УСТРОЙСТВО КВАЗИОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРНОГО КОНТРОЛЯ ТОНКИХ ОБЪЕКТОВ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам радиоволнового неразрушающего СВЧ контроля тонких протяженных объектов и может быть использовано для измерения и контроля параметров литого остеклованного микропровода, полимерных пленок, волокон, нитей и других объектов, у которых хотя бы один из геометрических размеров много меньше длины волны используемых электромагнитных колебаний. Устройство может работать как в статике (неподвижный объект), так и в динамике (при протяжке).
Известно устройство для бесконтактного измерения диаметра провода, в котором в качестве датчика используется открытый СВЧ резонатор [1]. Недостатком данного устройства является то, что выходной сигнал зависит не только от параметров контролируемого объекта, но и от его положения в резонаторе, так как поле открытого резонатора неоднородно, особенно вдоль его оси. При изменении положения объекта в резонаторе на полезный сигнал накладывается дополнительная составляющая, что приводит к уменьшению чувствительности измерений. Для уменьшения этой составляющей необходима точная фиксация объекта в пространстве между отражателями резонатора. Однако практически это затруднительно, особенно для движущихся объектов.
Известно также использование открытого резонатора для измерения диэлектрической проницаемости листовых диэлектриков [2]. Для уменьшения влияния положения диэлектрика в [2] предлагается наклонять его на небольшой угол по отношению к оси резонатора. Однако в длинноволновой части миллиметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне длин волн уменьшение влияния положения объекта на характеристики резонатора (а значит и на полезный сигнал) незначительно. При этом данный способ приводит к уменьшению чувствительности к изменениям параметров измеряемого диэлектрика.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для бесконтактного измерения диаметра провода [3], в котором для уменьшения зависимости выходного сигнала от положения контролируемого объекта в резонаторе введен дополнительный генератор, работающий на частоте соседнего по продольному индексу основного типа колебаний. Данное устройство принято за прототип. Возбуждение двух мод открытого резонатора приводит к тому, что суммарное поле в центре резонатора становится близким к однородному. Этим достигается значительное ослабление влияния местоположения измеряемого объекта на выходной сигнал.
Недостатками прототипа является то, что введение дополнительного генератора в устройство вносит также и дополнительные источники нестабильности. В данном случае это влияние выражается не только в сумме нестабильностей каждого из генераторов, но и в дополнительной нестабильности, выражающейся в том, что разность частот между ними должна в точности соответствовать межвидовому интервалу открытого резонатора. Это приводит к уменьшению чувствительности контрольного прибора. Введение активного устройства ведет также к увеличению потребляемой мощности, снижению отказоустойчивости, увеличению стоимости прибора.
Технической задачей является увеличение чувствительности прибора радиоволнового неразрушающего СВЧ контроля тонких объектов, уменьшение потребляемой мощности, повышение отказоустойчивости и уменьшение стоимости устройства.
Поставленная задача решена следующим образом. В дополнение к основному генератору, открытому резонатору, детектору и индикатору в устройство введены дополнительные открытый резонатор, делитель мощности, детектор и сумматор. При этом ось дополнительного открытого СВЧ резонатора параллельна оси основного открытого резонатора. Технический результат достигается при различных вариантах компоновки элементов устройства.
В первом варианте устройства расстояние между отражателями дополнительного открытого СВЧ резонатора отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину ΔL, равную целому числу длин волн рабочего СВЧ излучения ΔL=nλ, где n=0,1,2…, а центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние Δ, равное нечетному числу четвертей длины волны Δ=(2n-1)λ/4, где n=1, 2, 3….
Во втором варианте расстояние между отражателями дополнительного резонатора отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину ΔL, равную нечетному числу полуволн рабочего СВЧ излучения ΔL=(2n-1)λ/2, где n=1, 2, 3…, а центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние Δ, равное целому числу полуволн Δ=nλ/2, где n=0, 1, 2….
И в том, и в другом случае индикатор подключается к обоим детекторам через сумматор.
Устройство поясняется схемами фиг. 1, фиг. 2.
o
d
Устройство включает в себя генератор СВЧ сигнала 1, делитель мощности 2, основной 3-3' и дополнительный 4-4' открытые СВЧ резонаторы, образованные двумя отражателями. Оси резонаторов параллельны. Устройство также включает в себя детекторы 5 и 6, сумматор 7 и индикатор 8. Здесь L - расстояние между отражателями основного открытого резонатора. L - расстояние между отражателями дополнительного открытого резонатора. Измеряемый элемент обозначен цифрой 9.
d
o
Согласно формуле полезной модели, в одном из возможных вариантов исполнения устройства (фиг. 1) дополнительный резонатор 3-3' смещен относительно основного резонатора вдоль своей оси на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны. Расстояние между отражателями дополнительного резонатора L либо равно, либо отличается от расстояния между отражателями основного резонатора L на величину, равную целому числу длин волн используемого типа электромагнитных колебаний.
d
o
Во втором варианте устройства (фиг. 2) отражатели дополнительного резонатора 3-3' либо расположены на равном удалении от отражателей основного резонатора 4-4', либо смещены на величину, равную целому числу полуволн используемого типа электромагнитных колебаний. При этом расстояние Z между отражателями дополнительного резонатора отличается от расстояния L между отражателями основного резонатора на величину, равную нечетному числу полуволн.
Устройство работает следующим образом. Сигнал с генератора 1 через делитель мощности 2 поступает на открытые резонаторы 3-3' и 4-4'.
Для первого варианта выполнения устройства основной открытый резонатор настроен на основной нечетный по продольному индексу тип электромагнитных колебаний, имеющий в центре пучность электрического поля. Контролируемый образец 9, взаимодействующий с электрическим полем, размещается в центре основного резонатора 4-4', перпендикулярно его оси, то есть в пучности электрического поля. Тем самым обеспечивается максимальная чувствительность параметров резонатора к изменениям параметра образца, поэтому и изменение сигнала на выходе основного резонатора при изменениях параметров объекта будет максимальным.
Так как расстояние между отражателями дополнительного открытого резонатора 3-3' равно, либо отличается от расстояния между отражателями основного открытого резонатора 4-4' на величину, равную целому числу длин волн используемого в основном резонаторе типа электромагнитных колебаний, то в дополнительном открытом резонаторе также возбуждается основной нечетный по продольному индексу тип колебаний. Вследствие того, что дополнительный резонатор 3-3' смещен относительно основного на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны, то контролируемый образец 9 попадает в узел электрического поля дополнительного резонатора 3-3'.
Для второго варианта выполнения устройства расстояние между отражателями дополнительного открытого резонатора 3-3' отличается от расстояния между отражателями основного открытого резонатора 4-4' на величину, равную нечетному числу полуволн используемого типа электромагнитных колебаний, поэтому в дополнительном открытом резонаторе 3-3' возбуждается основной четный по продольному индексу тип колебаний. Вследствие того, что отражатели дополнительного резонатора 3-3' либо расположены на равном удалении от отражателей основного резонатора, либо смещены вдоль оси относительно основного резонатора 4-4' на расстояние, равное целому числу полуволн, контролируемый образец 9 также попадает в узел электрического поля дополнительного резонатора 3-3'.
В обоих случаях сигнал на выходе дополнительного резонатора не будет зависеть от изменения положения образца. Если во время размещения или протяжки контролируемого образца 9 произойдет его смещение, то для основного резонатора 4-4' это приведет к уменьшению взаимодействия с его полем, а для дополнительного 3-3' - к увеличению. Соответственно, изменятся сигналы на выходах обоих резонаторов, на выходе основного сигнал уменьшится, а на выходе дополнительного - увеличится. При этом пока параметры образца остаются неизменными, на выходе сумматора 7 изменение сигнала не произойдет, так как данные изменения компенсируют друг друга. Если же одновременно со смещением изменятся параметры образца, то на выходе сумматора 7 сигнал будет пропорционален только изменениям параметров контролируемого объекта 9.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение чувствительности контроля за счет исключения влияния собственной нестабильности дополнительного генератора, а также его нестабильности относительно основного генератора, уменьшение потребляемой мощности, удешевление конечного устройства и повышение его отказоустойчивости за счет замены сложного элемента (дополнительного генератора) на резонатор.
Литература
1. А.С. 873155 СССР, МКИ G01R 27/26, G01B 7/12. Устройство для бесконтактного измерения диаметра провода / Дунаевский Г.Е., Завьялов А.С, Кравченко В.Г. - №2446713/18-09; заявл. 03.01.1977; опубл. 15.10.1981.
2. Degenford J.E., Coleman P.D. A quasi-optics perturbation technique for measuring dielectric constants // Proc. IEEE. - 1966. V. 54. - P. 520-522.
3. A.C. 1335900 СССР, МКИ G01R 27/26. Устройство для бесконтактного измерения диаметра провода / Дорофеев И.О., Дунаевский Г.Е. - №4036341/24-09; заявл. 11.03.1986; опубл. 07.09.1987.