Таблица 3.2

Полупроводниковые СВЧ-диоды часто выпускают парами с возможно более близкими параметрами, что позволяет получить наилучшие метрологические характеристики при установке в балансные или мостовые цепи. Для повышения чувствительности аппаратуры и согласования измерительной цепи с СВЧ-трактом диоды включают обычно к петле связи, установленной в подстраиваемом резонаторе. Полупроводниковые диоды по сравнению с другими первичными измерительными преобразователями СВЧ-энергии отличает высокое быстродействие, большая чувствительность и простота использования. Их недостаток — невысокие метрологические характеристики и плохая перегрузочная способность.

Терморезистор (1] — нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Терморезисторы выполняются из полупроводникового материала сложного состава с температурным коэффициентом до 6% на 1 К. Для работы в СВЧ-диапазоне применяют измерительные терморезисторы (термисторы), позволяющие проводить измерения мощности от долей микроватта до нескольких милливатт. Параметры некоторых измерительных терморезисторов даны в табл. 4.3. Свойства терморезистора описывают две характеристики: температурная R(T)— зависимость сопротивления от температуры и вольт-амперная U(I). Поскольку СВЧ-энергия в терморезисторе преобразуется в тепловую, терморезистор характеризуют температурным коэффициентом и постоянной времени, которая по сравнению с диодами оказывается большой, что и ограничивает их области применения.

Болометры — специально выполненные резисторы из проводникового или полупроводникового материала, предназначенные для обнаружения и измерения чрезвычайно малых потоков мощности. По сравнению с другими терморезисторами болометры отличает более высокая стабильность характеристик (металлические болометры), но вместе с тем — пониженные температурные коэффициенты. Их так же, как СВЧдиоды, изготавливают парами, причем располагают рядом и один из них экранируют от излучения. Болометры часто применяют с охлаждением до низких температур с целью увеличить их чувствительность и снизить погрешность измерений.

3.3.Геометрический метод радиоволнового контроля

Геометрический (лучевой) метод контроля основан на регистрации пространственного положения (смещения) максимума интенсивности радиоволнового пучка, прошедшего сквозь контролируемый объект или отраженного от его внутренней поверхности. С помощью геометрического метода производится контроль объектов или их частей в виде листа, пластины, стенки или слоев значительно больше . Смещение центрального луча, несущего максимум электромагнитной энергии прямо пропорционально толщине слоя, а величина электромагнитных параметров среды или слоев не влияет на положение максимума. Электромагнитные параметры объекта контроля и окру-

41

жающей среды влияют лишь на интенсивность сигналов, но не на относительное их распределение в пространстве. Это является

ценной особенностью геометрического метода, поскольку существенно уменьшает число мешающих контролю факторов. Угол падения целесообразно брать определенной величины, однако установить ее не всегда удается из-за особенностей внутреннего отражения. В реальных условиях радиоволнового контроля картина формирующегося СВЧ-поля получается гораздо сложнее, чем это следует из законов геометрической оптики, ввиду возможных отражений от различных неоднородностей в материале объекта контроля и его удаленных границ, не идеальности поверхностей раздела слоев контролируемого объекта и из-за отражений от посторонних предметов, попадающих в зону облучения СВЧ-колебаниями. Поверхности реальных объектов имеют значительные неровности, что ведет к отклонению и рассеянию пучка СВЧ-энергии. Практика радиоволнового контроля показывает, что неоднородности поверхности должны быть малы по сравнению с четвертью длины волны.

При радиоволновом контроле геометрическим методом определение положения максимума интенсивности СВЧ-излучения производится путем анализа распределения интенсивности излучения в пространстве. Наиболее надежным способом нахождения максимума является запись кривой распределения на бумагу, магнитофонную ленту или носитель информации аппаратуры с запоминающим устройством (например, на осциллоскоп с памятью или в ЭВМ), для чего необходим также механизм перемещения. При наличии острого максимума возможно использование и прямо показывающих приборов. В связи с этим по сравнению с другими методами контроля геометрический имеет большое время измерения, т. е. меньшую производительность, и его используют при больших значениях измеряемых толщин или сильных вариациях электромагнитных свойств, когда другие методы не позволяют производить контроль с требуемой достоверностью.

Примером аппаратурной реализации геометрического способа является толщиномер СТ-11Л, принцип действия которого поясняет функциональная схема (рис. 3.4).

На огнеупорную кладку КЛ печи в зоне, подвергаемой контролю, накладывается излучающий ИР и приемный ПР рупор с согласующими вставками CВ1 и СВ2. Излучающий рупор ИР получает СВЧ-энергию от клистронного генератора КГ через аттенюатор А и волноводную секцию BC1 и располагается на огнеупорной кладке КЛ неподвижно. Часть энергии из волновода BC1 с помощью петли связи П1 подводится к амплитудному детектору АД1, преобразующему СВЧ-сигнал с помощью диода в постоянный ток, который вызывает отклонение стрелки измерителя мощности ИМ (микроамперметра). С помощью прибора ИМ II аттенюатора А толщиномер в зависимости от величины СВЧ-сигналов перестраивают при контроле кладок КЛ из различных материалов.

Приемный рупор ПР может перемещаться вдоль кладки КЛ с помощью механизма перемещения МП, что необходимо для поиска максимальной напряженности электромагнитного поля, соответствующего приходу центрального луча, отраженного от границы огнеупорной кладки и горячей стекломассы ГМ. Положение приемного рупора ПР относительно излучающего рупора ИР может быть определено непосредственно или дистанционно по показанию указателя перемещения УП, выполненного на базе переменного резистора с выходом на стрелочный прибор, размещенный на передней панели толщиномера. Для снижения сигналов от прямого прохождения СВЧ-излучения, маскирующих имеющийся максимум, установлен электромагнитный экран ЭК. Энергия СВЧ-колебаний, принятая приемным рупором ПР, подводится через волноводную секцию ВСги с помощью петли Пг — в амплитудный детектор АДг, преобразующий СВЧ-ко-лебания в постоянное напряжение, величина которого зависит от их интенсивности. Настройка приемного тракта толщинометра для получения больших СВЧсигналов производится короткозамыкающим настроечным поршнем НП. Выпрямлен-

42

ный сигнал увеличивается усилителем У и поступает на регистрирующий прибор РП, показывающий величину пришедшего СВЧ-сигнала или записывающий ее на диаграммной ленте ДЛ, которая двигается синхронно с перемещением приемного рупора ПР. Основные блоки толщиномера заключены в охлаждаемый кожух КЖ, между стенками которого протекает охлаждающая вода ОХЛ.

Контроль с помощью толщиномера СТ-11Л производится следующим образом. После включения и настройки толщиномера в соответствии с материалом кладки рупоры ПР и ИР устанавливаются рядом, а затем ПР перемещается в направлении от ИР. При этом обычно записывается кривая на диаграммной ленте ДЛ. На полученной диаграмме выделяют наибольший максимум (максимумов может быть несколько за счет многолепестковой диаграммы направленности рупора и отражений от посторонних предметов или неоднородностей в кладке) и измеряют расстояние, которому соответствует приход наибольшего сигнала. Зная электромагнитные свойства материала кладки, по вспомогательным градуировочным кривым находят толщину стенки из огнеупорной кладки. Если необходимо контролировать кладку на большой площади, проводят несколько замеров, разбив всю площадь стенки на участки и определив необходимое число замеров в пределах участка, поскольку область, где происходит отражение центрального луча, несущего основную информацию о толщине, ограничена.

Рис. 3.4 Функциональная схема СВЧ-толщиномера типа СТ-11Л Если параметры контролируемого слоя неизвестны, применение геометрического

метода возможно двухпараметровым способом путем измерения смещения максимумов l1 и l2 при двух углах падения излучения 1 и 2. Воспользовавшись выражением дважды и совместно решив полученные уравнения (при неизвестном N), будем иметь выражение:

которое позволяет рассчитать толщину слоя покрытия.

Вариантом реализации геометрического метода является также устройство для контроля толщины горячих листов в процессе проката при двустороннем доступе. Для этого используют две излучающе-приемные антенны, расположенные по разные стороны относительно листа и фактически измеряющие расстояния до поверхностей листа. При фиксированном расстоянии между антеннами сумма зазоров будет непосредственно определять толщину листа. Такой контроль по сравнению с другими видами (вихретоковым, ультразвуковым, радиационным) имеет большие преимущества: бесконтактность, на результаты не влияют свойства металла, температура и скорость движения листа.

Погрешность измерений с помощью толщиномеров, реализующих геометрический метод, слагается из погрешности, которую создают электронные блоки толщиномера (около 5%), и от влияния мешающих факторов, связанных с контролируемым объектом и условиями контроля. Основными мешающими факторами являются: вариация электрических свойств материала кладки (влияет на смещение луча и величину отраженно-

43

го сигнала или воздушного промежутка), а также электрические и структурные свойства горячей массы (изменяет в основном отраженный сигнал), посторонние включения в материале кладки или на поверхности металла, неровность, непараллельность границ объекта контроля и неточность фиксации рупоров относительно него.

3.4.Радиоволновой контроль по прошедшему излучению

Приближенный анализ коэффициента передачи СВЧ-тракта «излучающее устройство — контролируемый объект — приемное устройство» показывает, что СВЧ-сигнал зависит от толщины слоев контролируемого объекта, диэлектрической и магнитной проницаемости и удельной электрической проводимости. Причем при малых (по сравнению с /4) толщинах и правильном выборе условий контроля эта зависимость носит монотонный характер. Ценной особенностью контроля по прошедшему излучению является слабая зависимость СВЧ-сигналов от смещений контролируемого объекта в направлении от излучающего к приемному устройству, если расстояние между ними фиксировано, а в тракте создан режим, близкий к режиму бегущей волны. Ослабление, вызванное контролируемым объектом типа листа толщиной b с параметрами и tg , может быть приближенно оценено:

из которого следует, что по прошедшему излучению можно измерять любой из трех параметров b, е или tg при известном .

Радиоволновой контроль по прошедшему излучению дает хорошие результаты также при обнаружении четко выраженных дефектов, т. е. в случае большого перепада электромагнитных свойств. Например, обнаружение металлических включений и пустот в диэлектрических материалах со значительной диэлектрическойпроницаемостью участки с большим значением диэлектрической или магнитной проницаемости при общем малом их значении и т, д. Значение толщины, когда возможен радиоволновой контроль по прошедшему излучению, зависит от затухания СВЧ, глубины проникновения колебаний и коэффициента отражения от границ, который в значительной степени определяется перепадом электромагнитных свойств на границах.

Рис. 3.4 Функциональная схема устройства для контроля листов Радиоволновой контроль по прошедшему излучению применим в тех случаях, ко-

гда возможен двусторонний доступ к внешним границам контролируемого объекта. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте обеспечивают режим бегущей волны и измеряют амплитуду полученного СВЧ-сигнала. Недостатком такого метода контроля является сильная зависимость сигнала от уровня излучения и малая чувствительность. Поэтому аппаратура с лучшими метрологическими характеристиками выполняется с использованием балансных или мостовых схем. Ниже изображены различные применяемые варианты построения аппаратуры радиоволнового контроля, работающей на прохождение, на базе типовых блоков.

Измеритель, функциональная схема которого показана на рис. 3.4, может быть использован для однопараметрового контроля толщины или свойств тонких листовых материалов. В этом измерителе за счет измерения величины, связанной с отношением мощности прошедшей и падающей волн, результат контроля не зависит от небольших

44

вариаций выходной мощности генератора. Его преобразовательная часть выполнена на базе двух открытых концов волноводов В1 и B2, защищенных четвертьволновыми кольцевыми прорезями КПХ и КП2, в промежутке между которыми помещается контролируемый объект КО. Показание логометра ЛГ-прибора, измеряющего отношение токов, пропорциональных прошедшему излучению и ответвленной направленным ответвителем НО, не зависит, от подаваемой от генератора Г через аттенюатор А мощности и определяется только свойствами контролируемого объекта, что особенно существенно при радиоволновом контроле объектов с различными отражательными характеристиками и при изменении выходной мощности СВЧ-генератора.

Измеритель, построенный в соответствии со схемой рис. 3.4, имеет невысокую чувствительность из-за плохого согласования волноводов Biи В2и усиления сигналов по постоянному току, ограниченного дрейфом. Кроме того, этот измеритель не позволяет производить раздельный контроль параметров контролируемого объекта.

Повышенную чувствительность имеет двухканальное устройство с усилением по переменному току, функциональная схема которого изображена на рис. 3.5, а на рис. 3.6 приведены временные зависимости, характеризующие его работу при контроле толщины листа. Источником СВЧ-колебаний в нем является генератор Г, питаемый от блока питания СБП и модулятора МД, который создает прямоугольное напряжение с частотой 1 кГц и подает его на лавинно-пролетный диод или на клистрон, в результате чего СВЧ-колебания также имеют огибающую в виде прямоугольного радиоимпульса.

Рис. 3.5. Функциональная схема двухканального устройства для контроля листа Радиоимпульсы через аттенюатор А, вентиль ВН и секцию контроля мощности КМ поступают к простому тройнику Т, разделяющему СВЧ-энергию на две равные части, направляемые в одинаковые излучающие рупоры РИХи РИ2. Часть СВЧ-энергии отражается от внешней поверхности контролируемого объекта КО и эталона ЭТ, но затухает в вентиле н аттенюаторе и почти не влияет на работу генератора Г. Если свойства объекта контроля и эталона одинаковы, то напряженность электрического поля в 1- и 2- каналах (объекта контроля и эталона) одинакова (рис. 3.6, а, кривые Е1 и Е2). Поэтому после выпрямления диодами Д] и Д2СВЧ-сигналы напряжения на резисторах Riи R2будут иметь вид одинаковых прямоугольных импульсов (рис. 3.6, а, кривые иа и иb). Получить максимальный сигнал позволяет настройка с помощью короткозамыкающих настроечных поршней HП1 и НП2. Учитывая разную полярность напряжений иа и иb. нетрудно видеть, что потенциал средней точки потенциометра при определенном положении его движка, достигаемый при настройке, будет равен нулю (uс=0). Вследствие этого напряжения на выходе усилителя У и фазового детектора ФД будут равны также

нулю (рис. 3.6, а) и не вызовут отклонения стрелочного прибора СП.

Предположим, контролируемый лист имеет толщину меньше номинального значения. В этом случае напряженность поля Е2 в приемном рупоре РП2 будет больше (рис. 3.6, б), чем при номинальном значении толщины листа (рис. 3.6, а), увеличится импульс напряжения (иь) на выходе детектора Д2, что приведет к появлению напряжения (ис) на движке потенциометра Rи соответственно на выходе усилителя У (иа) при увеличении толщины (см. рис. 3.6, в). В результате работы фазового детектора ФД с учетом фазы опорного напряжения, создаваемого модулятором М и совпадающего, например, с напряжением иа, на его выходе появится постоянное отрицательное выходное

45

напряжение (рис. 3.6, б), которое покажет стрелочный прибор СП.

Таким образом, двухканальное устройство, построенное в соответствии с функциональной схемой, изображенной на рис. 3.4, имеет повышенную чувствительность за счет сравнения сигналов эталонного и контролируемого объекта или за счет наличия усиления приращения сигналов огибающей СВЧ-колебаний по переменному току. Использование модуляции прямоугольными импульсами и применение фазового детектора ФД является типичным и дает возможность повысить чувствительность и определить знак приращения контролируемого параметра.

Рис. 3.6. Временные зависимости изменения электрических величин

вдвухканальном устройстве при различных толщинах:

а— номинальной, б — малой, в — большой

Устройство с двумя каналами (см. рис. 3.5) позволяет определить изменения толщины, магнитной и диэлектрической проницаемостей, удельной электрической проводимости, а также определять наличие неоднородностей в листе. Радиоволновой контроль с помощью этого устройства может производиться тремя различными способами: абсолютные измерения параметров контролируемого объекта, относительные измерения (контроль отклонения в поле допуска) путем сравнения с эталоном или образцовым объектом (этот режим был описан ранее) и путем самосравнения двух разных участков контролируемого объекта, что характеризует высокую универсальность этого устройства, а также обеспечивает высокую стабильность нуля и возможность реализации высокой чувствительности за счет усиления сигналов по переменному току. Однако такое устройство не дает возможности вести радиоволновой контроль с учетом фазы пришедших СВЧ-сигналов, что снижает его информационную способность. Такую обработку можно производить, если до выпрямления СВЧ-сигналов использовать тройник, где будет происходить их сложение с учетом фазы.

46