СВЧ-УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКИ ДЕФЕКТОВ В МНОГОСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЯХ
ULTRAHIGH FREQUENCY DEVICE FOR DETERMINING ELECTROPHYSICAL PARAMETERS FOR EVALUATING DEFECTS IN MULTILAYER DIELECTRIC AND MAGNETODIELECTRIC COATINGS

Предлагаемое изобретение может быть использовано для определения электрофизических параметров, обнаружения и оценки дефектов в многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на поверхности металла при разработке многослойных радиопоглощающих покрытий в авиации, а также в химической, лакокрасочной и других отраслях промышленности.
7
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является СВЧ-устройство для измерения электрофизических параметров и обнаружения неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле [Патент RU №2594761, МПК G01N 22/02, G01R 27/26, 20.08.2016. Бюл. №23], содержащее последовательно соединенные, СВЧ-генератор, блок коммутации антенн, имеющий N-выходов, а также N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, при этом n-выход блока коммутации, где  соединен с входом соответствующей антенны, приемную антенну E-волн, приемную антенну Н-волн, последовательно соединенных блока управления, блока синхронизации, механизма перемещения, взаимодействующих с приемными антеннами, а также блока обработки сигналов.
Недостатком данного устройства для измерения электрофизических параметров и обнаружения неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле является низкая точность определения электрофизических параметров многослойных покрытий, низкая вероятность обнаружения в них межслойных дефектов, а также низкая точность оценки их геометрических параметров (высот) и положения относительно слоев многослойного диэлектрического покрытия, обусловленные тем, что при реализации на устройстве многочастотных измерений в широкой полосе частот, погрешности измерения коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны могут значительно отличаться в пределах ширины полосы частот измерений, из-за использования отдельного генератора и блока детектирования, которые не связаны между собой кольцом обратной связи.
Кроме того, устройство обладает низким быстродействием, так как при оценке электрофизических параметров многослойных покрытий и оценки в них межслойных дефектов, требуются измерения коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны в каждой точке сканирования исследуемого покрытия на нескольких частотах в широкой полосе частот, при этом установка заданной частоты СВЧ-генератора и коммутация приемных антенн Е- и Н-волн осуществляется оператором производящим измерения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и надежности устройства, увеличение точности определения электрофизических параметров слоев многослойных покрытий, повышение вероятности обнаружения в них межслойных дефектов, а также точности оценки их геометрических параметров (высот) и положения относительно слоев многослойного диэлектрического покрытия.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное СВЧ-устройство для измерения электрофизических параметров и обнаружения неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле, состоящее из последовательно соединенных СВЧ-генератора, блока коммутации антенн, имеющего N-выходов, а также N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, при этом n-выход блока коммутации, где  соединен с входом соответствующей антенны, приемную антенну E-волн, приемную антенну H-волн, последовательно соединенных блока управления, блока синхронизации, механизма перемещения, взаимодействующих с приемными антеннами, а также блока обработки сигналов, дополнительно введены, блок СВЧ, включенный последовательно между выходом СВЧ-генератора и первым входом блока коммутации антенн, блок коммутации приемных антенн и СВЧ-приемник, причем первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока управления соединены со входом СВЧ-генератора, третьим входом блока СВЧ, третьим входом блока коммутации приемных антенн, вторым входом блока коммутации антенн, входом блока синхронизации и вторым входом механизма перемещения, соответственно, выходы приемных антенн Е- и Н-волн соединены с первым и вторым входом блока коммутации приемных антенн, соответственно, выход блока коммутации приемных антенн соединен со вторым входом блока СВЧ, первый и второй выходы блока СВЧ соединены со входом СВЧ-приемника и первым входом блока коммутации антенн, соответственно, первый, второй и третий выходы блока синхронизации соединены с первым входом механизма перемещения, вторым входом блока обработки сигналов и четвертым входом блока СВЧ, соответственно, а выход СВЧ-приемника соединен с первым входом блока обработки сигналов.
12
12
Сущность изобретения состоит в следующем. Введение в состав устройства-прототипа СВЧ-приемника и блока СВЧ, реализует кольцо обратной связи между СВЧ-генератором и блоком СВЧ за счет обеспечения измерения комплексного коэффициента передачи (S-параметра S) измерительного сигнала генератора СВЧ по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ» на нескольких частотах в одном цикле измерения. При этом оценка коэффициента затухания поля поверхностной электромагнитной волны, проводится не по прямым измерениям значений напряженностей электрического поля поверхностной электромагнитной волны отдельным блоком детектирования, а по значениям коэффициентов передачи S измерительного СВЧ сигнала по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ». Это позволяет на аппаратном уровне корректировать и исключать систематические погрешности измерения при измерениях коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны на нескольких частотах и, соответственно, повысить точность определения электрофизических параметров многослойных диэлектрических покрытий. Реализация измерения во всех заданных частотных точках в одном цикле измерения и использование аппаратной коммутации приемных антенн, позволяет повысить быстродействие и надежность и устройства, а также сократить время проведения измерений при контроле многослойных диэлектрических покрытий.
Схема СВЧ-устройства для определения электрофизических параметров и оценки дефектов в многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях показана на фиг., где введены следующие обозначения: 1 - блок коммутации приемных антенн, 2 - приемная антенна Е-волн, 3 - приемная антенна H-волн, 4 - механизм перемещения, 5 - СВЧ-генератор, 6 - блок СВЧ, 7 - блок коммутации антенн, 8 - N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, размещенных в азимутальной плоскости по кругу, 9 - исследуемое многослойное покрытие, 10 - СВЧ-приемник, 11 - блок управления, 12 - блок синхронизации, 13 - блок обработки сигналов.
СВЧ-генератор 5 представляет собой программно-управляемый источник измерительного сигнала СВЧ и предназначен для питания антенн возбуждения медленных поверхностных волн.
Блок СВЧ 6 представляет собой измерительный СВЧ-тракт устройства и предназначен для выделения сигналов падающей и отраженной волны от антенн возбуждения медленных поверхностных волн 8, а также проходящей волны по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ».
12
СВЧ-приемник 10 предназначен для измерения по сигналам падающей, отраженной и прошедшей волн, поступающих с блока СВЧ, коэффициента передачи S измерительного сигнала от СВЧ-генератора 5 по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - передающая антенна - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ», для всех заданных частот  k=1, 2, …, L.
СВЧ-генератор 5, блок СВЧ 6 и СВЧ-приемник 10 можно реализовать на основе векторного анализатора электрических цепей, например, типа НР8720 [Данилин А.А. Измерения в технике СВЧ. М.: Радиотехника, 2008. 183 с, С. 76-80].
Блок управления 11 предназначен для:
- автоматического переключения выходов блока коммутации приемных антенн 1 и блока коммутации антенн возбуждения медленных поверхностных волн 7;
- автоматической установки рабочей частоты генератора СВЧ 5;
- формирования управляющего сигнала для включения блока СВЧ 6;
- формирования управляющего сигнала для включения блока синхронизации 12;
- формирования сигналов для автоматического управления механизмом перемещения 4.
- формирования сигнала задержки для механизма перемещения 4, при измерениях на нескольких частотах.
Блок управления 11 может быть реализован на основе персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) и многофункционального модуля ввода-вывода PXI типа PXI-6229 компании National Instruments [Device specification NI 6229 / https://www.ni.com/pdf/manuals/375204c.pdf], имеющего 48 двунаправленных цифровых канала. В качестве программного обеспечения блока управления 11, может быть использована, например, среда разработки LabView [Официальный сайт среды разработки Lab View https://www.ni.com/ru-ru/shop/labview.html].
N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн 8, размещенных в азимутальной плоскости по кругу присущи аналогу.
Блок коммутации N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн 7 и блок коммутации приемных антенн 1, присущи блоку коммутации антенн возбуждения медленных поверхностных волн аналога и могут быть реализованы, например, на основе микрополосковых ферритовых Y-циркуляторов [С. 89-102, Дмитренко Г.В. Проектирование полосковых устройств СВЧ: Учеб. пособие / Г.В. Дмитриенко; М-во образования Рос. Федерации. Ульян, гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2001. 112 с.], соединенных по диаграммообразующей матричной схеме Батлера [С. 9, Антенные решетки с электрическим сканированием / Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Тематический выпуск. Перевод с английского журнала Proceedings of the IEEE Vol. 56, No 11, November 1968. Под ред. И.Б. Абрамова, Л.С. Бененсона. М. Мир. 376 с.], дешифратора с использованием микросхем типа SN74LS145N по одному из вариантов схем приведенных в [Рюмик СМ. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Выпуск 2. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2011. С. 210-212] и управляемых вентилей на pin-диодах.
Приемные антенны Е и Н волн, а также механизм их перемещения 4 присущи аналогу. При этом механизм перемещения может быть реализован, например, на основе системы из трех шаговых двигателей [Дж. Вильяме Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. М.: NT Press, 2006. С. 127-167]. Каждый из них перемещает приемную антенну Е и Н волн по координатам X, Y, Z соответственно. Механизм перемещения приемных антенн может быть построен на основе шаговых электродвигателей типа High-Resolution Type PK246PB фирмы Orientalmotor и микросхем L297, L298N и LMD18T245 [Дж. Вильяме Программируемые роботы. Создаем робота для своей домашней мастерской. М.: NT Press, 2006. С. 127-167].
Управление шаговыми двигателями механизма перемещения 4 с блока управления 11 осуществляется подачей управляющих сигналов с платы сбора данных PXI-6229.
Блок синхронизации 12 предназначен для одновременного включения в работу блока СВЧ 6 и механизма перемещения приемных антенн 4, при измерениях на частотах  k=1, 2, …, L. Блок синхронизации, например, может быть реализован на основе микроконтроллера. При этом синхронизация осуществляется путем одновременной подачей цифрового кода с портов ввода-вывода блока управления 11 на механизм перемещения 4 и блок СВЧ 6. Одновременная подача сигналов на порты ввода-вывода микроконтроллера устройства синхронизации 12 осуществляется на основе собственного внутреннего тактового сигнала блока управления 11, на основе многофункционального модуля ввода-вывода PXI типа PXI-6229 компании National Instruments [Device specification NI 6229 / https://www.ni.com/pdf/manuals/375204c.pdf], имеющего 48 двунаправленных цифровых канала.
Блок обработки сигналов 13 предназначен для определения коэффициентов затухания поля поверхностной медленной электромагнитной волны по нормали (ось Y) к поверхности покрытия  для всех заданных частот  k=1, 2, …, L, определения по ним электрофизических параметров и оценки дефектов в исследуемом многослойном диэлектрическом или магнитодиэлектрическом покрытии по методике приведенной в [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента ослабления поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника, 2019. №9. С. 39-45; Казьмин А.И., Федюнин П.А. Контроль дефектов в многослойных диэлектрических материалах СВЧ-методом // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020. Том 86. №2. С. 37-43].
Блок обработки сигналов 13, может быть реализован, например, на основе персональной электронной вычислительной машины и подпрограммы реализующей определение электрофизических параметров и оценку межслойных дефектов многослойного покрытия в данной точке измерения по методике, заключающейся в минимизации целевой функции, построенной по невязке между экспериментально полученными  и вычисленными теоретическими значениями коэффициентов затухания  поля поверхностной электромагнитной волны на частотах  k=1, 2, …, L [Казьмин А.И., Федюнин П.А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента ослабления поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника, 2019. №9. С. 39-45; Казьмин А.И., Федюнин П.А. Контроль дефектов в многослойных диэлектрических материалах СВЧ-методом // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2020. Том 86. №2. С. 37-43]:
2n+1
3n
где  - расстояние между экспериментально полученными  и вычисленными теоретическими значениями  коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны в области допустимых значений  - частота зондирующего сигнала;  - 3n-мерный вектор описывающий электрофизические параметры n-слойного покрытия,  - комплексные относительные диэлектрические и магнитные проницаемости, b, …, b - толщины слоев материала;  - вектор геометрических параметров дефектов (величин отслоений и расслоений в покрытии);
12
Определение экспериментальных коэффициентов затухания поля поверхностной медленной электромагнитной волны по нормали (ось Y) к поверхности покрытия  в блоке обработке сигналов 13 можно определить по формуле [С. 122, Федюнин П.А.. Казьмин А.И. Способы радиоволнового контроля параметров защитных покрытий авиационной техники. М.: Физматлит. 2013. 189 с.], заменив в ней значения напряженности электрического поля поверхностной электромагнитной волны на измеренные значения коэффициентов передачи S:
где r - расстояние (шаг) между точками измерений;  - коэффициент передачи по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ», при расстоянии приемной антенны от поверхности у, на частоте  - коэффициент передачи по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ» при расстоянии приемной антенны от поверхности у+r, на частоте .
Предлагаемое СВЧ-устройство для определения электрофизических параметров и оценки дефектов в многослойных диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях работает следующим образом.
Перед началом проведения измерений в блок управления 11 вводятся исходные данные: заданные рабочие частоты  k=1, 2, …, L, где L - количество частот, координаты перемещения приемных антенн Е и Н-волн в пределах зоны действия каждой из N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн, а также загружается управляющая программа. Начинается последовательное выполнение управляющей программы блоком управления 11.
1
1
Сигналом с блока управления 11 производится установка первой из L рабочих частот ƒ СВЧ-генератора 5. С выхода СВЧ-генератора измерительный сигнал на частоте ƒ поступает на первый вход блока СВЧ 6.
Измерительный сигнал СВЧ-генератора, со второго выхода блока СВЧ 6 поступает на блок коммутации антенн 7. Производится активизация первого выхода блока коммутации антенн 7 путем подачи цифрового кода, соответствующего первому выходу, с четвертого выхода блока управления 11. При этом первая из N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн 8 включается в работу.
1
1
Первой из N-антенн возбуждения медленных поверхностных волн в исследуемом многослойном покрытии, производится возбуждение поверхностной электромагнитной волны Е- или H-типов на частоте измерительного сигнала ƒ. Соответствующей приемной антенной (Е или Н волн) осуществляется прием измерительного сигнала поверхностной электромагнитной волны на частоте ƒ. С блока управления 11 производится включение соответствующего входа блока коммутации приемных антенн 1 и сигнал с соответствующей приемной антенны поступает на второй вход блока СВЧ 6, для выделения сигнала проходящей волны по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - передающая антенна - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ».
12
1
В блоке СВЧ 6 выделяются сигналы падающей, отраженной и проходящей волны. Далее они поступают в СВЧ приемник 10, где производится оценка коэффициента передачи S волны по пути: «СВЧ-генератор - блок СВЧ - блок коммутации антенн - антенна возбуждения медленной поверхностной волны - исследуемое многослойное покрытие - приемная антенна - блок коммутации приемных антенн - блок СВЧ» на частоте ƒ и передача полученного значения в блок обработки сигналов 13, для запоминания и дальнейшей обработки.
12
1
12
После завершения измерения коэффициента передачи S на частоте ƒ производится их измерение для всех заданных частот S k=1, 2, …, L.
12
k
По сигналу с блока управления 11 механизмом перемещения 4 производится перемещение соответствующей приемной антенны по нормали вверх над поверхностью покрытия на расстояние d выше первоначального значения (y+d) и производится аналогичный цикл измерений коэффициентов передачи S для всех заданных частот ƒ=1, 2, …, L.
При этом блок синхронизации 12 формирует цифровой код для синхронизированного одновременного включения в работу блока СВЧ 6 и механизма перемещения 4.
12
Значения коэффициентов передачи S для всех заданных частоту  k=1, 2, …, L запоминаются в блоке обработке сигналов 13, и по ним производится определение экспериментальных коэффициентов затухания поля поверхностной медленной электромагнитной волны по нормали (ось Y) к поверхности покрытия  для всех заданных частот  k=1, 2, …, L.
На основе полученного ряда экспериментальных значений коэффициентов затухания  k=1, 2, …, L, в блоке обработке сигналов 13 производится определение электрофизических параметров и оценка межслойных дефектов многослойного покрытия в данной точке измерения.
Таким образом, в данной точке измерения многослойного покрытия за один цикл работы устройства реализуется высокоточное многочастотное измерение коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны  k=1, 2, …, L, и определение по ним электрофизических параметров и оценка межслойных дефектов многослойного покрытия.
Для определения электрофизических параметров и оценки дефектов во всех заданных точках на поверхности исследуемого многослойного покрытия производится активизация второго выхода блока коммутации антенн, путем подачи цифрового кода, соответствующего второму выходу, с блока управления 11. При этом вторая из N-антенн возбуждения поверхностных волн включается в работу, а первая отключается и повторяется алгоритм работы управляющей программы, рассмотренный выше, только для второй антенны возбуждения поверхностных волн.
Аналогично активизацией выходов  блока коммутации антенн производится последовательное включение остальных N-антенн возбуждения поверхностных волн. Алгоритм работы устройства для каждой из N антенн возбуждения поверхностных волн аналогичен, рассмотренным выше.
Таким образом, в устройстве реализуется синхронизированное аппаратно-программное определение коэффициентов затухания поля поверхностной электромагнитной волны на нескольких частотах  k=1, 2, …, L, в одном цикле измерения, что позволяет повысить быстродействие и надежность устройства, расширить его функциональные возможности, за счет возможности оценки электрофизических параметров многослойных покрытий, повысить точность их определения, а также повысить вероятность обнаружения в них межслойных дефектов, точность оценки их геометрических параметров (высот) и положения относительно слоев многослойного диэлектрического покрытия.