CC BY
54
УДК 543.812: 697.93
МИКРОВОЛНОВАЯ ИНТРОСКОПИЯ ПРИ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ
А.А. Панов1, П.А. Федюнин1,
Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) (1); кафедра «Автоматизированные системы и приборы», ГОУВПО «ТГТУ» (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: диэлектрическая проницаемость; магнитная проницаемость; микроволновая интроскопия; неразрушающий контроль; поверхностная медленная волна; показатель Гёльдера; фрактальная размерность.
Аннотация: Приведены методы, позволяющие произвести контроль
качества покрытия, локализацию и визуализацию неоднородностей. Решена задача определения геометрических и электрофизических параметров покрытий. Дана возможность анализа взаимосвязи структурных уровней поверхности широким диапазоном идентифицируемых значений показателя Гёльдера.
При разработке и контроле параметров радиопоглощающих покрытий (РПП) вооружения и военной техники (ВВТ) важным является решение задачи оценки их качества, обеспечивающего минимум отраженной мощности зондирующего электромагнитного поля (ЭМП) от поверхности покрытия.
Нами решена задача определения геометрических и электрофизических параметров радиопоглощающих материалов и покрытий: толщины покрытия b, относительных комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей е и р., при условии малых градиентов изменения этих величин по всей фрактальной поверхности [1] и глубине слоя РПП, эта задача решена для поверхности с радиусом кривизны Якр много большим длины волны зондирующего ЭМП Лкр >> 1, что в
определенной степени не полностью решает проблему контроля качества покрытия с точки зрения радиолокационной незаметности. В [2] нами теоретически и экспериментально обоснован и разработан метод микроволнового неразрушающего контроля магнитодиэлектрических свойств жидких и твердых материалов, в том числе фрактальных через параметры поверхностной медленной волны, обеспечивающей высокую точность и локальность измерений - микроволновая интроскопия поверхностной медленной волны.
Реальные РПП ВВТ имеют фрактальную поверхность топологически неоднородную по толщине b, ^кр, соизмеримый с длиной волны зондирующего ЭМП
и, кроме того, РПП неоднородны с точки зрения равномерности электрофизических (магнитодиэлектрических) параметров и имеют локальные области с электрофизическими параметрами, отличными от средних параметров слоя РПП с большим градиентом изменения. Поэтому с точки зрения диагностики и прогнозирования изменения технического состояния РПП ВВТ необходимо решение следующих задач неразрушающего контроля качества такого рода покрытий.
Д. А. Дмитриев 1 2
Задача 1. Контроль качества покрытия с точки зрения минимума отраженной мощности -Ротршщ падающей ЭМВ. Так как поверхность РПП не является «зеркальной», необходимо определение величины интегрального коэффициента незеркальности кнз.
Задача 2. Определение и визуализация неоднородностей с параметрами отличными от параметров электрофизического «фона» РПП по всей площади сканирования и определение по этим отклонениям от «фона» природы неоднородностей, включая индикацию отслоения покрытия от металлической поверхности (подложки).
Задача 3. Учет Ккр , т.е. учет «соскальзывания» поля, которое с уменьшением Ккр приводит к увеличению радиозаметности - появление так называемых «блестящих» зон (чем меньше Якр, тем больше «блестит», тем больше эффект
поверхностного рассеяния).
При решении первой задачи нами разработан метод, основанный на изучении не только поверхностной, но и внутренней топологии материала, так называемая фрактальная интроскопия. Для качественного анализа и идентификации неоднородностей таких покрытий используется количественный параметр - фрактальная размерность.
Радиопоглощающее покрытие имеет слоистую структуру. Внутренний слой должен быть либо металлизирован, если объект выполнен из композитных материалов, либо, как это бывает в большинстве случаев, расположен на металлической поверхности несущей конструкции объекта. Передняя кромка такого покрытия согласована со свободным пространством по волновому сопротивлению .
Все эти материалы являются неоднородными фрактальными объектами [1].
Анализ современного состояния вопроса определения электрофизических параметров таких покрытий, показывает необходимость учета коэффициента незеркального отражения кнз в разработанном нами критерии минимума отраженной мощности Q [3] при определении комплексной диэлектрической проницаемости е. Коэффициент незеркального отражения связан с коэффициентом Френеля, К характеризующим степень отражения электромагнитной волны от идеально ровной поверхности Кнз= кнзК, где кнз - коэффициент незеркальности, связанный детерминированно с экспериментально определяемой величиной фрактальной размерности Бу, график которой показан на рис. 1.
кнз ▲
Рис. 1. График зависимости кнз от Б/.
I - шероховатость поверхности (фрактальная топологическая неоднородность поверхности)
Коэффициент незеркальности применяется при определении Р0Тр min с учетом диаграммы направленности (ДН), разноса хода лучей, качания луча ДН, минимальной длины волны генератора 1гтт, которая соответствует Ротр m¡n , для по-
лубесконечных слоев и системы «магнитодиэлектрик - металл», а также для определения минимума мощности «верхней» отраженной и «нижней» преломленной бегущей волны в тонких пластинах b » 1 [3].
На основании анализа методов и алгоритмов контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий [2], нами разработана методика определения фрактальной размерности неоднородных незеркальных покрытий -однородных магнитных материалов, магнитодиэлектрических материалов с дисперсией диэлектрической проницаемости по толщине покрытия и специально организованных структур, преобразующих энергию падающей волны в энергию поверхностной волны с последующим ее поглощением.
Наряду с фрактальным подходом в последнее время широкое распространение получили методы, основанные на мультифрактальном формализме [4]. В этом случае показатель Гёльдера H рассматривается как локальная характеристика сигнала. Мультифрактальный подход является более общим, но усложняет расчеты и интерпретацию результатов. Это является оправданным при параметризации неоднородных поверхностей, когда требуется непрерывный спектр значений показателя H, и сам показатель H зависит от положения точки на поверхности.
Показатель Гёльдера H - это универсальная характеристика самоаффинной функций, для определения которой не требуется априорного знания о том, к какому классу функций относится исследуемый сигнал. Для удобства сравнения методов параметризации выбирают в качестве тестовой деформируемой самоаф-финной поверхности фрактальный броуновский шум, который является простой и распространенной моделью физических процессов [1].
В нашем случае показано, что величина
кнз = H = d - Df , (1)
где d - размерность пространства вложения самоаффинного сигнала (d = 3); D f - фрактальная размерность. На рис. 1 показан рабочий участок в интервале от
2 до 2,3, в котором поверхность не является зеркальной (для реальных аэродинамических гладких покрытий).
Решение задачи локализации и визуализации по всей поверхности сканирования распределения неоднородностей с отклонением от электрофизического фона РПП и определения по этим отклонениям электрофизической природы неоднородностей заключается в разработанном нами алгоритме интроскопической визуализации по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания a поля поверхностной медленной волны.
Сущность разработанного нами способа [5] локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металлической подложке состоит в том, что над исследуемым покрытием возбуждают медленную поверхностную Е-волну. Измеряют в начальной точке поверхности с помощью системы специально организованных приемных вибраторов ослабление напряженности поля Е поверхностной медленной волны в нормальной плоскости относительно направления ее распространения.
Рассчитывают коэффициент нормального затухания aj по формуле
a j =a j ( yj ) = - ln
E ( yy +i) E ( y, )
(2)
где Е(Уj+l) и Е(у у) - напряженности поля поверхностной волны в нормальной
плоскости относительно направления распространения в разнесенных точках измерений yj+l и yj; С - расстояние (шаг) между точками измерений; у'е[1,...,и-1] -
количество точек измерений в начальной точке х, 2, в нормальной плоскости относительно распространения электромагнитной волны.
По значениям коэффициентов нормального затухания электрического поля поверхностной медленной волны а у определяют математическое ожидание та
(среднее значение)
и дисперсию коэффициента затухания Ба как функцию геометрических и электрофизических параметров неоднородностей
Определяют среднее значение среднеквадратического отклонения коэффициента затухания поля 0аср по всем точкам поверхности сканирования и сравнивают с пороговыми отклонениями коэффициента нормального затухания поля Дапор і , где /є [1,..., N - количество предварительно заданных дискретных значений Аапор
кальности» поверхности по (1).
В микропроцессорном устройстве запоминаются координаты точки сканирования поверхности и значения та , Ба для данной точки измерений.
Производят сканирование всей поверхности в пределах заданного изменения размера покрытия, адаптивно меняя шаг между точками измерения исходя из заданной точности измерений [5].
По матрице значений дисперсии коэффициента затухания поля по всей поверхности сканирования с помощью программ обработки полученных данных строят пространственное распределение дисперсии коэффициента нормального затухания ау поля поверхностной медленной волны, пространственная картина которой визуально отображает форму и геометрические размеры неоднородностей.
На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость дисперсии коэффициента нормального затухания как функции геометрических и электрофизических параметров неоднородностей в координатах ХИ, полученная при сканировании поверхности диэлектрического покрытия с различными неоднородными включениями, такими как простое отверстие диаметром 1,5 мм, ферритовый шарик диаметром 2 мм и ферритовый стержень диаметром 2 мм (длиной 1 см).
На рис. 3 представлена установка, реализующая разработанный способ интроскопии поверхностной медленной волной диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов и покрытий.
(3)
(4)
(5)
определяют фрактальную размерность
Df = tga,
(6)
где а - угол наклона зависимости Даср/ = / (Дапор /), и коэффициент «незер-
Рис. 2. Экспериментальная зависимость дисперсии коэффициента нормального затухания как функции геометрических и электрофизических параметров неоднородностей:
1 - неоднородность «отверстие» 0 1,5 мм; 2 - ферритовый стержень 0 2 мм (± оси Т); 3 - ферритовое сферическое включение 0 2 мм
Рис. 3. Установка, реализующая разработанный способ интроскопии поверхностной медленной волной диэлектрических и магнитодиэлектрических материалов и покрытий
Разработан алгоритм сканирования покрытий летательных аппаратов с малыми радиусами положительной и отрицательной кривизны. Алгоритм заключается в адаптивной установке измерительной системы, работающей на средней длине волны 1ср = 0,5 см нормально к поверхности покрытия, определяющей Ккр
(с коррекцией по его величине результатов измерений) по величине тангенциального затухания поля вдоль максимума ДН.
Таким образом, рассмотрены основные направления решения задач диагностики РПП ВВТ, обеспечивающие учет в измерении магнитодиэлектрических параметров РПП. Топологию неоднородности реальной поверхности, обусловленной конечными величинами стохастической шероховатости и искусственных по-
верхностных неоднородностей, переменный радиус кривизны поверхности, а также позволяющие визуализировать распределение неоднородностей РПП по всей площади сканирования по пространственному распределению дисперсии коэффициента нормального затухания поля поверхностной медленной волны - микроволновая интроскопия.
Работа выполнена при региональной поддержке научных исследований, проводимых ведущими научными школами Тамбовской области. Регистрационный номер 32 за 2007 г.
Список литературы
1. Федер, Е. Фракталы / Е. Федер. - М. . Мир, 1991. - 254 с.
2. Поверхностные волны и микроволновые устройства контроля электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий на металле / Д.А. Дмитриев и [и др.]. - М. . Машиностроение-1, 2004. - 196 с.
3. Информативное сканирование и обработка неоднородных полей микроволновых поверхностных волн. Методы фрактального анализа в индикации и идентификации неоднородностей поглощающих покрытий военной техники / С.А. Дмитриев [и др.] // Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования. Сборник докладов 8 Всероссийской НТК / Тамбов, 2006. - С. 409-418.
4. Битюцкая, Л.А. Методы фрактальной параметризации поверхностных деформационных субструктур / Л.А. Битюцкая, П.В. Кузнецов, Е.В. Богатиков // Нелинейный мир. - 2005. - Т. 3, № 3. - С. 202-212.
5. Пат. 2256165 Российская Федерация, МПК7 00Ш22/02, 00Ж27/26. СВЧ-способ локализации неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценка их относительной величины / Федюнин П.А., Дмитриев Д.А., Каберов С.Р. . заявитель и патентообладатель ТВВАИУРЭ. - № 2003126856/09 ; заявл. 01.09.03 ; опубл. 10.07.05, Бюл. № 19.
Microwave Testing under Nondestructive Control over Quality of Magnet Dielectric Materials and Coatings
A.A. Panov1, P.A. Fedyunin1, | D.A. Dmitriev1, 2
Tambov Higher Military Aviation Engineering College of Radio-electronics (Military Institute) (1); Department “Automated Systems and Devices ”, TSTU (2)
Key words and phrases: dielectric penetrability; fractal dimension; Holder’s index; magnet penetrability; microwave nondestructive testing; nondestructive control; surface slow wave.
Abstract: Methods enabling to control the surface quality, localization and visualization of inhomogeneities are given. The task of determination of geometric and electro-physical parameters of surfaces is solved. The possibility of analysis of interconnection of the surface structural levels by a wide scope of identifying values of Holder’s indexes is given.
Mikrowellenintroskopie bei der nichtzerstörenden Qualitätskontrolle der magnetodielektrischen Stoffe und Deckungen
Zusammenfassung: Es sind die Methoden, die die Qualitätskontrolle der Deckung, die Lokalisierung und die Visualisierung der Verschiedenheiten zu machen erlauben, angeführt. Es ist die Aufgabe der Bestimmung der geometrischen und elektrophysikalischen Parameter der Deckungen gelöst. Es ist die Möglichkeit der Analyse der Wechselbeziehung der strukturellen Niveaus der Oberfläche vom breiten Umfang der identifizierten Bedeutungen des Hölder’s -Wertes angegeben.
Introscopie à microondes lors du contrôle non destructif de la qualité des matériaux magnétiques diélectriques
Résumé: Sont citées les méthodes permettant de réaliser le contrôle de la qualité du revêtement, la localisation et la visualisation des non-homogénéités. Est résolu le problème de la définition des paramètres géométriques et électrophysiques des revêtemens. Est donnée la possibilité de l’analyse de l’interaction des niveaux structurels de la surface par une vaste gamme des indices identiés de Holder’s.
