Способ определения толщины диэлектрического материала

 

Способ относится к области измерительной техники и может быть использован в системах управления технологическими процессами при определении толщины диэлектрического покрытия на диэлектрическом основании. Согласно способу контролируемый материал зондируют электромагнитным сигналом инфракрасного диапазона. Принимают импульсы, отраженные от поверхности контролируемого материала и от поверхности основания. Измеряют энергетические освещенности поверхности контролируемого материала и поверхности основания. Толщину контролируемого материала определяют по отношению измеренных энергетических освещенностей поверхностей контролируемого материала и основания по зависимости, приведенной в формуле изобретения. Изобретение направлено на повышение точности измерения толщины материала в сравнении с фазовыми способами. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ, реализуемый волноводным толщиномером (см. В.А.Викторов и др. “Радиоволновые измерения параметров технологических процессов”, 1989, стр.46), в котором о толщине листа судят по характеристикам (амплитуде) распространения электромагнитных волн в волноводах, в поле которых находится контролируемый лист.

Недостатком этого известного способа является сложность в конструкции волноводного датчика и преобразовании информационного сигнала.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения толщины диэлектрического слоя (см. В.А.Викторов и др. “Радиоволновые измерения параметров технологических процессов”, 1989 г., стр. 50). В устройстве, реализующем указанный способ, колебания с СВЧ генератора по измерительному (направленный ответвитель) и опорному (умножитель частоты) каналам поступают на передающие антенны, которые излучают волны в сторону объекта контроля. Отраженные от объекта сигналы, улавливаемые приемными антеннами и передаваемые далее соответственно направленным ответвителем и умножителем частоты, сравниваются в фазовом детекторе. Здесь по разности фаз опорного и измерительного сигналов определяют толщину контролируемого материала.

Недостатком данного двухчастотного фазового способа следует считать погрешность, обусловленную сложностью определения разности фаз при широком диапазоне измерения контролируемого параметра.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины диэлектрического материала, расположенного на диэлектрическом основании, использующем взаимодействие электромагнитных колебаний с контролируемым материалом при его зондировании волнами и отражении от него волн, толщину диэлектрического материала d определяют по формуле:

где R_o - расстояние между излучателем электромагнитных колебаний и диэлектрическим основанием, Е_м - энергетическая освещенность, создаваемая излучением, отраженным от поверхности контролируемого диэлектрического материала, Е_о - энергетическая освещенность, создаваемая излучением, отраженным от поверхности диэлектрического основания.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании контролируемого диэлектрического материала электромагнитными волнами, по измеренным значениям энергетических освещенностей отраженными от поверхностей материала и основания излучениями определяют толщину материала.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины диэлектрического материала, на основе использования интенсивности отраженных от поверхностей основания и материала электромагнитных волн с желаемым техническим результатом, т.е. высокой точностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное технического решение, содержит излучатель инфракрасных волн 1, приемник 2, индикатор 3 для регистрации результатов измерения толщины диэлектрического плоского материала 4, расположенного на диэлектрическом основании 5.

Суть предлагаемого способа заключается в определении толщины диэлектрического плоского материала на диэлектрическом основании путем измерения и преобразования отраженных от поверхностей материала и основания электромагнитных сигналов.

При зондировании плоского диэлектрического материала, расположенного на диэлектрическом основании, инфракрасными волнами для оценки интенсивности (энергетической освещенности) отраженной от поверхности объекта инфракрасной волны можно использовать формулу:

где Е_м - величина энергетической освещенности отраженным инфракрасным излучением, Θ _м - угол между нормалью и отражающей поверхностью диэлектрического материала и направлением на приемник, Р - мощность излучателя, ρ _м - коэффициент отражения от поверхности раздела двух сред (воздух - диэлектрический материал), R_м - расстояние между излучателем и поверхностью контролируемого материала.

Аналогично при отсутствии диэлектрического материала на диэлектрическом основании для оценки интенсивности отраженной от поверхности диэлектрического основания инфракрасной волны можно записать:

где E₀ - величина энергетической освещенности отраженным инфракрасным излучением, Θ ₀ - угол между нормалью к отражающей поверхности диэлектрического основания и направлением на приемник, ρ ₀ - коэффициент отражения от поверхности раздела двух сред (воздух - диэлектрическое основание), R₀ - расстояние между излучателем и диэлектрическим основанием.

При предположении ρ _м=ρ _о и ρ _м=Θ _о совместное преобразование уравнений (1) и (2) дает возможность записать, что:

В данном случае, так как изменение толщины материала сопряжено с изменением расстояния R_м, то при R_o=const параметр R_м, как следует из формулы (3), можно вычислить следующим образом:

С другой стороны, геометрическая величина параметра R _м с учетом толщины диэлектрического материала и расстояния R_o может быть определена как:

где d - толщина диэлектрического материала.

В результате совместного преобразования уравнений (4) и (5) имеем:

Последнее выражение показывает, что при постоянном значении расстояния R_o путем измерения энергетических освещенностей отраженных от поверхностей диэлектрического материала и диэлектрического основания излучениями можно оценить величину толщины контролируемой среды.

Для этого в устройстве, реализующем предлагаемый способ, сначала инфракрасные волны, излучаемые излучателем 1, направляются в сторону диэлектрического плоского материала 4, расположенного на диэлектрическом плоском основании 5. После этого отраженные от поверхности материала (и при отсутствии материала на диэлектрическом основании от поверхности последнего) волны улавливаются приемником 2. Здесь следует отметить, что источник и приемник излучения располагаются в одной плоскости, т.е. на одном расстоянии от объекта контроля. С выхода приемника сигнал, связанный с отражающими свойствами диэлектрического материала (диэлектрического основания) и расстоянием между поверхностью контролируемого объекта и излучателем (приемником), переносится в индикатор 3. В этом блоке отражается информация о толщине диэлектрического материала на основании.

Проведены лабораторные эксперименты по определению толщины перфокарты (82 х187 мм), расположенной на фторопласте. В опытах в качестве излучателя и приемника использовался инфракрасный диод типа АЛ107Б с мощностью излучения 9 мВт и длиной волны 0,9...12 мкм. При изменении толщины перфокарты от 0,16 до 4 мм разность инфракрасного сигнала на выходе приемника составила 26,71 мВ. В испытаниях погрешность измерения толщины перфокарты не превышала 0,2%.

Таким образом, согласно предлагаемому способу, на основе измерения интенсивности отраженных от диэлектрического материала на диэлектрическом основании инфракрасных волн можно обеспечить более высокую точность и чувствительность измерения толщины контролируемой среды.

Формула изобретения

Способ определения толщины диэлектрического материала, расположенного на диэлектрическом основании, при котором зондируют контролируемый диэлектрический материал электромагнитным сигналом излучателя и принимают отраженные от поверхности контролируемого материала сигналы, отличающийся тем, что измеряют энергетическую освещенность Е_М, создаваемую излучением, отраженным от поверхности контролируемого диэлектрического материала, и энергетическую освещенность Е_О, создаваемую излучением, отраженным от поверхности диэлектрического основания, и толщину контролируемого материала d определяют по формуле

где R_О - расстояние между излучателем и диэлектрическим основанием.

РИСУНКИ