Способ определения толщины диэлектрического покрытия

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. Способ определения толщины диэлектрического покрытия с известным коэффициентом отражения материала, нанесенного на диэлектрическую основу, заключается в том, что зондируют диэлектрическое покрытие электромагнитным сигналом излучателя, выполненного в виде зеркальной антенны, и принимают отраженный от поверхности контролируемого покрытия сигнал посредством приемника, выполненного в виде зеркальной антенны. Причем излучатель и приемник расположены в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия. При этом измеряют напряженность электрического поля отраженной от поверхности диэлектрического покрытия волны Е_отр и с учетом измеренного значения этого сигнала толщину контролируемого покрытия δ определяют по формуле:

где R - расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы; k - коэффициент отражения от диэлектрического покрытия; Р - мощность излучателя; G - направленность излучателя. Технический результат - расширение диапазона измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ, реализуемый емкостным датчиком толщины покрытия (см. И.Чеховской. Контроль толщины эмали на кузове. Радио, №7, 2004, стр.47), в котором о толщине покрытия эмали на кузове легкового автомобиля судят по изменению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.

Недостатком этого известного способа является контактность датчика с исследуемой поверхностью и погрешность измерения из-за температурных влияний на емкость конденсаторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения толщины диэлектрического слоя (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, 1989, стр.52-53). В основе работы устройства, реализующего указанный способ, лежит интерференция падающих на поверхность контролируемого слоя и отраженных от нее электромагнитных волн. В этой разработке одновременное определение модуля и фазы коэффициента отражения используется для измерения толщины слоя и ее изменения.

Недостатком данного интерференционного способа следует считать узкий диапазон однозначного измерения толщины слоя и сложность процедуры определения коэффициента отражения, связанную с введением дополнительного опорного канала.

Задачей заявляемого технического решения является расширение диапазона однозначного измерения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу, использующем взаимодействие электромагнитных колебаний с поверхностью контролируемого покрытия при его зондировании электромагнитными волнами, измеряют напряженность электрического поля отраженной от поверхности покрытия волны и толщину покрытия δ определяют по формуле:

где Е_отр - измеренная напряженность электрического поля отраженной от поверхности покрытия волны;

R - расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы;

k - коэффициент отражения от диэлектрического покрытия;

Р - мощность излучателя;

G - направленность излучателя.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании контролируемого диэлектрического покрытия электромагнитными волнами по продетектированному и измеренному значению напряженности электрического поля отраженной от поверхности покрытия волны определят толщину диэлектрического покрытия.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины диэлектрического покрытия на основе использования напряженности электрического поля отраженной от поверхности покрытия волны с желаемым техническим результатом, т.е. расширением диапазона однозначного измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит микроволновой генератор 1, соединенный с излучателем электромагнитных колебаний 2, приемник отраженных электромагнитных колебаний 3, подключенный к детектору 4, индикатор 5 для регистрации результатов измерения толщины диэлектрического покрытия 6, нанесенного на диэлектрическую основу 7.

Суть предлагаемого способа заключается в определении толщины диэлектрического покрытия путем измерения и детектирования напряженности электрического поля отраженной от поверхности покрытия волны.

При зондировании диэлектрического слоя, нанесенного на диэлектрическую основу, электромагнитными колебаниями фиксированной частоты для напряженности электрического поля падающей на поверхность покрытия волны с учетом расположения диэлектрической основы в волновой зоне излучения где λ - длина волны) можно записать:

где Е_пад - напряженность электрического поля падающей на поверхность покрытия волны;

R - расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы;

Р - мощность излучателя;

G - направленность излучателя;

δ - толщина покрытия.

В рассматриваемом случае для напряженности электрического поля отраженной от поверхности покрытия волны Е_отр будем иметь:

где k - коэффициент отражения от поверхности покрытия.

Совместное преобразование формул (1) и (2) позволяет записать:

Отсюда для толщины покрытия (можно принимать:

Из полученной формулы видно, что при известных значениях R, P, G и k напряженностью электрического поля отраженной волны можно определить толщину покрытия. Из последней формулы также вытекает, что при отсутствии покрытия (δ=0) величина Е_отр определяется расстоянием R и коэффициентом отражения от поверхности диэлектрической основы. При этом если электромагнитные свойства диэлектрической основы, ее толщина и расстояние R остаются неизменными, то нанесение покрытия на диэлектрическую основу приведет к увеличению Е_отр из-за уменьшения расстояния между излучателем и поверхностью объекта контроля. Здесь принимается, что коэффициенты отражения от поверхности диэлектрических покрытия и основы приблизительно равны. Следовательно, возрастание параметра Е_отр даст возможность определить увеличение толщины покрытия, а убывание Е_отр - уменьшение толщины покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу.

Для этого в устройстве, реализующем предлагаемый способ, сначала электромагнитные волны, генерируемые генератором 1, поступают в излучатель 2, например, зеркальную антенну. После этого электромагнитные волны направляются в сторону диэлектрического покрытия 6, нанесенного на диэлектрическую основу 7. Отраженные от поверхности волны улавливаются приемником 2, выполненным в виде зеркальной антенны. Как известно, для зеркальных антенн (начало зоны излучения 2D²/λ, где D - максимальный размер раскрыва антенны) характерно зеркальное отражение от объекта, т.е. угол падения волны равен углу отражения. В силу этого если излучатель и приемник расположить в одну плоскость, т.е. на одно расстояние от объекта контроля, то при зеркальном отражении будет отсутствовать интерференция волн и выходной сигнал приемника будет связан с расстоянием между приемником и поверхностью покрытия и его коэффициентом отражения. С выхода приемника сигнал переносится в детектор 4. Продетектированный сигнал последнего, определяющий величину напряженности электрического поля отраженной от поверхности диэлектрического покрытия волны, поступает в индикатор 5, где после преобразования можно получить информацию о толщине покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу.

Проведены лабораторные эксперименты по определению толщины эмали, нанесенной на лист фторопласта.

В испытаниях в качестве излучателя и приемника использовались круглые рупорные антенны диаметром 60 мм. Частота и мощность микроволнового генератора (ГЧ-109) составили соответственно: 10 ГГЦ и 10 мВт.

При изменении толщины эмали от 0 до 20 мм разность промодулированного сигнала на выходе детектора составила 92, 45 мВ.

Испытания показали возможность расширения диапазона однозначного измерения толщины покрытия против 7,5 мм (30 мм/4) при интерференции падающих и отраженных волн.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе измерения напряженности электрического поля отраженной от поверхности диэлектрического покрытия волны можно обеспечить расширение диапазона однозначного измерения толщины покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу.

Способ определения толщины диэлектрического покрытия с известным коэффициентом отражения материала, нанесенного на диэлектрическую основу, при котором зондируют диэлектрическое покрытие электромагнитным сигналом излучателя, выполненного в виде зеркальной антенны, и принимают отраженный от поверхности контролируемого покрытия сигнал посредством приемника, выполненного в виде зеркальной антенны, причем излучатель и приемник расположены в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, при этом измеряют напряженность электрического поля отраженной от поверхности диэлектрического покрытия волны Е_отр, и с учетом измеренного значения этого сигнала толщину контролируемого покрытия δ определяют по формуле:

где R - расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы;

k - коэффициент отражения от диэлектрического покрытия;

Р - мощность излучателя;

G - направленность излучателя.