БЕСКОНТАКТНОЕ РАДИОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
CONTACTLESS RADIOWAVE DEVICE TO MEASURE THICKNESS OF DIELECTRIC MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов, таких как стены зданий, ледовое или дорожное покрытие в процессе мониторинга при использовании транспортных средств.
Известны устройства для дистанционного бесконтактного измерения толщины ледового покрова, использующие принцип действия импульсного радиолокатора. Размещенное на автомобиле или вездеходе оно позволяет измерять толщину льда или другого подстилающего покрытия в процессе движения. Однако получить большую точность в определении толщины при помощи импульсного радиолокатора затруднительно на малых расстояниях порядка 0,5-1,5 метров, как это имеет место в данном случае. Малое время распространения радиоволн приводит к уменьшению ширины зондирующего импульса, которая, в свою очередь, ограничена по крайней мере одним периодом частоты заполнения. При высокой частоте заполнения проникающая способность радиоволн в диэлектрических материалах резко падает.
Известно также техническое решение - радиоволновый измеритель толщины диэлектрических материалов, использующий частотную модуляцию зондирующего сигнала, по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.). Данное устройство содержит: генератор сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных волн с частотой, управляемой модулирующим генератором линейно изменяющегося напряжения (ЛЧМ), подсоединенный через первый вывод делителя мощности и циркулятор к антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приему отраженных электромагнитных волн; смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно СВЧ генератор через второй вывод делителя мощности и антенна отраженных электромагнитных волн через циркулятор, выход смесителя подсоединен ко входу вычислительного устройства, являющегося выходным блоком. В результате временной задержки между волной, попадающей на смеситель напрямую от СВЧ генератора и волной, прошедшей через диэлектрическую пластину и вернувшейся обратно после отражения от ее нижней границы, на выходе смесителя выделяется сигнал разностной частоты. Частота этого сигнала пропорциональна толщине диэлектрической пластины и квадратному корню от ее диэлектрической проницаемости. Точность определения толщины или разрешающая способность при данном методе прямо пропорциональна девиации частоты.
Недостатком этого толщиномера является тот факт, что антенна устройства должна быть максимально согласована с материалом измеряемой пластины, чтобы устранить отражение от ее передней поверхности. Поэтому данное устройство не приспособлено для дистанционного применения. Если же применить антенну, согласованную с открытым пространством, то сигнал, отраженный от верхней стороны диэлектрической пластины, внесет сильные искажения в результирующий сигнал, что приведет к снижению точности измерения толщины.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом устройстве для бесконтактного измерения диэлектрических пластин достигается тем, что оно содержит: СВЧ генератор, управляемый модулятором, соединенный через первый вывод делителя мощности и первый циркулятор с первой приемо-передающей антенной для излучения электромагнитных волн в сторону измеряемой поверхности по нормали; вторая приемо-передающая антенна для излучения в сторону измеряемой пластины по нормали, соединенная со вторым выходом делителя мощности через первый умножитель частоты и циркулятор; смеситель, первый вход которого соединен с выходом первого циркулятора через второй умножитель частоты, а второй вход - с выходом второго циркулятора; выходное вычислительное устройство, соединенное с выходом смесителя и с модулирующим генератором.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена его структурная схема.
Устройство содержит СВЧ генератор - 1, модулятор - 2, делитель мощности - 3, первый циркулятор - 4, первая антенна - 5, первый умножитель частоты - 6, второй циркулятор -7, вторая антенна - 8, второй умножитель частоты - 9, смеситель - 10, вычислительный блок - 11, диэлектрическая пластина - 12.
Устройство работает следующим образом.
M
СВЧ генератор 1 передает электромагнитные колебания с частотой, изменяющейся по линейному закону с периодом T, от начальной частоты F до частоты F+ΔF, где ΔF -девиация частоты. Часть этой волны через циркулятор 4 излучается антенной 5 по нормали к поверхности диэлектрической пластины. Принимаемая этой антенной волна состоит из суммы двух волн, отраженных от передней и от задней поверхности диэлектрической пластины 12.
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>F</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>Δ</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>F</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>R</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
R
1
2
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>d</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>/</mo><mi>c</mi></mrow>
где τ=2R/c - время распространения электромагнитной волны до передней поверхности пластины и обратно; R - расстояние до пластины; с - скорость света в воздухе; A - амплитуда принимаемой волны от передней стороны пластины;
- время распространения электромагнитной волны в пластине толщиной d и диэлектрической проницаемостью ε; A - амплитуда принимаемой волны от задней стороны пластины. После прохождения этой волны через циркулятор 4 и умножитель частоты 9, на вход смесителя 10 поступает сигнал:
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>N</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>N</mi><mi>F</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>N</mi><mi>Δ</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>N</mi><mi>F</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>N</mi><mi>Δ</mi><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>R</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где N - целое число - коэффициент умножения блока 9.
На второй вход смесителя 10 поступает сигнал, который от второго выхода делителя мощности 3 через умножитель частоты 6, циркулятор 7 и антенну 8 излучается по нормали к пластине 12, отражается от нее и возвращается обратно через эти же антенну и циркулятор:
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>N</mi><mi>F</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>N</mi><mi>Δ</mi><mtext> </mtext><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
R
Известно, что с ростом частоты СВЧ генератора резко возрастает затухание в таких диэлектрических материалах, как дерево, бетон, лед. Это справедливо для частот, применяемых в радиолокации от 1,5÷2 ГГц и выше. При кратном повышении частоты затухание для многих практических материалов возрастает в десятки и сотни раз. Поэтому в уравнении (3) в отличие от уравнения (2) можно пренебречь вторым слагаемым. В результате для смесителя 10 опорным будет сигнал В, имеющий временную задержку τ.
На выходе смесителя 10 после перемножения сигналов А с В и низкочастотной фильтрации выделится сигнал разностной частоты:
<mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><mi>N</mi><mi>Δ</mi><mi>F</mi><mi>t</mi><mtext> </mtext><msub><mi>τ</mi><mi>d</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>d</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>/</mo><mi>c</mi></mrow>
Поскольку
, разностная частота или частота биений этого сигнала определится как:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>b</mi></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><mi>F</mi><mi>d</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>/</mo><mi>c</mi><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
b
M
Окончательно толщина диэлектрической пластины с известной диэлектрической проницаемостью ε после измерения F с учетом T и вычисления по формуле
<mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><msub><mi>T</mi><mi>M</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>b</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><mi>F</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
определяется в выходном вычислительном блоке 11. Точность определится ошибкой дискретности метода, которая в этом случае будет в N раз меньше, чем у прототипа:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>d</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>N</mi><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><mi>F</mi><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, устройство по сравнению с прототипом приобрело новое свойство - более высокую точность определения толщин плоских диэлектрических материалов при бесконтактном способе измерения. Благодаря этому, устройство может быть применено для мониторинга толщин различных подстилающих поверхностей, в том числе льда, с борта транспортных средств, дистанционном измерении толщин стен и определения пустот в разных диэлектрических материалах.