Устройство для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов

 

Данное изобретение относится к технике измерений с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона и может найти применение для дефектоскопии строительных материалов различных типов с различной степенью влажности. Технический результат заключается в контроле дефектов в строительных материалах с различной степенью влажности и с односторонним доступом к поверхности исследуемого материала в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости и толщин исследуемого материала с повышенной чувствительностью и высокой разрешающей способностью. Устройство содержит приемо-передающий блок 1, антенну 2 и согласующую пластину 3, расположенную между антенной 2 и исследуемым материалом 4. Согласующая пластина 3 представляет собой вспененный диэлектрик с наполнителем 6. На торцевых поверхностях пластины 3 размещены поглощающие элементы 7, на которые установлены неотражающие стенки 8. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технике измерений с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона и может использоваться для дефектоскопии строительных материалов различных типов с различной степенью влажности.

Известно устройство для неразрушающего контроля параметров листовых диэлектрических материалов (авторское свидетельство СССР N 254593, кл. G 01 R 27/26, 1968г.) диапазона сверхвысоких частот, содержащее СВЧ генератор, к выходу которого подсоединена приемо-передающая антенна, неотражающую стенку, расположенную за исследуемым диэлектрическим материалом, и плоско-параллельные пластины из диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, размещенные между исследуемым диэлектриком и приемо-передающей антенной. Изменением расстояний между плоско-параллельными пластинами и исследуемым диэлектриком можно добиться минимального коэффициента отражения от этой системы.

Однако данное устройство не позволяет осуществлять контроль параметров диэлектрических материалов при одностороннем доступе к ним, а также требует предварительного экспериментального определения условий для минимального отражения от измерительного образца с импедансным трансформатором, выполненным в виде плоскопараллельных пластин из диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, что не дает возможности применять его при дефектоскопии строительных материалов и сооружений.

Известно также устройство, выбранное в качестве прототипа, реализующее способ контроля толщины и дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, содержащее излучатель, соединенный с генератором СВЧ энергии, приемную антенну, соединенную с индикатором отраженного от контролируемого диэлектрика сигнала, а также согласующие диэлектрические пластины, расположенные на поверхности контролируемого диэлектрического материала, при этом причем диэлектрическая проницаемость и толщины согласующих пластин определяются в соответствии с приведенным в описании математическим выражением (авторское свидетельство СССР N 310109, кл. G 01 N 22/02, 1969г.).

Наличие двух согласующих пластин, одна из которых установлена на поверхности контролируемого изделия, обращенной к излучателю, а другая на противоположной по отношению к излучателю поверхности контролируемого изделия позволяет повысить точность и чувствительность контроля, особенно при контроле изделий малой толщины.

Однако данное устройство требует точного знания величины диэлектрической проницаемости контролируемого изделия, в противном случае не представляется возможным определить толщину и диэлектрическую проницаемость согласующей пластины из диэлектрического материала, следовательно невозможно с высокой надежностью определять параметры и дефекты диэлектрических материалов. Кроме того, высокая чувствительность и точность контроля диэлектрических материалов данным устройством обеспечивается только для изделий малой толщины. Поэтому данное устройство не может быть использовано для контроля дефектов в конструкциях из диэлектрических материалов с односторонним доступом к ним в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости, величина которой приблизительно определена экспериментальным путем в лабораторных условиях что характерно для таких диэлектриков как строительные материалы и конструкции, находящиеся в естественных условиях окружающей среды. Величина диэлектрической проницаемости таких материалов в значительной степени зависит от назначения строительного сооружения - примышленного или гражданского, и, соответственно, типа используемого строительного материала, и его прочностных параметров, причем, интегральные характеристики такого материала зависят, в частности, от структуры сооружения, от разновидности используемых материалов, их пористости, толщины, степени влажности, времени года и климатических условий.

Технической задачей данного изобретения является создание устройства для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, в частности, в строительных материалах различных типов с различной степенью влажности, используемых в строительных сооружениях промышленных и гражданского назначения, с возможностью одностороннего доступа к поверхности исследуемого материала, в широком диапазоне значений величины диэлектрической проницаемости и толщин исследуемого материала, с повышенной чувствительностью, с высокой разрешающей способностью и помехозащищенностью, например от естественного фона, сигналов от боковых лепестков диаграммы направленности антенны устройства и т. п.

Поставленная задача решается в устройстве для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, содержащем приемо-передающий блок, к выходу которого подключена антенна, и согласующую пластину из диэлектрического материала, размещенную перед апертурой антенны, в котором согласно изобретению, согласующая пластина выполнена из вспененного диэлектрика с наполнителем в виде частиц материала, величины диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которого равны или близки указанным параметрам исследуемого диэлектрического материала, при этом размер частиц наполнителя не превышает 0,1 длины волны электромагнитного СВЧ излучения в исследуемом диэлектрическом материале, причем плотность распределения наполнителя может изменяться по объему согласующей пластины. На торцевых поверхностях согласующей пластины могут быть установлены поглощающие элементы, а на поглощающих элементах со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины, расположены неотражающие стенки.

Наличие в устройстве согласующей пластины, выполненной из вспененного диэлектрика с наполнителем в виде частиц материала размером не превышающем 0,1 длины волны электромагнитного СВЧ излучения в исследуемом диэлектрическом материале, величина диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь частиц наполнителя равны или близки значениям указанных параметров исследуемого диэлектрического материала, позволяет обеспечить согласование апертуры антенны с исследуемым объектом с различными значениями параметров исследуемого диэлектрического материала, в частности строительного, за счет того, что согласующая пластина выполняет функцию импедансного трансформатора, сводя к минимуму отражения от внешней границы исследуемого диэлектрического материала, т.е. вся энергия падающей волны переходит него. Использование согласующей пластины с изменяющейся по объему плотностью распределения наполнителя позволяет обеспечить согласование апертуры антенны с исследуемым объектом в более широком диапазоне значений его диэлектрической проницаемости, за счет плавного изменения диэлектрической электромагнитной энергии.

Строительный материал в общем виде представляет собой достаточно сложную неоднородную структуру как в продольном сечении, например штукатурка на кирпичной кладке или щебенка в бетоне, так и в поперечном сечении, например раствор цемента в кирпичной кладке, причем степень влажности может быть различная по объему структуры, поэтому величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь такого материала являются интегральными величинами, рассчитать которые практически не представляется возможным и определить их можно только экспериментальным путем. По измеренным значениям диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь строительных материалов решалась электродинамическая задача - антенна с многослойным согласующим диэлектрическим покрытием.

Расчеты показали, что согласующая пластина для согласования апертуры антенны с исследуемым диэлектрическим материалом (строительным материалом), должна быть выполнена из разреженного диэлектрического материала, у которого интегральная величина диэлектрической проницаемости имела определенное значение, которым является вспененный диэлектрик, наполнителем которого является частицы диэлектрических материалов, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь которых равны или близки параметрам исследуемого диэлектрического материала, причем размеры частицы наполнителя не превышают 0,1 длины волны электромагнитного излучения в исследуемом диэлектрическом материале. Изменяя по объему согласующей пластины, в направлении распространения электромагнитной волны, плотность распределения наполнителя по определенному закону, можно формировать различные законы изменения величины диэлектрической проницаемости, сохраняя при этом неизменным ее интегральную величину.

Таким образом, подбором наполнителя, например в виде измельченного строительного материала - кирпич, бетон или древесные опилки, или диэлектрического материала с аналогичными параметрами, и формируя технологическим путем согласующую пластину с различной степенью концентрации наполнителя по объему, обеспечивается распределение величины диэлектрической проницаемости по определенному заданному закону. Сформированная таким путем согласующая пластина обеспечивает согласование апертуры антенны с исследуемым диэлектрическим материалом в широком диапазоне значений величины диэлектрической проницаемости и толщин. В качестве основы вспененных диэлектриков могут быть использованы, например, пенопласт или пенополиуретан.

Размещение на торцевых поверхностях согласующей пластины поглощающих СВЧ электромагнитную энергию элементов с неотражающей стенкой позволяет повысить чувствительность и помехозащищенность устройства контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов.

Это достигается за счет того, что поглощающие элементы ослабляют облучение боковыми лепестками диаграммы направленности антенны контролируемое изделие, обеспечивая тем самым облучение контролируемого объекта и его реакцию на облучение только главным лепестком диаграммы направленности антенны. Кроме того, они уменьшают воздействие промышленных и атмосферных помех на антенну устройства контроля, а также уменьшают реакцию контролируемого изделия на эфирное электромагнитное излучение СВЧ диапазона.

Размещение на поглощающих элементах неотражающей стенки позволяет практически полностью исключить воздействие этих факторов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов; на фиг.2 - конструкция согласующей пластины; на фиг.3 - примеры возможных законов плотности распределения наполнителя в объеме согласующей пластины по ее толщине; на фиг.4 - конструкция поглощающего элемента; на фиг.5 - конструкция поглощающего элемента с неотражающей стенкой.

Устройство для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов содержит приемо-передающий блок 1, антенну 2 и согласующую пластину 3, расположенную между антенной 2 и исследуемым диэлектрическим материалом 4. Согласующая пластина 3 (фиг.2) представляет собой вспененный диэлектрик 5 с наполнителем в виде частиц 6 материала, величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь которого близки или равны значениям указанных параметров исследуемого диэлектрического материала 4. На торцевых поверхностях согласующей пластины 3 размещены поглощающие элементы 7 (фиг.4), выполненные из поглощающего СВЧ электромагнитную энергию материала, например ферромагнетика или графита на резиновой основе, выбранных для частот рабочего диапазона устройства. На поглощающие элементы 7 со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины 3, установлены неотражающие стенки 8, например, в виде пирамид, как показано на фиг.5.

Устройство работает следующим образом.

Генерируемый СВЧ генератором в приемо-передающем блоке 1 сигнал излучателя антенной 2 в направлении исследуемого диэлектрического материала 5. Отраженный от исследуемого диэлектрического материала 5 сигнал принимается антенной 2 и обрабатывается в приемной части приемо-передающего блока 1.

В отраженном от исследуемого диэлектрического материала сигнала содержится как полезная информация в виде сигналов, отраженных от дефектов или неоднородностей, так и сигналы, полученные в результате многократных переотражений от передней границы раздела исследуемого диэлектрического материала со свободным пространством, являющиеся помеховыми. Причем уровень сигнала в некоторых случаях может превышать уровень полезных сигналов.

Наличие согласующей пластины 3 обеспечивает согласование передней границы раздела исследуемого диэлектрического материала со свободным пространством, т. к. граница имеет незначительные отражения и практически вся падающая электромагнитная энергия переходит в исследуемый диэлектрический материал. Это достигается за счет того, что согласующая пластина 3 выполнена из вспененного диэлектрического материала с наполнителем с виде частиц материала, величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь которого близки или равны диэлектрической проницаемости параметров исследуемого диэлектрического материала, размеры частиц наполнителя не превышают 0,1 длины волны электромагнитного СВЧ излучения в исследуемом диэлектрическом материале. В частности, в качестве наполнителя могут быть использованы измельченные строительные материалы, например кирпич, бетон, древесные опилки и другие строительные материалы, в качестве основы вспененного диэлектрика может использоваться, например, пенопласт или пенополиуретан. Выбором концентрации наполнителя, толщины согласующей пластины и закона распределения плотности наполнителя по объему согласующей пластины обеспечивается необходимая величина интегральной диэлектрической проницаемости и закона распределения диэлектрической проницаемости по объему для согласования в широком диапазоне значений диэлектрической проницаемости и толщин исследуемого диэлектрического материала.

Размещение на торцевых поверхностях согласующей пластины 3 поглощающих элементов 7 ослабляет излучение боковых лепестков диаграммы направленности антенны 2 контролируемого материала, обеспечивая тем самым облучение контролируемого материала и его реакцию на облучение только главным лепестком диаграммы направленности антенны 2, а также уменьшает воздействие промышленных и атмосферных помех, естественный фон на антенну устройства контроля, а также уменьшает реакцию контролируемого материала на эфирное электромагнитное СВЧ излучение, что обеспечивает повышение чувствительности и помехозащищенности.

Размещение на поглощающих элементов 7 со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины 3, неотражающей стенки 8 позволяет практически полностью исключить побочные воздействия.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля дефектов в изделиях из диэлектрических материалов, содержащее приемопередающий блок, к выходу которого подключена антенна, и согласующую пластину, размещенную перед апертурой антенны, отличающееся тем, что согласующая пластина выполнена из вспененного диэлектрика с наполнителем в виде частиц материала, величина диэлектрической проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь которого близки или равны значениям указанных параметров исследуемого диэлектрического материала, при этом размер частиц наполнителя не превышает 0,1 длины волны электромагнитного излучения в исследуемом диэлектрическом материале.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что согласующая пластина выполнена с изменяющейся по объему плотностью распределения наполнителя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на торцевые поверхности согласующей пластины установлены поглощающие элементы.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на поглощающих элементах со стороны, противоположной торцевой поверхности согласующей пластины, размещены неотражающие стенки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5