Радиоволновый фазовый способ измерения толщины диэлектрических материалов



Радиоволновый фазовый способ измерения толщины диэлектрических материалов

 


Владельцы патента RU 2579173:

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

Использование: для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно излучают электромагнитные волны с частотой F1 и частотой в k раз выше kF1 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ1 между принимаемой волной с частотой kF1 и волной с частотой F1, предварительно умноженной на k, после этого одновременно излучают электромагнитные волны с другой частотой F2 и частотой в k раз выше kF2 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ2 между принимаемой волной с частотой kF2 и волной с частотой F2, предварительно умноженной на k, толщину диэлектрической пластины определяют по фазам φ1 и φ2. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов, таких как листовое стекло, полимерные и композитные материалы, защитные покрытия, в том числе и непосредственно во время технологического процесса изготовления.

Известны способы для дистанционного бесконтактного измерения толщины диэлектрических материалов, использующие фазовый метод измерения (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 34 с.).

Этот метод точнее амплитудного, поскольку не зависит от возможной нестабильности мощности СВЧ-генератора. Однако его реализация может приводить к большим погрешностям из-за необходимости постоянной подстройки нуля фазометра, которая возникает из-за того, что в производственных условиях расстояние до объекта измерения заранее точно не известно и кроме этого может меняться. Также на точность влияет вибрация прибора и технологической установки и перемещения контролируемого объекта.

Известно техническое решение - радиоволновый фазовый способ измерения толщины диэлектрических материалов, использующий многочастотный фазовый метод, 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, 49-51 с.).

В данном способе формируются два измерительных канала за счет деления мощности на выходе СВЧ-генератора. Одна часть электромагнитных волн излучается в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней напрямую, а другая часть предварительно преобразуется в умножителе частоты и тоже излучается в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней. Сравнение фаз принимаемых отраженных волн осуществляется по отношению к опорному сигналу, частота которого получается путем соответствующего умножения частоты принятого антенной измерительного канала. Так как электрические длины распространения волны в измерительном и опорном канале равны друг другу, разность фаз между ними будет зависеть только от толщины диэлектрической пластины, вне зависимости от расстояния между ней и антеннами датчика. Благодаря этому снижается влияние на результат измерения перемещения контролируемого объекта относительно датчика, а также вибрации технологической установки.

Однако данный способ имеет существенный недостаток. Поскольку используется фазовый метод, то диапазон однозначного измерения толщины ограничен половиной длины волны электромагнитного колебания в материале, поделенной еще и на коэффициент умножения частоты k: где с - скорость света в вакууме, ε - относительная диэлектрическая проницаемость измеряемой пластины. Например, при F1=8 ГГц, k=4 м при диапазоне ε=1,1÷8. Это существенно снижает точность измерения при значительных изменениях в толщине пластины.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом способе для измерения толщины диэлектрических пластин достигается тем, что одновременно излучают электромагнитные волны с частотой F1 и частотой в k раз выше kF1 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ1 между принимаемой волной с частотой kF1 и волной с частотой F1, предварительно умноженной на k, после этого одновременно излучают электромагнитные волны с другой частотой F2 и частотой в k раз выше kF2 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ2 между принимаемой волной с частотой kF2 и волной с частотой F2, предварительно умноженной на k, толщину диэлектрической пластины определяют по фазам φ1 и φ2.

Предлагаемый способ поясняется работой устройства, структурная схема которого приведена на чертеже.

Устройство содержит СВЧ-генераторы - 1 и 2, переключатель - 3, делитель мощности - 4, первый циркулятор - 5, первую антенну - 6, первый умножитель частоты - 7, второй циркулятор - 8, вторую антенну - 9, второй умножитель частоты - 10, смеситель - 11, вычислительный блок - 12. Излучение антенн направлено по нормали к диэлектрической пластине 13.

Устройство работает следующим образом.

На первом этапе СВЧ-генератор 1 передает электромагнитные колебания с частотой F1 через переключатель 3, делитель мощности 4 и циркулятор 5 на антенну 6 и излучается по нормали к диэлектрической пластине 13. Принимаемая этой же антенной волна состоит из суммы двух волн, отраженных от передней и от задней поверхности диэлектрической пластины 13.

где τR=2R/c - время распространения электромагнитной волны до передней поверхности пластины и обратно; R - расстояние от антенны до пластины; c - скорость света в вакууме; A1 - амплитуда принимаемой волны от передней стороны пластины; - 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 5 и умножитель частоты 10 на вход смесителя 11 поступает сигнал:

где k - коэффициент умножения блока 7.

На второй вход смесителя 11 поступает сигнал, который от второго выхода делителя мощности 4 через умножитель частоты 7, циркулятор 8 и антенну 9 излучается по нормали к пластине 13, отражается от нее и возвращается обратно через эти же антенну и циркулятор:

Известно, что с ростом частоты СВЧ-генератора резко возрастает затухание в диэлектрических материалах. 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. Можно выбрать такую частоту F1 и коэффициент k, что в уравнении (3) в отличие от уравнения (2) можно пренебречь вторым слагаемым. В результате для смесителя 11 опорным будет сигнал B (см. формулу (2)), имеющий временную задержку τr.

На выходе смесителя 10 после перемножения сигналов A с B выделится и поступит на вход вычислительного блока 12 фазовый сигнал φ1, зависящий лишь от времени распространения электромагнитной волны в диэлектрической пластине и не зависящий от расстояния R:

Поскольку то через фазу этого сигнала можно выразить толщину пластины:

С учетом того, что измеряемая фаза повторяется через период 2π, диапазон однозначного измерения толщины составит или

где λ1=c/kF1 - длина волны электромагнитного колебания, N - целое число полуволн укладывающееся на расстоянии толщины диэлектрической пластины. Эта измеряемая величина не будет зависеть от расстояния между антеннами и пластиной, поскольку время распространения τR учитывается в опорном канале смесителя.

После вычисления и запоминания фазы φ1 в вычислительном блоке 12 на следующем этапе измерений с этого блока подается сигнал на переключатель 3, в результате чего электромагнитные колебания от генератора 2 с частотой F2 через переключатель 3, делитель мощности 4 и циркулятор 5 поступают на антенну 6 и излучается по нормали к диэлектрической пластине 13. Далее, согласно описанному выше процессу, получим в вычислительном блоке 12 фазу φ2. В результате можно записать соотношение:

где λ2=c/kF2 - длина волны электромагнитного колебания, N - то же самое целое число полуволн укладывающееся на расстоянии толщины диэлектрической пластины при соблюдении некоторого условия, описанного ниже.

Из уравнений (4) и (5) следует, что а толщина диэлектрической пластины равна:

Диапазон однозначного определения толщины будет зависеть от разности частот kF1 и kF2. Если максимальная толщина измеряемых диэлектрических пластин равна dm, что и является критерием однозначности, то в этом случае имеем:

Тогда отсюда:

Так, например, при F1=8 ГГц, F2=7,9 ГГц, k=4 будем иметь k(F1-F2)=0,4 ГГц, а диапазон однозначного определения толщины dm согласно формуле (7) будет равен

Вычисление толщины по формуле (6) с учетом ограничения (7) производится в вычислительном блоке 12, затем цикл измерения повторяется.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом приобрел новое свойство - высокую точность определения толщин плоских диэлектрических материалов при значительно увеличенном пределе однозначности.

Радиоволновый фазовый способ измерения толщины диэлектрических материалов, заключающийся в том, что одновременно излучают электромагнитные волны с частотой F1 и частотой в k раз выше kF1 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ1 между принимаемой волной с частотой kF1 и волной с частотой F1, предварительно умноженной на k, отличающееся тем, что после этого одновременно излучают электромагнитные волны с другой частотой F2 и частотой в k раз выше kF2 в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, принимают отраженные волны, вычисляют разность фаз φ2 между принимаемой волной с частотой kF2 и волной с частотой F2, предварительно умноженной на k, толщину диэлектрической пластины определяют по фазам φ1 и φ2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к неразрушающим способам контроля качества технологических процессов производства электротехнических изделий. Согласно способу у каждой обмотки измеряют до пропитки и после пропитки электрические параметры, в качестве которых выбраны сопротивления двух фаз соединенной в звезду обмотки.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано при решении проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а также исследованию параметров вторичного излучения различных сред.

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества лазерных и оптических кристаллов и может быть использовано при изготовлении и исследовании новых кристаллических материалов.

Изобретение относится к способу измерения накопления частиц на поверхностях реактора. Способ мониторинга смеси частиц и текучей среды включает пропускание смеси, содержащей заряженные частицы и текучую среду, обтекая детектор накопления частиц, измерение электрического сигнала, зарегистрированного детектором в то время, как некоторые заряженные частицы проходят мимо детектора без контакта с ним, а другие заряженные частицы контактируют с детектором, обрабатывание измеренного электрического сигнала, обеспечивая выходные данные, и определение по выходным данным, имеют ли заряженные частицы, контактирующие с детектором, в среднем заряд, отличный от заряженных частиц, проходящих мимо детектора без контакта с ним.

Датчик уровня, в частности электромагнитный детектор объекта толкающего и ударного типа, содержащий: магнитный качающийся стержень, электромагнит, который расположен с одной стороны магнитного качающегося стержня, и электронный модуль, который управляет электромагнитом при выполнении привода магнитного качающего стержня для его качания и усиливает, обрабатывает и выполняет вывод с задержкой по времени сигналов качания магнитного качающего стержня, причем эти сигналы качания снимают с помощью электромагнита, упомянутый магнитный качающийся стержень подвешен на устройстве подвески с одной стороны основного корпуса, и электромагнит, который состоит из железного сердечника и катушки, расположен внутри основного корпуса.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению концентрации кислорода и водорода, предназначенных для поверки, калибровки анализаторов растворенного в жидких средах кислорода и водорода.

Изобретение относится к аналитической химии пищевых производств. Способ оценки безопасности упаковочных полимерных материалов для тепловой обработки вакуумированных пищевых продуктов включает формирование полимерного материала в виде пакета, его вакуумирование, герметизирование и термическую обработку, после которой пакет термостатируют при комнатной температуре, вкалывают в него шприцем 5,0 см3 осушенного воздуха и через 5 мин, не вынимая шприца, отбирают 3,0 см3 воздуха.

Изобретение относится к технике измерений относительной электрической проводимости и солености жидкостей (например, морской воды) и может быть использовано в метрологии в качестве образцовых средств, а также для измерения активных проводимостей и сопротивлений. Технический результат - повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, в частности к контролю целостности протяженных изделий: электрических проводников, изделий металлопроката, оптоволоконных линий и кабелей связи, и может быть использовано в электротехнике, электроснабжении, горной промышленности, строительстве и других областях.

Изобретение относится к области измерения влагосодержания газов. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности.

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и контроля насыпи железных дорог и автодорог. Влажность, загрязненность и толщину слоев насыпи определяют с помощью георадара.

Настоящее изобретение относится к области обеспечения безопасности, а именно к сканирующему устройству формирования топографического изображения в миллиметровом диапазоне волн для досмотра людей.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, и в частности, для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Использование: для досмотра скрытых предметов под одеждой и в переносимом багаже человека. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют облучение СВЧ-излучением контролируемой области с помощью одного или более элементарных излучателей, региструют отраженный от контролируемой области сигнал с помощью одного или более каналов регистрации, обрабатывают зарегистрированный сигнал и отображают полученную в результате обработки информацию, при этом получение отраженного сигнала от человека с разных ракурсов достигается за счет естественного перемещения человека в области видимости распределенной системы элементарных излучателей и каналов регистрации, при этом одновременно с регистрацией отраженного СВЧ-излучения происходит синхронная видеорегистрация передвигающегося человека видеорегистратором, производится накопление и совместная обработка данных, зарегистрированных распределенной системой каналов регистрации и видеорегистратором, определение траектории каждого пикселя, принадлежащего передвигающемуся человеку, за время пересечения области видимости распределенной системы каналов регистрации, представление результатов расчета в виде синтезированного радиоизображения для произвольно задаваемого предыдущего момента времени и соответствующей этому моменту позе передвигающегося человека, где вычисление обобщенной функции неопределенности для каждого пикселя, принадлежащего передвигающемуся человеку, характеризующей радиолокационную отражательную способность данного пикселя, производится по определенной формуле.

Изобретение относится к области дистанционного измерения физических характеристик объектов, в частности диэлектрической проницаемости диэлектриков. Технический результат - повышение точности определения диэлектрической проницаемости.

Изобретение относится к медицинской технике. Антенна-аппликатор для неинвазивного измерения температуры внутренних тканей биологического объекта содержит закрытый с одного конца отрезок волновода (1), частично или полностью заполненный диэлектриком (2).

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, и в частности для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Изобретение относится к способам для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда. Контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны, определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для падающих волн, предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги.
Предложен способ определения диэлектрической проницаемости и толщины твердых образцов на металле. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины и диэлектрической проницаемости материала на металле.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.).

Способ контроля изменений интегрального состава газовой среды относится к области электрических измерений и может быть использован в составе аналитическо-измерительных комплексов непрерывного контроля за параметрами атмосферы в замкнутых пространствах, в шахтах и тоннелях, а также в системах автоматического управления технологическими процессами, системах непрерывного экологического мониторинга и метеорологии. Преимущество данного способа измерения, по сравнению с другими способами измерения заключается в защищённости датчиков от пыли, влаги, паров, малом времени измерения и возможности проведения контроля изменений интегрального состава газовой среды на протяжённых трассах и в больших объёмах рабочих пространств. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны для применения в угольных шахтах, на производствах с токсичной и вредной средой, а также на пожароопасных и взрывоопасных производствах, где газы, пыль и пары неравномерно распределены по объёму рабочего пространства. Новым в способе контроля изменений интегрального состава газовой среды является применение единственного микроволнового канала связи, для проведения фазовых измерений и синхронизации высокочастотных высокодобротных кварцевых опорных генераторов, с целью снижения затрат на проектирование и производство оборудования и оптимизации радиотракта. При контроле изменений интегрального состава газовой среды микроволновый сигнал, модулированный по амплитуде низкочастотным синхронизирующим сигналом, излучают в измерительный канал. Далее микроволновый сигнал принимают ретранслятором и усиливают, затем из него выделяют низкочастотный синхронизирующий сигнал, который используют для синхронизации местного опорного генератора при помощи системы фазовой автоподстройки частоты. Затем в микроволновый сигнал вносят монотонно нарастающий фазовый сдвиг в микроволновом управляемом фазовращателе, после чего микроволновый сигнал излучают обратно. Из принятого микроволнового сигнала, после гомодинного преобразования частоты, выделяют низкочастотную информационную составляющую. По разности фаз, измеренной между низкочастотным опорным и информационным сигналами, определяют изменения относительной диэлектрической проницаемости среды, а следовательно и изменения интегрального состава газовой среды.
Наверх