Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы контроля и определения состава веществ

Диссертационная работа:

Каберов Сергей Рудольфович. Неразрушающий микроволновой метод и устройство контроля магнитодиэлектрических свойств материалов покрытий металлических поверхностей : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.13.- Тамбов, 2006.- 190 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/3094

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 7

1 Литературный обзор и постановка задачи исследования 14

1.1 Обзор существующих покрытий и методов контроля их
параметров 14

  1. Обзор методов контроля толщины диэлектрической проницаемости покрытий 14

  2. Приемники волн СВЧ 28

  3. Классификация СВЧ методов и устройств 30

  4. Основные недостатки существующих методов контроля параметров покрытий 45

  1. Задача сканирования волнового сопротивления на больших поверхностях 47

  2. Постановка задачи разработки метода контроля толщины, диэлектрической, магнитной проницаемостеи и волнового сопротивления магнитодиэлектрических покрытий на металле 54

  3. Выводы по разделу 1 55

2 Математическое описание взаимодействия поверхностных волн с
магнитодиэлектрическим слоем на металлической поверхности 57

2.1 Решение краевой задачи распространения медленной волны над
неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник»

и адаптация к ограниченной системе 57

  1. Исследование решения задачи 75

  2. Схема реализации метода измерения b,s',fj.',ZBф 76

  3. Выбор мод, длин волн генератора и диапазонов одномодовости

Е- иН-мод 79

  1. Основная мода Е1 85

  2. Выводы по разделу 2 91

3 Метод, алгоритмы и устройства измерения электрофизических и
геометрических параметров магнитодиэлектрического слоя на

металле 92

  1. Метод, алгоритмы измерения электрофизических параметров покрытия 92

  2. Анализ аналитического решения для расчета величины недиссипативного ослабления моды Е1 107

  3. Метод определения электрофизических параметров по измеренному значению коэффициента ослабления. Коррекция модели

для слоя, содержащего ферромагнитные частицы 113

  1. Определение волнового сопротивления спиновых магнитодиэлектрических покрытий 115

  2. Выводы по разделу 3 129

4 Разработка устройств для реализации метода определения
b,s\[i',ZB 130

  1. Классификация апертурных излучателей 130

  2. Внешние апертуры 132

  3. Внутренние апертуры 138

  4. Разработка направленных внутренних апертур 140

  5. Разработка круговой секториальной антенны 142

  6. Экспериментальная оценка метода определения b,s',jj.',ZB

и его метрологический анализ. Методика вычисления коэффициента
ослабления 146

  1. Базовая структура поля 148

  2. Экспериментальные данные 153

  3. Метрологическое обеспечение и выводы по метрологическим свойствам метода определения b,s',|j.',ZB 154

  1. Оценка погрешности измерении метода определения Ь,б',ц'Л 157

  2. Оценка погрешности определения диэлектрической, магнитной проницаемостей и толщины покрытий 158

  3. Погрешность определения диссипативных величин 159

  4. Оценка погрешности определения волнового сопротивления.... 160

  5. Проверка адекватности математической модели 161

4.15 Выводы по разделу 4 162

5 Метод индикации и идентификации параметров слоя и

алгоритм оценки неоднородности 164

  1. Реализация микроволнового метода индикации и идентификации параметров слоя и алгоритм оценки неоднородности 164

  2. Алгоритм оценки неоднородности 171

5.3 Выводы по разделу 5 177

Заключение 178

Список использованных источников 179

Приложение. Акты внедрения результатов диссертационной

работы 186

Обозначения и сокращения

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

БВ - быстрая волна

БЗ - ближняя зона

БПФ - быстрое преобразование Фурье

ВВ - волноводный возбудитель

ВТП - вихретоковой преобразователь

ГС - генератор сигналов

ГСВЧ - генератор сверхвысоких частот

ДЗ - дальняя зона

ДН - диаграмма направленности

ЗС - замедляющая структура

ИИС - информационно-измерительная система

ИК - инфракрасный

КБВ - коэффициент бегущей волны

КЗ - короткое замыкание

КНД - коэффициент направленного действия

КСВ - коэффициент стоячей волны

КССБ - кремнеземная составляющая, связующее бетонит

ИИС - информационно-измерительная система

ЛПВ - линейка приемных вибраторов

МВТ - метод вихревых токов

МПВ - медленная поверхностная волна

МПУ - микропроцессорное устройство

НК - неразрушающий контроль

ОЗУ - оперативно запоминающее устройство

ПК - персональный компьютер

РЗМ - радиозащитные материалы

РПМ - радиопоглощающий материал

СВ - стоячая волна

СВЧ - сверхвысокочастотные

ФМЖ - ферромагнитные жидкости

ФМЧ - ферромагнитные частицы

ЭДС - электродвижущая сила

ЭМ - электромагнитная

ЭФП - электрофизические параметры

ЭП - электроемкостной преобразователь

ЭМЭ - электромагнитный экран

ЭФС - электрофизические свойства

Введение к работе:

Актуальность исследования. В современном мире технический прогресс в различных отраслях производства материалов, определяется совершенствованием известных и созданием новых технологий. Особое внимание уделяется исследованиям и разработкам методов и средств получения информации о параметрах технологических процессов и показателях качества авиационных материалов и изделий. Для качественного управления новыми технологическими процессами, контролем в течение всего жизненного цикла требуется получение значительного количества измерительной информации, а к средствам контроля предъявляются все более высокие требования по быстродействию и точности.

Производство композиционных поглощающих материалов и контроль качества готовой продукции требует измерения толщины слоя гетерогенных дисперсных магнитодиэлектрических покрытий, применяемых в технологиях производства радиозащитных материалов (РЗМ).

Актуальной и требующей скорейшего разрешения является проблема контроля толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей для слоя магнитодиэлектрических поглощающих покрытий на металле в процессе их нанесения и финишного контроля результатов этого процесса. Причем большое внимание придается скорости сканирования относительно больших по площади поверхностей с высокой разрешающей способностью локальных измерений. Это определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств определение толщины, электрофизических параметров и их неоднородностей слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле, а также обоснование их технической реализуемости.

Цель работы. Разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны для одновременного определения толщины,

электрофизических параметров (ЭФП) и неоднородностей слоя магнитодиэлектрических поглощающих покрытий на металле. Задачи диссертационного исследования:

решить краевую задачу распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и произвести коррекцию результатов расчетов к ограниченной системе для реального источника ЭМВ;

разработать микроволновой бесконтактный метод поверхностной волны определения, диэлектрической и магнитной относительных проницаемостей, толщины слоя магнитодиэлектрического покрытия, в основе которого лежит эффект взаимодействия медленной поверхностной волны (МПВ) со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности;

- разработать измерительные микроволновые устройства, реализующее
предложенный метод;

- разработать измерительную систему и алгоритмы обеспечения
локализации и оценки неоднородностей.

Методы исследований решения задачи диссертационной работы базируются на применении теории макроскопической электродинамики, математического и машинного моделировании, теории антенно-фидерных устройств и метрологии.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

  1. Решение краевой задачи распространения медленной поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик - проводник» и адаптация результатов расчетов к ограниченной системе для реальных несинфазных излучателей по максимуму их ДН и для синфазной круговой антенны с круговой ДН.

  2. Предложенный микроволновой бесконтактный метод определения толщины слоя магнитодиэлектрического покрытия, диэлектрической и магнитной проницаемостей, с оценкой локальных неоднородностей, а также

определение волнового сопротивления МДП, в основе которого лежит эффект взаимодействия МПВ со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности.

3 Разработанные излучающие устройства, реализующие предложенный
метод, в частности, внутренняя электронно-управляемая по максимуму ДН
секториальная антенна, обладающая большей мощностью излучения по
сравнению с обычной синфазной круговой антенной.

4 Разработанная информационно-измерительная система,
реализующая предложенный метод, и экспериментально подтверждающая
адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому
физическому процессу. Относительные погрешности совокупного измерения
толщины покрытия, диэлектрической и магнитной относительных
проницаемостей не превышает 5%, погрешности диссипативных величин
составили 8Є. < 6%, 5Ц. < 6.5% соответственно, погрешность модуля волнового

сопротивления составляет 5zB=10%.

Научная новизна результатов. На основе теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия неоднородного электромагнитного поля разных мод МПВ с МДП на металле разработан микроволновой метод МПВ неразрушающего контроля толщины, ЭФ свойств, поглощающих МДП с оценкой локальных ЭФ неоднородностей. Метод обладает высоким быстродействием, локальностью измерения и инвариантен величине зазора между приемным датчиком и контролируемым покрытием. Отличительной особенностью метода является то, что толщина, ЭФ параметры покрытия и их неоднородности определяются по измеренным величинам нормального к направлению распространения недиссипативного ослабления поля неоднородной МПВ на двух длинах волн моды Е и одной длине волны моды Я, причем при определенном оптимальном значении трех длин волн нелатентных мод.

Достоверность и обоснованность полученных основных результатов и выводов подтверждается корректностью физических и математических моделей основанных на электродинамической теории распространения поверхностных медленных волн.

Подтверждение теоретических результатов экспериментально при их лабораторных и промышленных испытаниях.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанного метода МПВ контроля магнитодиэлектрических параметров, толщины поглощающих покрытий с оценкой локальных ЭФ неоднородностей, который защищен четырьмя патентами РФ № 2256165, 2251073, 2193184, 2273839, создано и внедрено в производство измерительное устройство с соответствующим программным, алгоритмическим, метрологическим обеспечением, позволившее решить задачу быстродействующего определения ЭФ, геометрических параметров относительно больших по площади сканируемых поверхностей МДП и материалов с необходимой для технологических измерений точности.

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 23 работы, получено 4 патента РФ на изобретение.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на VII Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» МГТУ им. Баумана (Москва, 2000); IV Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); II Международной научной конференции «Измерения, контроль, информатизация» Алтайский ГТУ (Барнаул, 2001); IV Международной теплофизической школы «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001); XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ТГТУ (Тамбов, 2002); VII Всероссийская НТК «Состояние и проблемы измерений» (Москва: МГТУ

им. Баумана, 2002); VIII Всероссийская научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и безопасности полетов и ЛА с учетом климатографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (Иркутск, 2003); IX Всероссийской научной конференции «Состояние и проблемы измерения» МГТУ им. Баумана (Москва, 2004).

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли производственные испытания и внедрены в в/ч 15401, в ОАО "Завод подшипников скольжения" г.Тамбов, реализованы при разработке и выполнении «Основных направлений развития вооружения и военной техники на период до 2005 года». Основные результаты технических и экспериментальных исследований использованы в НИР «Замедление-99», заданной ГК ВВС. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской практике Тамбовского ТВВАИУРЭ, ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения. Объем работы 193 страницы машинописного текста. Список использованных источников включает 57 наименований библиографического указателя. Работа содержит 94 рисунка, 5 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, показаны результаты реализации и апробации, изложено краткое содержание глав.

В первом разделе произведен сравнительный анализ существующих методов и устройств контроля поглощающих магнитодиэлектрических покрытий. Приведены достоинства и недостатки электрических и магнитных методов.

Рассмотрены конструкции вихретоковых и емкостных датчиков. Произведен сравнительный анализ средств толщинометрии покрытий. На основе проведенного анализа были установлены основные недостатки, сужающие возможность их применения. Сюда, в первую очередь, следует отнести: малое быстродействие сканирования больших поверхностей; нелокальность измерений; влияние контролируемых параметров; высокую чувствительность к переменной величине зазора между полеобразующими поверхностями проводящих элементов и контролируемым слоем.

В разделе дана классификация радиоволновых СВЧ методов и средств контроля параметров покрытий.

Обоснована необходимость разработки нового бесконтактного СВЧ
метода контроля указанных параметров поглощающих

магнитодиэлектрических покрытий на металле.

Во втором разделе дано математическое описание процесса взаимодействия электромагнитного поля с магнитодиэлектрическим покрытием на металле, и предложен метод быстродействующего определения ЭФС и толщины слоя таких покрытий.

Решена краевая задача распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник».

Возбуждаемое электромагнитное поле, описываемое уравнениями Максвелла в слое диэлектрика и в окружающем пространстве, удовлетворяет условиям излучения, а также граничным условиям на металлической поверхности и на поверхности раздела диэлектриков.

В третьем разделе рассмотрены разработанные методы и устройства измерения ЭФ и геометрических параметров магнитодиэлектрического покрытия, произведен анализ внутренних и внешних апертур с целью выбора варианта апертуры применительно к поставленной задаче, предложена совокупность алгоритмов реализации процесса измерения и модели измерения.

В четвёртом разделе была поставлена задача проектирования формы апертуры излучающей системы, обеспечивающей максимум энергии волны в магнитодиэлектрическом слое на металле. Для этого необходимо обеспечить такую диаграмму направленности излучателя по углу места, чтобы с одной стороны наблюдалось полное внутреннее отражение в слое, а с другой - не было отраженной прямой волны от поверхностного слоя. В качестве внутреннего излучателя была разработана электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная апертура, обладающая большей мощностью излучения по сравнению с разработанной синфазной круговой апертурой. При этом подстилающая металлическая подложка входит в излучающую систему. Показаны преимущества апертуры применительно к решаемой задаче по сравнению с узконаправленными излучателями.

Показано соответствие санитарным нормам при работе с источниками электромагнитного излучения СВЧ диапазона.

В пятом разделе рассмотрен метод наиболее простой и доступной исследователям аппаратурной реализации индикации и идентификации параметров слоя и алгоритмы оценки неоднородности измерений поверхностных волн. В предложенном методе определения неоднородностей покрытия мерой параметров неоднородностей покрытия является отклонение распределения напряженности поля в зоне дифракции от экспоненциального, характерного для зоны покрытия без неоднородностей или, что то же самое, непостоянство. Отклонение напряженности поля от экспоненциального есть результат интерференции полей поверхностной медленной волны с рассеянно отраженной от неоднородности быстрой волны (являющейся результатом дифракции медленной поверхностной волны на неоднородности) вне слоя для геометрической неоднородности любого типа, так как она может бьпъ аппроксимирована суммой клиновидных неоднородностей при малом шаге или внутри слоя, где также любая электрофизическая неоднородность может быть сведена к геометрической неоднородности. Экспериментально подтверждена адекватность расчетнькматематических зависимостей исследуемому физическому процессу.

Подобные работы
Чернышов Александр Витальевич
Метод и реализующее его устройство бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов и готовых изделий
Попов Роман Владимирович
Метод и измерительное устройство бесконтактного оперативного неразрушающего контроля теплофизических свойств твердых материалов
Ваньков Юрий Витальевич
Методы и устройства контроля технического состояния изделий по параметрам собственных колебаний на основе конечноэлементного моделирования и статистических критериев сравнения спектров
Панов Анатолий Александрович
Разработка неразрушающего СВЧ метода и устройства контроля неоднородностей электрофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий металлов
Султанов Бурхан
Электроакустический метод и устройство контроля состояния изоляции трансформаторов
Мордасов Денис Михайлович
Пневмодинамические методы и устройства контроля плотности жидкостей и сыпучих материалов
Углова Нина Владимировна
Термоэлектрический метод и устройство контроля толщины слоев двухслойных проводящих материалов
Гребенникова Наталия Михайловна
Аэрогидродинамический метод и устройство контроля вязкости жидких веществ
Тетушкин Владимир Александрович
Микроволновый термовлагометрический метод и устройство контроля влажности строительных материалов
Шеришорин Дмитрий Александрович
Метод и устройство контроля присутствия химических веществ и биологических объектов в растворах высокой степени разведения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net