Свч-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрических покрытий на металле

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения диэлектрической проницаемости и толщины слоя жидкости и твердых образцов на поверхности металла. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей - дополнительное определение диэлектрической проницаемости Е, и повышение точности определения толщины. Способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе заключается в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала и электропроводящей подложки и последующей регистрации свойств преобразователя. Создают СВЧ-электромагнитное поле бегущей поверхностной волны над поверхностью диэлектрик - металл типа Е в одномодовом режиме, измеряют к нормали поверхности диэлектрик - металл коэффициенты затухания α_E1 и α_E2 на двух соответственно длинах волны λ_E1 и λ_E2, при этом относительную диэлектрическую проницаемость покрытия и его толщину определяют по приведенным математическим зависимостям. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения диэлектрической проницаемости и толщины слоя жидкости и твердых образцов на поверхности металла, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидких и твердых сред.

Известен способ определения толщины покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов, в основу которого положен пондероматорный принцип, а именно измерение силы отрыва или притяжении постоянных магнитов и электромагнитов к контролируемому объекту (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В. Клюева. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.68).

Данный способ обладает следующими недостатками: - не позволяет быстродействующего сканирования больших поверхностей; - не чувствителен к изменению диэлектрической проницаемости; - не чувствителен к немагнитной металлической поверхности.

Известен способ определения свойств контролируемого материала с использованием двухэлектродных иди трехэлектродных емкостных преобразователей (см. А. В. Бугров. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. - М: Машиностроение, 1982. Стр.44). В общем случае свойства преобразователя зависят как от размеров, конфигурации и взаимного расположения электродов, так и от формы, электрофизических свойств контролируемого материала и его расположения по отношению к электродам, Данный способ обладает следующими недостатками: - не позволяет быстродействующего сканирования больших поверхностей; - нет возможности разделения возбудителя сканирующего поля и приемного устройства; - требуются специальные методы отстройки от зазора; - способ служит для измерения диэлектрической проницаемости или толщины; - при измерении толщины требуется использовать металлическую поверхность в качестве электрода, в этом случае измерения зависят от вариации диэлектрической проницаемости.

За прототип принят способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В. Клюева. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. С.120-125), заключающийся в создании вихревых токов в электропроводящей подложке и последующей регистрации комплексных напряжений U или сопротивлений Z вихретокового преобразователя как функции электропроводности подложки и величины зазора.

Недостатками данного способа являются
- дополнительная погрешность, вызванная неплотным прилеганием токовихревого датчика;
- нет возможности измерения диэлектрической проницаемости покрытия;
- чувствителен к изменению параметров подложки (удельной электропроводности и магнитной проницаемости).

- не позволяет быстродействующего сканирования больших поверхностей;
- нет возможности разделения возбудителя сканирующего поля и приемного устройства;
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей (дополнительное определение диэлектрической проницаемости ε) и повышение точности определения толщины.

Это достигается тем, что в способе определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе, заключающемся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала и электропроводящей подложки и последующей регистрации свойств преобразователя, создают СВЧ - электромагнитное поле бегущей поверхностной волны над поверхностью диэлектрик - металл типа Е в одномодовом режиме, измеряют к нормали поверхности диэлектрик - металл коэффициенты затухания α_E1 и α_E2 на двух соответственно длинах волн λ_E1 и λ_E2, так чтобы разность λ_E1-λ_E2 удовлетворяла неравенству

при этом относительная диэлектрическая проницаемость покрытия определяют по формуле

а толщину покрытия

при условии

На фиг. 1 представлена, структурная схема предлагаемого способа: 1 - поверхность металла, 2 - исследуемый диэлектрик с неизвестными диэлектрической проницаемостью ε и толщиной b, 3 - излучающая система, 4 - приемные вибраторы, расположенные нормально.

На фиг.2 показан метод борьбы с прямой волной, влияющей на точность измерений.

Сущность способа заключается в следующем.

Создают СВЧ электромагнитное (ЭМ) поле бегущей поверхностной медленной волны над поверхностью диэлектрик-металл с помощью излучающей системы 3 (рупор, например), расположенной над поверхностью так, что поток излучения находится под углом, который обеспечивает полное внутреннее отражение в системе магнитодиэлектрик-металл.

Последовательно могут реализовываться Е, Н и гибридные поверхностные волны в одномодовом режиме.

При возбуждении Е волны основного типа (n=0) измеряется коэффициент затухания по нормали к поверхности α_y в соответствии с выражением

где ε - относительная диэлектрическая проницаемости; λ_r = λ_E1,λ_E2 - одна из двух возможных длин волн генератора λ_E1 или λ_E2(α_E = λ_E2,λ_E1 - затухание не диссипативное, а определяется мерой эалипания поля поверхностной волны);
λ_E2 = λ_E1-Δλ.
Обозначим

и при условии

уравнение (1) можно записать

Решается система двух уравнений (2) с двумя неизвестными ε и b на λ_r = λ_E1 и λ_r = λ_E2.

определяются величины ε и b в любой конкретной точке вне возбудителя поля с помощью, например, двух вибраторов, расположенных на одной вертикали на фиксированном расстоянии d


Экспериментальная проверка предлагаемого способа на длине волны генератора λ_r≈9,68 см показала, что при толщине покрытия b≈2 мм с ε≈6-7 (кварцевое стекло) коэффициент затухания по нормали составил α_E≈8,67, т.е. расстояние между вибраторами, соответствующее изменению напряженности поля в два раза, составляет ≈ 8 см.

Исходя из принципа электродинамического подобия пропорциональное изменение (например, уменьшение) длины волны генератора вызывает пропорциональное уменьшение порога чувствительности измерения толщины.

Эксперимент показал также, что необходимо устранять прямую волну путем введения, например, переизлучающей или поглощающей пластины (фиг.2).

Таким образом предлагаемый способ позволяет наряду с определением толщины определять и диэлектрическую проницаемость покрытия. А так как измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов от поверхности, то не требуется специальных мер отстройки от зазора. Это повышает точность и дает возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя Е волны. На результате измерений не сказывается также изменение удельной электропроводности и магнитной проницаемости подложки, так как глубина проникновения ЭМ волны в глубь проводящей подложки составляет доли мкм (для меди, например), что значительно (на несколько порядков) меньше измеряемой толщины.

Формула изобретения

Способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала и электропроводящей подложки и последующей регистрации свойств преобразователя, отличающийся тем, что создают СВЧ - электромагнитное поле бегущей поверхностной волны типа Е над поверхностью диэлектрик - металл в одномодовом режиме, измеряют по нормали к поверхности диэлектрик - металл коэффициенты затухания α_E1 и α_E2 на двух соответственно длинах волн λ_E1 и λ_E2 так, чтобы разность λ_E1-λ_E2 удовлетворяла неравенству

при этом относительную диэлектрическую проницаемость ε покрытия определяют по формуле:

а толщину покрытия b по формуле

при условии

где λ_r = λ_E1, λ_E2- одна из двух возможных длин волн генератора λ_E1 или λ_E2;
α_E = α_E1, α_E2- коэффициент затухания электромагнитной волны по нормали к поверхности диэлектрик - металл на двух соответственно длинах волн λ_E1, λ_E2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2