ВЫБОР МЕТОДА РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ

5 ВЫБОР МЕТОДА РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И МАТЕРИАЛОВ

5.1 Выбор метода РВК. Суть и недостатки выбранного метода

По условиям дипломного проекта, разрабатываемое устройство, предназначенное для неразрушающего контроля качества радиопрозрачных изделий, должно иметь ограниченно-односторонний доступ, из-за невозможности размещения приемной антенной системы позади исследуемого образца. Поэтому, для реализации контроля качества радиопрозрачных изделий (пластин) возникает необходимость использования метода «на отражение».

В применяемом методе исследуемый образец размещается на некотором расстоянии от приемо-передающей антенны, а к задней поверхности образца должна примыкать отражающая поверхность, выполненная из проводящего материала или диэлектрика с значительно большей диэлектрической проницаемостью. В данном случае измеряемым параметром является фаза волнового коэффициента передачи диэлектрического слоя S12=|S12|exp(jφ12), рассматриваемого как эквивалентный четырехполюсник, включенный между источником (передающая антенна) и нагрузкой (отражатель), причем электромагнитная волна падает на исследуемый образец нормально к его поверхности.

В методе «на отражение» искомая величина φ12 вычисляется по измеренному значению комплексного коэффициента отражения системы «диэлектрический образец – отражатель», что связано со значительными погрешностями, вызванными отражениями элементов измерительного тракта и неопределенностью значения коэффициента отражения отражателя, а также дополнительными трудностями, возникающими при наличии заметных потерь в исследуемом образце. Таким образом, в данном методе имеется ряд недостатков и для их устранения предлагается воспользоваться методом модулированного отражения, сочетающего в себе компактность обычного метода «на отражение» и высокую точность измерения, приближающуюся к точности метода «на отражение».

Таким образом, вместо отражающей поверхности, необходимо разработать и установить модулирующий отражатель, который позволит уменьшить погрешности при контроле и наиболее точно определить контролируемыми параметрами диэлектрических материалов.

5.2 Возможности метода модулированного отражения при технологическом контроле диэлектрических изделий и материалов

Метод модулированного отражения в течение многих лет используется в измерительной технике и позволяет осуществлять как фазовые, так и амплитудные измерения. Сущность выигрыша, обеспечиваемого данным методом, можно пояснить следующим образом. Известно, что входной коэффициент отражения произвольного взаимного четырехполюсника, нагруженного на нагрузку с коэффициентом отражения Гн, равен:

Гвх=S11+S212Гн/(1-S22Гн), (5.1)

где S11, S22, S12 – комплексные коэффициенты отражения и передачи четырехполюсника, причем S12 – параметр, подлежащий измерению.

Как видно, информация о параметре S12 в обычном измерении «на отражение» теряется на фоне других отраженных сигналов, так как не отличается от них по структуре. В методе модулированного отражения Гн модулируется по амплитуде или фазе, что позволяет выделить полезный сигнал S212Гн на фоне мешающих немодулированных отраженных сигналов (S11, отражения в СВЧ – тракте и т.д.) и затем непосредственно измерить φ12, выделяя из полного отраженного сигнала ту его часть, которая соответствует основной частоте модуляции Гн.

Очевидно, что необходимым условием реализации метода является малость величины Гн, иначе нарушается прямая связь между измеренным значением Гвх и искомой величиной S12. Однако в реальной установке уменьшение Гн возможно лишь до некоторого предела, связанного хотя бы с ограниченностью мощности СВЧ – генератора и соответствующим увеличением ошибки за счет собственных шумов измерителя.

Суммарная ошибка измерения методом модулированного отражения зависит также от схемного решения фазометрической части измерителя, в особенности от выбора схемы фазового дискриминатора, преобразующего входные СВЧ – сигналы в напряжение низкой частоты (равной частоте модуляции коэффициента отражения отражателя), амплитуда которого зависит от фазового сдвига, вносимого исследуемым образцом, т.е. от φ12.

Рассмотрим характерную ошибку метода, предположив вначале, что основным элементом схемы СВЧ – фазометра является простой суммирующий дискриминатор, состоящий из трехдецибельного моста любой конструкции, на два взаимно развязанных входа которого поступают опорный и измеряемый сигналы, и детектора в одном из выходных плеч моста (рисунок 5.1,а).

Рисунок 5.1 – Фазовые дискриминаторы: а – простой суммирующий; б – балансный (суммо-разностный)

Введем следующие обозначения:

а1=| а1| – амплитуда опорного сигнала на входе фазового дискриминатора;

а2=| а2| exp (j φ12) – комплексная амплитуда измеряемого сигнала на входе исследуемого образца;

S11=S22=|S11| exp (j φ11) – коэффициент отражения образца;

S12= |S12| exp (j φ12) – коэффициент передачи (прохождения) образца;

Гн=Г0(1+m(t)) exp (j φг) – коэффициент отражения модулятора, модулируемый по амплитуде, причем m<1;

а′2= а2S122Гн – комплексная амплитуда измеряемого сигнала на входе фазового дискриминатора.

Поскольку амплитуды сигналов а1 и а2 малы, то можно считать, что детектор фазового дискриминатора работает в режиме квадратичного детектирования и его выходное напряжение равно

U=|a1+a2Гвх|2=|а1|2|1+К(S11+S212Гн/(1-S22Гн))|2≈

≈а21|1+К|S11| expj(φ2+φ11)+K|S212Гн| exp j (2φ12+φг+φ2)+

+К|S212Г2нS11| exp j (2φ12+2φг+φ11+φ2)|2, (5.2)

где К=|a2|/|a1|, а |S11Гн|<<1.

Выделяя из выходного сигнала те его составляющие, которые содержат m(t) в первой степени, и опуская промежуточные вычисления, получим

U(t)=2а21mК′[cos (φ2+2φ12+φг)+ К′(1+p)+2|S11Г0|cos (φ2+2φ12+φг+ φ11)], (5.3)

где К′=|а′2|/a1; p=2|S11Г0|+|S11|cos (2φ12+φг- φ11)+ |S11/S12|2×cos(2φ12+2φг)+3| S11Г0/S212|cos(φ11+ φг).

Точностные возможности метода наиболее полно реализуются при компенсационном измерении φ12. При этом очевидно, что

cos(φ2+2φ12+φг)+К′(1+p)+2|S11Г0|cos(φ2+2φ12+φг+ φ11)=0.

Так как фазовые углы первого и второго членов здесь можно считать независимыми, то в наихудшем случае cos(φ 2+2φ 12+φг+ φ11)=±1, т.е.

cos(φ2+2φ12+φг)±2|S11Г0|+ К′(1+p)=0.

Последний член этого выражения представляет собой известное отклонение фазового сдвига при балансе от π/2, вызванное конечным отношением амплитуд сигналов a2 и a1, однако в данном случае это отношение может изменятся в процессе измерения. Поэтому для полного устранения ошибки должно быть К′<0,01, что практически не выполнить. Если |S11Г0|<<1, то:

. (5.4)

Если основным элементом схемы фазометра является балансный, или суммо-разностный, фазовый дискриминатор (рисунок 5.1,б), то напряжение на его входе:

U=|a1+a2Гвх|2-|a1- a2Гвх|2 . (5.5)

Составляющая выходного напряжения, содержащая m(t) в первой степени, теперь оказывается равной:

U(t)=4a21mК′[cos(φ 2+2φ 12+φг)+ 2|S11Г0|cos(φ2+2φ12+2φг+ φ11)], (5.6)

а условием баланса будет:

 (5.7)

6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА РВК

На рисунке 6.1 представлена структурная схема устройства, предназначенного для контроля электрической толщины радиопрозрачных диэлектрических стенок методом свободного пространства на отражение с использованием модулирующего отражателя. На схеме присутствуют следующие элементы:

1 – СВЧ генератор;

2 – направленный ответвитель (НО);

3 – фазовращатель;

4 – направленный ответвитель (НО);

5 – фазовый дискриминатор;

6 – индикатор нуля;

7 – эллипсоидный отражатель;

8 – облучатель приемопередающей антенны;

9 – приемопередающая антенна;

10 – диэлектрический образец;

11 – модулирующий отражатель;

12 – модулирующий диод;

13 – поглотитель согласованной нагрузки.

14 – импульсный генератор;

Рисунок 6.1 – Структурная схема устройства микроволнового фазометрического контроля радиопрозрачных изделий

Устройство для контроля электрической толщины радиопрозрачных диэлектрических стенок (рисунок 6.1) работает следующим образом. Непрерывный СВЧ сигнал от СВЧ генератора 1 проходит через направленный ответвитель (НО) 2, где разветвляется на опорный и исследуемый сигналы.

Опорный СВЧ сигнал через образцовый фазовращатель 3 поступает на первый (опорный) вход фазового дискриминатора 5.

Исследуемый сигнал поступает к приемопередающей антенне 9, а именно на ее облучатель 8, излучается в виде электромагнитной волны в свободное пространство, которая падает и отражается эллипсоидным отражателем 7, затем собирается в узкий волновой пучок луч в районе второго фокуса эллипсоидного отражателя 7. Волновой пучок проходит через контролируемый диэлектрический образец 10 и отражается модулирующим отражателем 11. Фазовая модуляция отраженной электромагнитной волны осуществляется с помощью металлической диафрагмы и модулирующего диода 12, встроенных в волновод, и поглотителя (согласованной нагрузки) 13. Модулирующий диод питается от импульсного генератора 14.

Отраженные волны проходят через диэлектрическую стенку, изменяя свою фазу, принимаются приемопередающей антенной 9 и в виде электромагнитного сигнала, содержащего информацию о параметрах контролируемого образца 10, ответвляются направленным ответвителем 4 и поступают на второй (измерительный) вход фазового дискриминатора 5. Эти два сигнала (отраженный модулированный и опорный от СВЧ генератора) сравниваются в фазовом дискриминаторе по фазе, в результате чего выделяется необходимая информация о модуле (Т) и фазе фи коэффициента прохождения диэлектрической стенки. Электромагнитная волна, отражаемая от наружной поверхности диэлектрической стенки, является не модулированной и не создает погрешности измерения. Поглотитель 13 служит для повышения точности измерений путем поглощения паразитных отражений волны от элементов конструкции модулированного отражателя 11, а также для поглощения волн, прошедших за металлическую диафрагму с модулирующим диодом.

Похожие работы

Социальная политика и сферный подход к решению вопросов в муниципальном образовании

Скачать

124483

16

13

... к деятельности какого ведомства они относятся. Для Питкярантского района характерен именно сферный тип социальной политики с элементами демографического типа. 1.2. Современный подход к решению вопросов социальной политики в городе и районе. Местное самоуправление в системе государственных и муниципальных органов призвано обеспечивать комплексное решение вопросов обслуживания населения, ...

Истинные короли Кремниевой долины

Скачать

21110

0

0

... в изобилии венчурные инвесткомпании сконцентрировали свои усилия на самых многообещающих отраслях. К ним относились электроника, медицина и технологии обработки данных. Благодаря этому интересу начался рассвет Кремниевой долины, а термин «венчурное финансирование» стал прочно ассоциироваться с понятием «высокие технологии». Закон Рока Если закон Мура знаком почти каждому, то о его прямом следствии ...

Проектирование системы электроснабжения механического цеха

Скачать

125619

17

5

... или двигателя. ·  Местное управление – это управление приводом выключателя, разъединителя и другой аппаратуры непосредственно на месте. ·  Автоматическое управление – его используют в системе электроснабжения предприятий с большой потребляемой мощностью. Автоматическое управление осуществляется с помощью вычислительных машин управления ВМУ. Информация, поступающая в ВМУ, обрабатывается и ...

Проектирование тяговой подстанции переменного тока

Скачать

56822

12

9

... с запозданием реагирует на падение напряжения и привносит с собой противоречивые требования по техническому содержанию. Компенсаторы дисбаланса Еще во времена проектирования первых тяговых подстанций на 25 кВ, 50 Гц переменного тока возникла проблема их подключения к национальной энергетической сети. Действительно, тяговые подстанции соединяются с сетью поставщика энергии (государственной ...