Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов



Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов

 


Владельцы патента RU 2528131:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Технический результат - повышение точности достигается тем, что устройство содержит генератор сверхвысокочастотных электромагнитных волн с частотой, управляемой модулирующим генератором линейно изменяющегося напряжения, подсоединенный через первый вывод делителя мощности и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, смеситель, вычислительное устройство, являющееся выходным блоком, соединенное с выходом смесителя и с модулирующим генератором, вторую приемо-передающую антенну для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, соединенную со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты в N раз и второй циркулятор, выход которого соединен со вторым входом смесителя, при этом первый вход смесителя соединен со вторым выходом первого циркулятора через второй умножитель частоты в N раз. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов, таких как стены зданий, ледовое или дорожное покрытие в процессе мониторинга при использовании транспортных средств.

Известны устройства для дистанционного бесконтактного измерения толщины ледового покрова, использующие принцип действия импульсного радиолокатора. Размещенное на автомобиле или вездеходе оно позволяет измерять толщину льда или другого подстилающего покрытия в процессе движения. Однако получить большую точность в определении толщины при помощи импульсного радиолокатора затруднительно на малых расстояниях порядка 0,5-1,5 метров, как это имеет место в данном случае. Малое время распространения радиоволн приводит к уменьшению ширины зондирующего импульса, которая, в свою очередь, ограничена по крайней мере одним периодом частоты заполнения. При высокой частоте заполнения проникающая способность радиоволн в диэлектрических материалах резко падает.

Известно также техническое решение - радиоволновый измеритель толщины диэлектрических материалов, использующий частотную модуляцию зондирующего сигнала, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.). Данное устройство содержит: генератор сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных волн с частотой, управляемой модулирующим генератором линейно изменяющегося напряжения (ЛЧМ), подсоединенный через первый вывод делителя мощности и циркулятор к антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приему отраженных электромагнитных волн; смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно СВЧ генератор через второй вывод делителя мощности и антенна отраженных электромагнитных волн через циркулятор, выход смесителя подсоединен ко входу вычислительного устройства, являющегося выходным блоком. В результате временной задержки между волной, попадающей на смеситель напрямую от СВЧ генератора и волной, прошедшей через диэлектрическую пластину и вернувшейся обратно после отражения от ее нижней границы, на выходе смесителя выделяется сигнал разностной частоты. Частота этого сигнала пропорциональна толщине диэлектрической пластины и квадратному корню от ее диэлектрической проницаемости. Точность определения толщины или разрешающая способность при данном методе прямо пропорциональна девиации частоты.

Недостатком этого толщиномера является тот факт, что антенна устройства должна быть максимально согласована с материалом измеряемой пластины, чтобы устранить отражение от ее передней поверхности. Поэтому данное устройство не приспособлено для дистанционного применения. Если же применить антенну, согласованную с открытым пространством, то сигнал, отраженный от верхней стороны диэлектрической пластины, внесет сильные искажения в результирующий сигнал, что приведет к снижению точности измерения толщины.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом устройстве для бесконтактного измерения диэлектрических пластин достигается тем, что оно содержит: СВЧ генератор, управляемый модулятором, соединенный через первый вывод делителя мощности и первый циркулятор с первой приемо-передающей антенной для излучения электромагнитных волн в сторону измеряемой поверхности по нормали; вторая приемо-передающая антенна для излучения в сторону измеряемой пластины по нормали, соединенная со вторым выходом делителя мощности через первый умножитель частоты и циркулятор; смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого циркулятора через второй умножитель частоты, а второй вход - с выходом второго циркулятора; выходное вычислительное устройство, соединенное с выходом смесителя и с модулирующим генератором.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена его структурная схема.

Устройство содержит СВЧ генератор - 1, модулятор - 2, делитель мощности - 3, первый циркулятор - 4, первая антенна - 5, первый умножитель частоты - 6, второй циркулятор -7, вторая антенна - 8, второй умножитель частоты - 9, смеситель - 10, вычислительный блок - 11, диэлектрическая пластина - 12.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ генератор 1 передает электромагнитные колебания с частотой, изменяющейся по линейному закону с периодом TM, от начальной частоты F до частоты F+ΔF, где ΔF -девиация частоты. Часть этой волны через циркулятор 4 излучается антенной 5 по нормали к поверхности диэлектрической пластины. Принимаемая этой антенной волна состоит из суммы двух волн, отраженных от передней и от задней поверхности диэлектрической пластины 12.

A = A 1 c o s ( 2 π F t + 2 π Δ F ( t τ R ) / T M ) + A 2 c o s ( 2 π F t + 2 π Δ F ( t τ R τ d ) / T M ) , ( 1 )

где τR=2R/c - время распространения электромагнитной волны до передней поверхности пластины и обратно; R - расстояние до пластины; с - скорость света в воздухе; A1 - амплитуда принимаемой волны от передней стороны пластины; τ d = 2 d ε / c - время распространения электромагнитной волны в пластине толщиной d и диэлектрической проницаемостью ε; A2 - амплитуда принимаемой волны от задней стороны пластины. После прохождения этой волны через циркулятор 4 и умножитель частоты 9, на вход смесителя 10 поступает сигнал:

A N = A 1 c o s ( 2 π N F t + 2 π N Δ F ( t τ R ) / T M ) + A 2 c o s ( 2 π N F t + 2 π N Δ F ( t τ R τ d ) / T M ) , ( 2 )

где N - целое число - коэффициент умножения блока 9.

На второй вход смесителя 10 поступает сигнал, который от второго выхода делителя мощности 3 через умножитель частоты 6, циркулятор 7 и антенну 8 излучается по нормали к пластине 12, отражается от нее и возвращается обратно через эти же антенну и циркулятор:

B = A 1 c o s ( 2 π N F t + 2 π N Δ F ( t τ R ) / T M ) . ( 3 )

Известно, что с ростом частоты СВЧ генератора резко возрастает затухание в таких диэлектрических материалах, как дерево, бетон, лед. Это справедливо для частот, применяемых в радиолокации от 1,5÷2 ГГц и выше. При кратном повышении частоты затухание для многих практических материалов возрастает в десятки и сотни раз. Поэтому в уравнении (3) в отличие от уравнения (2) можно пренебречь вторым слагаемым. В результате для смесителя 10 опорным будет сигнал В, имеющий временную задержку τR.

На выходе смесителя 10 после перемножения сигналов А с В и низкочастотной фильтрации выделится сигнал разностной частоты:

U ( t ) = U 0 c o s ( 2 π N Δ F t τ d / T M ) . ( 4 )

Поскольку τ d = 2 d ε / c , разностная частота или частота биений этого сигнала определится как:

F b = 2 N Δ F d ε / c T M . ( 5 )

Окончательно толщина диэлектрической пластины с известной диэлектрической проницаемостью ε после измерения Fb с учетом TM и вычисления по формуле

d = c T M F b / 2 N Δ F ε , ( 6 )

определяется в выходном вычислительном блоке 11. Точность определится ошибкой дискретности метода, которая в этом случае будет в N раз меньше, чем у прототипа:

Δ d = c / 2 N Δ F ε . ( 7 )

Таким образом, устройство по сравнению с прототипом приобрело новое свойство - более высокую точность определения толщин плоских диэлектрических материалов при бесконтактном способе измерения. Благодаря этому, устройство может быть применено для мониторинга толщин различных подстилающих поверхностей, в том числе льда, с борта транспортных средств, дистанционном измерении толщин стен и определения пустот в разных диэлектрических материалах.

Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов, содержащее генератор сверхвысокочастотных электромагнитных волн с частотой, управляемой модулирующим генератором линейно изменяющегося напряжения, подсоединенный через первый вывод делителя мощности и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, смеситель, вычислительное устройство, являющееся выходным блоком, соединенное с выходом смесителя и с модулирующим генератором, отличающееся тем, что дополнительно содержит вторую приемо-передающую антенну для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, соединенную со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты в N раз и второй циркулятор, выход которого соединен со вторым входом смесителя, при этом первый вход смесителя соединен со вторым выходом первого циркулятора через второй умножитель частоты в N раз.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проведения ресурсных и метрологических испытаний внутритрубных инспекционных приборов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток в турбомашинах. Устройство для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток, содержащее источник постоянного напряжения, ключ, рабочий и компенсационный одновитковые вихретоковые датчики, два резистора и первый усилитель.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий.

Изобретение относится к инвазивным медицинским устройствам. Медицинский зонд содержит вводимую трубку, имеющую продольную ось и дистальный конец, дистальный кончик, расположенный на дистальном конце вводимой трубки и сконфигурированный для введения в контакт с тканью тела, стык, который соединяет дистальный кончик с дистальным концом вводимой трубки, и датчик стыка, заключенный внутри зонда, для распознавания положения дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки, причем датчик стыка содержит первый и второй подузлы, которые расположены внутри зонда на противоположных соответствующих сторонах стыка, и каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей.

Изобретение предназначено для измерения размеров конструкций, в частности для определения протяженности и размеров здания или транспортного средства. Измерительное устройство 1 содержит два инерциальных измерительных блока 3 и 4, размещенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по меньшей мере два акселерометра и по меньшей мере два гироскопа для восприятия вращений.

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий, а также для решения общих задач автоматизации различных производственных процессов.

Изобретение относится к области метрологии и предназначено для контроля положения и идентификации изделий. Адаптивный датчик содержит чувствительный элемент, образованный индуктивной катушкой, емкостной металлической пластиной и двумя инфракрасными фотоприемниками, логический элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй блоки индикации, первый и второй диоды, точка соединения катодов которых и второго входа логического элемента ИЛИ-НЕ является первым выходом адаптивного датчика, счетный триггер, прямой и инверсный выходы которого являются соответственно вторым и третьим выходами адаптивного датчика.

Использование: для уменьшения температурной погрешности датчиков физических величин: микроперемещений, давлений, ускорений, сил, моментов. Сущность способа заключается в том, что в случае применения его для индуктивных и емкостных датчиков требуется преобразование изменения индуктивности при постоянной емкости или изменение емкости при постоянной индуктивности с применением повышающего LDC-моста в изменение потенциалов его выходной диагонали.

Изобретение предназначено для использования в производстве полупроводниковых приборов, в частности для экспонирования рисунков на полупроводниковые пластины и иные мишени. Литографическая машина содержит систему (132) проекционного объектива для фокусировки одного или более экспонирующих пучков на мишень, подвижный стол (134) для транспортировки мишени (9), емкостную измерительную систему (300) для проведения измерений, связанных с расстоянием между последним фокусирующим элементом системы (104) проекционного объектива и поверхностью мишени (9), и блок управления (400) для управления перемещением подвижного стола (134) для регулировки положения мишени (9), по меньшей мере частично, на основании сигнала из емкостной измерительной системы. Емкостная измерительная система (300) содержит множество емкостных датчиков (30), каждый из которых содержит тонкопленочную структуру. Емкостные датчики и последний фокусирующий элемент (104) системы проекционного объектива установлены непосредственно на общем основании (112), и датчики расположены в непосредственной близости к краю последнего фокусирующего элемента системы проекционного объектива. Предложенное техническое решение обеспечивает повышение разрешающей способности и точности литографической машины. 15 з.п. ф-лы, 32 ил.

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Датчик физических величин с потенциальным выходом содержит сенсор (1) с внутренней емкостью (2) и внутренним сопротивлением (3), подключенными по переменному току между выходом устройства (4) и общей шиной (5). Выход устройства (4) соединен с входом (6) дополнительного неинвертирующего усилителя тока (7) через дополнительный конденсатор (8), причем выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока (7) связан по переменному току с выходом устройства (4). Технический результат заключается в повышении быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2 сенсора 1 на переходный процесс, связанный со «скачкообразным» изменением измеряемой физической величины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройству (102), сконфигурированному для измерения геометрии мениска (132) текучей среды и реализуемому им способу измерения геометрии мениска. Данная группа изобретения позволяет более точно определять геометрию мениска сложных геометрических форм. Предложенное устройство содержит камеру текучей среды, содержащую первую электрически проводящую текучую среду (128) и вторую электрически изолирующую текучую среду (324). Эти текучие среды являются взаимно несмешивающимися и определяют между собой мениск (132) текучей среды. Кроме того, для управления геометрией мениска текучей среды имеются главный электросмачиваемый электрод (118) и вспомогательные электросмачиваемые электроды (120, 122, 124, 126). Сюда же включен источник (134) напряжения для подачи электрического напряжения между главным электросмачиваемым электродом и вспомогательными электросмачиваемыми электродами, а также измерительная схема (144) для раздельного измерения емкостей между главным электросмачиваемым электродом и по меньшей мере двумя из соответствующих вспомогательных электросмачиваемых электродов. С этой целью измерительная схема содержит преобразователь для демодуляции сигнала, представляющего упомянутые емкости. Указанное устройство реализует соответствующий способ измерения геометрии мениска. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предложенный способ относится к изготовлению инструмента измерительной техники для исследований профилей топографических особенностей гладкой поверхности - ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии. Согласно заявленному способу, подготавливают полупроводниковую пластину с вицинальной поверхностью, характеризуемой наличием верхней и нижней террас с непрерывным положительным градиентом высот. Пластину помещают в вакуум. Проводят термоэлектрический отжиг. Сначала через пластину пропускают постоянный электрический ток, вызывающий резистивный нагрев материала пластины до температуры активируемой сублимации атомов верхнего атомного слоя. Пропускают ток параллельно вицинальной поверхности между верхней и нижней террасами. Нагревают в течение заданного промежутка времени для появления на одиночных моноатомных ступенях участков с противоположным относительно начального, отрицательным, градиентом высот. Затем направляют на нагреваемую поверхность поток атомов того же сорта, что и материал пластины, сопоставимый или равный потоку атомов, убывающих с поверхности в процессе сублимации. Воздействуют потоком в течение промежутка времени, обеспечивающего формирование скоплений из участков одиночных моноатомных ступеней с противоположным относительно начального, отрицательным, градиентом высот, содержащих точно подсчитываемое количество близко расположенных моноатомных ступеней с противоположным относительно начального, отрицательным, градиентом высот. По обе стороны от скоплений сформированы террасы, обеспечивающие воспроизводимые и с высокой точностью измерения высоты рельефа поверхности. За счет этого достигают воспроизводимость измерений, повышение точности определения высоты особенностей рельефа, обеспечение заданной погрешности измерений, обеспечение возможности калибровки по калибровочным стандартам с одинаковой точностью. 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой систему измерения положения и предназначено для определения экстремального положения (xmin, xmax) управляющих стержней ядерной энергетической установки. Система включает канал, в котором перемещается стержень. На одном конце стержня расположен магнитный элемент, вдоль канала размещены сенсорные элементы - герконы, детектирующие магнитное поле с напряженностью выше порогового значения. Также система содержит индуктивную измерительную систему, которая включает индуктивные катушки и омический блок, образующий последовательное соединение с как минимум одной катушкой и схемное соединение с герконом. Схемным устройством шунтируется омический блок при замыкании геркона. Техническим результатом является повышение надежности и точности. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике. Сущность: определяют значения активной и индуктивной компонент напряжения на обмотке датчика в широком диапазоне частот. Находят оптимальную частоту питания обмотки из условия, что индуктивная компонента напряжения на обмотке линейно зависит от положения подвижного элемента и имеет лишь аддитивную составляющую температурной погрешности в рабочем диапазоне температур. На оптимальной частоте определяют активную и индуктивную компоненты напряжения на обмотке, преобразуют их в напряжения постоянного тока и формируют из них выходной сигнал. Устройство содержит обмотку на сердечнике в проводящем цилиндрическом корпусе, охватывающий его подвижный элемент в виде проводящей трубки и электронный модуль. Сердечник обмотки выполнен из немагнитного непроводящего материала. Обмотка питается напряжением определенной частоты. Электронный модуль содержит средства для выделения активной и индуктивной компонент напряжения на обмотке, преобразования их в соответствующие напряжения постоянного тока и формирования из них линейной комбинации, пропорциональной положению подвижного элемента, с коэффициентом, значение которого подбирается экспериментально. Технический результат: упрощение термокомпенсации индуктивного датчика положения, упрощение его конструкции и уменьшение его себестоимости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений. Основная область применения: датчики положения в системах магнитного подвеса ротора. Технический результат: повышение помехозащищенности преобразователя и получение на выходе цифрового сигнала. Сущность: преобразователь содержит катушку индуктивности, надетую на незамкнутый магнитопровод с изменяемым зазором, генератор прямоугольного напряжения, резистор, компаратор и источник опорного напряжения. Последовательно катушке включены генератор прямоугольного напряжения и резистор, один из выводов которого подключен к заземлению компаратора, а другой - к катушке и одному из входов компаратора. К другому входу компаратора подключен источник опорного напряжения. Полупериод напряжения генератора прямоугольного напряжения меньше трех электромагнитных постоянных времени катушки индуктивности при максимальной величине зазора сердечника. 1 ил.

Использование: для контроля линейных перемещений. Сущность изобретения заключается в том, что потенциометрический датчик линейных перемещений содержит подвижную каретку с двумя токосъемниками, которая перемещается по двум направляющим под воздействием уплотненного по наружной поверхности штока, соединенного с контролируемым объектом, и корпуса с двумя резистивными элементами, при этом в нем подвижная каретка с двумя токосъемниками связана механически со штоком посредством безлюфтового развязывающего узла, повышающего надежность и позволяющего более точно преобразовать величину линейного перемещения контролируемого объекта в изменение значения сопротивления потенциометрического датчика линейного перемещения с нормализованным усилием страгивания на большем рабочем ходе и с обеспечением защиты от влаги и посторонних частиц. Технический результат: повышение надежности и точности преобразования величины линейного перемещения контролируемого объекта в изменение значения сопротивления потенциометрического датчика линейного перемещения. 2 ил.

Использование: для изготовления датчиков деформации, силы, давления, перемещения, вибрации. Сущность изобретения заключается в том, что тензорезистор включает диэлектрическую подложку с нанесенной тензочувствительной пленкой из Sm1-xEuxS, где 0,22≤x≤0,5. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности измерений тензорезистора. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений перемещений элементов конструкции. Сущность: датчик снабжен двумя диэлектрическим основаниями, подвижно соединенными между собой двумя упругими элементами, между которыми вдоль продольных осей оснований на поверхности первого основания расположен первый контактный элемент, выполненный в виде зигзагообразного печатного проводника из материала с высоким удельным сопротивлением, и второй контактный элемент, выполненный в виде токопроводящей упругой пластины, один конец которой жестко закреплен на изоляционной поверхности первого основания со стороны первого конца печатного проводника. Другой конец токопроводящей упругой пластины закреплен на поверхности второго основания над вторым концом печатного проводника. Упругие элементы могут быть выполнены в виде пластин, первые концы которых закреплены на первом диэлектрическом основании со стороны второго конца печатного проводника, а их вторые концы закреплены на втором диэлектрическом основании со стороны первого конца печатного проводника. Внешняя боковая поверхность диэлектрических оснований может быть выполнена в форме полуцилиндра или полусферы. Технический результат: повышение точности измерения перемещений и упрощении конструкции датчика. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх