Радіофізичні методи діагностики матеріалів і середовищ



Сторінка5/24
Дата конвертації09.03.2016
Розмір5.77 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

2.4 Загальні питання побудови апаратури радіохвильового контролю


У контрольованих об'єктах, як правило, можуть бути доступними одна або дві поверхні, що визначає можливість застосування контролю лише за відбитим або за відбитим і прохідним випромінюваннями. Контроль за прохідним випромінюванням вимагає більш широкого простору, але кращий, оскільки можливе істотне зниження впливу переміщень контрольованих об'єктів між антенами випромінювальними та приймальними. Найбільш детальну інформацію про контрольований об'єкт дає застосування багатоелементних антен, що вирішують завдання контролю внутрішньої будови об'єкта [1; 9].

Завдання структуроскопії, товщинометрії та дефектоскопії можна вирішувати за допомогою використання одно- та багатоканальних пристроїв (рис. 2.2 у варіанті радіохвильового контролю за прохідним випромінюванням).

а б

Рисунок 2.2 – Схеми радіохвильового контролю: а – одноканального; б – багатоканального (1 – НВЧ-генератор, 2 – випромінювальні системи, 3 – контрольований об'єкт, 4 – приймальна система, 5 – блоки обробки сигналів)


Вибір робочої частоти (трисантиметрового або восьмиміліметрового діапазону) обумовлений як загальними вимогами щодо розв'язуваної контрольно-вимірювальної задачі (геометричні розміри, необхідна роздільна здатність апаратури, зона контролю і т. д.), так і значеннями електромагнітних параметрів на даній робочій частоті.

Оскільки НВЧ-коливання в міру проникнення вглиб матеріалу контрольованого об'єкта зменшуються за амплітудою, відбиті сигнали зі збільшенням товщини зменшуються, і, починаючи з деякої товщини, контроль стає важким. Оцінку загасання НВЧ-коливань можна провести, визначивши глибину проникнення НВЧ-поля для плоскої хвилі з виразу [17]:

, (2.13)

а потім урахувати, що хвиля близька до циліндричної або сферичної та сигнали будуть додатково знижуватися за рахунок геометричного фактора.

Великою галуззю застосування радіохвильового методу є контроль фізичних величин, що характеризують матеріал або його стан. За необхідності отримати підвищену точність вимірювання фізичних величин застосовують двоканальні прилади типу інтерферометрів у поєднанні з компенсаційними способами вимірювань. Найбільшого поширення набули пристрої для вимірювання щільності матеріалів на основі вимірів діелектричної проникності, вологості матеріалів і покриттів, оцінки механічних характеристик композиційних матеріалів, напівфабрикатів і виробів.

  1. 2.5 Особливості взаємодії радіохвильового випромінювання з об'єктами контролю


Контрольований об'єкт, приймальний та випромінювальний пристрої при радіохвильовому контролі знаходяться, як правило, у ближній зоні, де структура електромагнітного поля носить складний характер і строгий аналіз неможливий.

Тому питання взаємодії об'єктів контролю з електромагнітним НВЧ-полем вирішуються експериментально або наближеними методами. Якщо відстані між кордонами різних середовищ сумірні або на багато більші порівняно з довжиною хвилі НВЧ-коливань у матеріалі, а кожна із середовищ однорідна, використовують закони геометричної оптики. При цьому вважають, що в межах однорідного середовища НВЧ-випромінювання поширюється прямолінійно і напрямки падаючої, відбитої та заломленої хвиль (у всіх середовищах 1–3) лежать в одній площині (у площині креслення на рис. 2.3) і тоді справедливі такі співвідношення, що виконуються незалежно від поляризації падаючої хвилі [1, 9].

При відбитті радіохвилі від межі розділу двох середовищ кут падіння дорівнює куту відбиття, тобто . Промінь, що пройшов у інше середовище, заломлюється на межі розділу середовищ так, що кут падіння і кут заломлення пов'язані виразами

, , , (2.14)

де N – відносний коефіцієнт заломлення; , – коефіцієнти заломлення середовища 1 і 2 відповідно.

Рисунок 2.3 – Взаємодія випромінювання з пластиною


Із виразу (2.15) можна отримати

. (2.15)


Складова поля у відбитій і заломленій хвилях залежить як від параметрів середовищ, так і від поляризації падаючої хвилі. Напруженість електричного поля характеризує коефіцієнти відбиття та заломлення хвиль:

, . (2.16)

Коефіцієнти відбиття і заломлення (2.16) для різних варіантів положення вектора напруженості електричного поля можуть бути розраховані, якщо відомі імпеданс (хвильові опори) середовищ. Якщо вектор напруженості електричного поля лежить у площині падіння, то

, (2.17)


. (2.18)

Якщо вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до площини падіння, то

, (2.19)

. (2.20)


Оскільки між векторами напруженості електричного та магнітного полів існує однозначний зв'язок, то

,

де – одиничний вектор нормалі.



Знаючи коефіцієнт відбиття або заломлення, можна визначити компоненти електромагнітного поля в будь-якому із середовищ. Деякі окремі випадки, реалізовані в апаратурі радіохвильового контролю, розглянуті в [1, 9].

  1. 2.6 Елементна база та основні пристрої апаратури радіохвильового контролю

  2. 2.6.1 Джерела надвисокочастотних коливань


Основними джерелами НВЧ-коливань є напівпровідникові та електронні генератори [2021].

Як напівпровідникові генератори використовують лавинно-пролітні діоди, діоди Ганна, тунельні діоди та ін. Основні їх переваги: малі габарити, маса та споживана потужність. Недолік – низька стабільність характеристик і великі шуми.

Електронні генератори НВЧ-коливань [21] будуються на базі клістронів, ламп біжучої та зворотної хвиль, магнетронів. У радіохвильовій апаратурі основне застосування знайшли клістронні генератори потужністю 5-20 мВт. Їх недоліком є необхідність високого за напругою стабілізованого живлення і, як наслідок, великі габарити та маса.

Як приклад схематично розглянемо принцип дії та побудови НВЧ-генераторів на основі лавинно-пролітного діода (ЛПД) і клістрона, функціональні схеми яких зображені на рис. 2.4.


а б


Рисунок 2.4 –  Функціональні схеми НВЧ-генераторів на ЛПД (а) і відбивному клістроні (б)
Генератор на лавинно-пролітних діодах, функціональна схема якого зображена на рис. 2.4 а, складається з таких великих блоків: ЛПД, резонатора Р, стабілізованого блока живлення СБЖ, модулятора МД, блока управління частотою БУЧ. ЛПД і Р, як правило, конструктивно поєднуються, щоб не було додаткових набігів фаз і нестабільностей, що визначаються особливостями НВЧ-діапазону. Саме ці два блоки забезпечують створення НВЧ-коливань. СБЖ задає робочий режим ЛПД за постійним струмом, а МД і БУЧ дають можливість за необхідності здійснювати амплітудну модуляцію (найчастіше прямокутними імпульсами із частотою 1 кГц) і зміну частоти. Лавинно-пролітний діод – це спеціальний напівпровідниковий діод, призначений для роботи в НВЧ-діапазоні. Напруга живлення (  В залежно від типу діода) подається через дросель у зворотному напрямку, а робоча область генерації НВЧ-коливань лежить у зоні електричного пробою. Паралельно ЛПД увімкнений резонатор Р, налаштований на частоту генерації. ЛПД у динамічному режимі має негативний опір і компенсуватиме втрати енергії, підтримуючи НВЧ-коливання в резонаторі. Енергія НВЧ-коливань виводиться з резонатора за допомогою петлі зв'язку.

Стабілізований блок живлення СБЖ є джерелом постійної напруги, що не залежить від варіацій напруги живильної мережі та навантаження. Він побудований за типовою схемою і містить трансформатор Тр, випрямляч В, фільтр Ф і стабілізатор СТ із великим коефіцієнтом стабілізації для захисту діода від теплового пробою і стабілізації НВЧ-коливань.

Модулятор МД може бути виконаний у вигляді керованого електронного ключа, що подає живлення на ЛПД у необхідні моменти часу.

Генератор на відбивному клістроні, функціональна схема якого наведена на рис. 2.4 б, має блоки, аналогічні напівпровідниковому НВЧ-генератору. Відбивний клістрон КЛ – це спеціальна електронно-вакуумна лампа, що має катод К із підігрівачем ПК, дві сітки СВ і СН, що з'єднуються з об'ємним резонатором Р, і відбивач ВІД. Блок живлення СБЖ створює необхідні живлячі напруги.

Частоту НВЧ-коливань клістронного генератора можна регулювати так само, як і в генераторі на ЛПД, змінюючи резонансну частоту резонатора Р за допомогою налаштування підстроюваних гвинтів ПГ (перебудова на 10-20 %) або змінюючи постійні напруги на електродах (відбивачі) клістрона (перебудова до 1 %), а щоб отримати модульовані за амплітудою або частотою НВЧ-коливання, на відбивач ВІД клістрона подають пульсуючу напругу.

  1. 2.6.2 Основні пристрої для формування та обробки НВЧ-сигналів і полів


До таких пристроїв належать: випромінювальні та приймальні пристрої, атенюатори, вентилі, фазообертачі, спрямовані відгалужувачі, детекторні секції, трійники, резонатори, узгоджені навантаження, відрізки хвилеводів спеціальної форми, вимірювальні лінії та хвилеміри. Більшість цих НВЧ-пристроїв, що використовуються в неруйнівному контролі, побудовані на базі хвилеводів, що характерно для трисантиметрового і восьмиміліметрового діапазонів НВЧ [17, 20].

Випромінювальні та приймальні пристрої (антени), що застосовуються при радіохвильовому контролі, можуть бути виконані у вигляді рупора, відкритого зрізу хвилеводу, щілин або хвилеводу з діелектричною вставкою (рис. 2.5), що визначається необхідною локальністю контролю, необхідною чутливістю апаратури й особливостями конкретного завдання. Так, наприклад, випромінювач і приймач у вигляді рупора (рис. 2.5 а) дають хороше узгодження хвилевідного тракту із зовнішнім простором і контрольованим об'єктом, що забезпечує великі амплітуди сигналів, але призводить до погіршення локальності контролю. Застосування щілинного пристрою у вигляді звужувального хвилеводу (рис. 2.5 г), навпаки, підвищує локальність контролю, якщо контрольований об'єкт знаходиться безпосередньо біля щілини, але при цьому виникають значні відбиття НВЧ-коливань від вузького зрізу, що знижує чутливість апаратури та призводить до маскування корисного сигналу.

При видаленні об'єкта від антени зона опромінення розширюється у вигляді конуса, кут розкриття якого тим більший, чим менші розміри антени, тобто приблизно відповідає ширині її діаграми спрямованості. Зона, де відбувається випромінювання НВЧ-коливань, у випромінювачів і приймачів найчастіше заповнюється діелектричними вставками, що покращують роботу цих пристроїв, а також перешкоджають проникненню в них сторонніх предметів і різних забруднень. На основі показаних на рис. 2.5 пристроїв можуть створюватись і складніші випромінювальні та приймальні пристрої, наприклад двохелементні, що реалізують метод самопорівняння в дефектоскопії, або у вигляді багатоелементних антенних решіток. Як випливає з принципу взаємності, один і той самий пристрій може використовуватися як випромінювальний або приймальний.

а б в г д е

Рисунок 2.5 – Типи випромінювальних і приймальних пристроїв, що використовуються в радіохвильовому контролі: а – рупор; б – фланець хвилеводу; в – зріз хвилеводу; г – звужувальний кінець хвилеводу; д – щілини; е – хвилевід із діелектричною вставкою
Каналізуючі пристрої хвилеводу або відрізки коаксіальних ліній із різними поперечними перерізами передають енергію НВЧ-коливань від генератора і випромінювача або від приймального пристрою до первинного вимірювального перетворювача. Коаксіальні лінії (рис. 2.6 а) використовуються при передачі НВЧ-енергії на короткі відстані. Смугові лінії (рис. 2.6 б, в) добре поєднуються із сучасною друкованою технологією виробництва радіоелектронної техніки. Частіше за інших у пристроях радіохвильового контролю застосовують прямокутні хвилеводи, а іноді – круглі. В області короткохвильового НВЧ-діапазону (восьмиміліметрового і коротше) можуть бути використані діелектричні хвилеводи та пристрої на їх основі (рис. 2.6 е).

Атенюатор (ослаблювач) служить для дискретного або плавного регулювання амплітуди НВЧ-сигналів шляхом зміни розмірів поперечного перерізу хвилеводу, введення вставок, в яких загасають НВЧ-коливання, або шляхом використання поляризаційних особливостей НВЧ-коливань.

а б в г д е

Рисунок 2.6 – Поперечні перерізи основних типів каналізуюючих НВЧ-пристроїв: а – коаксіальна лінія; б – симетрична смугова лінія; в – несиметрична смугова лінія; г – прямокутний хвилевід; д – круглий хвилевід; е – діелектричний хвилевід (1 – метал; 2 – діелектрик)
Вентиль пропускає НВЧ-енергію лише в одному напрямку, тобто лише падаючу хвилю, що необхідно для роботи НВЧ-тракту в режимі біжучої хвилі та усунення впливу навантаження на джерело коливань.

Фазообертач дає можливість змінити фазу НВЧ-коливань на фіксоване значення дискретно або плавно й становить відрізок довгої лінії регульованої довжини або зі змінними електричними параметрами середовища ( або ), що дозволяє регулювати електричну довжину відрізка та приводить до додаткового набігу фази, який залежить від відношення електричної довжини відрізка до довжини хвилі.

Спрямований відгалужувач має один вхід і два або більше виходів, на які передає певну частину лише падаючої або відбитої хвилі в потрібний хвилевід НВЧ-тракту. Він може використовуватися як дільник потужності в певній пропорції, а також для додавання або віднімання сигналів.

Детекторна секція (амплітудний детектор, випрямляч) перетворює НВЧ-коливання в сигнали постійного струму або в сигнали, пропорційні обвідної НВЧ-коливань. Вона виконується на базі НВЧ випрямного пристрою з напівпровідниковим діодом. Для збільшення значень вихідних сигналів детекторна секція зазвичай містить резонаторну частину, що налаштовується спеціальним поршнем у режим резонансу на робочій частоті. В апаратурі з аналоговою обробкою сигналу до детекторної секції, як правило, підключають чутливий мікроамперметр, підсилювач або реєструвальний прилад.

Змішувальна секція подібна детекторній, але має два входи, до яких підводяться НВЧ-коливання двох різних частот. Унаслідок їх накладення і випрямлення на виході змішувальної секції виділяється складова коливань різницевої частоти, яка набагато менша за частоту НВЧ-коливань і обробка сигналів на якій проводиться набагато простіше.

Трійники мають три або більше хвилевідних відгалужень і служать для поділу потоку НВЧ-енергії або, навпаки, для підсумовування (віднімання) НВЧ-коливань. В апаратурі радіохвильового контролю використовують E трійник, H трійник і подвійний трійник (стрілками на рис. 2.7 показано напрям вектора напруженості електричного поля).

а б в


Рисунок 2.7 – Хвилевідні НВЧ-трійники: а – Е-трійник; б – Н-трійник; в – НВЧ-міст (подвійний трійник)

Резонатори, по суті, є резонансними контурами, та з їх допомогою можна виконувати ті самі перетворення сигналів, що й за допомогою резонансних контурів: виділяти коливання необхідної частоти, погоджувати різні елементи між собою, змінювати значення струмів або напруг і т. д. Резонатори можуть виконуватись у вигляді об'ємних конструкцій або відрізків хвилеводів і довгих ліній. Перебудова НВЧ-резонаторів проводиться за допомогою штирів, плунжерів, короткозамикальних поршнів, пластин і гнучких діафрагм.

Узгоджені навантаження призначені для підключення до НВЧ-тракту, щоб поглинути падаючу хвилю й усунути тим самим відбиття НВЧ-коливань. Вони виконуються у вигляді відрізка довгої лінії, що має активний опір, що дорівнює опору лінії ( ).

Вимірювальні лінії – це відрізок довгої лінії з прорізом для введення зонда детекторної секції. У проріз відрізка довгої лінії вводять зонд, який може бути переміщений уздовж лінії, що дозволяє поміщати його в місце, де досягається необхідне співвідношення між падаючою і відбитою хвилями та відповідно виходять певні значення НВЧ-коливань (максимум, мінімум, середнє). Вимірювальна лінія має точне градуювання та дозволяє вимірювати багато величин, що характеризують НВЧ-коливання.

Хвилеміри – пристрої для визначення частоти або довжини хвилі НВЧ-коливань (у простому випадку – це короткозамкнена вимірювальна лінія з каліброваними розмірами елементів). Наприклад, для часто використовуваного прямокутного хвилеводу при збудженні в ньому хвилі типу довжина хвилі дорівнює

,

де – довжина хвилі у вакуумі; – відносна діелектрична проникність речовини, що заповнює хвилевід; – розмір широкої стінки хвилеводу.


  1. 2.6.3 Індикатори та перетворювачі радіохвильового випромінювання


Індикатори НВЧ-випромінювання перетворюють розподіл густини НВЧ-енергії у видиме зображення, що дозволяє оператору аналізувати якість контрольованого об'єкта. При радіохвильовому контролі як індикатори зазвичай використовують люмінофори та рідкі кристали, а реєстрація інтенсивності НВЧ-випромінювання найчастіше базуються на його перетворенні в низькочастотні або постійні електричні сигнали.

Люмінофори – це речовини, що володіють властивістю світитися при впливі на них певних видів випромінювання, що збуджують люмінофор в оптичній частині випромінювання. Це видиме випромінювання сприймає оператор. Проте енергія квантів НВЧ-випромінювання недостатня для збудження люмінофора, тому для її порушення виробляється додаткове опромінення речовини люмінофора від спеціального джерела із квантами, що мають велику енергію, наприклад лампою, яка випромінює ультрафіолетове світло. Інтенсивність випромінювання допоміжного джерела встановлюють таким чином, щоб яскравість світіння люмінофора була середньою. Тоді при впливі НВЧ-випромінювання умови роботи люмінофора будуть змінюватися, й яскравість світіння залежатиме від падаючої на люмінофор НВЧ-енергії, що дозволить спостерігати її розподіл у просторі.

Рідкі кристали мають молекулярну структуру, проміжну між рідиною (володіють текучістю) і твердим тілом (аномальні оптичні властивості). Для цілей неруйнівного контролю застосовують холестеричні рідкі кристали. Тонкий шар рідкого кристала залежно від його температури та кута спостереження має найбільший коефіцієнт відбиття для світла певної довжини хвилі. Тому, якщо висвітлювати плівку на основі рідкого кристала білим світлом і фіксувати кут спостереження, при зміні температури можна отримати максимум інтенсивності відображення для різних кольорів – компонентів білого світла. Щоб поліпшити умови спостереження, рідкий кристал наноситься на плівку із зачорненою основою, що підвищує контрастність зображення й усуває перешкоди за рахунок вторинного відображення. Під час проведення контролю плівку накладають на контрольований об'єкт і за кольоровим забарвленням оператор робить висновки про температуру в тій чи іншій частині об'єкта, зумовленої нагріванням його НВЧ-випромінювання. Чутливість неруйнівного контролю за допомогою рідких кристалів при інших рівних умов визначається кількістю градацій кольору, які розрізняє оператор. Для деяких рідких кристалів на основі холестерину забарвлення відбитого світла змінюється по всьому спектру від червоного до фіолетового при зміні температури на 1–3 К, що дає можливість оцінювати роздільну здатність проведення контролю з їх допомогою 0,1–0,2 К. Теплові переходи в рідких кристалах оборотні, тому індикатори на їх основі можна використовувати багато разів. Порівняно з іншими термоіндикаторами рідкі кристали особливо ефективні, коли необхідно відрізняти малі градієнти температур при невисоких температурах (283–393 К).

Вимірювальні перетворювачі (первинні вимірювальні перетворювачі, датчики) виробляють перетворення компонентів НВЧ-випромінювань і полів в електричні сигнали, зручні для подальшої обробки. Як первинні вимірювальні перетворювачі застосовують: напівпровідникові та термоелектричні прилади. Напівпровідникові прилади (НВЧ-діоди та транзистори) побудовані на базі -переходу і за рахунок його нелінійних властивостей дають можливість перетворити НВЧ-коливання в сигнали постійного струму, відеосигнали або сигнали більш низької частоти (перетворення частоти). При випрямленні НВЧ-коливань отримують відеосигнали або сигнали низької частоти (виділення обвідної НВЧ-коливань) і сталу складову випрямленої струму, що використовується для безпосередньої індикації сигналів магнітоелектричними мікроамперметрами. Коли напівпровідникові діоди використовуються як змішувач для перетворення частоти, обвідна НВЧ-коливань і їх фаза переносяться на знижену несучу (різницеву) частоту, обробка сигналу проводиться радіоелектронною технікою, що має кращі технічні та метрологічні показники. В апаратурі радіохвильового контролю найбільше застосування отримали НВЧ-діоди. Термоелектричні прилади (терморезистори, термістори і болометри) використовують теплову дію НВЧ-енергії, тому їх виготовляють із матеріалів, що добре перетворюють теплові зміни в електричні сигнали.

Напівпровідниковий НВЧ-діод – це точковий діод, спеціально призначений для застосування в НВЧ-діапазоні. Його конструкцію найчастіше виконують у вигляді коаксіальних форм із товстими і короткими елементами – виведеннями, зручними для монтажу та електричного з'єднання з каналізуючими НВЧ-пристроями (хвилеводами, довгими лініями). Враховуючи, що НВЧ-діод та елементи секції (зазвичай параметри НВЧ-діодів задають разом із хвилевідною секцією) мають паразитні індуктивності та ємності, що обмежують його можливості, для кожного діода вказують робочий діапазон довжин хвиль і найбільше значення КБХ, одержуване під час його використання. Напівпровідникові діоди порівняно з іншими первинними вимірювальними перетворювачами НВЧ-енергії відрізняють висока швидкодія, велика чутливість і простота використання. Їх недолік – невисокі метрологічні характеристики і погана перевантажувальна здатність.

Терморезистор – нелінійний напівпровідниковий резистор, опір якого сильно залежить від температури. Терморезистори виконують з напівпровідникового матеріалу складного складу з температурним коефіцієнтом до 6 % на 1 К. Для роботи в НВЧ-діапазоні застосовують вимірювальні терморезистори (термістори), що дозволяють проводити вимірювання потужності від часток мікровата до декількох міліватів. Властивості терморезистора описують дві характеристики: температурна – залежність опору від температури і вольтамперна . Оскільки НВЧ-енергія в терморезисторі перетвориться в теплову, терморезистор характеризують температурним коефіцієнтом і сталою часу, яка порівняно з діодами виявляється великою, що й обмежує галузі їх застосування.

Болометри – спеціально виконані резистори з провідникового або напівпровідникового матеріалу, призначені для виявлення та вимірювання надзвичайно малих потоків потужності. Порівняно з іншими терморезисторами болометри відрізняє більш висока стабільність характеристик (металеві болометри), але разом із тим – знижені температурні коефіцієнти. Їх так само, як НВЧ-діоди, виготовляють парами, причому розташовують поряд і один із них екранують від випромінювання. Болометри часто застосовують з охолодженням до низьких температур з метою збільшити їх чутливість і знизити похибку вимірювань.

  1. 2.6.4 Одноканальні методи радіохвильового контролю


Одноканальні пристрої радіохвильового контролю прохідного випромінювання застосовують у тих випадках, коли можливий двосторонній доступ до зовнішніх кордонів контрольованого об'єкта. У найпростішому варіанті такого контролю в приймальному тракті забезпечують режим біжучої хвилі та вимірюють амплітуду отриманого НВЧ-сигналу. Недоліками такого методу контролю є сильна залежність сигналу від рівня випромінювання і мала чутливість. Тому апаратуру з кращими метрологічними характеристиками виконують з використанням балансних або мостових схем.

Вимірювач, функціональна схема якого показана на рис. 2.8, може бути використаний для однопараметрового контролю товщини або властивостей тонких листових матеріалів. У цьому вимірнику за рахунок вимірювання величини, пов'язаної з відношенням потужності прохідної та падаючої хвиль, результат контролю не залежить від невеликих варіацій вихідної потужності генератора. Його перетворювальна частина виконана на базі двох відкритих кінців хвилеводів Х1 і Х2, захищених чвертьхвилевими кільцевими прорізами КП1 і КП2, у проміжку між якими міститься об'єкт КО, що контролюється. Показання логометра ЛГ-приладу, що вимірює відношення струмів, пропорційних прохідному випромінюванню, і відгалуженим напрямленим відгалужувачем НВ, не залежить від потужності, що подається від генератора Г через атенюатор А і визначається лише властивостями контрольованого об'єкта, що особливо істотно при радіохвильовому контролі об'єктів із різними відбивними характеристиками та при зміні вихідної потужності НВЧ-генератора.


Рисунок 2.8 – Функціональна схема пристрою одноканального радіохвильового контролю


Вимірювач, побудований відповідно до схеми рис. 2.8, має невисоку чутливість через погане узгодження хвилеводів Х1 і Х2 та посилення сигналів постійного струму, обмеженого дрейфом. Крім того, цей вимірювач не дозволяє виробляти роздільний контроль параметрів контрольованого об'єкта.

  1. 2.6.5 Двоканальні методи радіохвильового контролю


Підвищену чутливість має двоканальний пристрій із посиленням зі змінного струму, функціональна схема якого зображена на рис. 2.9 [1].

Рисунок 2.9 – Функціональна схема двоканального пристрою радіохвильового контролю


Джерелом НВЧ-коливань у ньому є генератор Г, що живиться від блока живлення СБЖ і модулятора МД, який створює прямокутну напругу з частотою 1 кГц і подає його на лавинно-пролітний діод або на відбивний клістрон. Унаслідок НВЧ-коливання також мають обвідну у вигляді прямокутного радіоімпульсу. Радіоімпульси через атенюатор А, вентиль ВН і секцію контролю потужності КП надходять до простого трійника Т, який поділяє НВЧ-енергію на дві рівні частини, що напрямляються в однакові випромінювальні рупори РВ1 і РВ2. Частина НВЧ-енергії відбивається від зовнішньої поверхні контрольованого об'єкта КО й еталону ЕТ, але загасає у вентилі й атенюаторі та майже не впливає на роботу генератора Г. Якщо властивості об'єкта контролю й еталона однакові, то напруженість електричного поля в 1 і 2 каналах (об'єкта контролю й еталону) однакова. Тому після випрямлення діодами Д1 і Д2 НВЧ-сигнали напруги на резисторах R1 і R2 матимуть вигляд однакових прямокутних імпульсів. Отримати максимальний сигнал дозволяє налаштування за допомогою короткозамикальних настроювальних поршнів НП1 і НП2. Ураховуючи різну полярність напруг і , неважко бачити, що потенціал середньої точки потенціометра при певному положенні його движка, який досягається при налаштуванні, дорівнюватиме нулю ( ). Унаслідок цього напруги на виході підсилювача П і фазового детектора ФД також дорівнюватимуть нулю та не викличуть відхилення стрілкового приладу СП.

Припустимо, контрольований об'єкт має товщину меншу за номінальне значення. У цьому разі напруженість поля в приймальному рупорі РП2 буде більшою, ніж при номінальному значенні товщини об'єкта, збільшиться імпульс напруги ( ) на виході детектора Д2, що призведе до появи напруги ( ) на движку потенціометра R і відповідно на виході підсилювача П ( ) при збільшенні товщини. Внаслідок роботи фазового детектора ФД з урахуванням фази опорної напруги, створюваного модулятором М і збіжного, наприклад, з напругою , на його виході з'явиться постійна негативна вихідна напруга, яку покаже стрілковий прилад СП.

Таким чином, двоканальний пристрій, побудований відповідно до функціональної схеми, зображеної на рис. 2.9, має підвищену чутливість за рахунок порівняння сигналів еталонного та контрольованого об'єктів або за рахунок наявності посилення прирощення сигналів обвідної НВЧ-коливань зі змінного струму. Використання модуляції прямокутними імпульсами та застосування фазового детектора ФД є типовим і дає можливість підвищити чутливість і визначити знак прирощення контрольованого параметра.

Пристрій із двома каналами (див. рис. 2.9) дозволяє визначити зміни товщини, магнітної та діелектричної проникності, питомої електричної провідності, а також наявність неоднорідностей в об'єкті. Радіохвильовий контроль за допомогою цього пристрою може проводитися трьома різними способами: абсолютними вимірами параметрів контрольованого об'єкта, відносними вимірюваннями (контроль відхилення в полі допуску) шляхом порівняння з еталоном або зразковим об'єктом (цей режим описаний раніше) і шляхом самопорівняння двох різних ділянок контрольованого об'єкта, що характеризує високу універсальність цього пристрою, а також забезпечує високу стабільність нуля і можливість реалізації високої чутливості п рахунок посилення сигналів зі змінного струму. Однак такий пристрій не дає можливості вести радіохвильовий контроль із урахуванням фази НВЧ-сигналів, що пройшли, це знижує його інформаційної здатності. Таку обробку можна проводити, якщо до випрямлення НВЧ-сигналів використовувати трійник, де відбуватиметься їх додавання з урахуванням фази.

Функціональна схема найпростішого варіанта пристрою для радіохвильового контролю прохідного випромінювання, з урахуванням амплітудних і фазових характеристик НВЧ-сигналів, що використовується у дефектоскопії, наведена на рис. 2.10 (основні позначення відповідають рис. 2.9). Цей пристрій містить два однакові прості Т1 і Т2 трійники, що дозволяє розділити випромінену енергію на два потоки, а потім додати отримані НВЧ-сигнали.

Розглянуті пристрої дозволяють вирішити більшість практичних завдань, доступних для контролю прохідного випромінювання.



  1. 2.6.6 Параметричні методи контролю


Параметричні (резонансні) методи радіохвильового контролю зводяться до того, що контрольований об'єкт поміщається в резонатор, хвилевід або довгу лінію і за зміною параметрів цих елементів (резонансна частота, добротність, розподіл поля та ін.) визначають якість об'єкта. За допомогою параметричного методу можливий контроль геометричних характеристик різних об'єктів, електромагнітних властивостей матеріалів і наявності неоднорідностей у них. Параметричні методи дозволяють перевіряти речовини в будь-яких агрегатних станах (тверді, рідкі, газоподібні, плазма). Радіохвильовий контроль геометричних розмірів різних виробів із матеріалів із хорошою провідністю можливий лише щодо поверхонь, до яких можливий доступ, тобто зовнішніх і деяких внутрішніх. Приклади виконання об'єктів такого контролю ілюструються на рис. 2.11 та 2.12.

Рисунок 2.10 – Функціональна схема амплітудно-фазового НВЧ-приладу


Протяжний контрольований об'єкт КО (наприклад, труба або пруток) можна поміщати в порожнину об'ємного резонатора Р або хвилевідний тракт Х. Якщо об'єкт поміщений у порожнину резонатора Р (рис. 2.11 а), то він змінює його робочий об'єм (резонансну частоту) або створює додаткові втрати енергії (зменшує добротність). Для металевих виробів основним є зміна частоти, що дає можливість проводити контроль зовнішнього діаметра труби D, прутка і т. п. У разі, коли труба виготовлена з діелектричного матеріалу, факторами, що впливають, є всі геометричні розміри труби (зовнішній D і внутрішній d діаметри, товщина) й електромагнітні параметри (діелектрична та магнітна проникності, питома електрична провідність). За схемою рис. 2.11 а можна організувати радіохвильовий контроль виробів у технологічному потоці.

При контролі виробів у вигляді коротких труб можна їх увімкнути безпосередньо в НВЧ-тракт (рис. 2.11 б). У такому варіанті труба може бути розглянута як відрізок хвилеводу або довгої лінії з певними параметрами, що приводять до зміни характеристик відбитої хвилі. Для кращого узгодження хвилевідного тракту з відрізком труби ділянки хвилеводів ПХ і ОХ виконані спеціальної форми, плавно сполучуваної із поперечним перерізом труби КО, а на їх краях для зниження затікання струмів на зовнішню поверхню хвилеводів ПХ і ОХ виконані короткозамкнені чвертьхвильові ділянки КП1 і КП2. Певний режим роботи вимірювальної ділянки хвилеводу забезпечує відрізок хвилеводу ОХ, що навантажений на короткозамкнену секцію з настроюваним поршнем НП (рис. 2.11 б) або на узгоджене навантаження для отримання режиму біжучої хвилі. На рис. 2.11 в показаний об'єкт у вигляді діелектричного покриття на металевій основі. Однією зі стінок резонатора Р у цьому разі служить металева основа, де використаний НВЧ-генератор із частотною модуляцією (хитна частота). Як первинний перетворювач у ньому застосований вимірювальний резонатор, резонансна частота якого залежить від товщини покриття та його діелектричних параметрів. За зсувом резонансної частоти знаходять контрольовану величину.


Рисунок 2.11 – Контроль геометричних розмірів і фізико-хімічних властивостей: а – об'ємним резонатором; б – хвилеводом; в – відкритим резонатором


Успішно використовуються параметричні радіохвильові методи при контролі рівня та кількості рідин або летких речовин. У цьому разі відрізок хвилеводу або довгої лінії зазвичай запаюють з одного кінця, з іншого підключають вимірювальну апаратуру, а рідину або газ вводять збоку через спеціально передбачений отвір, який не повинен істотно впливати на параметри НВЧ-тракту.

За допомогою резонатора Р або відрізків хвилеводів Х (рис. 2.12) можна проводити контроль електромагнітних властивостей різних речовин. При цьому тверді тіла безпосередньо поміщають в об’єм резонатора або хвилеводу (рис. 2.12 а), а рідкі, сипкі та газоподібні речовини попередньо завантажують у дозувальні ампули (рис. 2.12 б) або пропускають по спеціально передбачених трубках.


а б


Рисунок 2.12 – Схема контролю фізико-хімічних властивостей: а – твердих тіл; б – рідин
Параметричні радіохвильові методи дають можливість виявляти лише досить грубі неоднорідності (дефекти), такі як, наприклад, металеві включення в діелектрику, і внаслідок цього мають обмежену область застосування, виняток становлять дефектоскопи, побудовані на принципах ядерних магнітних резонансів.

Контроль за одним параметром має досить обмежені можливості та часто не дозволяє отримати більшу точність і достовірність, у зв'язку з цим багатопараметричний контроль застосовується у двох випадках: потрібно виміряти один параметр незалежно від інших величин і необхідно визначати декілька параметрів у контрольованому об'єкті одночасно або поетапно.



  1. 2.6.7 Візуалізація радіохвильових полів


Візуалізація (одержання видимих зображень) розподілу фізичних величин, що характеризують електромагнітне НВЧ-поле (густини енергії, напруженості електричного або магнітного поля, їх компонент і т. д.), необхідна для вивчення внутрішньої будови складних виробів (інтроскопія, радіобачення) і для високої виробничої дефектоскопії об'єктів великих розмірів (порівняно з довжиною хвилі та розкриттям антен). Унаслідок візуалізації отримують видиме радіозображення, аналіз якого дає можливість збільшити швидкість контролю, полегшує розшифрування результатів для виробів різної форми.

Радіозображення можна отримати шляхом розгортки (послідовний поелементний аналіз) або відразу в усіх точках двовимірної картини (аналіз у реальному масштабі часу).

Найбільш простим у конструктивному відношенні прикладом пристрою для візуалізації розподілу НВЧ- або теплових випромінювань є радіовізор, який дозволяє проводити спостереження полів у площині його екрана в реальному масштабі часу. Покладений у його основу принцип перетворення інтенсивності падаючого на екран випромінювання в теплову енергію, що підігріває люмінофор, забезпечує широкий спектральний діапазон його роботи.

Основний елемент радіовізора (рис. 2.13) – люмінесцентний екран ЛШ із нанесеним на нього із зовнішнього боку тонким шаром металу ШМ, який є неселективним перетворювачем НВЧ- й інфрачервоного випромінювання в тепловий рельєф. Екран ЛШ із внутрішнього боку рівномірно висвітлюється ультрафіолетовим світлом лампи УЛ, інтенсивність якого обирається залежно від середнього рівня падаючого випромінювання шляхом підбору потужності живлення УЛ регулювальними елементами РЕ. Випромінювання, що пройшло або відбивається від контрольованого об'єкта, падає на шар ШМ, значною мірою поглинається ним і створює на поверхні люмінесцентного шару ЛШ різну температуру залежно від енергії, що потрапляє на цю ділянку. Яскравість світіння люмінофора залежить від його температури і за яскравістю світіння екрана радіовізора роблять висновки про властивості контрольованого об'єкта КО, що опромінюється від джерела випромінювання ДВ.


Рисунок 2.13 – Схема пристрою радіовізора


Радіовізор є широкосмуговим пристроєм, дає наочну картину розподілу густини енергії електромагнітного поля, простий у використанні й успішно застосовується для радіохвильового та теплового контролю. Незручністю під час роботи з ним є невисока чутливість, невеликі розміри зображення й те, що результати контролю залежать від досвіду оператора.

Отримання зображення в реальному масштабі часу можливе також за допомогою рідких кристалів і фотоемульсій (фотоплівок), що сприйнятливі до теплової дії НВЧ-випромінювання.

Засоби візуалізації НВЧ-полів можуть бути застосовані так само для отримання й аналізу інтерференційних картин і голографічних зображень [1, 5, 6].

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24


База даних захищена авторським правом ©refs.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка