Способ определения толщины диэлектрического покрытия

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники. Задачей изобретения является упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия. Поставленная задача решается тем, что, используя электромагнитные волны для зондирования диэлектрического покрытия и приема отраженных от границы раздела сред «воздух-диэлектрическое покрытие» волн, зондирование контролируемого покрытия осуществляют под острым углом, дополнительно принимают отраженные от границы раздела сред «диэлектрическое покрытие-металлическая основа» волны, фиксируют максимум интенсивности отраженных от указанных границ раздела «воздух-диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие-металлическая основа» волн путем варьирования острого угла падения зондирующей волны и угла приема отраженных волн, а в момент достижения этого максимума интенсивности толщину диэлектрического покрытия d определяют по формуле:

где n - целое положительное число, λ - длина зондирующей волны, Q - угол падения зондирующей волны. 1 ил.

 

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

Известен способ, реализуемый емкостным датчиком толщины покрытия (см. И.Чеховской. Контроль толщины эмали на кузове. «Радио» №1, 2004, стр.47), при котором о толщине покрытия эмали на кузове легкового автомобиля судят по изменению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.

Недостатком этого известного способа является контактность датчика с контролируемой поверхностью и погрешность измерения из-за температурных влияний на емкость конденсаторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения толщины диэлектрического слоя (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов, 1989, стр.50). Этот способ, реализуемый указанным устройством, основан на зондировании диэлектрического слоя двумя сигналами с умноженной частотой одного из них и сравнении фаз отраженных от поверхности слоя сигналов с умноженной частотой одного из них. В этой разработке по выходному сигналу фазового детектора судят о толщине диэлектрического слоя.

Недостатком данного фазового способа измерения следует считать сложность определения толщины, связанную с образованием сигналов с умноженной частотой одного из них как при зондировании, так и при сравнении фаз отраженных сигналов.

Задачей заявляемого технического решения является упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, использующем электромагнитные волны для зондирования диэлектрического покрытия и прием отраженных от границы раздела сред «воздух-диэлектрическое покрытие» волн, зондирование контролируемого покрытия осуществляют под острым углом, дополнительно принимают отраженные от границы раздела сред «диэлектрическое покрытие-металлическая основа» волны, фиксируют максимум интенсивности отраженных от указанных границ раздела сред «воздух-диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие-металлическая основа» волн и в момент достижения этого максимума интенсивности толщину диэлектрического покрытия d определяют по формуле:

где n - целое положительное число, λ - длина зондирующей волны, Q - угол падения зондирующей волны.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при зондировании контролируемого диэлектрического покрытия под острым углом по максимальной величине интенсивности отраженных от границ раздела сред «воздух-диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие-металлическая основа» волн определяют толщину диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины диэлектрического покрытия на основе фиксирования и оценки максимума интенсивности отраженных от двух границ раздела сред волн с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедур образования зондирующих и сравнения отраженных сигналов.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит микроволновой генератор электромагнитных колебаний 1, подключенную к его выходу передающую рупорную антенну 2, осуществляющую зондирование слоя диэлектрического покрытия 3, приемную рупорную антенну 4, амплитудный детектор 5, соединенный выходом со входом индикатора 6. На чертеже цифрой 7 обозначена металлическая основа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. При зондировании диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, электромагнитными волнами могут иметь место отражения волн от первой границы раздела сред «воздух-диэлектрическое покрытие» и второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие-металлическая основа». При этом согласно условию Брэгга-Вульфа (см. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1988, стр.231) максимумы интенсивности отраженных в данном случае волн от указанных выше двух границ раздела сред возникают только в тех направлениях, в которых отраженные от этих границ волны имеют одинаковые фазы. Это возможно, если разность хода между отраженными от двух границ раздела сред волнами, равная 2dsinQ, кратна целому числу длины волны А, т.е. когда справедливо соотношение

где d - расстояние между границами раздела двух сред, Q - угол падения (скольжения) зондирующей волны, n - целое положительное число.

Вышеприведенное рассуждение дает возможность использовать условие Брэгга-Вульфа для определения толщины диэлектрического покрытия при его зондировании электромагнитными колебаниями. В соответствии с этим в рассматриваемом случае с определенной точностью можно принимать расстояние d за толщину диэлектрического покрытия. Тогда решение уравнения (1) по d позволит вычислить толщину d по выражению, соответствующему максимуму интенсивности отраженных от двух границ раздела сред волн:

Из полученного выражения видно, что при известных значениях n, λ и Q можно определить толщину диэлектрического покрытия.

Из анализа соотношения (1) вытекает, что изменение d (толщины диэлектрического покрытия) нарушает справедливость этого соотношения, т.е. обуславливает уменьшение интенсивности отраженных волн. Поэтому необходимо следить за максимумом интенсивности при изменении толщины диэлектрического покрытия.

В рассматриваемом случае наиболее эффективным по обеспечению максимума интенсивности отраженных волн при изменении толщины d может оказаться параметр Q.

Проиллюстрируем поведение d на числовом примере, например, при двух значениях угла Q=10° и Q=80° (значения острого угла). Пусть λ=8 мм и n=1. Тогда при Q=10° d=23 мм, а при Q=80° d=4 мм. Отсюда следует, что увеличение толщины диэлектрического покрытия сопряжено с уменьшением острого угла и наоборот. Следовательно, при изменении толщины d варьированием острого угла падения зондирующей волны и угла приема отраженных волн можно обеспечить слежение за максимумом интенсивности отраженных волн. Таким образом, при достижении максимума интенсивности отраженных волн по формуле (2) можно определить толщину данного покрытия.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Электромагнитные волны с выхода микроволнового генератора электромагнитных колебаний 1 поступают в передающую рупорную антенну 2 с возможностью изменения угла падения зондирующей волны. После этого электромагнитные волны под острым углом направляются в сторону диэлектрического покрытия 3, нанесенного на металлическую основу 7. Отраженные волны от первой границы раздела сред «воздух-диэлектрическое покрытие» и второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие-металлическая основа» улавливаются приемной рупорной антенной 4 с возможностью изменения угла приема волн. Далее результирующий сигнал отраженных от двух границ раздела сред волн с приемной антенны поступает на вход амплитудного детектора 5. Здесь возникает продетектированный сигнал в зависимости от фазовых соотношений указанных выше отраженных волн. При совпадении фаз отраженных от двух границ раздела сред волн на выходе амплитудного детектора формируется максимум интенсивности этих отраженных волн, который после отображения в индикаторе 6 используется для вычисления толщины диэлектрического покрытия.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе фиксирования и оценки максимума интенсивности отраженных волн от двух границ раздела сред можно обеспечить упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.

Способ определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу, при котором зондируют диэлектрическое покрытие электромагнитными волнами и принимают отраженные от границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» волны, отличающийся тем, что зондирование контролируемого покрытия осуществляют под острым углом к нему, дополнительно принимают отраженные от границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - металлическая основа» волны, фиксируют максимум интенсивности отраженных от указанных границ раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и «диэлектрическое покрытие - металлическая основа» волн путем варьирования острого угла падения зондирующей волны и угла приема отраженных волн и в момент достижения этого максимума интенсивности толщину диэлектрического покрытия d определяют по формуле

где n - целое положительное число, λ - длина зондирующей волны, Q - угол падения зондирующей волны.