CC BY
54
УДК 543.812: 697.93
АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МИКРОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ.
ЧАСТЬ II
П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев
Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники
(военный институт)
Представлена членом редколлегии профессором Ю.Л. Муромцевым
Ключевые слова и фразы: волноводы; волновое сопротивление; диэлектрическая проницаемость; магнитная проницаемость; микроволновые методы измерений; неразрушающий контроль; поверхностная волна; термовлагометрия.
Аннотация: Представлена многосвязанная классификация разработанных авторами микроволновых методов и устройств неразрушающего контроля веществ, материалов и изделий, адекватно систематизирующая их по необходимым рубрикам классификатора и представляющая возможность эффективного решения поставленной метрологической задачи измерения параметров сред.
В первой части статьи [1] был представлен анализ и классификация микроволновых измерительных преобразователей на регулярных волноводах (отрезках волноводных линий передачи):
- первичных измерительных преобразователей (ПИП) на отрезках металлических волноводов, где были рассмотрены эффекты взаимодействия поля бегущей электромагнитной волны с намагниченной ферромагнитной жидкостью (ФМЖ), информативные статические характеристики, вид ПИП, метрологические аспекты;
- ПИП на диэлектрических волноводах.
Дана классификация ПИП на нерегулярных волноводах с неоднородностями: сопряжение диэлектрического волновода и сильфона, сопряжение диэлектрического волновода и спиральной замедляющей структуры (ЗС).
В настоящей статье дадим анализ и классификацию микроволновых методов измерения толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей маг-нитодиэлектрических покрытий на металле поверхностной медленной волной, а также микроволновых методов термовлагометрии.
1 Классификация микроволновых методов поверхностных волн измерения толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей магни-тодиэлектрических покрытий на металле.
В [2] нами был произведен подробный анализ методов и устройств микроволновой толщинометрии и произведена классификация микроволновых методов и устройств измерения толщины и электрофизических параметров магнитоди-электрических покрытий на металле. Результаты классификации приведены на рис. 1. В табл. 1 приведена многосвязанная классификация микроволновых методов поверхностных волн контроля параметров магнитодиэлектрических покрытий и диэлектрических пластин - матрица соответствия.
Классификация микроволновых методов поверхностных волн измерения толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей магнитодиэлектрических покрытий на металле и диэлектрических пластин
0 I
По измеряемым
параметрам
Диэлектри- Магнито-
ческие пла- диэлектрич.
стины (обте- покрытия
катели РЛС) на металле
©
f®
Неоднородности b и ЭФ
ж1
I, V- объем
W — влажность
(2 I ® } ©I ® I © I
По способу возбуждения медленных ПВ (апертуры)
Внешние рупорные
Внешние круговые
Внутренние направленные
Внутренние круговые
Внутренние секториальные
до
Двухапертур-ные ортогональные когерентные
Двухапертур-ные противофазные когерентные
<,жз
По виду рабочей моды и алгоритму их смены
©
Н-моды латентные и нелатентные
©
Е-моды латентные и нелатентные
По режиму работы
Режим бегущих волн
®
Режим стоячих волн
Информативные параметры
©
Алгоритмы измерений
Недиссипатив-ное ослабле-
Длина волны генератора
Хг
©
Длина стоячей волны
Хст
Угол отклонения
ДН е
©
Интегральный
угол Брюстера еБр
Диссипативное затухание: а ом,,
,гиром (Н± .> 0)
&
i аб
Одномодовый
на двух длинах волн
Алгоритм локализации и оценки геометрических и ЭФ неоднородностей
Сопряжение двухчас тотного алгоритма аб и алгоритма определения ц по х в потоке
©
Алгоритм стоячих волн
Двухмодовый
на трех длинах волн
ЕЬ Е2, Н1
А
A3 >^1,^2
ЕЬ Е2, Н1
А
Е1, Hl, Н2 А «А2«АЗ
-1-
Оценка распределения неоднородности по текущей фрактальной размерности Ха-усдофера-Безиковича
Алгоритм микроволновой неразрушающей интроскопии с визуализацией неоднородно-стей по дисперсии а
Определение «интегральной» неоднородности по критерию Д^пор.
Несколько мод на одной длине волны со спектральным анализом гармоник
По спектру пространственных гармоник одномодо-вого режима
Рис. 1 Классификация ПИП на плоских «волноводах» поверхностных волн
ние а
У
в
b
330
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2006. Том 12. № 2А. Transactions TSTU.
Таблица 1
Матрица соответствия по классификации микроволновых методов ПВ
1 2 3 4 5 6
а1 61 Ь1 Г1 Д1 е1 ж1 М1 К1 а2 б2 Ь2 Г2 Д2 е2 Ж2 а3 б3 а4 б4 а5 б5 Ь5 Г5 Д5 е5 а6 бб1 бб2 бб3 Ь61 Ь62 Ь63 Г6 Д61 Д62 Д63
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
1 а1 + + + + + + + + + + + + + + - + - + + + + + + + + - - -
6i + + + + + + + -/+ +/- + + - - - + - - + + + + + + + + - - -
Ь1 + + + + + + - -/+ +/- + + + + + - + - - + + + - - + + - - -
Г1 + + + + + + - +/- -/+ + + - - - + - - - + + + - - + + - - -
д1 + + + + + + - + + + - + + - + - - - + + + - - + + - - -
е1 + + + + + + + +/- -/+ + - + + + - - - + + + + + + + + - - -
ж1 + + + + + + - - + + - + + + + + - - - - + + +
и1 + + + + + + - - + + - + + + - + + +
к1 + + + + + + - + + + - - + + - + - + - - - - - - - + + +
2 а2 + + + + + + + + + + + + + + + - + + + +
б2 + + + + + + + + + + + + + + + - + + + +
32 + + + + + + + + + + + + + + + + + - - + + + + + + + + + + +
г2 + + + + + + + + + + + + + + + + + - - + + + + + + + + + + +
Д2 + + + + + + + + + + + + + + + + + - - + + + + + + + + + + +
е2 + + + + + + + + + + + + + + + + + - - + + + + + + + + + + +
Ж2 + + - - - + - - - + + - + + + + + + +
3 а3 + -/+ -/+ +/- + +/- - - + + + + + + + + + + + + - + - - - + + + - - + + - - -
б3 + +/- +/- -/+ + -/+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2006. Том 12. № 2А. Transactions TSTU.
331
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
4 а4 + + + + + + + + + + + + + + + - + + + + - + + + + + + + - - - + + + +
б4 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - -
5 а5 + - + - + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
б5 + - + - + + - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
в5 + - + - - + - + + - - + + + + + - + - + - - - - + + + - - - -
г5 - + - + + - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - -
д5 + - + - - - - + + + + + + -
е5 + - + + + + -
6 аб + + - - - + + + + + + + + + + - - + + - + + - + - -
бб1 + + + + + + + - - - - + + + + - + + + - + + - + - -
бб2 + + + + + + + - - - - + + + + - + + + - + + - + - -
бб3 + + + + + + + - - - - + + + + - + + + - + + - + - -
вб1 + + - - - + - - - - - + + + + + - + - + + + + + - -
вб2 + + - - - + - - - - - + + + + + - + - + + + + + - -
вбз + + + + + + + + + + - + + - - + + + + - -
гб + + + + + + + + + + - + + + - + + - + - -
дб1 - - - - - - + - + - - + + + + - - + + - + + - - - -
дб2 - - - - - - + - + - - + + + + - - + + - + + - - - -
дбз - - - - - - + - + - - + + + + - - + + - + + - - - -
332
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2006. Том 12. № 2А. Transactions TSTU.
В качестве примера разработанных нами микроволновых методов поверхностных волн неразрушающего контроля толщины, электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий и оценки неоднородностей, использующих явление «разлития» поверхностной волны по плоскости и быстродействующего сканирования результатов взаимодействия поля со слоем покрытия в функциях комплекса параметров: относительной диэлектрической е, магнитной проницаемости ц и толщины покрытия Ь [3] можно рассмотреть СВЧ метод интроскопии неоднородностей покрытий по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания аг поля поверхностной медленной волны, алгоритм которого представлен на рис. 2.
С
Начало программы
J
1 X,- = Х0 + ,-Ах
2 2т = 10 + ш-Аг
3 Определение координат точки измерений (X,, 1т)
Да
Да
1 Координаты начальной/ точки измерений (Х020); Аапор, А*пор ;
3 , = 0;] = 1; ш = 0; I, 7, М/
4 Ах; Аг
Аапор, Da
i = 0; m = 0
Измерение Е^^) и Е{у]);
d = Уj - y-i;
E( y,-i)
(Xi Zm)
2 Da= 1 ]Г (a j - ma )2
3 Dx0 z0 = Da Ахпор
1 i = 0
2 m = m + 1
Запуск программы визуализации д
МПУ
/"Дисплей
Рис. 2 Алгоритм интроскопии неоднородностей покрытий на металлической основе поверхностной волной
Основу данного алгоритма составляет базовый алгоритм определения неод-нородностей [3 - 5]. В каждой точке измерений по значениям коэффициентов нормального затухания электрического поля поверхностной волны аг определяют математическое ожидание та и дисперсию коэффициента затухания Ба как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей. По матрице значений дисперсии коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования с помощью программ обработки полученных данных строят пространственное распределение дисперсии коэффициента нормального затухания а поля поверхностной медленной волны, пространственная картина которой визуально отображает форму и геометрические размеры неоднородностей.
Перспективным в настоящее время является обработка результатов измерений методами фрактального анализа на основе расчетов текущей фрактальной размерности, например Хаусдофера-Безиковича [4], определяемой по дискретному изменению порога чувствительности измерения комплекса параметров и являющейся интегральной мерой неоднородности.
Примечание к рис. 1 с целью обозримости классификатора (см. рис. 1): в него не вошли следующие рубрики, отраженные в материалах [2]:
- пространственно-временная реализация вектора Н0 - поля локального под-магничивания (гиромагнитно-спиновые характеристики магнитодиэлектрических спиновых покрытий);
- алгоритмы многомодовых измерений информативных параметров: Е, ау, аг;
- параметры (и пределы) модулированного и смодулированного излучений;
- адаптивные алгоритмы пространственного сканирования поверхности с адаптацией длины волны по радиусу кривизны;
- интерфейсное и мониторное сопряжение (РС, контроллер и т.д.).
2 Классификация микроволновых методов определения влажности -микроволновая термовлагометрия.
На рис. 3 приведена классификация микроволновых методов влагометрии. В [6] нами сделана попытка классификации существующих и, в том числе, разработанных нами методов микроволновой термовлагометрии (рис. 4). Более подробную картину позволяет представить многосвязанная классификация микроволновых методов, так называемая матрица соответствия, приведенная в табл. 2.
Рис. 3 Классификация микроволновых методов влагометрии
Классификация термовлагометрических методов
Влажность локальному объему взаимодействия W
Распределена СЦ, б\, в1 по поверхности одностороннего доступа
и?
ие
Угол Брюстера
0Бр опт. по
минимуму отраженной мощности Ят\п
Мощность отраженной
VP2/
Изменение температуры материала ДГ
По виду образующей приемной апертуры ВВЩА
I
По форме ВВ излучающей системы ВВЩА
По виду излучающей апертуры ВВЩА
VS4,
Продольные возбуждающие щели
Поперечные возбуждающие щели
Прямоугольные отрезки регулярных ВВ
Спиральный волновод
Объемный волновод -«горшок»
у Алгоритм управления зоной нагрева в пространстве и времени для определения ТФХ ламинарного потока жидкости в ДВВ
Измерение температурного приращения
: ^ Безнагрев-ный алгоритм
Импульсный
алгоритм термограмм
(ТФХ по переходному процессу нагрева)
Рис. 4 Классификация термовлагометрических методов
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2006. Том 12. № 2А. Transactions TSTU.
335
Таблица 2
Многосвязанная классификация термовлагометрических методов
1 2 3 4 5 6
ai 6i Bl Г1 а2 б2 В2 аз б3 В3 а4 б4 а5 б5 В5 Г5 аб бб Вб Гб Дб
1 ai + + - + + + + + + + + + + - + + +
6i - + + + + + + + + + + + - + + + -
Bl + + + + + + + + + + + + + + + + -
Г1 + + + + + + + + + + + + + + + + -
2 a2 + - + + + + + + + + + + + + - + + +
62 + + + + + + + + + + + + + + + + + +
B2 - + + + + + + + + + + + + - + - - +
3 аз + + + + + + + + + + + + - + + + + +
бз + + + + + + + + + - + + - + + + + +
Вз + + + + + + + + + + + + - + + + + +
4 а4 + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
б4 + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
5 а5 + + + + + + + + - + + + + + + + -
б5 + + + + + + + + + + + + + + + + -
В5 + + + + + + + + + + + + + + + + +
Г5 + + + + + + + - - - + + + + + - -
6 аб + - + + + + - + + + + + + + + +
бб - + + + - + + + + + + + + + +
Вб + + + + + + - + + + + + + + + +
Гб + - + + + + - + + + + + + + + -
Дб + - - - + + + + + + + + - - + -
336
ISSN 0136-5835. Вестник ТГТУ. 2006. Том 12. № 2А. Transactions TSTU.
Таким образом, на основе теоретических и экспериментальных исследований эффектов взаимодействия электромагнитного поля микроволновых излучений с жидкими и твердыми материалами был предложен единый теоретический подход к созданию новых микроволновых методов неразрушающего контроля магнитоэлектрических параметров контролируемых материалов, и разработан комплекс устройств, реализующих неразрушающие микроволновые методы определения магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов.
Представлена многосвязанная классификация разработанных микроволновых методов и устройств неразрушающего контроля веществ, материалов и изделий, адекватно систематизирующая их по необходимым рубрикам классификатора и представляющая возможность эффективного решения поставленной метрологический задачи измерения параметров материалов.
Авторы выражают надежду, что данный опыт классификации позволит не только эффективно применять наши разработки, но и послужит толчком их дальнейшего развития, а также будут признательны за отзывы, вопросы и пожелания.
Список литературы
1 Федюнин, П.А. Анализ и классификация разработанных микроволновых методов и устройств неразрушающего контроля веществ, материалов и изделий. Часть 1 / П.А. Федюнин, Д.А.Дмитриев // Вестник ТГТУ. - 2005. - Т.11. - №4. -С. 855-869.
2 Дмитриев, Д. А. Поверхностные волны и микроволновые устройства контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий на металле: монография / Д.А. Дмитриев, Н.П.Федоров, П.А.Федюнин, В.А Русин. -М.: Изд-во Машиностроение-1, 2004. - 196 с.
3 Патент №2256115, МПК7 в01Ш2/02, 001Я27/26. СВЧ способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценка их относительной величины / П.А.Федюнин, Д.А. Дмитриев, С.Р. Каберов (РФ); №2003126856/09. Заявл. 01.09.03. Опубл. 10.07.05. Бюл. №19.
4 Федюнин, П.А. Неразрушающий метод локального определения параметров неоднородностей радиопоглощающих материалов и покрытий / П.А. Федюнин, М.А. Суслин, Д.В. Карев, С.Р. Каберов // Измерения, контроль, информатизация: материалы междунар. науч. конф. - БГУ. Барнаул, 2001. - С. 89-91.
5 Федюнин, П.А. Контроль и сканирование волнового сопротивления маг-нитодиэлектрических защитных покрытий на металле / П.А. Федюнин, Н.П. Федоров, С.Р. Каберов, Д.А. Дмитриев // Контроль. Диагностика. - 2004. - №11. -С. 18-27.
6 Федюнин, П. А. Микроволновая термовлагометрия: монография / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, А.А. Воробьев, В.Н. Чернышов. - М. Машиностроение-!, 2004. - С. 230.
Analysis and Classification of the Developed Microwave Methods and Devices of Non-Destructive Control over Properties, Materials and Items.
Part II
P.A. Fedyunin, D.A. Dmitriev
Tambov Higher Military Aviation Engineering School of Radio-electronics
(Military Institute)
Key words and phrases: dielectric constant; magnetic permeability; microwave methods of measuring; non-destructive control; surface wave; thermohydrometry; wave guides; wave resistance.
Abstract: Multi-related classification of microwave methods and devices of nondestructive control over properties, materials and items developed by the authors is presented; it systemizes them adequately by classifier rubrics and enables to solve effectively metrological tasks of measuring media parameters.
Analyse und Klassifikation der erarbeitetn Mikrowellenmethoden und der Einrichtungen der nichtzerstörenden Kontrolle der Stoffe, der Materialien und der Erzeugnisse Teil II
Zusammenfassung: Es ist die mehrverbundene Klassifikation der von den Autoren entwickelten Mikrowellenmethoden und der Einrichtungen der nichtzerstörenden Kontrolle der Stoffe, der Materialien und der Erzeugnisse, die sie nach den notwendigen Rubriken des Klassierers adäquat systematisiert und die Möglichkeit der wirksamenen Lösung der gestellten metrologischen Aufgabe der Messung der Medienparameter gibt, vorgestellt.
Analyse et classification des méthodes élaborées à la base des micro-ondes et des dispositifs de contrôle non destructif des substances, des matériaux et articles. Première partie
Résumé: Est présentée la classification multiforme des méthodes élaborées par les auteurs à la base des micro-ondes et des dispositifs de contrôle non destructif des substances, des matériaux et articles qui présente un système adéquat d'après les rubriques nécessaires des classificateurs et qui donne la possibilité de la solution efficace du problème métrologique posé pour les mesures des paramètres des milieux.
