аппроксимации) и Р-критерий Фишера, показывающий во сколько раз найденная зависимость лучше «предсказывает» значение ХК, чем простое среднее.

Используя средние значения ИП и их среднеквадратические отклонения Б к, в 24-мерном гиперпространстве ИП строятся области, соответствующие классам качества объектов. Область максимальной размерности представляет 24-мерный гиперпараллелепипед, каждая сторона которого есть

отрезок -гБк,Рк + ], Где коэффициент 2 зависит от закона распределения вероятностей значений ИП. Для нормального закона распределения

Информация, полученная при обучении ЭС и хранящаяся в БЗ, позволя-

1=0

г = 1,73.

ет решить три варианта обратной задачи.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

БИБЛИОТЕКА | С.Пет«|*)фГ • О» М» «жт '

Вариант 1. «Брак-норма». В задаче определяется, является ОК качественным или бракованным.

Для этого каждый измеренный ИП Р, где / - номер ОК и к - номер ИП, сравнивается с соответствующим эталонным значением Р0. Если Р,к попадает в эталонный интервал [/*0 - , Р0 то по данному ИП выносится решение «норма», если нет, то решение «брак».

Если количество ИП, выдавших «брак», превышает некоторый порог, то ОК относится к категории «брак». В противном случае - «норма». Порог определяется в процессе обучения.

Вариант 2. «Определение типа дефекта». При решении этой задачи определяется тип дефекта (класс качества) ОК.

В этом случае каждый ИП Р1к сравнивается с соответствующими средними значениями ИП всех типов дефектов Рк. При попадании значения Р:к в какой-либо интервал [Рк —с1к,Рк + с1к], где с4 = гБ^ по данному ИП выносится решение о принадлежности его к соответствующему типу дефекта. При попадании Рл в несколько интервалов (если интервалы пересекаются) проверяется, к центру какого интервала он ближе. Этот интервал принимается во внимание, остальные игнорируются. Если же Р1к не попал ни в один из интервалов - никакого решения по данному ИП не выносится.

После проверки всех ИП подсчитывается, какое решение выносилось наибольшее количество раз. Это решение и является окончательным для данного объекта.

Вариант 3. «Расчет ХК». Требуется определить значения ХК для ОК с известным типом дефекта.

Значения ХК а\ и находятся из решения 24-х уравнений второй степе-

п П~1

ни вида ~~ Р - 0, где Р - известный ИП, Су - известные коэффи-

1=0 )=й

циенты полинома. Для нахождения ХК достаточно двух уравнений. Используя различные пары уравнений, можно найти С22А = 276 различных решений.

Решение систем нелинейных уравнений осуществляется методом Нью-тона-Рафсона. Этот метод требует задания вектора начальных приближений ХК (а10, <220). Начальные значения ХК задаются случайным образом из интервалов допустимых значений, определенных для каждой ХК.

Если при решении системы уравнений результат получается неприемлемым, т. е. не попадает в область допустимых значений или расходится, производится другая попытка решить систему уравнений с другим вектором начальных приближений. И так до тех пор, пока приемлемое решение не будет найдено или до достижения определенного числа попыток (на практике использовалось 50 попыток).

По совокупности приемлемых решений строятся гистограммы распределения значений каждой ХК, ищутся средние ХК и их среднеквадратиче-ские отклонения. Серединное значение самого высокого столбца гистограммы является искомым значением ХК.

Для принятия решения в любом из описанных выше вариантов обратной задачи ЭС можно использовать не все двадцать четыре ИП, а некоторую их часть или набор. Набор ИП может быть произвольным, а процедуры принятия решений не меняются.

Для этого случая введено понятие эффективности набора ИП. Эффективность набора ИП - это процент правильных решений, принятых ЭС с использованием данного набора ИП. Набор, имеющий максимальный процент правильных решений, обладает максимально возможной эффективностью. В ЭС имеется процедура оптимизации ИП, которая позволяет найти и использовать набор ИП, имеющий максимальную эффективность.

Процедура оптимизации ИП существенно повышает возможности ЭС при решении рассмотренных задач. Структура ЭС "Радиоконтроль" представлена на рис.8.

Рис. 8 Структура экспертной системы «Радиоконтроль»

Она содержит два функционально связанных блока "Радио" и "Контроль". Блок "Радио" обеспечивает ввод в ЭС данных измерений пространственно-временных характеристик, пересчет их в элементы матриц рассеяния g(i) ^(2) ^(3) £(4) и инвариантные ИП. Блок «Контроль» решает две главные задачи: прямую задачу по обучению ЭС и обратную - принятие решения о качестве ОК.

Программная реализация ЭС «Радиоконтроль» осуществлена в среде объектно-ориентированного программирования Delphi 5.0 (доработана в Delphi 6.0 и 7.0) и состоит из исполняемого модуля и БЗ.

Седьмая глава посвящена экспериментальным исследованиям качества метлахской керамической плитки на радиоволновом измерительном комплексе с использованием ЭС "Радиоконтроль". Эксперимент проводился на однопозиционном комплексе с совмещенным приемом и передачей, изображенном на рис.6. Такой комплекс позволял реализовывать рассмотренную математическую модель, описывающую явление распространения ЭМВ в длинной линии, нагруженной на ОК.

В качестве исследуемого ОК использовалась ранее указанная метлахская керамическая плитка для пола.

Перед проведением испытаний образцы керамической плитки визуально, как это делается на производстве, были разделены на четыре группы. Первую группу составили плитки эталонные, ХК которых обозначены как At. Три других группы с ХК соответственно Sk, Тг и Df представляли бракованную продукцию с дефектами типа «Скол», «Трещина» и «Деформация».

Эксперимент проводился в три этапа. Этапы включали в себя испытания «March 02», «June 02» и заключительные испытания по определению бракованной плитки, типа брака и значений ХК.

В эксперименте «March 02» использовались линейные, а в эксперименте «June 02» - ортогонально-круговые поляризации падающей ЭМВ. В каждом эксперименте измерялись амплтудно-фазовые характеристики квазистоячего СВЧ поля, которое по соответствующим программам "Raschet" и "Stat" пере-считывались в необходимые для ЭС характеристики и их параметры. Результаты этих испытаний использовались для обучения ЭС и создания необходимой БЗ. Полученные при обучении коэффициенты добавочных функций соответствуют полиному второй степени, описывающему связь ИП и ХК.

Вообще, степень такого полинома может быть любой. В частности, в работе были также рассмотрены добавочные функции в виде полиномов первой и третьей степеней. Однако, они дали худшие результаты. Первые - из-за низкой точности аппроксимации; вторые - из-за излишнего приближения поверхностей добавочных функций к обрабатываемым точкам.

В процессе обучения ЭС найден порог принятия решения в задаче "Брак - Норма", который составил 33,3%. Он означает, что если не менее 8-и ИП из 24-х выдали решение "Брак", то ОК считается бракованным.

Естественно, что порог принятия решения (о браке) можно варьировать в зависимости от того, насколько важно отбраковывать только эталонную плитку.

С помощью программы «Оптимизация ИП» для указанного порога принятия решения найдены наиболее эффективные совокупности ИП. Оказалось, что в совокупности 24-х ИП имеются наборы с количеством ИП от двух до пятнадцати, при которых достигается максимальное качество работы ЭС, т.е. эффективность набора ИП равна 100%.

Аналогично, используя обучающее множество ОК, были найдены лучшие (с максимальной эффективностью) наборы ИП для любого их количества от 1 до 24 в задаче "Определение типа дефекта". В этом случае максимальное качество работы ЭС достигается при использовании набора из десяти ИП. Эффективность лучшего из таких наборов (эффективность ЭС) составила 94%.

Таким образом, после обучения ЭС, оптимизации ИП и выбора правил принятия решений эффективность ЭС составила: при решении задачи годности изделия ("брак-норма") - 100%, определения типа дефекта изделия -94%. При определения ХК изделий понятие эффективности отсутствует. Однако, оценка погрешности расчетов ХК позволяет говорить об удовлетворительной точности решения этой задачи.

Экспериментально проверена возможность контроля качества ПСМ по результатам измерения КО в поляризационно-ортогональных каналах измерительного комплекса. Результаты эксперимента показали, что эффективность работы ЭС не хуже, чем при измерениях амплитудно-фазовых характеристик, но при этом существует возможность ее повышения за счет выбора поляризации падающей ЭМВ.

Приложения включают листинг программы "EXPERIMENT", листинг программы "RASCHET", листинг программы "STAT", листинг программы ЭС "Радиоконтроль", листинг программы "Оптимизация ИП", интерфейс ЭС "Радиоконтроль", результаты экспериментальных исследований и акты внедрения результатов работы.

Основные результаты работы

1. Разработана и теоретически обоснована статистическая модель процесса обработки частично поляризованного сигнала в средствах неразру-шающего контроля строительных материалов, являющаяся результатом взаимодействия произвольно поляризованного СВЧ поля с объектом контроля. Рассмотрена возможность использования в качестве информативных параметров элементов матрицы когерентности и параметров Стокса, представляющих сумму их регулярных и флуктуирующих составляющих.

2. Предложен и обоснован вариант физической реализации средств измерения характеристик частично поляризованного сигнала и информационного обеспечения неразрушающего контроля в виде двухканальной поляризационно-фазовой системы, использующей для идентификации характеристик качества объекта контроля полученные информативные параметры, представляющие отношение сигнал / помеха. Рассмотрена возможность измерения с помощью системы и набора параметров Стокса электрофизических характеристик плиточных строительных материалов.

3. Разработаны теоретические основы метода неразрушающего контроля по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, базирующегося на явлении интерференции СВЧ полей в линии передачи, нагрузкой которой является исследуемый плиточный строительный материал.

4. Получены аналитические соотношения, устанавливающие математические зависимости между амплитудно-фазовыми, поляризационными, отражающими пространственно-временными характеристиками СВЧ поля, характеристиками линии передачи, деполяризующими характеристиками объекта контроля, играющие важную роль при выборе ком-

плекса информативных параметров для технической реализации средств неразрушающего контроля.

5. Разработаны, практически реализованы и апробированы радиоволновые измерительные комплексы, работающие в разнесенном и совмещенном режимах для измерения и автоматической обработки амплитудно-фазовых, поляризационных, отражающих характеристик, элементов поляризационной матрицы рассеяния контролируемого плиточного строительного материала. Созданы и испытаны программно-аппаратные средства для связи, обработки и хранения результатов измерения на ЭВМ.

6. Предложен алгоритм информационного обеспечения метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, включающий этапы обучения, измерения характеристик СВЧ поля, рассеянного контролируемым материалом, и принятия решения в задачах контроля его характеристик. Для реализации указанного алгоритма впервые в теории и практике контроля строительных материалов рекомендовано использовать экспертную систему, информация в которой формируется в виде набора инвариантных информативных параметров, определяемых введенными в работе соотношениями.

7. Разработана структура экспертной системы "Радиоконтроль", которая решает прямую задачу обучения экспертной системы и формирования базы знаний и обратную задачу принятия решения о контролируемом плиточном строительном материале.

8. Рассмотрена и реализована математическая модель обучения экспертной системы и представления информации определенным набором информативных параметров в соответствующем гиперпространстве этих параметров. Разработаны и введены оригинальные алгоритмы принятия решения в задачах по выявлению бракованных плиточных строи-

I

*

I

тельных материалов, определению типа брака и нахождению числен-

<

ных значении характеристик качества исследуемого материала.

9. Разработаны алгоритмы выбора и формирования эффективных наборов инвариантных информативных параметров в задачах по определению брака и его типа, позволяющие из совокупного множества параметров формировать наборы с наибольшей эффективностью в смысле правильного принятия решения в соответствующей задаче. Набор с максимальной эффективностью определяет эффективность или качество работы экспертной системы и, в целом, рекомендуемого метода.

10. Проведены экспериментальные исследования. Отработаны методики настройки и калибровки измерительных комплексов, проверена работа программных средств по обработке результатов измерений, работе пользовательского интерфейса на натурных образцах плиточного строительного материала в виде метлахской керамической плитки для пола.

11. Экспериментально проверена эффективность работы измерительного комплекса совместно с экспертной системой по неразрушающему контролю керамической плитки. Исследования показали высокую эффективность метода и средств контроля в задаче выявления брака на уровне 100%, в задаче определения типа брака на уровне 94% и в задаче нахождения численных значений характеристик качестве в пределах допустимых точностей.

12. Рассчитана эффективность метода и средств неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по результатам измерения комплексных коэффициентов отражения в поляризационно-ортогональных каналах измерительного комплекса, которая показала, что за счет выбора оптимальной поляризации излученного поля можно повышать эффективность средств контроля.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Авдеев В.П. Неразрушающий экспресс - контроль качества строительных материалов радиоволновым методом // Изв. вузов. - Строительство.

- 1996.-с. 75-78.

2. Авдеев В.П. Проверка возможности радиоволнового поляризационного метода контроля качества строительных материалов / В.П. Авдеев, Н.И. Бойко // Строительные материалы. - 1993. - № 4. - с. 20 - 21. Лично выполнено 1 стр.

3. Авдеев В.П. Определение диэлектрической проницаемости строительных материалов в радиоволновом измерителе с антеннами круговой поляризации / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Известия вузов. Строительство. - 2000. - №1. - с.106-108. Лично выполнено 2 стр.

4. Авдеев В.П. Исследование качества керамической плитки радиоволновым методом / В.П.Авдеев, A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Строит, материалы. - 2000. - №8. - с. 38-40. Лично выполнено 1,5 стр.

5. Авдеев В.П. и др. Информационные технологии XXI века: методы, модели, средства контроля и технологии в задачах строительства и обучения / Под общ. ред A.M. Болдырева, ВГАСУ - Воронеж, 2002. - 164с. Лично выполнено 28 стр.

6 Авдеев В.П. Измерение элементов матрицы рассеяния для радиоволнового контроля качества строительных материалов и изделий / В.П.Авдеев, A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Измерительная техника. -2001. - №3. - с.65-68. Лично выполнено 2 стр.

7. Авдеев В.П. Определение электрических параметров строительных материалов в радиоволновом измерителе с антеннами эллиптической поляризации / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Строительные материалы. - 1999.

- №6. - с. 19-20. Лично выполнено 1 стр.

8. Авдеев В.П. Анализ статистической структуры частично поляризованных волн в задаче определения качества строительной продукции / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Изв. вузов. - Строительство. - 1999. - № 12. - с. 100 - 102. Лично выполнено 2 стр.

9. Авдеев В.П. Использование статистических характеристик двумерных зондирующих сигналов в дефектоскопии строительных материалов / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Информационная среда вуза - Сборник статей Международной конференции. - Вып. 8. - Иваново. - 2001. - с. 89 -91. Лично выполнено 1,5 стр.

10. Авдеев В.П. Определение электрических параметров строительных материалов в радиоволновом измерителе с антеннами электрической поляризации / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Известия вузов. Строительство. -2002. - №4. - с.137. Лично выполнено 0,5 стр.

11. Авдеев В.П. Измерительный комплекс для определения качества строительных материалов и изделий / В.П. Авдеев, Н.И. Бойко // Труды II Междунар. научно-техн. конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природн. среды, материалов и промыт. изделий». - Черепеповец. - 1997. с. 98-101. Лично выполнено 2,5 стр.

12. Авдеев В.П. Статистические характеристики поляризационно - ортогональных компонент сигналов с вращающейся поляризацией в дефектоскопии строительных материалов и изделий / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Изв. вузов. - Строительство. - 1999. - № 2-3. - с. 76-81. Лично выполнено 1 стр.

13. Авдеев В.П. Статистическая модель определения свойств строительных материалов на основе анализа пространственных эффектов электромагнитных волн / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Современные проблемы строительного материаловедения. Материалы пятых академических чтений РААСН. - Воронеж. - 1999. - с. 13-15. Лично выполнено 2 стр.

14. Авдеев В.П. Статистические характеристики поляризационно-ортогоиальных компонент двумерных сигналов в задачах дистанционного контроля качества строительных материалов и изделий / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Материалы международной научно-технической конференции. Интерстроймех - 98. - Воронеж, 1998. - с. 34 - 36. Лично выполнено 1,5 стр.

15. Авдеев В.П. Информационные возможности контроля качества строительной продукции на основе анализа пространственных эффектов электромагнитных волн / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // VI Международная научно-техническая конференция «Информационная среда вуза». Сб. статей. - Иваново. - 1999 с.74-75. Лично выполнено 1,5 стр.

16. Авдеев В.П. Об использовании поляризационных эффектов для нераз-рушающего контроля в стройиндустрии / В.П.Авдеев, Ф.Ф.Имамов // Тезисы докл. Всесоюзн. научн.-техн. конференц. «Применение радиоэлектроники, автомат, и выч. техн. в строительном произ-ве». - Москва. - 1983.

17. Авдеев В.П. Об измерениях элементов матрицы рассеяния для радиоволнового контроля качества строительных материалов / В.П.Авдеев,

A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Сборн. статей VII Междун. научн.-техн. конференц. «Информационная среда вуза». - Иваново. - 2000. -вып.7. -с.113-116. Лично выполнено 2 стр.

18. Авдеев В.П. Об использовании поляризационных характеристик для не-разрушающего контроля качества строительных материалов в АСУ ТП // Тезисы доклада Всесоюзн. семинар «Развитие АСУ и автоматизация производственных процессов». - Москва, 1984.

19. Авдеев В.П. Неразрушающий контроль дефектов керамической плитки по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля /

B.П.Авдеев, A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Сборн. трудов Междун. научн.-техн. конф. «Приборостроение-2004» - ч.2. - Винница-Ялта. -2004. -с.329-331. Лично выполнено 1,5 стр.

20. Авдеев В.П. Информационная система для неразрушающего экспресс-контроля строительных материалов и изделий / Современные проблемы строит, материаловед. Материалы VI академических чтений РААСН. -Иваново. - 2000. - с. 17-20.

21. Авдеев В.П. О возможности контроля одежд автомобильных дорог путем радиолокационного зондирования СШП импульсными сигналами / В.П. Авдеев, И.В. Гончаров, А.Т. Маюнов, О.Э. Шкарупо // Материалы VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий». - Череповец - Россия. -1997. - с.93-95. Лично выполнено 1 стр.

22. Авдеев В.П. О возможной модели экспертной системы для неразрушающего контроля качества строительных материалов и изделий / В.П. Авдеев, A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Труды II Междунар. научн.-практ. конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении». - СПбГТУ. - Санкт-Петербург. - 2000. - с.29-32. Лично выполнено 2 стр.

23. Авдеев В.П. Автоматический радиоволновый контроль качества строительной продукции средствами экспертной системы / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов // Сборн. трудов Междун. научн.-техн. конф. «Приборостроение-2004» - ч.2. - Винница-Ялта. - 2004. - с.336-339. Лично выполнено 2 стр.

24. Авдеев В.П. Определение некоторых характеристик прочности промышленных и строительных материалов и изделий по поляризационной структуре отраженных сигналов / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов // Труды II Межд. научн.-техн. конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и про-мышл. изделий». - Череповец. - 1997. - с.101-103. Лично выполнено 2 стр.

25. Авдеев В.П. Использование векторных характеристик СВЧ поля для не-разрушающего контроля керамической плитки / Библиогр. указатель де-пон. рукоп. - М.: ВНИИС Госстроя СССР. - 1986. - вып.1.

26. Авдеев В.П. Расчет отражающих и поляризационных характеристик строительных материалов и изделий для контроля их качества / Сборн. статей VII Междун. научн.-техн. конференц. «Информационная среда вуза». - Иваново. - 2000. - с. 108-113.

27. Авдеев В.П. Алгоритм сортировки строительной керамики по векторным характеристикам СВЧ поля / Библиогр. указат. депонир. рукоп. -М.: ВНИИС Госстроя СССР. - 1986. - вып.1.

28. Авдеев В.П. Модель построения экспертной системы для контроля качества керамической плитки / В.П.Авдеев, A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Сборн. статей VII Междун. научн.-техн. конференц. «Информационная среда вуза». - Иваново. - 2000. -вып.7. - с.104-108. Лично выполнено 3 стр.

29. Авдеев В.П. Правила принятия решения в экспертной системе «Радиоконтроль» / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов //Труды Между-нар. научн.-практ. конф. «Теория активных систем». - ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН. - Москва. - 2001. - т. 1. - с. 71 -72. Лично выполнено 1,5 стр.

30. Авдеев В.П. Структура и правила принятия решения в экспертной системе «Радиоконтроль» / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов // Сборн. трудов Междун. научн.-техн. конф. «Приборостроение-2004» -ч.2. - Винница-Ялта. - 2004. - с.332-335. Лично выполнено 2 стр.

31. Авдеев В.П. Экспертная система «Радиоконтроль» / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов. - М.: ВНТИЦ, - 2002, № 50200200079. Лично выполнены алгоритмы 3-х задач.

32. Авдеев В.П. Экспертная система «Радиоконтроль» / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2002, №6.

http://www.informika.ru/text/magaz/innovat/n6 2002.html Лично выполнено 20% объема программ.

33. Авдеев В.П. Экспертная система для неразрушающего контроля качества строительных материалов и изделий / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов // Труды Междунар. научн.-практ. конф. «Теория активных систем». - ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН. - Москва. - 2001. -т.1. - с.72-73. Лично выполнено 1 стр.

34. Авдеев В.П. Оптимизация информационных параметров экспертных систем / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов. - М.: ВНТИЦ, 2002 - № 50200200398. Лично выполнен алгоритм.

35. Авдеев В.П. Оптимизация информационных параметров экспертных систем / В.П. Авдеев, Д.В. Меркулов, A.B. Распопов // Компьютерные учебные программы и инновации. - 2003, №3. http://www.informika.ru/text/magaz/innovat/n3 2003.html

Лично выполнено 30% объема программ.

36. Авдеев В.П. Возможности использования длинных линий для контроля качества строительных материалов / В.П. Авдеев, A.B. Распопов, Д.В. Меркулов // Сборн. статей VII Междун. научн.-техн. конференц. «Информационная среда вуза». - Иваново. - 2000. - с. 100-104. Лично выполнено 3 стр.

37. A.c. 1107075 A G01 R 29/08. Устройство для амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля / В.П. Авдеев, Б.И. Киселев, Б.И. Дьяков. - №3290645/18-09. Заявлено 12.05.81. Опублик. 07.08.84. Бюл. № 29.

38. Авдеев В.П. Контроль качества строительных материалов и изделий по их отражающим характеристикам. // Известия Орел ГТУ. Серия "Машиностроение. Приборостроение". - 2005. - №2 - с. 3-7.

39. Авдеев В.П. Статистическая модель процесса неразрушающего контроля плиточных строительных материалов. // Известия Орел ГТУ. Серия "Машиностроение. Приборостроение". - 2005. - №3 - с. 3-6.

Подписано в печатъ13.12.05. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.-изд.л. 2,9. Усл-печ.л. 3,0. Тираж 100 экз. Заказ № 645.

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. 394006, ул. 20-летия Октября 84.

A¿>6 -206

Введение.

1. Обзор методов и средств радиоволнового неразрушающего контроля плиточных строительных материалов. 1.1. Радиоволновые СВЧ методы, основанные на измерениях амплитудно-фазовых характеристик СВЧ поля.

1.2. Радиоволновые методы, основанные на измерениях частотных (спектральных) характеристик СВЧ поля и отражающих характеристик объекта контроля.

1.3. Радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля по поляризационным характеристикам СВЧ поля.

1.4. Математический аппарат и программное обеспечение задач радиоволнового неразрушающего контроля

Выводы.

2. Пространственно-временные характеристики СВЧ поля для неразрушающего контроля плиточных строительных материалов.

2.1. Амплитудно-фазовые характеристики СВЧ поля.

2.2. Поляризационные характеристики СВЧ поля.

Д 2.3. Частотные характеристики СВЧ поля.

2.4. Пространственно-временные характеристики СВЧ поля в линиях передачи.

Выводы.

3. Поляризационные эффекты при взаимодействии СВЧ поля с исследуемым плиточным и строительным материалом в системе неразрушающего контроля.

3.1. Статистическая модель процесса неразрушающего контроля в средствах, использующих пространственно-временные характери-^ стики СВЧ поля.

3.2. Математическое представление частично поляризованных радиоволн.

3.3. Матрица когерентности, параметры Стокса и степень поляризации частично поляризованных радиоволн. 3.4. Использование частично поляризованных радиоволн в средствах неразрушающего контроля плиточных строительных материалов.

3.5. Статистические характеристики ортогонально поляризованных компонент сигналов с вращающейся поляризацией в дефектоскопии плиточных строительных материалов.

3.6. Определение диэлектрических свойств плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.

Выводы.

4. Теоретические основы метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, измеренным в линии передачи.

4.1. Модель взаимодействия СВЧ поля с объектом контроля в линии передачи.

4.2. Отражающие характеристики плиточных строительных материалов, измеренные в линии передачи. ф 4.3. Поляризационные характеристики СВЧ поля в линии передачи, нагруженной на плиточный строительный материал.

4.4. Поляризационная матрица рассеяния объекта контроля, измеренная в линии передачи.

Выводы.

5. Практическая реализация радиоволнового метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственноф временным характеристикам СВЧ поля.

5.1. Энергетический расчет измерительного комплекса.

5.2. Измерительный комплекс с разнесенным приемом и передачей.

5.3. Измерительный комплекс с совмещенным приемом и передачей.

5.4. Программные средства автоматизированной обработки информации и управления измерительным комплексом.

Ф Выводы.

6. Информационная система для неразрушающего контроля плиточных строительных материалов.

6.1. Алгоритм работы информационной системы. ф 6.2. Модель процесса обучения и принятия решений в экспертной системе «Радиоконтроль».

6.3. Программная реализация экспертной системы «Радиоконтроль». 6.4. Интерфейс экспертной системы «Радиоконтроль».

6.5. Страницы интерфейса, предназначенные для обучения экспертной системы «Радиоконтроль».

6.6. Страницы интерфейса, предназначенные для принятия решений.

6.7. Дополнительные страницы интерфейса.

Выводы.

7. Экспериментальные исследования по неразрушающему контролю плиточных строительных материалов.

7.1. Методика проведения экспериментальных исследований. ф 7.2. Результаты эксперимента по решению задачи «Брак-норма».

7.3. Результаты эксперимента по решению задачи «Определение типа дефекта».

7.4. Результаты эксперимента при решении задачи «Расчет характеристик качества».

7.5. Эффективность неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по результатам измерения коэффициентов отражения.

Выводы.

Основные результаты работы и выводы.

Развитие любого производства, в том числе и производства плиточных строительных материалов (ПСМ), неразрывно связано с проблемой контроля различных свойств или характеристик качества (ХК) выпускаемой продукции. Совокупность ХК, определяющих пригодность материала для использования по назначению, является, в конечном итоге, его качеством.

В проблеме обеспечения высокого и стабильного качества ПСМ важную роль занимает неразрушающий контроль (НК). В обширном труде по неразру-шающему контролю /1/ рассмотрены существующие на сегодня разнообразные методы и технические средства, позволяющие решать вопросы контроля различных материалов и изделий. Отдельные из этих методов и средств НК находят широкое применение на предприятиях стройиндустрии для определения физико-механических свойств ПСМ.

Основные из направлений использования НК на предприятиях стройиндустрии связаны с производством бетонных и железобетонных изделий, производством стекла и керамических изделий, изделий из диэлектрических материалов, древесины, минеральных вяжущих материалов, органических вяжущих материалов, кровельных материалов и т.п. Приборная база НК указанных материалов основана на использовании физических эффектов взаимодействия полей различной природы с контролируемым объектом. Наибольшее применение при этом получили акустические, радиационные, магнитные, оптические, электромагнитные, и другие методы НК.

Радиоволновые методы используются для указанных целей в меньшей степени. Среди них наиболее разработаны методы определения геометрических размеров, диэлектрической проницаемости и тангенса потерь, влажности отдельных материалов. Измерения указанных параметров ведутся радиоволновыми средствами в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) электромагнитного излучения.

Электромагнитное СВЧ излучение - это движущееся электромагнитное поле или электромагнитная волна (ЭМВ) с длиной в диапазоне от Я = 1 мм до Я = 100 см. Создание СВЧ полей и освоение радиоволн этого диапазона, начатое в 30-х годах XX столетия, связано с разработкой радиолокационной техники для военных нужд. Начало системных научных исследований в области радиоволнового НК и создания на их базе соответствующих технических средств в России и за рубежом относится к началу 50-х годов. За сравнительно короткий промежуток времени развитие радиоволнового СВЧ контроля прошло путь от создания простейших приборов амплитудно-фазового контроля до построения комплексных систем, использующих современные компьютерные средства и технологии.

Большой вклад в развитие методов НК, создание техники СВЧ внесли отечественные научные школы в гг. Москве, Санкт-Петербурге, Томске, Нижнем Новгороде и др. Огромное значение имели разработки научных коллективов под руководством академиков А.И. Берга и Н.Д. Девяткова в области создания средств получения и генерации СВЧ полей, приема и обработки СВЧ сигналов элементной базы СВЧ. Трудами ученых Ленинградского электротехнического института им. В.И. Ленина (Ульянова) под руководством проф. К.И. Крылова и проф. В.Н. Рудакова впервые начаты исследования в области радиоинтраско-пии. Трудами этой же школы предложены и исследованы радиополяризационные методы контроля диэлектрических материалов. Дальнейшие общетеоретические задачи и практические приложения радиоволновой поляриметрии успешно решались многими московскими и ленинградскими учеными, руководимыми профессорами А.И. Козловым и В.А. Потехиным. Учеными НИИ Интра-скопии В.А. Павельевым, В.И. Матвеевым, Э.И. Вайнбергом, В.А. Вайнбергом, В.М. Кузнецовым, В.П. Козловым, В.П. Рутковским, Ю.М. Тучниным, Ю.Н. Крючковым и др. разработаны методы и созданы технические средства многоэлементной радиоинтроскопии и структуроскопии.

Большой вклад в развитие теории и техники для СВЧ НК внесли ученые из различных научных школ России, в числе которых профессоры П.К. Ощепков, B.C. Семенов, Ф.И. Коломийцев, В.А. Конев, А.И. Лебедев, А.А. Брандт, А.И. Потапов, Л.Г. Дубицкий, Д.А. Усанов, М.А. Берлинер, О.О. Дробахин, М.Г. Александрова, В.А. Викторов, А.С. Совлуков, Б.В. Лункин, В.П. Ковалев и многие другие.

Успешному развитию радиоволновых методов НК и внедрению на их базе приборов СВЧ контроля способствовали работы, выполненные зарубежными учеными. Так, в США впервые в мире стали использовать методы неразрушающего контроля для сортировки деталей. После 2-й Мировой войны на ежегодных симпозиумах проблемы надежности и качества продукции производств становятся определяющими. Вместе с ними определяющей становится проблема создания надежных средств НК.

В ФРГ с 50-х годов прошлого столетия начались работы по использованию волн СВЧ диапазона (микроволн) для контроля и дефектоскопии в керамическом производстве, в производстве огнеупорных изделий, для определения плотности бетонных изделий. Ученые Болгарии ведут исследования по комплексному решению проблем НК на базе интеллектуальных компьютерных технологий. Продолжают работы известные научные школы в странах ближнего зарубежья, бывших союзных республиках Белоруссии, Украине и Латвии.

История развития научных исследований в области неразрушающего контроля показывает, что в «ранние годы» методам СВЧ контроля отводилась второстепенная роль. Так в /2/, в разделе «Будущее радиотехнических СВЧ-методов» сказано: «.радиотехнические методы нельзя поставить по значению в области неразрушающего контроля в один ряд с ультразвуком, радиографией или вихревыми токами, тем не менее, они необходимы для решения ряда задач, которые трудно решить другими методами, и значение их все возрастает». Очевидно, что в то время, когда эта монография создавалась и была издана, с подобным утверждением нельзя не согласиться. Это утверждение тем более очевидно, если его рассматривать в приложении к предприятиям стройиндустрии.

Вместе с тем, развитие физической науки, статрадиотехники, техники СВЧ, метрологии, средств автоматизации технологических процессов, компьютерных технологий дали огромный толчок развитию радиоволновых методов НК. Поэтому в настоящее время характерной чертой такой прикладной области как неразрушающий радиоволновой контроль, является использование достижений из различных смежных областей науки и техники.

У ПСМ нет универсальной характеристики, по которой определялось бы его качество, а, следовательно, не существует и универсального метода контроля. Так же, как высокий уровень техники и технологии немыслим без широкого внедрения автоматизированных систем управления, робототехники, компьютерных технологий, так и высокий уровень НК невозможен без комплексного решения проблем контроля. Комплексное решение предполагает использование разнообразных методов и средств НК на различных переделах производства ПСМ.

В последние 10-15 лет проблему комплексного подхода к использованию средств НК пытаются решать с помощью многопараметрового (многомерного) контроля в рамках одного метода. Определенные успехи и достижения в этом имеются, например, при использовании многопараметрового вихретокового метода. Отдельные попытки использования двухпараметрового контроля делаются в области радиоволнового метода. Вместе с тем, большой объем информации о ПСМ содержится не только в отдельных параметрах рассеянного от них СВЧ поля или ЭМВ, но и в разнообразных его характеристиках и их параметрах. В этой связи весьма актуальным, представляющим большой научный и практический интерес, является рассмотрение возможностей радиоволнового метода НК по комплексу характеристик СВЧ поля при его взаимодействии с ПСМ. Рассматриваемое СВЧ поле физически представляет волновой процесс, характерной чертой которого является зависимость как от пространства, так и от времени. Поэтому характеристики и соответствующие им параметры СВЧ поля являются пространственно-временными.

Теоретическое обоснование и комплексное решение научной проблемы НК ПСМ радиоволновым методом с использованием комплекса пространственно-временных характеристик СВЧ поля имеет важное научное и прикладное значение.

С исследованием этой проблемы и развитием данного направления связаны цель, решаемые задачи и содержание предлагаемой диссертации.

Целью диссертации является разработка метода и технических средств НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля для повышения достоверности, надежности, оперативности контроля, улучшения экологических условий при производстве контролируемых изделий. В соответствии с целью работы определены следующие ее задачи:

1. На основании проведенного обзора методов и средств Ж, анализа пространственно-временных характеристик и параметров СВЧ поля предложить физические модели взаимодействия поля с объектом контроля (ОК).

2. Разработать математическую модель и выполнить теоретические исследования возможности реализации радиоволнового метода НК по поляризационным характеристикам рассеянного СВЧ поля за счет обработки сигнала в поляризационно-ортогональных каналах при наличии помех.

3. Исследовать физический процесс взаимодействия произвольно поляризованного СВЧ поля (ЭМВ) в линии передачи или длинной линии, нагруженной на ОК в виде ПСМ. Разработать математическую модель процесса, теоретически обосновать радиоволновый метод НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, реализующий указанную модель.

4. Создать и практически реализовать комплекс технических средств измерения, обработки и автоматической регистрации пространственно-временных характеристик СВЧ поля с целью их дальнейшего использования для НК ПСМ.

5. Разработать программные и аппаратные средства автоматизированной обработки и хранения измеренных характеристик на ЭВМ.

6. Используя возможности информационных технологий, построить экспертную систему (ЭС), позволяющую на основе предварительного обучения и в соответствии с определенными и установленными решающими правилами обеспечивать качественный НК ПСМ.

7. Провести экспериментальные исследования на натурных образцах ПСМ для решения различных задач НК.

Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, выполнены автором в 1980 - 2005 г.г. на кафедре Математического моделирования и вычислительной техники Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по темам плановых НИР ГКНТ, хозяйственным договором с предприятиями стройиндустрии г. Воронежа и программам Минобразования РФ.

Научная новизна работы. Развиты основы научно-практического направления в области радиоволновых методов НК строительных материалов по комплексу пространственно-временных характеристик СВЧ поля.

Теоретически обоснована, методами статрадиофизики описана стохастическая модель процесса НК по поляризационным характеристикам частично поляризованного сигнала, являющегося результатом рассеяния СВЧ поля от ОК в пространстве. Полученный при этом комплекс поляризационных характеристик в виде матрицы когерентности, параметров Стокса, а также коэффициенты Френеля могут быть использованы для определения электрофизических характеристик ПСМ.

Разработаны теоретические основы радиоволнового метода НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, в основу которого положена физическая модель процесса взаимодействия этого поля с ОК в линии передачи.

Построена математическая модель, описывающая процесс интерференции произвольно поляризованных падающей и отраженной от ОК радиоволн в линии передачи. На основе математической модели установлены и определены зависимости между пространственно-временными характеристиками СВЧ поля, отражающими, поляризационными и электрофизическими характеристиками ОК, которые, в общем случае, имеют векторный характер.

Результаты теоретических исследований нашли отражение в создании технических средств измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде измерительных комплексов и программно-аппаратных средств для автоматизированной обработки результатов измерения и формирования необходимой базы данных (БД).

Создан алгоритм работы системы информационного обеспечения НК, основанный на использовании комплекса, определенным образом сформированных информативных параметров (ИП), инвариантных относительно положения (ориентации) ОК в пространстве и позволяющих получить о нем дополнительную информацию для повышения надежного контроля и реализации конвейерного принципа работы контролирующей техники.

Разработаны структура ЭС, математическая модель обучения и принятия решения для автоматизации НК. Определены и впервые введены в ЭС правила принятия решений (решающие правила), позволяющие минимизировать ошибки при осуществлении контроля. Предложена процедура оптимизации набора инвариантных ИП, который обеспечивает наивысшую эффективность ЭС в смысле правильного принятия решения в задачах контроля ПСМ.

Комплекс разработанных математических, алгоритмических, программных и аппаратных средств позволили впервые использовать ЭС в качестве интеллектуальной системы для НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы определяется возможностями решения на основе полученных научных результатов прикладных задач НК ПСМ в лабораториях испытания материалов и на технологическом конвейере за счет модернизации и технического перевооружения производства на базе средств автоматизации и современных интеллектуальных компьютерных систем.

Как показывают экспериментальные исследования по выявлению бракованной керамической плитки и определению типа брака, методологические аспекты, положенные в основу построения соответствующей ЭС, могут быть распространены на другие материалы для определения их ХК путем выбора эффективных наборов ИП и соответствующих решающих правил.

Разработанный радиоволновой метод НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля позволяет на практике отказаться от традиционных способов измерения амплитудно-фазовых характеристик и перейти к измерениям комплексного коэффициента отражения (КО) в поляриза-ционно-ортогональных каналах. Использование КО в качестве инвариантного ИП повышает эффективность и надежность ЭС.

Применение приемо-передающей широкополосной аппаратуры позволяет создавать технические средства НК ПСМ, работающие в широком спектре частот, что является важным для расширения функциональных возможностей рекомендуемого метода.

Методы и методики исследования. Исследования, представленные в диссертации, базируются на основополагающих принципах статрадиофизики, электродинамики, поляризационной селекции сигналов, теории цепей, теории распознавания, экспертных систем с использованием аппарата теории вероятности, векторной алгебры, вычислительной математики и современных компьютерных технологий.

Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ, при постановке новых учебных курсов и выполнении учебно-исследовательских работ в Воронежском государственном университете на факультете компьютерных наук и в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете на факультете автоматизации и информационных систем.

Результаты работы внедрены и внедряются на ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ОАО «Семилукский завод огнеупорного кирпича».

Получены также положительные рекомендации по внедрению отдельных результатов работы в ряде научных и производственных организаций г. Воронежа.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1977 г.), VI, VII, VIII Международных научно-технических конференциях «Информационная среда вуза» (г. Иваново, 1999-2001 гг.), Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-98» (г. Воронеж, 1998 г.), II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Теория активных систем» (г. Москва, ИПУ им. Трапезникова, АН России, 2000 г.), Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 2004» (гг. Винница, Ялта, 2004 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительном производстве» (г. Москва, 1983 г.), Всесоюзном семинаре «Развитие АСУ и автоматизация производственных процессов» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительстве» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.). Отдельные результаты работы докладывались на V и VI-x чтениях в Российской академии архитектуры и строительных наук «Современные проблемы строительного материаловедения» в г. Воронеже, 1999 г. и в г. Иваново в 2000 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, в числе которых 1 монография, 9 статей в центральной печати, 1 авторское свидетельство, программные продукты, зарегистрированные в Государственном фонде алгоритмов и программ и двух электронных журналах.

Структура и объем диссертации. Материалы диссертации содержатся в 2-х томах. Том первый состоит из введения, семи глав, основных результатов работы и выводов и списка литературы общим объёмом 311 страниц, включая 55 рисунков и 9 таблиц.

- результаты работы являются основой для дальнейших научно-практических разработок многопараметровых и радиоволновых методов и средств неразрушающего контроля различных строительных материалов на основе систем с элементами искусственного интеллекта;

- общей теоретической и технической базой для создания новых и модернизации предлагаемых методов и средств могут являться разработанные математические модели взаимодействия СВЧ поля с объектом контроля и инструмент измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде предложенных измерительных комплексов;

- отличительные особенности при дальнейшей разработке методов неразрушающего контроля связаны с созданием средств информационного обеспечения в виде экспертных систем. Этот факт свидетельствует о том, что диссертационная работа является основой для создания автоматизированных рабочих мест неразрушающего контроля строительных материалов с различными характеристиками качества.

К числу первостепенных задач по развитию радиоволновых методов контроля плиточных строительных материалов и вообще любых строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля можно отнести следующее:

1. Исследование моделей взаимодействия сложно поляризованных СВЧ полей с объектом контроля и создание алгоритмов, реализующих взаимосвязь между пространственно-временными характеристиками поля, характеристиками качества объекта и параметрами приемо-передающего канала. Создание широкополосного радиоволнового измерительного инструмента, обеспечивающего излучение, прием и обработку сложно поляризованных электромагнитных волн (сигналов).

Разработку экспертной системы неразрушающего контроля строительных материалов на основе комплекса пространственно-временных характеристик сложно поляризованных электромагнитных волн. Разработку радиоволновых методов и средств контроля строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля при его прохождении через объект контроля, т.е. при работе в режиме «на просвет».

Исследование возможности комплексного использования радиоволновых методов контроля строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля в режимах «на отражение» и «на просвет» одновременно.

Развитие рассмотренного в диссертации направления исследований не ограничивается изложенными проблемами, которые со временем будут, естественно, дополняться и расширятся. Вместе с тем, решение указанных проблем позволит вести неразрушающий контроль строительных материалов радиоволновыми средствами на качественно новом уровне с использованием более совершенных экспертных и других интеллектуальных систем.

1. Горчаков Г.И., Мурадов Э.Г. Основы стандартизации и контроля каче-ф ства продукции. Учебное пособие для вузов. М., Стройиздат, 1977. 292 с.

2. Волков М.И., Методы испытания строительных материалов. Учебное пособие для вузов. М., Стройиздат, 1974, с. 301.• с тт в

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделии.

4. Справочник. В 2-х кн. Под ред. В.В. Клюева. Кн. 1. М., «Машиностроение», 1976.

5. Неразрушающие методы испытаний бетона. Совм. изд. СССР-ГДР./О.В. Лужин, В.А. Волхов, Г.Б. Шмаков и др.; Под ред. О.В. Лужина. М.: Стройиздат, 1985. - 236. С., ил.

6. Н.А. Крылов. Электронно-акустические и радиометрические методы ^ испытания материалов и конструкций. Гос. изд. лит-ры по строит., архитектуре и строит, мат. Москва, Ленинград, 1963.

7. Р.Джексон, И.Фэкэоару. Неразрушающие методы испытания бетонов. Пер. с румынск. М., Стройиздат, 1974,292 с.

8. Чернышев В.Н., Фокин В.М. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов. -М.: Машиностроение -1, 2004. 212 с.

9. Гордон А. Э. и др. Автоматизация контроля качества изделий из бетона и железобетона / А.Э. Гордон, Л.И. Никулин, А.Ф. Тихонов. М.:

10. Стройиздат, 1991. 300 е.: ил.А

11. И. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев и др.; Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 2003.

12. Р.А. Валитов. В.Н. Сретенский, Радиоизмерения на сверхвысоких частотах, Воениздат, 1958.

13. С.В. Мищенко, Н.А. Малков. Проектирование радиоволновых (СВЧ) приборов неразрушающего контроля: Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 128 с.

14. Богомолов А.Ф. Основы радиолокации. Изд-во «Сов. радио», 1954.

15. Берлинер М.А. Измерение влажности. М.: Энергия, 1973.

16. Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышейшая школа.1974.

17. Кричевский Е.С., Волченко А.Г., Галушкин С.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М.: Энергоатомиздат, 1987.

18. Kraszewski A. Microwave aquametry a bibliography 1955-1979 // Journal of Microwave Power. 1980. Vol. 15, № 4. P. 298-310.

19. Новые разработки в области СВЧ измерений влажности материалов / М.А. Берлинер, А.А. Демьянов, Л.Г. Малорацкий и др.// Приборы и системы управления. 1974. № 9. с. 22-25.

20. Kraszewski A., Kulinski S. An improved microwave metod of moisture content measurement and control // IEEE Transactions on Industrial Electronics and control Instrumentation. 1976. Vol. IECI 23, № 4. P. 364-370.

21. Kalinski J. A chopped subcarrier method of simultaneous attenuation and phase-shift measurement under industrial conditions // IEEE Transactions on Industrial Electronics and control Instrumentation. 1981. Vol. IECI-28, № 3.

22. Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т. под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 6. : в 3 кн. Кн. 3: Радиоволновой контроль. / В.И. Матвеев. -М.: Машиностроение, 2004. 832 е.: ил.4

23. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М.:ГИФМЛ, 1963.-404 с.

24. Завьялов А.С. Измерение параметров материалов на сверхвысоких частотах / А.С. Завьялов, Г.Е. Дунаевский. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1985.-215 с.

25. Лещинский Ю.И. Расчет диэлектрических характеристик кирпича и цементного камня при переменной влажности / Ю.И. Лещинский, Н.В. Ульянычев // Дефектоскопия. 1980. - № 7. - с. 34-39.

26. Слоущ В.Г. Применение электромагнитных колебаний СВЧ для неразрушающего контроля качества огнеупорных изделий // Дефектоскопия. 1968.-№6.-с. 33-38.

27. А.С. 254593 СССР, МПК G01R. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости листовых материалов / Ю.С. Галанина, А.В. Данилов, О.Д. Зотова, Л.А. Мухарев, В.А. Николаев. № 1241273 / 26-9; Заявлено 20.05.68; Опубл. 17.10.69, Бюл. № 32.

28. А.С. 310109 СССР, МПК G01B15 / 02, G01 № 23/24. Способ контроля толщины и дефектов в изделиях из диэлектрических материалов / В.П. Козлов, В.И. Матвеев, Ю.М. Тучнин, В.А. Павельев. № 1345119 / 2528; Заявлено 07.07.69; Опубл. 26.07.71, бюл. № 23.

29. Пат. 2103700 С1 Россия, МКИ6 G01R 27/26 G01 № 22/00. Устройство для контроля дефектов в изделиях из диэлектриков / А.Б. Орлов, А.С. Кузнецов, А.С. Денисов, В.В. Зорин, Б.И. Ведерников. № 96106430/09; Заявлено 02.04.96; Опубл. 27.01.98, Бюл. № 3.

30. Ястребов О.И. Применение техники сверхвысоких частот в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1977.

31. Технологический неразрушающий контроль пластмасс / А.И. Потапов, В.М. Игнатов, Ю.Б. Александров и др. Л. Химия, 1979.4

32. Wight I.S., Makios V., Chudobiak W.I. A multiple f requency phase com-parios technique for the determination of remote layer thickness // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1979. Vol. IM-28, № 1. P.26-31.

33. Beger I.B. van Bladel I. Peterson H.A. Microwave thickness detector // The Review of Scientific Instruments. 1960. Vol. 31, № 3. P 313-316.ь

34. Dalton B.H. Developments of a microwave gauge to measure the thickness of hot metal plaste (>8 mm) Int. Conference and Exhibition of Industrial Measurement and Control by Radiation Techniques. Proceedings. London. 1972. P.38.43.

35. Ashkenazy Y., Levine E., Treves D. A simple microwave interferometers for measuring effective thickness of dielectric slabs // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1981. Vol. IM 30, № 4. P. 243-247.

36. Андреев Г.А. и др. Радиоволновые системы подповерхностного зондирования // Зарубежная радиоэлектроника. 1991. - № 2. - с. 3-22.

37. Авдеев В.П. О возможности контроля одежд автомобильных дорог путем радиолокационного зондирования СШП импульсными сигналами /ф В.П. Авдеев, И.В. Гончаров, А.Т. Маюнов, О.Э. Шкарупо // Материалы

38. VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий». Череповец - Россия. - 1997. -с.93-95.

39. Васильев И.А., Ивашов А.И., Ивашов С.И., Макаренков В.И., Саблин В.Н., Шейко А.П. Патент на изобретение №2158015 от 20.10.2000 «Подф поверхностный локатор» (7 G01 V 3/12, G01 S 13/02) по Заявке98117966, приоритет от 29.09.98.