автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Неразрушающий микроволновой метод и устройство контроля магнитодиэлектрических свойств материалов покрытий металлических поверхностей

Введение.

1 Литературный обзор и постановка задачи исследования.

1.1 Обзор существующих покрытий и методов контроля их параметров.

1.1.1 Обзор методов контроля толщины диэлектрической проницаемости покрытий.

1.1.2 Приемники волн СВЧ.

1.1.3 Классификация СВЧ методов и устройств.

1.1.4 Основные недостатки существующих методов контроля параметров покрытий.

1.2 Задача сканирования волнового сопротивления на больших поверхностях.

1.3 Постановка задачи разработки метода контроля толщины, диэлектрической, магнитной проницаемостей и волнового сопротивления магнитодиэлектрических покрытий на металле.

1.4 Выводы по разделу 1.

2 Математическое описание взаимодействия поверхностных волн с магнитодиэлектрическим слоем на металлической поверхности.

2.1 Решение краевой задачи распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация к ограниченной системе.

2.2 Исследование решения задачи.

2.3 Схема реализации метода измерения Ъ,г',\х',Ъй,Уф.

2.4 Выбор мод, длин волн генератора и диапазонов одномодовости

Е- и Н- мод.

2.5 Основная мода Е1.

2.6 Выводы по разделу 2.

3 Метод, алгоритмы и устройства измерения электрофизических и геометрических параметров магнитодиэлектрического слоя на металле.

3.1 Метод, алгоритмы измерения электрофизических параметров покрытия.

3.2 Анализ аналитического решения для расчета величины недиссипативного ослабления моды Е1.

3.3 Метод определения электрофизических параметров по измеренному значению коэффициента ослабления. Коррекция модели для слоя, содержащего ферромагнитные частицы.

3.4 Определение волнового сопротивления спиновых магнитодиэлектрических покрытий.

3.5 Выводы по разделу 3.

4 Разработка устройств для реализации метода определения

4.1 Классификация апертурных излучателей.

4.2 Внешние апертуры.

4.3 Внутренние апертуры.

4.4 Разработка направленных внутренних апертур.

4.5 Разработка круговой секториальной антенны.

4.6 Экспериментальная оценка метода определения Ь,с',ц',Ев и его метрологический анализ. Методика вычисления коэффициента ослабления.

4.7 Базовая структура поля.

4.8 Экспериментальные данные.

4.9 Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическим свойствам метода определения Ь,е',|л.',Ев.

4.10 Оценка погрешности измерений метода определения b,e',|Li',ZB. ф 4.11 Оценка погрешности определения диэлектрической, магнитной проницаемостей и толщины покрытий.

4.12 Погрешность определения диссипативных величин.

4.13 Оценка погрешности определения волнового сопротивления.

4.14 Проверка адекватности математической модели.

4.15 Выводы по разделу 4.

5 Метод индикации и идентификации параметров слоя и алгоритм оценки неоднородности.

5.1 Реализация микроволнового метода индикации и идентификации параметров слоя и алгоритм оценки неоднородности.

5.2 Алгоритм оценки неоднородности.

5.3 Выводы по разделу 5.

Актуальность исследования. В современном мире технический прогресс в различных отраслях производства материалов, определяется совершенствованием известных и созданием новых технологий. Особое внимание уделяется исследованиям и разработкам методов и средств получения информации о параметрах технологических процессов и показателях качества авиационных материалов и изделий. Для качественного управления новыми технологическими процессами, контролем в течение всего жизненного цикла требуется получение значительного количества измерительной информации, а к средствам контроля предъявляются все более высокие требования по быстродействию и точности.

Производство композиционных поглощающих материалов и контроль качества готовой продукции требует измерения толщины слоя гетерогенных дисперсных магнитодиэлектрических покрытий, применяемых в технологиях производства радиозащитных материалов (РЗМ).

Актуальной и требующей скорейшего разрешения является проблема контроля толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей для слоя магнитодиэлектрических поглощающих покрытий на металле в процессе их нанесения и финишного контроля результатов этого процесса. Причем большое внимание придается скорости сканирования относительно больших по площади поверхностей с высокой разрешающей способностью локальных измерений. Это определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств определение толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле, а также обоснование их технической реализуемости.

Цель работы. Разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны для одновременного определения толщины, электрофизических параметров (ЭФП) и неоднородностей слоя магнитодиэлектрических поглощающих покрытий на металле.

Задачи диссертационного исследования:

- решить краевую задачу распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и произвести коррекцию результатов расчетов к ограниченной системе для реального источника ЭМВ;

- разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны определения, диэлектрической и магнитной относительных проницаемостей, толщины слоя магнитодиэлектрического покрытия, в основе которого лежит эффект взаимодействия медленной поверхностной волны (МПВ) со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности;

- разработать измерительные микроволновые устройства, реализующее предложенный метод;

- разработать измерительную систему и алгоритмы обеспечения локализации и оценки неоднородностей.

Методы исследований решения задачи диссертационной работы базируются на применении теории макроскопической электродинамики, математического и машинного моделировании, теории антенно-фидерных устройств и метрологии.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

1 Решение краевой задачи распространения медленной поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация результатов расчетов к ограниченной системе для реальных несинфазных излучателей по максимуму их ДН и для синфазной круговой антенны с круговой ДН.

2 Предложенный микроволновой бесконтактный метод определения толщины слоя магнитодиэлектрического покрытия, диэлектрической и магнитной проницаемостей, с оценкой локальных неоднородностей, а также определение волнового сопротивления МДП, в основе которого лежит эффект взаимодействия МПВ со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности.

3 Разработанные излучающие устройства, реализующие предложенный метод, в частности, внутренняя электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная антенна, обладающая большей мощностью излучения по сравнению с обычной синфазной круговой антенной.

4 Разработанная информационно-измерительная система, реализующая предложенный метод, и экспериментально подтверждающая адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому физическому процессу. Относительные погрешности совокупного измерения толщины покрытия, диэлектрической и магнитной относительных проницаемостей не превышает 5%, погрешности диссипативных величин составили 8е. < 6%, 5Ц. < 6.5% соответственно, погрешность модуля волнового сопротивления составляет 5^=10%.

Научная новизна результатов. На основе теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия неоднородного электромагнитного поля разных мод МПВ с МДП на металле разработан микроволновой метод МПВ неразрушающего контроля толщины, ЭФ свойств, поглощающих МДП с оценкой локальных ЭФ неоднородностей. Метод обладает высоким быстродействием, локальностью измерения и инвариантен величине зазора между приемным датчиком и контролируемым покрытием. Отличительной особенностью метода является то, что толщина, ЭФ параметры покрытия и их неоднородности определяются по измеренным величинам нормального к направлению распространения недиссипативного ослабления поля неоднородной МПВ на двух длинах волн моды Е и одной длине волны моды Я, причем при определенном оптимальном значении трех длин волн нелатентных мод.

Достоверность и обоснованность полученных основных результатов и выводов подтверждается корректностью физических и математических моделей основанных на электродинамической теории распространения поверхностных медленных волн.

Подтверждение теоретических результатов экспериментально при их лабораторных и промышленных испытаниях.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного метода МПВ контроля магнитодиэлектрических параметров, толщины поглощающих покрытий с оценкой локальных ЭФ неоднородностей, который защищен четырьмя патентами РФ № 2256165, 2251073, 2193184, 2273839, создано и внедрено в производство измерительное устройство с соответствующим программным, алгоритмическим, метрологическим обеспечением, позволившее решить задачу быстродействующего определения ЭФ, геометрических параметров относительно больших по площади сканируемых поверхностей МДП и материалов с необходимой для технологических измерений точности.

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 23 работы, получено 4 патента РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на VII Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» МГТУ им. Баумана (Москва, 2000); IV Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); II Международной научной конференции «Измерения, контроль, информатизация» Алтайский ГТУ (Барнаул, 2001); IV Международной теплофизической школы «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ТГТУ (Тамбов, 2002); VII Всероссийская НТК «Состояние и проблемы измерений» (Москва: МГТУ им. Баумана, 2002); VIII Всероссийская научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и безопасности полетов и ДА с учетом климатографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (Иркутск, 2003); IX Всероссийской научной конференции «Состояние и проблемы измерения» МГТУ им. Баумана (Москва, 2004).

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственные испытания и внедрены в в/ч 15401, в ОАО "Завод подшипников скольжения" г.Тамбов, реализованы при разработке и выполнении «Основных направлений развития вооружения и военной техники на период до 2005 года». Основные результаты технических и экспериментальных исследований использованы в НИР «Замедление-99», заданной ГК ВВС. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской практике Тамбовского ТВВАИУРЭ, ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения. Объем работы 193 страницы машинописного текста. Список использованных источников включает 57 наименований библиографического указателя. Работа содержит 94 рисунка, 5 таблиц.

5.3 Выводы по разделу 5

1 Предложено феноменальное описание дифракции неоднородной поверхностной волной геометрических и электрофизических неоднородностей параметров поверхностного слоя, из которых следует, что мерой параметров неоднородностей является степень деформации экспоненциальной картины ослабления электромагнитного поля.

2 Экспериментальные исследования подтвердили феноменальное описание предложенного метода.

3 Разработан и исследован алгоритм локализации и оценки параметров неоднородностей с малыми градиентами параметров.

4 Предложен метод и алгоритм индикации, идентификации и локальных неоднородностей.

Заключение

1 Разработан бесконтактный микроволновой метод поверхностной волны для одновременного определения толщины слоя МДП, диэлектрической, магнитной относительных проницаемостей и волнового сопротивления. В основе метода лежит эффект взаимодействия поля МПВ со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности. Определяемые ЭФ параметры рассчитываются по измеренным величинам недиссипативнош ослабления поля МПВ на трех длинах волн генератора для двух нелатентных Е- и Н-мод.

2 Разработана информационно-измерительная система с электронно-управляемым секгориальным излучателем, реализующая предложенный метод. Метод обладает высоким быстродействием, локальностью измерения и инвариантен величине зазора между датчиком и контролируемой поверхностью.

3 На основе математического и программного обеспечения ИИС позволяет автоматизировать процесс контроля магнитодиэлектрических свойств, толщины МДП и произвести оценку локальных неоднородностей.

4 Экспериментальная проверка разработанного метода и реализующего устройства показала, что погрешность определения толщины, относительные погрешности определения диэлектрической и магнитной проницаемостей составили не более 5 %, погрешности определения диссипативных величин составили 5е. < 6 %, 5Ц. < 6,5 % соответственно, погрешность модуля волнового сопротивления составляет 8а= 10%.

5 Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственные испытания и внедрены в ОАО "Завод подшипников скольжения" г. Тамбов, в/ч 15401, реализованы при разработке и выполнении «Основных направлений развития вооружения и военной техники на период до 2005 года». Основные результаты технических и экспериментальных исследований использованы в НИР «Замедление-99», заданной ГК ВВС. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской практике ТВВАИУРЭ (ВИ), ВВИА им. профессора НЕ. Жуковского.

1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник / под ред. В.В Клюева. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1986. - 352 с.

2. Sheppard, N. W и С. Electrical Conductivity Measuremrnt Using Mikrofabricated Elektrodes/ N.Sheppard, R.Nucker // Analytical Chemistry. -1993.-Vol. 65.-P. 85- 150.

3. Шумиловский, В.Г. Метод вихревых токов / В.Г. Шумиловский. -М.: Энергия, 1966.-100 с.

4. Соболев, B.C. Накладные и экранные датчики / B.C. Соболев, Ю.М. Шкарлет. — Новосибирск: Наука, 1967. 144 с.

5. Справочник по неразрушающему контролю металлов и изделий / под ред. Г.С. Самойловича. М.: Машиностроение, 1976. - 450 с.

6. Методы неразрушающих испытаний/ под ред. Р. Шарпа. М.: Мир, 1972.-496 с.

7. Брандт, A.A. Исследование диэлектриков на СВЧ / A.A. Брандт. М.: ГИФМЛ, 1963.-360 с.

8. Фальковский, О.И. Техническая электродинамика / О.И Фальковский. -М.: Связь, 1978.-450 с.

9. Жук, М.С. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств / М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. -М.: Энергия, 1971. 400 с.

10. Федоров, H.H. Основы электродинамики / H.H. Федоров. М.: Высшая школа, 1980. - 400 с.

11. Бугров, A.B. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества / А.В Бугров. М.: Машиностроение, 1982. -94 с.

12. Дмитриев, Д.А. Методы и устройства контроля состава и свойств ферромагнитных жидких сред в диапазоне СВЧ: дис. . д-ра техн. наук: ДК №015191: защищена 11.12.98: утв. 14.05.99 / Д.А. Дмитриев. Тамбов, 1999.-240 с.

13. Мировицкий, С. Современное состояние и практика применения радиопоглощающих материалов (РПМ) / С. Мировицкий // Зарубежная электроника. 1987. -№ 5. - С. 5-12.

14. Марков, Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн / Г.Т. Марков, Б.М. Петров, Г.П. Грудинская. М.: Сов. радио, 1979. - 450 с.

15. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля/ И.Н. Корбанский. -М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1964. 370 с.

16. Вамберский, М.В. Передающие устройства СВЧ / М.В. Вамберский, В.И. Казанцев, С.А. Шелухин. М.: Высшая школа, 1984. - 417 с.

17. Трошин, Г.И. Фидерные тракты средств радиосвязи и радиовещания / Г.И. Трошин // Антенны. 2001. - № 7(53). - С. 23-34.

18. Алгоритмическое обеспечение измерения комплекса параметров гиромагнитных жидкостей в диапазоне СВЧ / П.А. Федюнин и др. // Материалы V научно-методической конференции, 14 сентября 2000 г.Тамбов: Изд во ТГТУ, 2000. - С. 63 - 64.

19. Греем, Ю.А. Методы расчета поглотителей электромагнитных волн/ Ю.А. Греем // Зарубежная радиоэлектроника. 1965. - № 4. - С. 12-23.

20. Карев, Д.В. Микроволновой метод и устройство для контроля толщины магнитодиэлектрических покрытий: дис. . канд. техн. наук: 12К/142 защищена 10.12.04, утв.11.03.05 / Д.В. Карев. Тамбов, 2004. - 160 с.

21. Натансон, A.M. Радиопоглощающие материалы / A.M. Натансон // Зарубежная радиоэлектроника. 1975. — № 1. - С. 27-36; № 2. - С. 14-29.

22. Михайловский, JI.K. Радиопоглощающие бестоковые среды, материалы и покрытия (электромагнитные свойства и практические применеия) /Л.К. Михайловский // Успехи современной радиоэлектроники. -2000. -№9.- С. 35 -43.

23. Метод обработки электромагнитного поля поверхностной медленной волны над поглощающим покрытием / Н.П. Федоров, Д.А. Дмитриев, П.А. Федюнин, С.Р. Каберов // Радиотехника. 2004. - №11. - С. 90 - 95.

24. Перспективные методы измерения комплекса электрофизических и теплофизических параметров радиопоглощающих покрытий / Н.П. Федоров, П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, С.Р. Каберов // Вестник Тамбовского ТГУ. -2004.-Т. 10, №1А. -С.47 58.

25. Апертурные излучатели для неразрушающего микроволнового контроля комплекса электрофизических параметров защитных покрытий на металле / П.А. Федюнин и др. // Контроль. Диагностика. 2005. - №1. -С.55 - 62.

26. Золотухин, А.Н. Воздействие ЭМИ на биологические объекты и физические основы защиты от него / А.Н. Золотухин // Зарубежная радиоэлектроника. 1981.-№ 1.-С. 91-112.

27. Лавров, Т.Б. Антенно-фидерные устройства / А.С Лавров, Т.Б. Резников. Киев: Изд - во КВИНВУ, 1960. - 569 с.

28. Калашников, A.M. Колебательные системы / A.M. Калашников, Я.В. Степук. М.: Воениздат МО СССР, 1972. - 376 с.

29. Драбкин, H.A. Антенно-фидерные устройства / H.A. Драбкин, B.JL Зузенко, А.Г. Кислов. М.: Сов. радио, 1974. - 536 с.

30. Контроль и сканирование волнового сопротивления магнитодиэлектрических защитных покрытий на металле / П.А. Федюнин и др.// Контроль. Диагностика. 2004. - №11. - С. 18 - 27.

31. Королюк, B.C. Справочник по теории вероятностей и математической статистике/ B.C. Королюк, Н.И. Портенко, A.B. Скороходов. -М.: Наука, 1985.-640 с.

32. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г.Корн. М.: Наука, 1974. - 832 с.

33. Алгоритмы измерения и сканирования противолокационных покрытий/ Н.П. Федоров и др. // Вестник Тамбовского ГТУ. 2003. - Т. 9, №4.-С. 606-617.

34. Микроволновой контроль электрофизических параметров защитных диэлектрических пластин / Н.П. Федоров и др. // Контроль. Диагностика. -2004. № 12. - С.42 - 46.

35. Справочник по неразрушающим испытаниям / под ред. Р. Мак Мастера. М.: Энергия, 1965. - 315 с.

36. Григорьева, Л.В. Работы по снижению радиолокационной заметности / Л.В. Григорьева // Новости зарубежной науки и техники. 1990. - №9. - С. 18-22.

37. Туркина, Т.М. Применение материалов, поглощающих радиолокационных излучений, на современных боевых самолетах / Т.М. Туркина, В.Г. Титов // Новости зарубежной науки и техники. 1989. -№12. -С. 25-30.

38. Туркина, Т.М. Зарубежные малозаметные самолеты/ Новости зарубежной науки и техники. 1989. -№13-14. - С. 1 - 38.

39. Туркина, Т.М. Тенденции в разработке перспективных истребителей/ Т.М. Туркина, В.В. Малиевский // Новости зарубежной науки и техники. 1988. - №4. - С. 1 - 25.

40. Основные особенности самолетов «Стеле»: научно-технический обзор: 755/ Летно- исследовательский институт им. М.М. Громова; О.И. Течуешев и др.. Жуковский, 1989. - С.З - 44. № №707.