Тема: Радиоволновой вид неразрушающего контроля

Радиоволновый метод неразрушающего контроля основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с объектом контроля. Обычно используются волны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона с длиной от 1мм до100 мм. Контролируют изделия из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты.

По характеру взаимодействия с ОК различают методы прошедшего, отраженного, рассеянного излучения и резонансный.

Если контролируемая величина непосредственно связана с напряженностью поля (мощностью) отраженного, прошедшего или рассеянного излучения, используется амплитудный метод контроля. Техническая реализация метода проста, однако невысокая помехоустойчивость ограничивает его применение. Более надежные результаты получают, используя фазовый и амплитудно-фазовый методы, основанные на выделении полезной информации, заключенной в изменениях амплитуды и фазы волны.

Если толщина объекта превышает длину волны используемого зондирующего излучения, рекомендуется для ее измерения использовать геометрический или временной метод . В первом случае контролируемый параметр связан с отклонением положений отраженного луча в плоскости регистрации относительно выбранной системы координат, во втором — с изменением задержки сигнала во времени.

Для контроля тонкопленочных и анизотропных материалов применяют поляризационный метод , основанный на анализе изменений плоскости или вида поляризации колебаний после взаимодействия излучения с ОК. Перед испытаниями приемную антенну разворачивают до тех пор, пока сигнал на ее выходе от образцового ОК не станет равным нулю. Сигналы от испытываемых ОК характеризуют степень отклонения их свойств от образцового.

Голографический метод дает хорошие результаты при контроле внутреннего строения ОК, однако из-за сложности его аппаратурной реализации метод имеет ограниченное применение.

Наиболее полную информацию дает применение многоэлементных антенн , поскольку в этом случае удается воспроизвести внутреннюю структуру объекта.

Для повышения разрешающей способности дефектоскопии используют метод самосравнения . Он реализуется с помощью двух комплектов излучающих и приемных устройств, максимально приближенных друг к другу. Результирующий сигнал определяется разностью амплитуд и фаз сигналов приемников каждого канала. Наличие дефекта приводит к изменению условий распространения волны в одном канале и появлению разностного сигнала. Анализ динамики изменения сигнала при периодическом прохождении дефекта через зону контроля радиоволнового дефектоскопа позволяет снизить порог его чувствительности.

Резонансный метод радиоволнового контроля основан на введении ОК в резонатор, волновод или длинную линию и регистрации изменений параметров электромагнитной системы (резонансной частоты, добротности, числа возбуждаемых типов колебаний и т. д.). Этим методом контролируются размеры, электромагнитные свойства, деформации и другие параметры. Успешно используется резонансный метод для контроля уровня жидкостей в резервуарах и параметров движения различных объектов.

Радиоволновой контроль применяют для решения всех типовых задач неразрушающего контроля: толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего строения). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ. Специальным элементом при решении конкретной задачи может быть источник или приемник излучения, а также приспособление для крепления и перемещения объекта.

Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта «источник излучения - объект контроля- приемник излучения».

Излучения СВЧ относятся к области радиоволн, которые с момента своего открытия использовались для передачи информации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало создания теории их взаимодействия с объектом контроля.

Радиоволновые средства неразрушающего контроля — это датчики с чувствительным элементом , в котором контролируемая величина преобразуется в информативный параметр; генераторы СВЧ - источники электромагнитных колебаний; вторичные преобразователи предназначены для формирования сигналов регистрации и управления.

Классификация приборов. Приборы радиоволнового контроля могут быть классифицированы поразличным признакам.

По информативному параметру различают приборы:

– амплитудные;

– фазовые;

– амплитудно-фазовые;

– поляризационные;

– резонансные;

– лучевые;

– частотные;

– преобразовательные (вид волны);

– спектральные.

По схемам расположения приемника и излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого

образца могут быть:

– на прохождение (двусторонний доступ);

– на отражение (односторонний доступ);

– комбинированные.

Различают следующие формы образования сигнала:

– аналоговую;

– дифракционную;

– оптическую.

При использовании этого вида контроля наличие дефектов в исследуемых изделиях приводит к появлению дополнительных отражений электромагнитного поля, которые изменяют интерференционную картину и вызывают дополнительные потери энергии. Этот метод применяется в дефектоскопии диэлектриков, а также при исследовании состояния поверхности проводящих тел.

Недостатком СВЧ метода является сравнительно низкая разрешающая способность устройств, реализующих этот метод, обусловленная малой глубиной проникновения радиоволн в металлы.

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

«Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008

Радиоволновый метод

Радиоволновые методы основаны на взаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала и передаче на регистри­рующий прибор или средства обработки информации.

По первичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, времен­ной, спектральный, поляризационный, голографический. Область применения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен в таблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Радиоволновые методы неразрушающего контроля

Примечание: λ – длина волны в контролируемом объект; L – размер раскрыва ан­тенны в направлении волнистости.

Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдение сле­дующих требований:

Отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть не ме­нее единицы;

Наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мых объектов;

Резонансные частоты спектра отраженного (рассеянного) излучения или напряженности магнитных полей материалов объекта и дефекта должны иметь различие, определяемое выбором конкретных типов регистрирующих устройств.

Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению к объек­ту контроля приведены в таблице 1.

Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару­жить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож­ность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэ­лектрических покрытий на металлической подложке. В этом случае ампли­туда зондирующего сигнала представляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящего через материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-за наличия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: на прохож­дение, отражение и на рассеяние.

Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю­щий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна­ченные для ввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол­ны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сиг­налов, управляющих различного рода механизмами.

При контроле фольгированных диэлектриков производят сканирование поверх­ности проверяемого образца направленным пучком микроволн с длиной волны 2 мм.

В зависимости от информационно используемого параметра микроволн де­фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном из­делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрения настройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточно больших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты, из­меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль­гированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат.

В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поля­ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической ани­зотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

Под радиационными методами неразрушающего контроля понимается вид не­разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. В основе радиационных методов лежит получение дефектоскопичес­кой информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде­ние которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул сре­ды. Результаты контроля определяются природой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическими характеристиками контроли­руемых изделий, типом и свойствами детектора (регистратора), технологией кон­троля и квалификацией дефектоскопистов.

Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены для обна­ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемых объектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра­ковины и др.)

Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

Электронная микроскопия основывается на взаимодействии электронов с энер­гиями 0,5 - 50 кэВ с веществом, при этом они претерпевают упругие и неупру­гие столкновения.

Рассмотрим основные способы использования электронов при контроле тон­копленочных структур (см. рис.2)

Таблица 1 –

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объекту контроля.

Обозначения: - антенна преобразователя;

Нагрузка.

1 – СВЧ-генератор; 2 – объект контроля; 3 – СВЧ-приемник; 4 – линза для создания (квази) плоского фронта волны; 5 – линза для формирования радио-изображения; 6 – опорное (эталонное) плечо мостовых схем.

Примечание: допускается применение комбинаций схем расположения антенн преобра­зователя по отношению к объекту контроля.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Сфокусированный пучок элект­ронов 1 (рис. 2) диаметром 2-10 нм с помощью отклоняющей системы 2 перемещается по поверхности образца, (либо диэлектрической пленки З1, либо полупроводника З-11.) Синхронно с этим пучком электронный пучок перемеща­ется по экрану электронно-лучевой трубки. Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца. Строчная и кадровая разверт­ка пучка электронов позволяют наблюдать на экране ЭЛТ определенную пло­щадь исследуемого образца. В качестве модулирующего сигнала можно исполь­зовать вторичные и отражательные электроны.

Рисунок 1 – Классификация радиационных методов

Рисунок 2 – Режимы работы растровой электронной микроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраст во вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 - ус­ловно вынесен за пределы прибора). 1 – сфокусированный луч; 2 – отклоняющая система; 3 – объект исследования - диэлектричес­кая пленка; 4 - детектор вторичных и отраженных электронов; 5 -усилитель; 6 - генератор развертки; 7 - ЭЛТ; 8 - сетка детектора; 9 -отраженные электроны; 10 - вторичные электроны.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще­нии, дифракции электронов взаимодействия с атомами вещества. При этом про­шедший через пленку сигнал снимается с сопротивления, включаемого после­довательно с образцом З1. Для получения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые за образцом. Стороны образца должны быть плос­копараллельными, чистыми. Толщина образца должна быть много меньше дли­ны свободного пробега электронов и должна составлять 10.. 100 нм.

ПЭМ позволяет определить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящее время существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

Изображение формируется как за счет вторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичные электроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные – морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала - 50 В происходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение на экране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательным углом к детектору, не про­сматриваются вообще. Если на сетку детектора подать положительный потенци­ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхности всего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получить информа­цию о:

Топологии исследуемой поверхности;

Геометрическом рельефе;

Структуре исследуемой поверхности;

Коэффициенте вторичной эмиссии;

Об изменении проводимости;

О местоположении и высоте потенциальных барьеров;

О распределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхности при облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхность полупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяют траектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом по сравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Это обуславливается наличием замедляющих по­ лей над участками образца с положительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичных электронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественные результаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии и напряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

Большого разброса скоростей вторичных электронов;

Потенциальный контраст накладывается на топографический и на кон­ траст, связанный с неоднородностью состава материала образца.

Режим наведенного (индуцированного электронно-лучевого тока).

Электронный луч с большой энергией фокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоев ее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующих внешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновь рожденны­ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

Определить периметр р-n перехода. Форма периметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичный электронный луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) в направлениях х, и в зависимости от направления перемещения меняется значение индуцированного тока в р-n переходе. По фотографиям р-n перехода можно определить искажения периметра р-n перехода (рис.5).

Определить места локального пробоя р-n перехода. При образовании локального пробоя р-n перехода в месте пробоя образуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если первичный пучок электронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные первичными электронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n переходе, в результате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала и соответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратное смещение на р-n переходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведя выявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или с ПЭМ, можно сопоставить область пробоя с тем или иным дефектом.

Рисунок 3 – Схема прохождения электронного луча

Рисунок 4 – Изображение торцевого р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 – торцевой р-n переход; 2 – электронный луч;

3 – область генерации электронно-дырочных пар.

Рисунок 4 – Изображение планарного р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 - планарный р-n переход; 2 - электронный луч;

3 - область генерации электронно-дырочных пар.

Рисунок 5 – Искажения периметра планарного p-n-перехода сверху

Наблюдать дефекты. Если в области р-n перехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании первичного пучка электронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинирует на дефекте, и соответственно до границы р-n перехода дойдет меньшее число носителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n перехода эта область будет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубиной залегания р-n перехода и проникновением первичных электронов можно зондировать элек­трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю­дение дефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере­хода.

Электронная оже-спектроскопия (ЭОС).

Она состоит в получении и анализе спектра электронов, испускаемых атома­ми поверхностей при воздействии на него электронным лучом. Такие спектры несут информацию:

О химическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

О кристаллической структуре вещества;

О распределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка для оже-спектроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатора оже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

Рисунок 6 – Изображение планарного p-n-перехода с целью определения про­боя и выявления дефекта.

1 – эелектронный луч; 2 – планарный р-п-переход; 3 – металлическая примесь; 4 – дефект.

Электронная пушка обеспечивает фокусировку электрического пучка на об­разце и его сканирование. Диаметр пучка в установках с локальным оже-анализом составляет 0,07... 1 мкм. Энергия первичных электронов изменяется преде­лах 0,5... 30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно в качестве энергоана­лизатора употребляется анализатор типа цилиндрического зеркала.

Регистрирующее устройство с помощью двухкоординатного самописца фик­сирует зависимость , где: N – число электронов, попадающих на коллек­тор;

Е к – кинетическая энергия оже-электронов.

Вакуумная система установки ЭОС должна обеспечивать давление не более 10 7 – 10 8 Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх­ностью образца и искажают анализ.

Из отечественных установок ЭОС следует отметить растровый оже-спекто-рометр 09 ИОС - 10 - 005 Оже-локальностью в растровом режиме 10 мкм.

На (рис. 7) показан оже-спектр загрязненной поверхности GaAs из кото­рого видно, что наряду с основными спектрами GaAs, в пленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергий оже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая эти значения с табу­лированными, определяют химическую природу атомов, из которых эти элект­роны были эмитированы.

Рисунок 7 – Оже-спектр загрязненной поверхности GaAs

Примечание: метод получил свое название по имени французского физика Пьера Оже, который в 1925 г. открыл эффект испускания электронов атомами вещества в результате возбуждения их внут­реннего уровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

Эмиссионная электронная микроскопия (ЭЭМ).

При специальных условиях поверхность образца может испускать электро­ны, т.е. являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектронная эмиссия) или под действием бомбардировки по­верхности частицами.

В эмиссионном микроскопе показанном на рис. 8, поверхность образца является электродом системы, образующей с анодом электронную линзу.

Применение ЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемое изделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и в этом его принципиальное отличие от РЭМ.

ЭЭМ используют для визуализации микрополей. Если р-п-переход (1) (рис. 9) поместить в однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю­щее напряжение, то поле, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будет искривлять линии основного поля.

Искривление линий позволяет определить распределение потенциала по по­верхности образца.

Электронно-отражательная спектроскопия (ЭОС).

В ЭОС поверхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен­циале, что все или большая часть облучающих электронов не попадают на по­верхность образца.

Принцип его работы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч направлен на поверхность образца перпендикулярно к ней. Электроны,

Рисунок 8 – Принцип работы эмиссионного микроскопа

Рисунок 9 – Визуализация p-n-перехода с помощью ЭЭМ

P-n-переход, включенный в обратном направлении;- электронные

траектории поля р-п-перехода.

Пролетевшие через последнюю апертуру линз, быстро замедляются и поворачи­ваются обратно в точке, определяемой потенциалом поверхности образца отно­сительно катода и напряженностью электрического поля на поверхности образ­ца. После поворота электроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин­зы, и увеличенное изображение проецируется на катодолюминесцентный эк­ран. Дополнительное увеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабом магнитном поле и используя дополнительные увеличитель­ные линзы на пути выходящего пучка.

Контрастность в выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениями электрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжение на образце

Рисунок 10 – Принцип работы электронного отражательного микроскопа

ЛИТЕРАТУРА

1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с

2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.

3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с

4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.

При взаимодействии с материалом изделия изменяются такие параметры микрорадиоволн, как коэффициенты прохождения и отражения, ослабление, рассеяние, фаза, вид и плоскость поляризации. Изменения этих величин при прохождении микрорадиоволн через контролируемое изделие или отражении от него характеризуют внутреннее состояние изделия, в частности наличие различных дефектов (расслоение, пористость, трещины, инородные включения, неравномерность распределения связующего, нарушение структуры и т.д.). Одной из основных задач микрорадиоволнового метода является обнаружение этих дефектов в полимерных материалах и особенно в материалах, являющихся непрозрачными для видимого диапазона длин волн .

В настоящее время в промышленности применяются конструкции из полимерных материалов самых различных конфигураций. Это могут быть плоские однои многослойные плиты, изделия цилиндрической и шарообразной формы, изготовленные различными способами, клеевые соединения. Для каждого типа изделия необходимо выбрать метод контроля и режим работы дефектоскопа.

Радиоволновые методы в зависимости от способа ввода и приема СВЧ-сигнала подразделяют на волноводные, резонаторные и свободного пространства. Однако наибольшее распространение в практике неразрушающего контроля получили методы свободного пространства. Это обусловлено тем, что волноводные и резонаторные методы связаны с необходимостью помещения контролируемого изделия или образца внутрь волновода. Размеры внутренней полости волновода или резонаторов, особенно на малых длинах волн, существенно ограничивают номенклатуру изделий, контролируемых данными методами.

Из радиоволновых методов СВЧ свободного пространства используются амплитудный, фазовый, поляризационный, рассеяния. По режиму работы они подразделяются на методы «на прохождение» и

«на отражение». Выбор режима работы обусловлен конструкцией изделия и прозрачностью стенок.

Амплитудный метод контроля основан на регистрации интенсивности прошедших через изделие или отраженных от него микрорадиоволн. Измеряемыми величинами при амплитудном методе контроля являются коэффициенты прохождения и отражения, показатель затухания. Эти коэффициенты связаны с диэлектрической проницаемостью и толщиной стенки контролируемого изделия.

Коэффициенты прохождения и отражения находят из уравнений Максвелла для однои многослойных сред при введении в эти уравнения нормального импеданса, под которым понимается отношение тангенциальных составляющих электрического и магнитного полей. Для случая, когда вектор напряженности электрического поля E параллелен границе раздела рассматриваемой среды, импеданс равен

а для случая, когда вектор напряженности магнитного поля H параллелен границе раздела

В идеальных условиях в волноводе устанавливается режим бегущей волны, который характеризуется тем, что если какой – либо измеритель электрической напряженности полей перемещать вдоль волновода, то индикаторный прибор будет показывать одно и то же значение вне зависимости от его местоположения.

Но, как правило, создать идеальные условия распространения не удается, и поэтому полная картина

поля образуется из совокупности волн, распространяющихся от генератора к нагрузке, и волн, распространяющихся в обратном направлении – от любой неоднородности к генератору. При этом в волноводе устанавливается режим стоячих волн. Любая волноводная линия характеризуется коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), который в идеальных условиях должен быть равен 1. Практически волноводные линии с КСВН = 1,02 … 1,03 считаются достаточно хорошими.

Свойства стоячих волн и возможность установления связи между наблюдаемыми явлениями и характеристиками неоднородности, вызывающей отражение, имеют большое практическое значение и рассмотрены ниже.

Если максимальное напряжение, отмечаемое прибором Umax, а минимальное Umin то величина, называемая коэффициентом стоячей волны напряжения равна

Значение r можно выразить через отношение падающей и отраженной волн:

U пад  U отр

U пад − U отр

Отношение Uотр / Uпад определяемое из этого уравнения, называется коэффициентом отражения Г. В общем случае этот коэффициент представляет собой комплексное число. Уравнение для r может быть записано в следующей форме:

Для расчета коэффициента стоячей волны напряжения и коэффициента отражения по результатам измерений Umax и Umin существует специальная линейка.

Чтобы избежать больших потерь мощности, добиться стабильной работы генератора и получить точные результаты измерений, необходимо тщательно следить за соединением волноводов с помощью

фланцев. Основные требования: одинаковые размеры волноводов, высокая их соосность и недопущение зазора между фланцами, если они не имеют специальных согласующих устройств.

Благодаря возможности изгибать волноводы в любых плоскостях (изгиб в плоскостях Е или Н)

можно создавать приборы, обеспечивающие проведение контроля в труднодоступных местах. Для достижения хорошего согласования изгибов с волноводным трактом необходимо, чтобы радиус закругле-

ния изгиба был равен или больше

2 в. Это справедливо и для так называемых скруток, т.е. волновод-

ных элементов, обеспечивающих поворот плоскости поляризации на 45° или 90°.

При этом надо иметь в виду, что каждый волноводный тракт рассчитывается на диапазон длин волн. Поэтому условия согласования и коэффициент стоячей волны рассчитывают с учетом перестраиваемого диапазона по длинам волн.

Для проведения исследований часто бывает необходимо смещать антенные устройства на некоторое расстояние, не меняя положение остальных частей тракта. Это может быть достигнуто за счет гибких волноводов. Если в сантиметровой технике имеются гибкие гофрированные волноводы, то в миллиметровом диапазоне можно с успехом воспользоваться длинным куском волновода, согнутым буквой

Классификация приборов. Приборы радиоволнового контроля могут быть классифицированы по различным признакам.

4 По информативному параметру различают приборы:

– амплитудные;

– фазовые;

– амплитудно-фазовые;

– поляризационные;

– резонансные;

– лучевые;

– частотные;

– преобразовательные (вид волны);

– спектральные.

5 По схемам расположения приемника и излучателя энергии СВЧ относительно контролируемого образца могут быть:

– на прохождение (двусторонний доступ);

– на отражение (односторонний доступ);

– комбинированные.

6 Различают следующие формы образования сигнала:

– аналоговую;

– дифракционную;

– оптическую.

Основными физическими параметрами в приборах являются коэффициенты отражения, прохождения, поглощения, преломления, поляризации, преобразования.

Ниже приведены основные особенности приборов, построенных на разных принципах.

Приборы амплитудно-фазовые «на прохождение». В этом случае внутренне состояние объекта контроля определяется по воздействию среды на сигнал, прошедший через образец.

Принципиальная схема метода приведена на рис. 1.7. Основой метода являете наличие двух антенн (приемной и излучающей), находящихся по разные стороны объекта контроля и, как правило, соосных между собой.

В основном существуют две принципиальные блок-схемы приборов, в которых применен метод «на прохождение» (рис. 1.8).

Принцип работы схемы, в которой все элементы обозначены сплошной линией заключается в следующем. Энергия СВЧ от клистронного генератора 2 подается через вентиль 3 в волновод и аттенюатор

4 к излучающему рупору 5. Энергия проходит через образец 10, принимается приемной антенной 6 и через измерительный аттенюатор попадает на детектор 7, после чего сигнал усиливается и подается на индикаторный прибор 8.

Рис. 1.7 Принципиальная схема образования сигнала в схеме «на прохождение»:

l0 – длина рупора; l1 – расстояние от края излучающего рупора до первой поверхности; l2 – расстояние от второй поверхности до приемного рупора;

h – толщина контролируемого изделия; r1,2 – коэффициент отражения от первой и второй границ; g1,2 – коэффициент прозрачности первой и второй границ;

Е1 – излученная волна; Е2 – волна в образце; Е3 – принимаемая волна

Рис. 1.8 Блок-схема амплитудно-фазовых приборов, работающих по схеме «на прохождение»:

1 – блок питания; 2 – источник энергии СВЧ; 3 – развязывающий элемент

(ферритовый вентиль); 4 – аттенюатор; 5 – излучающая антенна;

6 – приемная антенна; 7 – детектор; 8 – блок обработки информации;

9 – фазовращатель; 10 – объект контроля

Такая схема позволяет проводить контроль свойств материала по величине затухания энергии СВЧ в образце, отсчитываемого по шкале аттенюатора, с помощью которого величина сигнала индикаторного устройства прибора поддерживается на постоянном уровне.

Для большинства практических случаев мощность принимаемого сигнала можно определять но формуле

где Р0 – излучаемая мощность; l = l1 + l2 + l3;

фициенты отражения и прохождения.

2  диэл

– волновое число в образце; r1, r2, g1, g2 – коэф-

Схему, в которой часть элементов отмечена пунктиром, часто называют интерферометром с открытым плечом. В этой схеме прошедший сигнал сравнивается по амплитуде и фазе с опорным, подаваемым через аттенюатор 4 и фазовращатель 9. Такая схема обладает более высокой информативной емкостью, чем первая, но в ряде случаев, когда объект контроля имеет большие размеры, ее трудно осуществить.

Чтобы исключить влияние переотражений, необходимо согласовать границы раздела с приемной и излучающей антеннами, т.е. исключить появление стоячей волны.

Приборы амплитудно-фазовые «на отражение». Внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию среды на сигнал, отраженный от дефекта или поверхности образца.

Принципиальная схема метода приведена на рис. 1.9. Основой метода является одностороннее расположение приемной и излучающей антенн. Существуют две блок-схемы приборов, работающих по методу «на отражение» (рис. 1.10).

Принцип работы таких схем заключается в следующем. Энергия СВЧ клистронного генератора 2 через вентиль 3 подается на излучающую антенну 5. Отраженный сигнал (обычно сумма всех отраженных сигналов) попадает либо на ту же антенну (рис. 1.10, а) и с помощью соответствующих

Рис. 1.9 Принципиальная схема образования сигнала в амплитудно-фазовых приборах, работающих по схеме «на отражение»:

l0 – длина рупора; l – расстояние от среза рупора до поверхности;

h – толщина образца; Е1 – сигнал связи приемной и излучающей антенн;

Е2 – сигнал, отраженный от первой границы; Е3 – сигнал, отраженный

от второй границы; Е4 – сигнал, отраженный от дефекта

Рис. 1.10 Блок-схема амплитудно-фазовых приборов,

работающих «на отражение»:

а – однозондовый вариант; б – двуантенный вариант: 1 – блок питания;

2 – источник энергии СВЧ; 3 – развязывающий элемент; 4 – узел разделения излучаемого и принимаемого сигала (двойной волновой тройник, направленный ответвитель, щелевой мост и т.п.); 5 – излучающая (приемная) антенна; 6 – детектор; 7 – индикаторный прибор; 8 – объект контроля

волноводных элементов подается на детектор 6, либо в другую приемную антенну 5 (рис. 1.10, б), детектируется, обрабатывается и подается на индикаторный прибор 7.

Основной особенностью приборов является существование связи между излучающей и приемной антеннами (Е1), которая определяется конструктивным оформлением антенн. В однозондовом варианте связь существует за счет попадания части мощности генератора в детекторную секцию по внутренним волноводным трактам. В двухзондовом варианте связь наблюдается за счет попаданий части излученной мощности в приемную антенну.

Конструктивная связь является по существу опорным сигналом, с которым суммируется отраженный сигнал. Для различных задач эта связь может быть полезной и мешающей. Так, для выделения сигнала только от дефекта компоненты сигнала должны быть исключены. В этом случае выявляемость дефекта зависит только от чувствительности приемника, и на показание прибора не влияет изменение расстояния от образца до антенны.

В случае наличия всех компонентов сигнала форма сигнала от расстояния носит ярко выраженный интерференционный характер, который зависит от соотношения между амплитудой и фазой сигналов отраженного и связи. Отраженный сигнал зависит от структуры излученного поля, свойств контролируемого образца и от расстояния l.

Отличие электромагнитных свойств дефектной области от бездефектной является причиной изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала. Это приводит к изменению вида интерференционной

кривой. Возможность регистрации дефекта основана на существовании разности интенсивностей ∆l

при заданном положении антенны (при данном расстоянии между поверхностью образца и антенной).

Следует иметь в виду, что в точках, соответствующих точкам пересечения двух интерференционных кривых, невозможно обнаружить дефект, т.е. могут существовать зоны необнаружения. Их ширина

∆l определяется тем минимальным значением сигнала, которое может быть зафиксировано системой

регистрации.

Приборы поляризационные. Внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию на вектор поляризации сигнала.

В приборах могут быть использованы схемы «на прохождение» и «на отражение». Принципиальным положением является такое начальное взаимное расположение плоскостей поляризации излучающей и приемной антенн, когда сигнал в приемной антенне равен нулю. Только при наличии дефекта или структурной неоднородности, меняющих плоскость поляризации излученного сигнала или меняющих вид поляризации (от плоскопараллельной к эллиптической или круговой), в приемной антенне появляется сигнал.

Следует иметь в виду, что среда может оказывать воздействие на направление вращения плоскости поляризации (левое и правое), что также может служить информативным параметром.

Приборы резонансные. В этом случае внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию среды на изменение таких резонансных параметров, как добротность Q, смещение резонансной частоты fрез, распределение поля в резонаторе.

Наибольшее распространение получил цилиндрический резонатор, возбуждаемый на волне типа H01

Преимуществом такого резонатора является возможность использования образцов достаточно больших диаметров и его перестройки с помощью подвижного поршня, особенно бесконтактного.

Приборное преобразование вида волны. Метод основан на том, что волна высшего вида при встрече с дефектом (неоднородностью) «вырождается», т.е. преобразуется в волну основного вида, которая проходит через соответствующий фильтр. В этом случае могут быть использованы схемы

«на отражение», и «на прохождение». Принцип преобразования обеспечивает высокую избирательность по дефектам.

Рис. 1.11 Схема цилиндрического резонатора возбуждаемого на волне типа Н01:

а – распределение поля; б – расположение образца; 2b – диаметр образца;

2а – диаметр резонатора; l – высота резонатора и образца

Лучевые приборы. Внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию среды на направление распространения электромагнитной волны. В приборах используются принципы геометрической оптики, главным образом закон Снелиуса. В этом случае могут быть применены схемы «на отражение» и «на прохождение» (рис. 1.12).

Полезный сигнал является функцией выхода (точка а) из образца сигнала СВЧ.

Квазиоптические приборы. Радиоизображение, сформированное с помощью радиооптических систем (линз, зеркал, объективов), содержит всю информацию об объекте контроля и обеспечивает получение видимого изображения в образах, близких к естественным.

Радиоизображение может быть получено как методом «на отражение», так и методом «на прохождение» (рис 1.13).

Квазиоптический метод может быть использован для исследования близко расположенных объектов (расстояние от плоскости приема до объекта порядка 1 … 4 м) и удаленных на расстояние более 80

Метод применим для волн, длина которых меньше 3 см.

Приборы, работа которых основана на радиоголографическом методе. В этом случае внутреннее состояние объекта контроля определяется либо по интерференционной картине, либо по восстановленному изображению. Первый случай обычно используют для получения информации при сравнении детали с эталоном. Во втором случае анализируют видимое изображение.

Приборы с использованием нескольких частот. В этом методе внутреннее состояние объекта контроля определяется либо по сдвигу резонансной частоты поглощения, либо при сравнении двух или более частот, либо на основе анализа спектра частот.

Основой частотного метода является использование одновременно излучаемого широкого спектра

частот или изменения частоты в определенном интервале, когда полезный сигнал пропорционален изменению амплитуды, частоты, ее смещению по электромагнитному спектру, выделению разностной частоты на нелинейном элементе. Метод может быть совмещен с методами «на отражение» и «на прохождение».

Методы проведения технических экспертиз

Для проведения технических экспертиз применяют две группы методов, различающихся между собой способами проведения необходимых исследований и измерения основных характерис­тик:

· неразрушающие методы, когда все измерения производятся непосредс­твенно на объекте или на конструкции без повреждения элементов;

· разрушающие методы, связанные с отбором проб или образцов из конс­трукций и нарушением сплошности материала.

Неразрушающие методы контроля строительных конструкций широко при­меняются в процессе проведения технических экспертиз зданий и сооружений. Их используют как при приемочном контроле конструкций на заводе-изготови­теле, так и непосредственно на объекте при проведении экспертизы.

По физическим принципам исследований эти методы можно классифици­ровать следующим образом:

1) механические методы;

2) акустические методы;

3) электрофизические методы;

4) методы ионизирующего излучения;

5) радиоволновые методы;

6) тепловые методы;

7) голографические методы;

8) прочие методы.

Механические методы нашли широкое применение в строительстве благодаря своей простоте, удобству и возможности быстро выполнить провер­ку состояния материала в различных точках конструкции. Прежде всего, это оценка прочности бетона с помощью эталонных молотков К.П.Кашкарова и ИЛ.Физделя. По диаметру отпечатков, полученных при ударе молотком, по эмпирическому графику определяется прочность бетона. Для этих целей так­же широко применяются склерометры различных типов. В этих приборах о прочности бетона судят по величине отскока стального бойка. Чаще всего их используют в транспортном строительстве при обследовании мостов.

Акустические ме тоды основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний определяют физико-механические характеристики исследуемого материала. В зависимости от частоты колебаний эти методы делят на ультразвуковые (частота 20 тыс. Гц и выше), звуковые (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковые (до 20 Гц).

Используют акустические методы, главным образом, для выявления и исследования дефектов конструкций (трещин, расслоения, пустот), про­верки качества швов сварных соединений, дефектоскопии клеевых соеди­нений и стыков, определение толщин изделий из металлических сплавов, а также для определения прочностных характеристик бетона по корреля­ционным зависимостям.

Электрофизические методы обследования делят на магнитные, электрические и электромагнитные.

Магнитные методы применяют для определения дефектов в металле, контроле качества сварных швов. Их использование основано на том, что магнитный поток при наличии дефекта конструкции искривляется и рас­сеивается.

С помощью электромагнитных методов можно определить толщину металлических элементов, а также контролировать натяжение арматуры в железобетонных конструкциях. Для выявления положения и глубины за­легания арматуры в железобетонных конструкциях используются прибо­ры магнитно-индукционного типа.

Электромагнитный метод положен в основу определения влажности древесины. По замеренному электрическому сопротивлению можно су­дить о состоянии материала в конструкции, пользуясь соответствующими зависимостями между электропроводностью и влажностью для данного сорта древесины.

Неразрушающий контроль с помощью ионизирующего излучения эффективно используют в процессе обследования строительных конс­трукций для различных целей. Преимущества применения ионизирую­щего излучения заключаются в возможности быстрого и качественного получения определяемых характеристик.

Контроль рентгеновскими и гамма-излучениями применяется для оценки физико-механических характеристик материалов и качества конс­трукций. Прежде всего, с его помощью осуществляют дефектоскопию сварных соединений, а также определение упругой составляющей дефор­мации металла. В бетоне и железобетоне производится определение плот­ности, контроль однородности, а также определение положения и диамет­ра арматуры и толщины защитного слоя бетона.Для просвечивания деталей и конструкций применяют также источники нейтронного излучения . Наиболее эффективным применением нейтронов оказывается при определении влажности материалов - бетона, древесины и др.

Большие перспективы применения имеет радиоволновой метод контроля (СВЧ). С помощью приборов, разработанных на основе этогс метода, можно оценить такие характеристики, как влажность, плотность пористость строительных материалов, толщину защитного слоя в железо­бетонных конструкциях.

Также эффективно применение радиоволнового метода при контроле пластмасс, древесины (в том числе и в клееных конструкциях), бетона, железобетона и других материалов. Радиоволновой метод дает возмож­ность исследовать как начальную стадию зарождения очагов нарушения сплошности конструкций, так и ход дальнейшего развития дефектов.

Широкие перспективы при обследовании ограждающих конструк­ций имеют тепловые методы , на основе которых разработаны специаль­ные приборы - тепловизоры. Они позволяют с высокой точностью прово­дить теплофизические исследования строительных конструкций.

Принцип действия тепловизоров основан на использовании инфра­красного излучения от внешнего источника, отраженного от исследуе­мого материала или прошедшего сквозь него. Применение тепловизоров дает возможность оценить общие теплопотери здания, обнаружить усадку теплоизоляции ограждающих конструкций, исследовать температурные поля, найти пустоты в изоляции, трещины в ограждающих конструкциях, Оценить воздухопроницаемость стыковых соединений.

Перспективными для применения являются также голографические методы , позволяющие получать при изменении условий рассмотрения одной и той же заснятой голограммы объемные изображения такими, какими они видны при различном положении точки наблюдения при не­посредственном рассмотрении объекта.

Существуют и другие методы неразрушающего контроля. Наибо­лее эффективным является комплексное применение различных методов, базирующихся на разных физических принципах, взаимно дополняющих друг друга.

При всех своих достоинствах неразрушающие методы не всегда дают достаточно полную характеристику обследуемого объекта. С их помощью не всегда возможно установить все необходимые физико-механические свойства материала конструкции, а также показатели несущей способнос­ти, жесткости, трещиностойкости и др.

РЕЗУЛЬТАТ ПАТЕНТНОГО ПОИСКА

Был произведен патентный поиск глубиной 14 лет по материалам патентов России. Источником служил основной индекс МПК. В результате поиска был найден следующий патент:

Устройство для измерения параметров диэлектриков.

Регистрационный номер заявки: 2066457.

Дата публикации: 10.09.1996.

Страна публикации: Россия.

Основной индекс МПК: G01R27/26.

Использование: техника измерений СВЧ параметров материалов и антенных обтекателей.

Сущность изобретения: в устройстве, для измерения параметров диэлектриков вдоль всей образующей антенного обтекателя, достигается высокая точность измерений за счет выполнения приемо-передающей антенны в виде зеркальной двухфокусной антенны, согласованной со свободным пространством использования модулированного отражателя, содержащего модулирующий диод и диафрагму малых размеров, и поглотитель, размещенного внутри исследуемого антенного обтекателя в любой его части.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) применяются разнообразные по своему назначению и принципу действия приборы, предназначенные для народного хозяйства, военного дела и научных исследований. Существует ряд устройств СВЧ, в которых применяются диэлектрические материалы. Примером таких устройств являются:

· антенные обтекатели и антенные окна летательных аппаратов авиационной, ракетной и космической техники;

· СВЧ антенны (линзовые, диэлектрические, поверхностных волн и т.п.);

· герметизирующие окна, оболочки малых размеров, вставки, заглушки в каналах ненаправленных излучателей;

· генераторные устройства, устройства управления электромагнитным полем, фазовращатели, ограничители мощности, неотражающие нагрузки;

· индикаторные антенны, зонды, контактные индикаторы комплексов для различных физических исследований.

Необходимым применяемым методом обеспечения качества диэлектрических изделий является их радиоволновый контроль (РВК). По условиям дипломного проекта контроль параметров радиопрозрачных образцов (стенок) должен осуществляться при одностороннем подходе, из-за невозможности размещения приемной антенной системы позади исследуемого образца. В связи с этим, одной из задач дипломного проекта является выбор метода РВК и схемы элементной базы. Также, основываясь на выбранном методе, необходимо разработать структурную и принципиальную электрическую схемы, провести конструктивно-электрический расчет основных функциональных устройств СВЧ тракта.

Основной целью дипломного проекта является разработка конструкции СВЧ модулирующей отражающей части устройства с целью минимизации погрешностей контроля в сравнении с существующими методами.

МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ НА СВЧ

Общие сведения о радиоволновом контроле

Радиоволновый контроль - это определение методами и средствами измерительной техники на сверхвысоких частотах фактических характеристик и параметров объекта контроля. Получаемая при этом информация дает возможность объективно судить о фактическом состоянии исследуемых изделий и материалов.

Физической основой радиоволнового контроля на СВЧ является взаимодействие электромагнитных волн диапазона СВЧ с объектом контроля. Поэтому возможности и ограничения РВК зависят от вида и относительной интенсивности такого взаимодействия, которое может быть установлено экспериментально методами и средствами измерений на СВЧ.

Все измерения на СВЧ при РВК - это косвенные измерения, так как характеристики и параметры объекта контроля определяются путем соответствующих дополнительных вычислений через измеряемые радиотехнические характеристики электромагнитного поля или радиоволны.

Радиоволновые методы основаны на использовании взаимодействия радиоизлучений с материалами контролируемыми изделиями. Это взаимодействие может носить характер взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления), относящиеся к классу радиооптических процессов или взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы). Диапазон длин волн, используемых в РВК, составляет 1…100 мм (в вакууме), что соответствует частотам 300…3 ГГц.

Отдельные устройства радиоволнового контроля могут работать на частотах f, выходящих за пределы этого диапазона, однако чаще всего для неразрушающего контроля используют трехсантиметровый диапазон (fср? 10 ГГц) и восьмимиллиметровый диапазон (fср? 35 ГГц). Эти два диапазона наиболее освоенные и обеспеченные хорошим набором элементов и измерительной аппаратурой.

Особенности радиоволн СВЧ диапазона:

· СВЧ диапазон обеспечен большим перепадом мощностей генерируемых волн, что позволяет контролировать материалы и среды различной степени прозрачности;

· радиоволны СВЧ могут быть генерированы в виде когерентных поляризованных гармонических колебаний (волн), а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;

· с помощью радиоволн СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту;

· радиоволны СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близко расположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики;

· информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров СВЧ зондирующего сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте;

· применение радиоволн СВЧ обеспечивает весьма малую инерционность контроля, что позволяет наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;

· аппаратура СВЧ диапазона может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации.

С точки зрения теоретической электродинамики задача контроля сред методами СВЧ может быть сформулирована в виде граничной задачи во взаимодействии конкретных типов электромагнитных волн определенного вида поляризации с ограниченными или полуограниченными в пространстве объемами этих сред, имеющими разнообразные геометрические формы, свойства поверхности и диэлектрические свойства, изменяющиеся при изменении структуры сред. Результаты взаимодействия зависят от геометрии объектов контроля от значений их диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые, в свою очередь, определяются кристаллической структурой, степенью однородности, влагосодержанием материала объекта контроля и др .