АВТОДИННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ НОМИНАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ВНУТРЕННИХ РАЗМЕРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
AUTODINE SENSOR FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF DEVIATIONS FROM NOMINAL VALUE OF INTERNAL SIZES OF METAL PRODUCTS

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля изделий, а именно к устройствам для бесконтактного измерения отклонений от номинального значения внутренних размеров металлических изделий с использованием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, и может быть применено, в частности, в машиностроительной, трубопрокатной и химической промышленности.
Известны устройства для контроля внутренних размеров металлических изделий с круглым сечением отверстий, содержащие СВЧ-генератор (см. SU 637683, 15.12.1978 [1], SU 1355916 А1, 30.11.1987, [2]). Недостатками этих устройств являются низкая чувствительность и сложность аппаратуры, а также недостаточная точность измерений при высокой трудоемкости их выполнения.
Известно устройство для контроля внутренних размеров металлических труб круглого сечения отверстий, содержащее автодинный СВЧ-генератор, в цепь питания которого подключен резистор для выделения автодинного сигнала (см. RU 2052796 С1, 20.01.1996 [3]).
К недостаткам рассмотренных выше устройств относятся невозможность определения овальности полости и разностенности трубы, а также их непригодность для контроля внутренних размеров труб иной формы сечения, например, прямоугольной.
Известно также устройство для бесконтактного контроля внутренних размеров изделий, содержащее первую и вторую приемопередающие антенны и циркулятор, а также автодинный СВЧ-генератор, в цепь питания которого подключен блок выделения автодинного сигнала (см. Носков В.Я. Автодинный СВЧ-датчик для бесконтактного контроля внутренних размеров изделий // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013): материалы конференции в 2 т. (Севастополь, 8-13 сент. 2013 г.) Севастополь: Вебер, 2013. Т. 2. С. 1051-1052 [4]).
Недостатком этого устройства является наличие погрешности измерений, связанной с несоосным расположением измерительной головки и измеряемого отверстия, что является не всегда приемлемым в эксплуатации.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности и принципу действия является устройство для бесконтактного измерения отклонений от номинального значения внутренних размеров металлических изделий, содержащее автодинный СВЧ-генератор, связанный с блоком выделения автодинного сигнала и первым плечом трехплечего циркулятора, ко второму плечу которого подключена первая приемопередающая антенна, диаграмма излучения которой направлена на первую локальную область контроля внутренней поверхности изделия, а к третьему плечу трехплечего циркулятора - вторая приемопередающая антенна, диаграмма излучения которой направлена на вторую локальную область контроля внутренней поверхности изделия, противолежащую первой локальной области (см. RU 2579644 C1 от 11.03.2016, опубл. 20.12.2015, Бюл. №35 [5]).
К недостатку прототипа следует отнести наличие погрешности измерений из-за различия качества обработки или износа внутренней поверхности контролируемых изделий, появления пыли или влаги на пути распространения СВЧ-излучения, влияния изменений температуры окружающей среды на показания, а также необходимости выполнения периодической калибровки устройства.
Таким образом, техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы повысить точность измерения внутренних размеров изделий за счет уменьшения погрешности, вызванной изменениями крутизны преобразования датчика в указанных условиях.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в автодинном датчике для бесконтактного измерения отклонений от номинального значения внутренних размеров металлических изделий, содержащем первый автодинный СВЧ-генератор, связанный с блоком выделения автодинного сигнала и первым плечом трехплечего циркулятора, причем ко второму плечу трехплечего циркулятора подключена первая приемопередающая антенна, диаграмма излучения которой направлена на первую локальную область контроля внутренней поверхности изделия, а к третьему плечу - вторая приемопередающая антенна, диаграмма излучения которой направлена на вторую локальную область контроля внутренней поверхности изделия, противолежащую первой локальной области, для повышения точности измерений к первому автодинному СВЧ-генератору подключен посредством взаимной связи второй автодинный СВЧ-генератор, связанный со вторым блоком выделения автодинного сигнала.
Применение в предлагаемом устройстве вместо одного автодинного СВЧ-генератора- двух, выполненных в виде системы взаимно связанных синхронизированных СВЧ-генераторов, обеспечивает возможность получения на выходе подключенных к ним блоков выделения двух автодинных сигналов, с относительным сдвигом фаз на 90 градусов. При этом первый сигнал является основным измерительным, а второй - дополнительным, обеспечивающим определение раствора дискриминационной характеристики на каждом измерении. Это позволяет определять крутизну преобразования величины отклонения размера от номинального в величину выходного сигнала с учетом отмеченных выше факторов и, тем самым, повысить точность измерений и исключить необходимость периодической калибровки устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема автодинного датчика; на фиг. 2 приведены эпюры, поясняющие принцип преобразования изменений внутреннего размера изделий в выходной сигнал автодинного датчика и определения величины крутизны преобразования.
Устройство содержит (см. фиг. 1) первый 1 и второй 2 автодинные СВЧ-генераторы, выполненные в виде системы взаимно связанных синхронизированных генераторов (см. Носков В.Я. Двухдиодный автодинный приемопередатчик // Приборы и техника эксперимента. 2015. №4. С. 65-70 [6]), первый 3 и второй 4 блоки выделения автодинного сигнала, выполненные, например, по одной из схем, представленных в статье [7], и связанные соответственно с первым 1 и вторым 2 автодинными СВЧ-генераторами. При этом первый 1 автодинный СВЧ-генератор подключен также к первому плечу 5 трехплечего циркулятора 6 (см. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа. 1970. С. 290-294 [8]), ко второму плечу 7 которого подключена первая приемопередающая антенна 8, диаграмма излучения которой направлена на первую локальную область 9 контроля внутренней поверхности изделия 10. К третьему плечу 11 циркулятора 6 подключена вторая приемопередающая антенна 12, диаграмма излучения которой направлена на вторую локальную область 13 контроля внутренней поверхности изделия 10, противолежащую первой локальной области 9 контроля.
Первый 1 и второй 2 автодинные СВЧ-генераторы могут быть выполнены со стабилизацией частоты генерации, например, внешним высокодобротным резонатором (см. описание в статье [6]). Данное решение обеспечивает долговременную стабильность работы устройства и повышение точности измерений. Связь между автодинными СВЧ-генераторами может быть выполнена в виде отрезка линии передачи, например, волноводной [6].
Для локализации областей облучения внутренних поверхностей изделий могут быть использованы следующие технические решения:
Первая 8 и вторая 12 приемопередающие антенны могут быть выполнены в виде открытого конца волновода (см. описание прототипа [5]).
На внешней поверхности автодинного датчика вокруг первой 8 и второй 12 приемопередающих антенн для уменьшения потерь СВЧ-излучения может быть реализован принцип устройства «дроссельного фланца», имеющего кольцевую канавку глубиной приблизительно в четверть длины волны в свободном пространстве (см. рис. 8.2. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа. 1970. С. 236 [8]). При этом расстояние от канавки до середины широкой стенки волновода должно быть также приблизительно равно четверти длины волны в свободном пространстве.
Внешняя поверхность автодинного датчика, за исключением областей раскрыва первой 8 и второй 12 приемопередающих антенн для дополнительного уменьшения потерь СВЧ-излучения и влияния отражений от посторонних объектов, может быть покрыта слоем радиопоглощающего полимерного материала, выполненного, например, на основе наполнителя из микросфер карбонильного железа или феррита (см. Радиопоглощающие материалы и покрытия, http://ru.wikipedia.org [9]).
Устройство работает следующим образом.
0
При подаче напряжения от источника питания (на фиг. 1 он не показан) в первом 1 и втором 2 автодинных СВЧ-генераторах возникают СВЧ-колебания, которые ввиду взаимной связи между СВЧ-генераторами имеют общую частоту ω. Электромагнитное СВЧ-излучение первого 1 автодинного СВЧ-генератора в виде первичного излучения, следуя передающим (например, волноводным) трактом по пути: первое плечо 5 циркулятора 6 - второе плечо 7 циркулятора 6, поступает в первую приемопередающую антенну 8. Данная антенна 8 формирует излучение, которое облучает первую локальную область 9 на внутренней поверхности изделия 10 с одной его стороны. Отраженное от первой локальной области 9 СВЧ-излучение возвращается в первую приемопередающую антенну 8 и далее, благодаря развязывающему свойству циркулятора 6, отделяется от облучающего излучения, следуя волноводным трактом по пути: второе плечо 7 циркулятора 6 - третье плечо 11 циркулятора 6, поступает во вторую приемопередающую антенну 12. Вторая приемопередающая антенна 12 формирует СВЧ-излучение, которое облучает вторую локальную область 13 на внутренней поверхности изделия 10, но с противоположной стороны отверстия относительно первой локальной области 9. Отраженное от второй локальной области 13 СВЧ-излучение возвращается во вторую приемопередающую антенну 12 и далее, благодаря развязывающему свойству циркулятора 6, отделяется от облучающего излучения, следуя волноводным трактом по пути: третье плечо 11 циркулятора 6 - первое плечо 5 циркулятора 6, поступает в резонатор первого 1 автодинного СВЧ-генератора 1 в виде вторичного излучения.
Вторичное излучение вызывает в системе взаимосвязанных первого 1 и второго 2 автодинных СВЧ-генераторов изменения частоты генерации, а также амплитуд колебаний и величины смещения (тока или напряжения) активных элементов (диодов Ганна, лавинно-пролетных диодов, СВЧ-транзисторов и др.). Данные изменения описываются следующими выражениями (см. формулы (1)-(3) статьи: Носков В.Я. Двухдиодный автодинный приемопередатчик // Приборы и техника эксперимента. 2015. №4. С. 65-70 [6]):
где
01
02
а, а - относительные изменения смещения активных элементов первого 1 и второго 2 автодинных СВЧ-генераторов соответственно;
1
2
а, а - относительные изменения амплитуд колебаний первого 1 и второго 2 автодинных СВЧ-генераторов соответственно;
Δω - изменения частоты колебаний;
1
2
Г, Г - коэффициенты отражения (по амплитуде) СВЧ-излучения от первой 9 и второй 13 локальных областей на внутренней поверхности изделия 10;
W - амплитудный коэффициент затухания излучения при его распространении волноводным трактом по пути: первый 1 автодинный СВЧ-генератор - первая локальная область отражения 9 на внутренней поверхности изделия 10 - вторая локальная область 13 отражения на внутренней поверхности изделия 10 - первый 1 автодинный СВЧ-генератор;
01
02
1
2
K, K, K, K, L - коэффициенты автодетектирования, автодинного усиления и девиации частоты, зависящие от внутренних параметров автодинных СВЧ-генераторов 1 и 2;
- общее расстояние, пройденное СВЧ-излучением по пути: автодинный СВЧ-генератор 1 - первая локальная область 9 отражения на внутренней поверхности изделия 10 - вторая локальная область 13 отражения на внутренней поверхности изделия 10 - автодинный СВЧ генератор 1;
01
02
1
2
ψ, ψ, ψ, ψ, θ - углы фазового смещения соответствующих автодинных изменений, зависящие от внутренних параметров автодинных СВЧ-генераторов 1 и 2 и параметров их взаимной связи;
λ - длина волны излучения в волноводном тракте.
01
02
1
2
1
2
Изменения смещения а, а активных элементов и амплитуд а, а колебаний автодинных СВЧ-генераторов 1 и 2 преобразуются в выходные сигналы u, u устройства с помощью блоков 3 и 4 выделения автодинного сигнала. Альтернативные технические решения блоков 3 и 4 выделения автодинного сигнала известны. Например, при регистрации изменений смещения активных элементов, выполненных на диоде Ганна, блоки 3 и 4 выделения могут быть выполнены в виде резистора в цепи питания диода Ганна (см. патент RU 2052796 С1, 20.01.1996 [3]) или в соответствии с одной из схем, представленных в статье: Носков В.Я., Смольский С.М. Регистрация автодинного сигнала в цепи питания генераторов на полупроводниковых диодах СВЧ. (Обзор) // Техника и приборы СВЧ. 2009. №1. С. 14-26 [7]. Для регистрации изменений амплитуды колебаний обычно используются детекторные диоды, помещенные в резонатор автодинного СВЧ-генератора (см., например, фиг. 2 патента: RU 2295911 С1, 27.03.2007 [10]) или в передающую линию (волновод), связанную с этим резонатором (см., например, фиг. 1 статьи: Kotani М., Mitsui S., Shirahata K. Load-Variation Detector Characteristics of a Detector-Diode Loaded Gunn Oscillator // Electronics and Communications in Japan. 1975. Vol. 58-B. No. 5. P. 60-66 [11]).
0
01
02
1
2
01
02
1
2
Изменения частоты Δω колебаний в системе взаимно синхронизированных генераторов обычно малы, и их влиянием на формирование выходных сигналов можно пренебречь [6]. Поэтому в представленных выше выражениях все функции, описывающие зависимость выходных сигналов от расстояния , являются практически гармоническими и отличаются лишь амплитудными значениями и углами относительного фазового смещения. Выбором собственных параметров настройки автодинных СВЧ-генераторов 1 и 2 и параметров связи между ними можно, как описано в статье [6], получить значения разности фаз Δψ=ψ-ψ и(или) Δψ=ψ-ψ равными 90 градусов. Учитывая сделанные замечания, далее рассмотрим работу датчика на примере двух выходных сигналов блоков 3 и 4 выделения автодинных сигналов без учета углов ψ, ψ, ψ и ψ, которые запишем в виде:
где
m1
01
1
2
1
m2
02
1
2
2
А=AГГWK, А=AГГWK - амплитуды автодинных сигналов;
01
02
А, A - амплитуды колебаний первого 1 и второго 2 автодинных генераторов в стационарном режиме автономных колебаний, когда воздействие отраженного излучения отсутствует.
0
пр
На фиг. 2, поясняющей принцип преобразования отклонений от номинального значения внутреннего размера  изделия в выходной сигнал, представлен вид функций  и . В окрестности рабочей точки D функция  имеет смысл дискриминационной характеристики автодинного датчика: . В этой точке обеспечивается наибольшая крутизна преобразования S, которая определяется как первая производная функции  в этой точке: .
A
1
2
m1
1
2
m
m1
m2,
A
m2
пр
При этом в рабочей точке D функции  выходной сигнал соответствует уровню его амплитуды . Данный уровень точно так же зависит от параметров Г, Г, W, как и уровень амплитуды А сигнала . При этом зависимость этих амплитуд от значений коэффициентов K и K в блоках выделения автодинных сигналов 3 и 4 можно выровнять соответствующей регулировкой. Поэтому графики  и  на фиг. 2 построены при одинаковой амплитуде А=А=А и получаемое в точке D значение А может учитываться при вычислении крутизны S дискриминационной характеристики .
0
1обр
0
Перед проведением измерений внутренних размеров изделий сначала находят положение рабочей точки D. Для этого устройство вводят в полость образцового изделия (ОИ) с номинальным значением внутреннего размера  (см. эпюры на фиг. 2) и выполняют регулировку электрической длины волноводного тракта между автодинным СВЧ-генератором 1 и первым плечом 5 циркулятора 6. Это достигается изменением его физической протяженности или введением в этот тракт регулируемого фазовращателя. Данную регулировку выполняют до нахождения такой электрической длины волноводного тракта, при которой выходной сигнал блока 3 выделения обеспечивает свое среднее значение u на дискриминационной характеристике, соответствующее рабочей точке D.
изм
1кон
1обр
пр
пр
2кон
2кон
2кон
2обр
Для измерения отклонения  внутренних размеров  контролируемого изделия от номинального значения  автодинный датчик помещают в полость контролируемого изделия (КИ) (см. эпюры на фиг. 2). Полученное значение отклонения выходного сигнала Δu=u-u умножают на величину крутизны преобразования S и получают искомый результат: . При этом крутизна преобразования находится как: S=4πu/λ, где u - значение выходного сигнала на выходе блока 4 выделения автодинного сигнала. Отметим, что при выборе длины волны λ излучения автодинного датчика такой, что измеряемые максимальные отклонения  размеров , влиянием отклонений u от значения u можно пренебречь.
Таким образом, предложенный автодинный датчик обеспечивает возможность при выполнении измерений одновременно учитывать изменения крутизны преобразования, вызванной указанными в критике прототипа факторами, и тем самым повысить точность измерений и исключить операцию периодической калибровки.
Использование предлагаемого датчика для измерения внутренних диаметров круглых отверстий и труб локализация областей облучения внутренней поверхности изделия позволяет выполнять измерения в зависимости от угла поворота датчика. Это обеспечивает возможность определять овальность и, при известных внешних размерах трубы, - ее разностенность, а также некоторые механические дефекты, например, раковины, вмятины и трещины.
При придании датчику формы, соответствующей форме внутреннего сечения полости изделия, с возможностью помещения его внутри этой полости, обеспечивается возможность измерения внутренних размеров не только полости круглой формы, но и любой иной, например, овальной, прямоугольной, или в виде многогранников. Таким образом, предлагаемое устройство сохраняет функциональные возможности прототипа при повышенной точности измерений без выполнения периодической калибровки, что снижает также трудоемкость выполнения измерений.
1
2
При использовании в датчике однотипных автодинных СВЧ-генераторов зависимость коэффициентов Κ и K от изменений температуры практически одинакова. Поэтому в предлагаемом датчике составляющая погрешности, обусловленная изменениями температуры среды, вносит пониженный вклад в общую погрешность и может быть скомпенсирована, что является дополнительным его преимуществом.
Источники информации
2
1. Авт. св. №637683 (СССР). Устройство для контроля внутренних размеров круглого волновода. МКИ G01R 29/08. Опубл. 19.12.1978., Б.И. №46. / А.Д. Олейников.
4
2. Авт. св. №1355916 A1 (СССР). Датчик для контроля внутренних размеров металлических труб. МКИ G01N 22/00. Опубл. 30.11.1987., БИ №44 / И.Е. Куров, П.А. Путилов, В.В. Потапов, В.В. Козлов, М.И. Гуревич, Г.П. Путилова, С.В. Перельман, Л.Ф. Циферблат.
6
3. Патент №2052796 C1 (РФ). Устройство для контроля внутренних размеров металлических труб. МКИ G01N 22/00, G01B 7/16. Опубл. 20.01.1996., БИ №2 / И.Е. Куров, Е.М. Гершензон, П.А. Путилов, Г.П. Путилова, В.В. Потапов, В.В. Козлов.
4. Носков В.Я. Автодинный СВЧ-датчик для бесконтактного контроля внутренних размеров изделий // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013): материалы конф. в 2 т. (Севастополь, 8-13 сент. 2013 г.) Севастополь: Вебер, 2013. Т. 1. С. 1051-1052.
5. Патент №2579644 C1 (РФ). Способ бесконтактного измерения отклонений от номинального значения внутренних размеров металлических изделий и устройство для его осуществления МКИ G01N 22/00, G01B 15/00. Опубл. 20.12.2015, Бюл. №35 / В.Я. Носков.
6. Носков В.Я. Двухдиодный автодинный приемопередатчик // Приборы и техника эксперимента. 2015. №4. С. 65-70.
7. Носков В.Я., Смольский С.М. Регистрация автодинного сигнала в цепи питания генераторов на полупроводниковых диодах СВЧ. (Обзор) // Техника и приборы СВЧ. 2009. №1. С. 14-26.
8. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа. 1970. 439 с.
9. Радиопоглощающие материалы и покрытия // Интернет http://ru.wikipedia.org
10. Патент №2295911 C1 (РФ). Способ дистанционного контроля физиологических параметров жизнедеятельности организма. МПК А61В 5/05. Опубл. 27.03.2007, Бюл. №9 / Д.А. Усанов, Ал.В. Скрипаль, Ан.В. Скрипаль, Ал.В. Абрамов, А.Э. Постельга, А.С. Боголюбов.
11. Kotani M., Mitsui S., Shirahata K. Load-Variation Detector Characteristics of a Detector-Diode Loaded Gunn Oscillator // Electronics and Communications in Japan. 1975. Vol. 58-B. No. 5. P. 60-66.