Способ определения толщины диэлектрического покрытия

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники. Задача изобретения - упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия. Заявляемый способ основан на оценке разности фаз отраженных волн от двух границ раздела среды при зондировании контролируемой среды электромагнитными колебаниями. 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.Чеховский. Контроль толщины эмали на кузове. Радио №1, 2004, с.47), при 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 температурного влияния 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 г., с.50). Этот способ, реализуемый указанным устройством, основан на зондировании диэлектрического слоя двумя сигналами с умноженной частотой одного из них и сравнении фаз, отраженных от поверхности слоя сигналов с умноженной частотой одного из них. В этой разработке по выходному сигналу фазового детектора определяет толщину диэлектрического слоя.

Недостатком данного фазового способа измерения следует считать сложность определения толщины, связанную с образованием сигналов с умноженной частотой одного из них как при зондировании, так и при сравнении фаз отраженных сигналов.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, использующем электромагнитные волны для зондирования диэлектрического покрытия и приема, отраженных от границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» волн, дополнительно принимают волны, отраженные от границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - металлическая основа», измеряют фазовый сдвиг Δϕ волн, отраженных от границ раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие - металлическая основа», и по измеренному значению Δϕ определяют толщину диэлектрического покрытия.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании контролируемого диэлектрического покрытия электромагнитными волнами, по измеренному фазовому сдвигу отраженных от границ раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие - металлическая основа» волн, определяют толщину диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины диэлектрического покрытия на основе измерения фазового сдвига отраженных от двух границ раздела сред волн с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедур зондирования и измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит измеритель фазового сдвига 1, генератор электромагнитных колебаний 2, соединенный выходом с передающей антенной 3, первую приемную антенну 4 и вторую приемную антенну 5, осуществляющие улавливание сигналов, отраженных от диэлектрического покрытия 6, нанесенного на металлическую основу 7.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. При зондировании диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, электромагнитными волнами возникают отражения волн от первой границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - металлическая основа», т.е. может иметь место интерференция волн. Учитывая, что в данном случае путь отраженной волны от первой границы раздела сред короче, чем путь отраженной волны от второй границы раздела сред, то между этими отраженными волнами может иметь место фазовый сдвиг Δϕ, который определяется как (см. И.В.Лебедев. Техника и приборы СВЧ, том 1. Из-во «Высшая школа», М., 1970, с.275)

где λ - длина волны, - расстояние между первой и второй границами раздела сред. Из этой формулы видно, что при =0 отраженные волны приходят в одинаковой фазе (максимум, например, напряжения стоячей волны из-за интерференции), т.е. Δϕ=0. При =λ/4 эти отраженные волны будут иметь разность фаз, равную Δϕ=π, т.е. произойдет полное уничтожение волн (минимум, например, напряжения стоячей волны из-за интерференции).

Анализ представленной формулы показывает, что, если вместо расстояния l положить в эту формулу толщину диэлектрического покрытия d, то при λ=const по сдвигу фаз Δϕ можно определить толщину d. При этом следует отметить, что при d=λ/4 эти отраженные волны будут иметь разность фаз, равную Δϕ=π. Дальнейшее увеличение толщины от d=λ/4 до d=λ/2 согласно эффекту интерференции приведет к изменению Δϕ от π до 0 (изменение, например, напряжения стоячей волны от минимума до максимума), т.е. произойдет повторение интерференционной картины в обратном направлении. Поэтому при изменении толщины диэлектрического покрытия от 0 до величины, равной λ/4, разность фаз от 0 до π может обеспечить однозначную зависимость Δϕ от d. Таким образом, получаем, что максимальному значению разности фаз (π) будет соответствовать максимальное значение толщины диэлектрического покрытия, а минимальному (0) - нулевое значение покрытия.

Определение толщины d на основе измерения Δϕ проиллюстрируем на числовом примере. Пусть длина волны λ=3 см. Тогда, как вытекает из вышеприведенных рассуждений, диапазон толщины, который может быть определен однозначно измерением Δϕ, составляет от 0 до 7,5 мм. Здесь принимается, что амплитуды волн, отраженных от первой и второй границ раздела сред, одинаковы, т.е. пренебрегается уменьшением амплитуды волны, распространяющейся по диэлектрическому покрытию. Кроме того, допускается неизменность длины волны при ее распространении через диэлектрическое покрытие.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Электромагнитные волны с выхода генератора электромагнитных колебаний 2 поступают в передающую антенну 3. После этого электромагнитные волны направляются в сторону диэлектрического покрытия 6, нанесенного на металлическую основу 7. Отраженные волны от первой границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» улавливаются первой приемной антенной 4, а отраженные волны от второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - металлическая основа» - второй приемной антенной 5. Далее для измерения фазового сдвига между этими отраженными колебаниями сигналы с первой и второй антенн поступают соответственно на первый и второй входы измерителя фазового сдвига 1. Здесь по разности фаз Δϕ указанных входных сигналов определяют толщину диэлектрического покрытия d.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе оценки разности фаз отраженных волн от двух границ раздела сред можно обеспечить упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.

Способ определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, при котором зондируют диэлектрическое покрытие электромагнитными волнами и принимают отраженные от границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» волны, отличающийся тем, что дополнительно принимают отраженные от границ раздела сред «диэлектрическое покрытие - металлическая основа» волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ отраженных от указанных границ раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие - металлическая основа» волн и по измеренному значению Δϕ определяют толщину диэлектрического покрытия.