RU2759151C1 - Ultrahigh frequency device for determining electrophysical parameters for evaluating defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings - Google Patents
Ultrahigh frequency device for determining electrophysical parameters for evaluating defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings Download PDFInfo
- Publication number
- RU2759151C1 RU2759151C1 RU2020137970A RU2020137970A RU2759151C1 RU 2759151 C1 RU2759151 C1 RU 2759151C1 RU 2020137970 A RU2020137970 A RU 2020137970A RU 2020137970 A RU2020137970 A RU 2020137970A RU 2759151 C1 RU2759151 C1 RU 2759151C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- microwave
- input
- switching unit
- coatings
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 230000007547 defect Effects 0.000 title abstract description 18
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 27
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 9
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000003973 paint Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 20
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 19
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/02—Food
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение может быть использовано для определения электрофизических параметров, обнаружения и оценки дефектов в многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на поверхности металла при разработке многослойных радиопоглощающих покрытий в авиации, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.The proposed invention can be used to determine electrophysical parameters, detect and evaluate defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings on a metal surface when developing multilayer radio-absorbing coatings in aviation, as well as in chemical, paint and varnish and other industries.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является СВЧ-устройство для измерения электрофизических параметров и обнаружения неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле [Патент RU №2594761, МПК7 G01N 22/02, G01R 27/26, 20.08.2016. Бюл. №23], содержащее последовательно соединенные, СВЧ-генератор, блок коммутации антенн, имеющий N-выходов, а также N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, при этом n-выход блока коммутации, где соединен с входом соответствующей антенны, приемную антенну E-волн, приемную антенну Н-волн, последовательно соединенных блока управления, блока синхронизации, механизма перемещения, взаимодействующих с приемными антеннами, а также блока обработки сигналов.The closest in technical essence to the proposed invention is a microwave device for measuring electrophysical parameters and detecting inhomogeneities in dielectric and magnetodielectric coatings on metal [Patent RU No. 2594761, IPC 7 G01N 22/02, G01R 27/26, 08/20/2016. Bul. No. 23], containing a series-connected microwave generator, an antenna switching unit having N-outputs, as well as N-antennas for exciting slow surface waves, placed in the azimuthal plane in a circle, while the n-output of the switching unit, where connected to the input of the corresponding antenna, the receiving antenna of E-waves, the receiving antenna of H-waves, the serially connected control unit, the synchronization unit, the movement mechanism interacting with the receiving antennas, as well as the signal processing unit.
Недостатком данного устройства для измерения электрофизических параметров и обнаружения неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле является низкая точность определения электрофизических параметров многослойных покрытий, низкая вероятность обнаружения в них межслойных дефектов, а также низкая точность оценки их геометрических параметров (высот) и положения относительно слоев многослойного диэлектрического покрытия, обусловленные тем, что при реализации на устройстве многочастотных измерений в широкой полосе частот, погрешности измерения коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны могут значительно отличаться в пределах ширины полосы частот измерений, из-за использования отдельного генератора и блока детектирования, которые не связаны между собой кольцом обратной связи.The disadvantage of this device for measuring electrophysical parameters and detecting inhomogeneities in dielectric and magnetodielectric coatings on a metal is the low accuracy of determining the electrophysical parameters of multilayer coatings, a low probability of detecting interlayer defects in them, as well as a low accuracy of assessing their geometric parameters (heights) and position relative to layers of a multilayer dielectric coating due to the fact that when implementing multifrequency measurements on a device in a wide frequency band, the errors in measuring the attenuation coefficients of the surface electromagnetic wave field can differ significantly within the measurement bandwidth, due to the use of a separate generator and a detecting unit, which are not related between a feedback ring.
Кроме того, устройство обладает низким быстродействием, так как при оценке электрофизических параметров многослойных покрытий и оценки в них межслойных дефектов, требуются измерения коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны в каждой точке сканирования исследуемого покрытия на нескольких частотах в широкой полосе частот, при этом установка заданной частоты СВЧ-генератора и коммутация приемных антенн Е- и Н-волн осуществляется оператором производящим измерения.In addition, the device has a low response rate, since when evaluating the electrophysical parameters of multilayer coatings and evaluating interlayer defects in them, it is necessary to measure the attenuation coefficient of the surface electromagnetic wave field at each scan point of the coating under study at several frequencies in a wide frequency band, while setting the specified frequency The microwave generator and the commutation of the receiving antennas of the E- and H-waves are carried out by the operator performing the measurements.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности устройства, увеличение точности определения электрофизических параметров слоев многослойных покрытий, повышение вероятности обнаружения в них межслойных дефектов, а также точности оценки их геометрических параметров (высот) и положения относительно слоев многослойного диэлектрического покрытия.The technical result of the proposed invention is to increase the speed and reliability of the device, increase the accuracy of determining the electrophysical parameters of the layers of multilayer coatings, increase the probability of detecting interlayer defects in them, as well as the accuracy of assessing their geometric parameters (heights) and position relative to the layers of a multilayer dielectric coating.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное СВЧ-устройство для измерения электрофизических параметров и обнаружения неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле, состоящее из последовательно соединенных СВЧ-генератора, блока коммутации антенн, имеющего N-выходов, а также N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, при этом n-выход блока коммутации, где соединен с входом соответствующей антенны, приемную антенну E-волн, приемную антенну H-волн, последовательно соединенных блока управления, блока синхронизации, механизма перемещения, взаимодействующих с приемными антеннами, а также блока обработки сигналов, дополнительно введены, блок СВЧ, включенный последовательно между выходом СВЧ-генератора и первым входом блока коммутации антенн, блок коммутации приемных антенн и СВЧ-приемник, причем первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока управления соединены со входом СВЧ-генератора, третьим входом блока СВЧ, третьим входом блока коммутации приемных антенн, вторым входом блока коммутации антенн, входом блока синхронизации и вторым входом механизма перемещения, соответственно, выходы приемных антенн Е- и Н-волн соединены с первым и вторым входом блока коммутации приемных антенн, соответственно, выход блока коммутации приемных антенн соединен со вторым входом блока СВЧ, первый и второй выходы блока СВЧ соединены со входом СВЧ-приемника и первым входом блока коммутации антенн, соответственно, первый, второй и третий выходы блока синхронизации соединены с первым входом механизма перемещения, вторым входом блока обработки сигналов и четвертым входом блока СВЧ, соответственно, а выход СВЧ-приемника соединен с первым входом блока обработки сигналов.The specified technical result is achieved by the fact that a known microwave device for measuring electrophysical parameters and detecting inhomogeneities in dielectric and magnetodielectric coatings on metal, consisting of a series-connected microwave generator, an antenna switching unit having N-outputs, and N-excitation antennas slow surface waves placed in the azimuthal plane in a circle, while the n-output of the switching unit, where connected to the input of the corresponding antenna, the receiving antenna of E-waves, the receiving antenna of H-waves, the serially connected control unit, the synchronization unit, the movement mechanism interacting with the receiving antennas, as well as the signal processing unit, additionally introduced, the microwave unit connected in series between the output The microwave generator and the first input of the antenna switching unit, the receiving antenna switching unit and the microwave receiver, the first, second, third, fourth, fifth and sixth outputs of the control unit are connected to the input of the microwave generator, the third input of the microwave unit, the third input of the switching unit receiving antennas, the second input of the antenna switching unit, the input of the synchronization unit and the second input of the movement mechanism, respectively, the outputs of the receiving antennas of the E- and H-waves are connected to the first and second inputs of the switching unit of the receiving antennas, respectively, the output of the switching unit of the receiving antennas is connected to the second the input of the microwave unit, the first and second outputs of the microwave unit are connected to the SV input Ch-receiver and the first input of the antenna switching unit, respectively, the first, second and third outputs of the synchronization unit are connected to the first input of the movement mechanism, the second input of the signal processing unit and the fourth input of the microwave unit, respectively, and the output of the microwave receiver is connected to the first input of the unit signal processing.
Сущность изобретения состоит в следующем. Введение в состав устройства-прототипа СВЧ-приемника и блока СВЧ, реализует кольцо обратной связи между СВЧ-генератором и блоком СВЧ за счет обеспечения измерения комплексного коэффициента передачи (S-параметра S12) измерительного сигнала генератора СВЧ по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ» на нескольких частотах в одном цикле измерения. При этом оценка коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны, проводится не по прямым измерениям значений напряженностей электрического поля поверхностной электромагнитной волны отдельным блоком детектирования, а по значениям коэффициентов передачи S12 измерительного СВЧ сигнала по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ». Это позволяет на аппаратном уровне корректировать и исключать систематические погрешности измерения при измерениях коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны на нескольких частотах и, соответственно, повысить точность определения электрофизических параметров многослойных диэлектрических покрытий. Реализация измерения во всех заданных частотных точках в одном цикле измерения и использование аппаратной коммутации приемных антенн, позволяет повысить быстродействие и надежность и устройства, а также сократить время проведения измерений при контроле многослойных диэлектрических покрытий.The essence of the invention is as follows. The introduction of a microwave receiver and a microwave unit into the prototype device, implements a feedback loop between the microwave generator and the microwave unit by ensuring the measurement of the complex transmission coefficient (S-parameter S 12 ) of the measuring signal of the microwave generator along the path: "microwave generator - microwave unit - antenna switching unit - slow surface wave excitation antenna - investigated multilayer coating - receiving antenna - receiving antenna switching unit - microwave unit "at several frequencies in one measurement cycle. In this case, the assessment of the attenuation coefficient of the surface electromagnetic wave field is carried out not by direct measurements of the electric field strengths of the surface electromagnetic wave by a separate detection unit, but by the values of the transmission coefficients S 12 of the measuring microwave signal along the path: "Microwave generator - microwave unit - antenna switching unit - Slow surface wave excitation antenna - investigated multilayer coating - receiving antenna - receiving antenna switching unit - microwave unit ”. This makes it possible at the hardware level to correct and eliminate systematic measurement errors when measuring the attenuation coefficient of a surface electromagnetic wave at several frequencies and, accordingly, to increase the accuracy of determining the electrophysical parameters of multilayer dielectric coatings. The implementation of measurements at all specified frequency points in one measurement cycle and the use of hardware switching of receiving antennas, allows to increase the speed and reliability of the device, as well as to reduce the measurement time when inspecting multilayer dielectric coatings.
Схема СВЧ-устройства для определения электрофизических параметров и оценки дефектов в многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях показана на фиг., где введены следующие обозначения: 1 - блок коммутации приемных антенн, 2 - приемная антенна Е-волн, 3 - приемная антенна H-волн, 4 - механизм перемещения, 5 - СВЧ-генератор, 6 - блок СВЧ, 7 - блок коммутации антенн, 8 - N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, 9 - исследуемое многослойное покрытие, 10 - СВЧ-приемник, 11 - блок управления, 12 - блок синхронизации, 13 - блок обработки сигналов.The diagram of a microwave device for determining the electrophysical parameters and assessing defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings is shown in Fig., Where the following designations are introduced: 1 - switching unit of receiving antennas, 2 - receiving antenna of E-waves, 3 - receiving antenna of H-waves, 4 - movement mechanism, 5 - microwave generator, 6 - microwave unit, 7 - antenna switching unit, 8 - N-antennas for excitation of slow surface waves, located in the azimuthal plane in a circle, 9 - investigated multilayer coating, 10 - microwave receiver , 11 - control unit, 12 - synchronization unit, 13 - signal processing unit.
СВЧ-генератор 5 представляет собой программно-управляемый источник измерительного сигнала СВЧ и предназначен для питания антенн возбуждения медленных поверхностных волн.The
Блок СВЧ 6 представляет собой измерительный СВЧ-тракт устройства и предназначен для выделения сигналов падающей и отраженной волны от антенн возбуждения медленных поверхностных волн 8, а также проходящей волны по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ».The
СВЧ-приемник 10 предназначен для измерения по сигналам падающей, отраженной и прошедшей волн, поступающих с блока СВЧ, коэффициента передачи S12 измерительного сигнала от СВЧ-генератора 5 по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - передающая антенна - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ», для всех заданных частот k=1, 2, …, L.The
СВЧ-генератор 5, блок СВЧ 6 и СВЧ-приемник 10 можно реализовать на основе векторного анализатора электрических цепей, например, типа НР8720 [Данилин А.А. Измерения в технике СВЧ. М.: Радиотехника, 2008. 183 с, С. 76-80].
Блок управления 11 предназначен для:
- автоматического переключения выходов блока коммутации приемных антенн 1 и блока коммутации антенн возбуждения медленных поверхностных волн 7;- automatic switching of the outputs of the receiving
- автоматической установки рабочей частоты генератора СВЧ 5;- automatic setting of the operating frequency of the
- формирования управляющего сигнала для включения блока СВЧ 6;- generating a control signal to turn on the
- формирования управляющего сигнала для включения блока синхронизации 12;- generating a control signal to turn on the
- формирования сигналов для автоматического управления механизмом перемещения 4.- generating signals for automatic control of the
- формирования сигнала задержки для механизма перемещения 4, при измерениях на нескольких частотах.- formation of a delay signal for the
Блок управления 11 может быть реализован на основе персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) и многофункционального модуля ввода-вывода PXI типа PXI-6229 компании National Instruments [Device specification NI 6229 / https://www.ni.com/pdf/manuals/375204c.pdf], имеющего 48 двунаправленных цифровых канала. В качестве программного обеспечения блока управления 11, может быть использована, например, среда разработки LabView [Официальный сайт среды разработки Lab View https://www.ni.com/ru-ru/shop/labview.html].
N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн 8, размещенных в азимутальной плоскости по кругу присущи аналогу.N-antennas excitation of
Блок коммутации N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн 7 и блок коммутации приемных антенн 1, присущи блоку коммутации антенн возбуждения медленных поверхностных волн аналога и могут быть реализованы, например, на основе микрополосковых ферритовых Y-циркуляторов [С. 89-102, Дмитренко Г.В. Проектирование полосковых устройств СВЧ: Учеб. пособие / Г.В. Дмитриенко; М-во образования Рос. Федерации. Ульян, гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2001. 112 с.], соединенных по диаграммообразующей матричной схеме Батлера [С. 9, Антенные решетки с электрическим сканированием / Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Тематический выпуск. Перевод с английского журнала Proceedings of the IEEE Vol. 56, No 11, November 1968. Под ред. И.Б. Абрамова, Л.С. Бененсона. М. Мир. 376 с.], дешифратора с использованием микросхем типа SN74LS145N по одному из вариантов схем приведенных в [Рюмик СМ. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Выпуск 2. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2011. С. 210-212] и управляемых вентилей на pin-диодах.The unit for switching N-antennas for excitation of
Приемные антенны Е и Н волн, а также механизм их перемещения 4 присущи аналогу. При этом механизм перемещения может быть реализован, например, на основе системы из трех шаговых двигателей [Дж. Вильяме Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. М.: NT Press, 2006. С. 127-167]. Каждый из них перемещает приемную антенну Е и Н волн по координатам X, Y, Z соответственно. Механизм перемещения приемных антенн может быть построен на основе шаговых электродвигателей типа High-Resolution Type PK246PB фирмы Orientalmotor и микросхем L297, L298N и LMD18T245 [Дж. Вильяме Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. М.: NT Press, 2006. С. 127-167].Receiving antennas of E and H waves, as well as the mechanism of their
Управление шаговыми двигателями механизма перемещения 4 с блока управления 11 осуществляется подачей управляющих сигналов с платы сбора данных PXI-6229.The stepper motors of the
Блок синхронизации 12 предназначен для одновременного включения в работу блока СВЧ 6 и механизма перемещения приемных антенн 4, при измерениях на частотах k=1, 2, …, L. Блок синхронизации, например, может быть реализован на основе микроконтроллера. При этом синхронизация осуществляется путем одновременной подачей цифрового кода с портов ввода-вывода блока управления 11 на механизм перемещения 4 и блок СВЧ 6. Одновременная подача сигналов на порты ввода-вывода микроконтроллера устройства синхронизации 12 осуществляется на основе собственного внутреннего тактового сигнала блока управления 11, на основе многофункционального модуля ввода-вывода PXI типа PXI-6229 компании National Instruments [Device specification NI 6229 / https://www.ni.com/pdf/manuals/375204c.pdf], имеющего 48 двунаправленных цифровых канала.The
Блок обработки сигналов 13 предназначен для определения коэффициентов затухания поля поверхностной медленной электромагнитной волны по нормали (ось Y) к поверхности покрытия для всех заданных частот k=1, 2, …, L, определения по ним электрофизических параметров и оценки дефектов в исследуемом многослойном диэлектрическом или магнитодиэлектрическом покрытии по методике приведенной в [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента ослабления поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника, 2019. №9. С. 39-45; Казьмин А.И., Федюнин П.А. Контроль дефектов в многослойных диэлектрических материалах СВЧ-методом // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020. Том 86. №2. С. 37-43].
Блок обработки сигналов 13, может быть реализован, например, на основе персональной электронной вычислительной машины и подпрограммы реализующей определение электрофизических параметров и оценку межслойных дефектов многослойного покрытия в данной точке измерения по методике, заключающейся в минимизации целевой функции, построенной по невязке между экспериментально полученными и вычисленными теоретическими значениями коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны на частотах k=1, 2, …, L [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента ослабления поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника, 2019. №9. С. 39-45; Казьмин А.И., Федюнин П.А. Контроль дефектов в многослойных диэлектрических материалах СВЧ-методом // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020. Том 86. №2. С. 37-43]:The
где - расстояние между экспериментально полученными и вычисленными теоретическими значениями коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны в области допустимых значений - частота зондирующего сигнала; - 3n-мерный вектор описывающий электрофизические параметры n-слойного покрытия, - комплексные относительные диэлектрические и магнитные проницаемости, b2n+1, …, b3n - толщины слоев материала; - вектор геометрических параметров дефектов (величин отслоений и расслоений в покрытии);where - the distance between the experimentally obtained and calculated theoretical values attenuation coefficients of the surface electromagnetic wave field in the range of permissible values - the frequency of the probing signal; - 3n-dimensional vector describing the electrophysical parameters of the n-layer coating, - complex relative dielectric and magnetic permeabilities, b 2n + 1 ,…, b 3n - thickness of material layers; - vector of geometric parameters of defects (values of delamination and delamination in the coating);
Определение экспериментальных коэффициентов затухания поля поверхностной медленной электромагнитной волны по нормали (ось Y) к поверхности покрытия в блоке обработке сигналов 13 можно определить по формуле [С. 122, Федюнин П.А.. Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. 189 с.], заменив в ней значения напряженности электрического поля поверхностной электромагнитной волны на измеренные значения коэффициентов передачи S12:Determination of the experimental attenuation coefficients of the surface slow electromagnetic wave along the normal (Y-axis) to the coating surface in the
где r - расстояние (шаг) между точками измерений; - коэффициент передачи по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ», при расстоянии приемной антенны от поверхности у, на частоте - коэффициент передачи по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ» при расстоянии приемной антенны от поверхности у+r, на частоте .where r is the distance (step) between the measurement points; - transmission coefficient along the path: "microwave generator - microwave unit - antenna switching unit - antenna excitation of a slow surface wave - investigated multilayer coating - receiving antenna - receiving antenna switching unit - microwave unit", at a distance of the receiving antenna from the surface y, at a frequency - transmission coefficient along the path: "microwave generator - microwave unit - antenna switching unit - slow surface wave excitation antenna - investigated multilayer coating - receiving antenna - receiving antenna switching unit - microwave unit" at a distance of the receiving antenna from the surface y + r, at frequency ...
Предлагаемое СВЧ-устройство для определения электрофизических параметров и оценки дефектов в многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях работает следующим образом.The proposed microwave device for determining electrophysical parameters and assessing defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings operates as follows.
Перед началом проведения измерений в блок управления 11 вводятся исходные данные: заданные рабочие частоты k=1, 2, …, L, где L - количество частот, координаты перемещения приемных антенн Е и Н-волн в пределах зоны действия каждой из N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, а также загружается управляющая программа. Начинается последовательное выполнение управляющей программы блоком управления 11.Before starting the measurements, the initial data is entered into the control unit 11: the specified operating frequencies k = 1, 2, ..., L, where L is the number of frequencies, the coordinates of the movement of the receiving antennas E and H-waves within the coverage area of each of the N-antennas for the excitation of slow surface waves, and the control program is also loaded. The sequential execution of the control program by the
Сигналом с блока управления 11 производится установка первой из L рабочих частот ƒ1 СВЧ-генератора 5. С выхода СВЧ-генератора измерительный сигнал на частоте ƒ1 поступает на первый вход блока СВЧ 6.The signal from the
Измерительный сигнал СВЧ-генератора, со второго выхода блока СВЧ 6 поступает на блок коммутации антенн 7. Производится активизация первого выхода блока коммутации антенн 7 путем подачи цифрового кода, соответствующего первому выходу, с четвертого выхода блока управления 11. При этом первая из N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн 8 включается в работу.The measuring signal of the microwave generator from the second output of the
Первой из N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн в исследуемом многослойном покрытии, производится возбуждение поверхностной электромагнитной волны Е- или H-типов на частоте измерительного сигнала ƒ1. Соответствующей приемной антенной (Е или Н волн) осуществляется прием измерительного сигнала поверхностной электромагнитной волны на частоте ƒ1. С блока управления 11 производится включение соответствующего входа блока коммутации приемных антенн 1 и сигнал с соответствующей приемной антенны поступает на второй вход блока СВЧ 6, для выделения сигнала проходящей волны по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - передающая антенна - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ».The first of the N-antennas for the excitation of slow surface waves in the investigated multilayer coating is the excitation of an E- or H-type surface electromagnetic wave at a frequency of the measuring signal ƒ 1 . The corresponding receiving antenna (E or H waves) receives the measuring signal of the surface electromagnetic wave at a frequency ƒ 1 . From the
В блоке СВЧ 6 выделяются сигналы падающей, отраженной и проходящей волны. Далее они поступают в СВЧ приемник 10, где производится оценка коэффициента передачи S12 волны по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ» на частоте ƒ1 и передача полученного значения в блок обработки сигналов 13, для запоминания и дальнейшей обработки.In the
После завершения измерения коэффициента передачи S12 на частоте ƒ1 производится их измерение для всех заданных частот S12 k=1, 2, …, L.After completion of the measurement of the transmission coefficient S 12 at a frequency ƒ 1 , they are measured for all specified frequencies S 12 k = 1, 2, ..., L.
По сигналу с блока управления 11 механизмом перемещения 4 производится перемещение соответствующей приемной антенны по нормали вверх над поверхностью покрытия на расстояние d выше первоначального значения (y+d) и производится аналогичный цикл измерений коэффициентов передачи S12 для всех заданных частот ƒk=1, 2, …, L.According to the signal from the
При этом блок синхронизации 12 формирует цифровой код для синхронизированного одновременного включения в работу блока СВЧ 6 и механизма перемещения 4.In this case, the
Значения коэффициентов передачи S12 для всех заданных частоту k=1, 2, …, L запоминаются в блоке обработке сигналов 13, и по ним производится определение экспериментальных коэффициентов затухания поля поверхностной медленной электромагнитной волны по нормали (ось Y) к поверхности покрытия для всех заданных частот k=1, 2, …, L.The values of the transmission coefficients S 12 for all given frequencies k = 1, 2, ..., L are stored in the
На основе полученного ряда экспериментальных значений коэффициентов затухания k=1, 2, …, L, в блоке обработке сигналов 13 производится определение электрофизических параметров и оценка межслойных дефектов многослойного покрытия в данной точке измерения.Based on the obtained series of experimental values of the damping coefficients k = 1, 2, ..., L, in the
Таким образом, в данной точке измерения многослойного покрытия за один цикл работы устройства реализуется высокоточное многочастотное измерение коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны k=1, 2, …, L, и определение по ним электрофизических параметров и оценка межслойных дефектов многослойного покрытия.Thus, at a given point of measurement of a multilayer coating in one cycle of operation of the device, a high-precision multifrequency measurement of the attenuation coefficients of the field of a surface electromagnetic wave is realized k = 1, 2, ..., L, and determination of the electrophysical parameters from them and assessment of interlayer defects of a multilayer coating.
Для определения электрофизических параметров и оценки дефектов во всех заданных точках на поверхности исследуемого многослойного покрытия производится активизация второго выхода блока коммутации антенн, путем подачи цифрового кода, соответствующего второму выходу, с блока управления 11. При этом вторая из N-антенн возбуждения поверхностных волн включается в работу, а первая отключается и повторяется алгоритм работы управляющей программы, рассмотренный выше, только для второй антенны возбуждения поверхностных волн.To determine the electrophysical parameters and assess defects at all specified points on the surface of the multilayer coating under study, the second output of the antenna switching unit is activated by supplying a digital code corresponding to the second output from the
Аналогично активизацией выходов блока коммутации антенн производится последовательное включение остальных N-антенн возбуждения поверхностных волн. Алгоритм работы устройства для каждой из N антенн возбуждения поверхностных волн аналогичен, рассмотренным выше.Similar to activation of outputs the antenna switching unit sequentially turns on the remaining N-antennas for excitation of surface waves. The operation algorithm of the device for each of the N antennas for excitation of surface waves is similar to those discussed above.
Таким образом, в устройстве реализуется синхронизированное аппаратно-программное определение коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны на нескольких частотах k=1, 2, …, L, в одном цикле измерения, что позволяет повысить быстродействие и надежность устройства, расширить его функциональные возможности, за счет возможности оценки электрофизических параметров многослойных покрытий, повысить точность их определения, а также повысить вероятность обнаружения в них межслойных дефектов, точность оценки их геометрических параметров (высот) и положения относительно слоев многослойного диэлектрического покрытия.Thus, the device implements a synchronized hardware-software determination of the attenuation coefficients of the surface electromagnetic wave field at several frequencies k = 1, 2, ..., L, in one measurement cycle, which makes it possible to increase the speed and reliability of the device, expand its functionality, due to the possibility of assessing the electrophysical parameters of multilayer coatings, increase the accuracy of their determination, and also increase the probability of detecting interlayer defects, the accuracy of assessing their geometric parameters (heights) and position relative to the layers of a multilayer dielectric coating.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020137970A RU2759151C1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | Ultrahigh frequency device for determining electrophysical parameters for evaluating defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020137970A RU2759151C1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | Ultrahigh frequency device for determining electrophysical parameters for evaluating defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2759151C1 true RU2759151C1 (en) | 2021-11-09 |
Family
ID=78466936
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020137970A RU2759151C1 (en) | 2020-11-18 | 2020-11-18 | Ultrahigh frequency device for determining electrophysical parameters for evaluating defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2759151C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0395455A (en) * | 1989-09-07 | 1991-04-19 | Maki Seisakusho:Kk | Checking apparatus of inner quality of fruit or vegetable |
US6249129B1 (en) * | 1997-11-28 | 2001-06-19 | Berthold Gmbh & Co. Kg | Device for transmission measurement with the aid of microwaves |
US6456093B1 (en) * | 1999-09-17 | 2002-09-24 | SIK - Institut för livsmedel och biotecknik AB | Apparatus and method for detection of foreign bodies in products |
EP1601948A2 (en) * | 2003-03-10 | 2005-12-07 | Sionex Corporation | Systems for differential ion mobility analysis |
RU2380687C2 (en) * | 2007-12-28 | 2010-01-27 | Владимир Владимирович Филатов | Method of electrophysical characterisation of dispersed materials |
RU2594761C1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-08-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Microwave device for measurement of electrophysical parameters and detection of non-uniformities in dielectric and magneto-electric coatings on metal |
-
2020
- 2020-11-18 RU RU2020137970A patent/RU2759151C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0395455A (en) * | 1989-09-07 | 1991-04-19 | Maki Seisakusho:Kk | Checking apparatus of inner quality of fruit or vegetable |
US6249129B1 (en) * | 1997-11-28 | 2001-06-19 | Berthold Gmbh & Co. Kg | Device for transmission measurement with the aid of microwaves |
US6456093B1 (en) * | 1999-09-17 | 2002-09-24 | SIK - Institut för livsmedel och biotecknik AB | Apparatus and method for detection of foreign bodies in products |
EP1601948A2 (en) * | 2003-03-10 | 2005-12-07 | Sionex Corporation | Systems for differential ion mobility analysis |
RU2380687C2 (en) * | 2007-12-28 | 2010-01-27 | Владимир Владимирович Филатов | Method of electrophysical characterisation of dispersed materials |
RU2594761C1 (en) * | 2015-05-19 | 2016-08-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Microwave device for measurement of electrophysical parameters and detection of non-uniformities in dielectric and magneto-electric coatings on metal |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9081045B2 (en) | High frequency analysis of a device under test | |
Arboleya et al. | Millimeter and submillimeter planar measurement setup | |
US11131701B1 (en) | Multi-probe anechoic chamber for beam performance testing of an active electronically steered array antenna | |
RU2759151C1 (en) | Ultrahigh frequency device for determining electrophysical parameters for evaluating defects in multilayer dielectric and magnetodielectric coatings | |
US12301296B2 (en) | Phase calibration method and apparatus for phased array antenna | |
Snastin et al. | Calibration of a Planar Scanner for Near-Field Antenna Measurements | |
RU2326393C2 (en) | Method of determination of position of antenna phase centre | |
Gkatsi et al. | Evaluation of EM Vehicle Environment Measurement Methods for Risk-based EMC Analysis | |
RU2332685C1 (en) | Device for measuring effective reflecting area of objects | |
KR102124068B1 (en) | Apparatus and method for testing the performance of an fmcw radar proximity sensor | |
RU2594761C1 (en) | Microwave device for measurement of electrophysical parameters and detection of non-uniformities in dielectric and magneto-electric coatings on metal | |
CN117521333A (en) | Uncertainty evaluation method introduced by near field-far field transformation algorithm in near field method directivity diagram measurement | |
CN117590093A (en) | Phased array antenna near field test system and method | |
Al-Mattarneh | Surface electromagnetic sensor for evaluation of construction material | |
Liu et al. | Antenna planar near-field measurement system using robotics | |
RU2084876C1 (en) | Microwave imager | |
Chen et al. | Examination of EMC chamber qualification methodology for applications above 1 GHz using frequency domain mode filtering | |
Zhang et al. | Research on the measurement of antennas radiation characteristics based on small unmanned aerial vehicle platform | |
Wei et al. | An Efficient Electromagnetics Measurement of 3D Bistatic Scattering Problem at Oblique Incident | |
RU2721472C1 (en) | Method of determining dielectric permeability of anisotropic dielectrics | |
RU2750119C1 (en) | Method for determining complex dielectric permeability and thickness of multilayer dielectric coatings in microwave range | |
Mysorekar et al. | Design and Implementation of a Portable Network Analyzer for In-line Sensor Measurements | |
RU2730053C1 (en) | Method of detecting and evaluating defects in multilayer dielectric coatings in microwave range | |
Baskakova et al. | Investigation of waveguide sensors for ultra-short-distance measurements | |
Bittera et al. | Directivity error of broadband antennas at EMI measurement |