Электронные приборы СВЧ. Учебное пособие

Возможны схемы с зондированием листа полями и волнами колебательных и направляющих систем различных типов и конфигураций, содержащих излучающие элементы. Такие системы могут быть независимыми, расположенными с обеих сто-

рон листа, или представлять единую конструкцию с излучающими элементами, рас-

положенными с обеих сторон листа (рисунки 5.1, 5.2).

Рассмотрим вопросы построения толщиномеров на основе данных методов.

На рисунке 5.6 представлена схема измерителя толщины с двумя независимы-

ми объемными резонаторами с открытыми в направлении на металлический лист торцами, расположенными с разных сторон листа.

Рисунок 5.6 – Схема измерителя толщины с двумя независимыми резонаторами

Схема содержит два генератора 3 и 4, возбуждающих в резонаторах 1 и 2 ча-

стотно-модулированные колебания, регистрируемые измерителями 5 и 6. Величины

найденных резонансных частот f1 и f2 , зависящих от расстояний x1 и x2 между от-

крытыми торцами резонаторов и соответствующими сторонами листа 7, попадают на регистратор 8, вычисляющий толщину d листа по формуле

где D – заданное расстояние от открытого торца одного резонатора до открытого торца второго резонатора.

73

Резонансные частоты цилиндрических полуоткрытых резонаторов могут быть найдены по формулам для расчета собственных частот закрытых (без зазора) резо-

наторов:

где c – скорость света в вакууме;

– диэлектрическая проницаемость вещества полого резонатора и пространства между торцом резонатора и металлическим листом;

p 1,2, ;

R – радиус цилиндрического резонатора;

l– длина цилиндрического резонатора;

01 3,832 – первый корень характеристического уравнения для производной

функции Бесселя нулевого порядка.

Чувствительность резонатора к размеру зазора x имеет вид

Эксперименты показывают, что в определенном диапазоне изменения длины

(l x) (или зазора x ) чувствительность можно считать постоянной величиной.

Генерирование излучений в резонаторах и определение их собственных частот обычно реализуют известными способами на базе разных, например, автогенератор-

ных, схем.

74

Типичный толщиномер при возбуждении в цилиндрических резонаторах диа-

метром 44 мм и длиной 100 мм колебаний в частотном диапазоне от 9,2 до 9,4 ГГц

имеет следующие характеристики: диапазон измерения толщины от 1 до 10 мм, раз-

решающая способность 0,01 мм, погрешность ±0,02 мм, постоянная времени 20 мс,

выходной сигнал – цифровой или аналоговый.

Толщину металлического листа можно определять путем сравнения амплиту-

ды или фазы независимых волн (рисунок 5.3). Излучающие антенны могут быть значительно удалены от поверхностей листа. На рисунке 5.7 приведена схема изме-

рительной установки, в которой сравниваются амплитуды отраженных волн.

1, 9 – усилители; 2, 8 – детекторы; 3, 7 – циркуляторы; 4, 6 – приемо-передающие антенны; 5 – лист; 10 – генератор; 12 – сумматор; 13 – усилитель; 14 – регистратор Рисунок 5.7 – Схема измерительной установки со сравнением отраженных волн

Каждая антенна конструктивно реализована таким образом, что перемещение листа вызывает линейное изменение амплитуды отраженного сигнала. С выходов усилителей 1, 9 сигналы попадают на сумматор 12, сигнал на выходе которого про-

порционален сумме расстояний от антенн до соответствующих поверхностей листа.

75

Далее этот сигнал и продетектированный опорный сигнал с генератора 10 подаются на дифференциальный усилитель 13. В результате на регистратор 14 приходит сиг-

нал, пропорциональный толщине листа.

Установлено, что перемещение листа между антеннами в пределах 1,5 мм не вносит погрешности в измерения, в то время как изменение толщины двухмилли-

метрового листа на 0,025 мм приводит к значительному изменению выходного сиг-

нала. Измерения проводились на образце в виде металлической ленты, движущейся со скоростью 0,5 м/с. Минимальное определяемое изменение толщины составило около 0,5 %. Устройство такого типа, работающее с частотой 10 ГГц, обеспечивает определение толщины металлического листа с погрешностью не более ±0,05 мм.

5.3 Измерение диаметра протяженных изделий

Измерение диаметра металлических и диэлектрических стержней и нитей ча-

ще всего проводят с помощью СВЧ датчиков резонаторного типа [7].

Наиболее известный резонаторный метод определения диаметра состоит в пропускании проверяемого изделия сквозь отверстие в полости объемного резона-

тора и измерении его резонансной (собственной) частоты [2].

На рисунке 5.8 изображен вариант использования полого цилиндрического СВЧ резонатора для непрерывного измерения диаметра тонкого металлического провода в процессе его изготовления.

Рисунок 5.8 – Использование полого цилиндрического резонатора для определения диаметра тонких проводников

76

В резонаторе возбуждают колебания типа E010 , которому соответствует рас-

положение силовых линий поля параллельно оси резонатора, то есть вдоль контро-

лируемого провода, служащего короткозамыкателем торцов резонатора. При изме-

где f0 – собственная частота полого резонатора;

D – диаметр полости.

По разности ( f f0 ) судят о диаметре d .

Погрешность измерения этим методом обычно не превышает 2 % при малых значениях d (около 20 мкм) и снижается до 0,6 % при значениях d 2мм и более

[3].

Для бесконтактного непрерывного измерения диаметра провода в резонаторе можно возбудить колебания типа E110 , при которых провод будет находиться в мак-

симуме магнитного поля, причем силовые линии этого поля будут перпендикулярны

проводу. Зависимость f (d ) в этом случае имеет вид

Достигаемая точность измерения также достаточно высока.

Такой же подход может быть применен для определения с погрешностью

±10 мкм толщины диэлектрического покрытия на металлическом проводе (а также и на диэлектрической нити) известного диаметра. При неизвестном диаметре провода или при необходимости по технологическим условиям получать информацию как о

77

его значении, так и о значении толщины изолирующего слоя на проводе, измери-

тельная схема может содержать два последовательно расположенных резонатора,

через отверстия в торцах которых пропускается контролируемый провод (рисунок

5.9).

1 – провод; 2, 5 – резонаторы; 3 – экструдер; 4 – изолирующий слой Рисунок 5.9 – Схема устройства для измерения толщины изоляции на проводе

Первый резонатор 2, расположенный до устройства нанесения изолирующего слоя (экструдера) на провод 1, позволяет определить диаметр провода. Собственная частота второго резонатора 5, находящегося после экструдера 3, зависит от диамет-

ра как провода, так и изолирующего слоя 4 на нем. В электронном блоке прибора после несложных преобразований определяется диаметр провода и толщина изоли-

рующего слоя на нем.

Прибор на основе резонаторного метода был успешно применен в производ-

ственных условиях для непрерывного измерения диаметра луженого медного про-

вода в процессе его изготовления.

Непрерывный технологический контроль диаметра провода позволяет вовремя определить нарушения в работе установок для волочения проволоки, выбрать необ-

ходимую скорость движения провода, управлять работой механизма намотки про-

вода на барабан, фиксировать вибрации волочильной установки и так далее. Датчик диаметра можно также использовать для контроля лужения и травления проводов,

измерения толщины изолирующих слоев на проводах и кабелях при их производ-

стве.

78

Один из возможных вариантов бесконтактного определения диаметра нити из диэлектрического материала резонаторным методом представлен на рисунке 5.10.

1 – диод Ганна; 2 – дроссель; 3 – вывод питания; 4 – нить; 5 – полость резонатора Рисунок 5.10 – Контроль диаметра диэлектрической нити

Чувствительный элемент реализован в виде резонаторной полости генератора,

для генерации колебаний которого используется диод Ганна. Контролируемая нить

4 пропущена сквозь полость резонатора 5, являющуюся отрезком прямоугольного волновода. Наличие нити в резонаторной полости меняет рабочую частоту генера-

тора. Из полученной частоты вычитается частота такого же генератора, но без нити.

Результат вычитания, зависящий от диаметра нити, определяется с помощью часто-

томера.

Поскольку контролируемая нить, проходящая через резонаторную полость,

имеет малый диаметр d , то резонансная частота f резонатора изменяется незначи-

тельно и для нахождения аналитической зависимости f (d ) может быть применен

метод возмущений. Для резонатора с диэлектрической нитью, расположенной в максимуме электрического поля, имеем

79

где f0 – резонансная частота резонатора (частота генератора) в отсутствие нити;

– диэлектрическая проницаемость материала нити;

a – длина широкой стенки полости волноводного резонатора;

где c – скорость света;

fкр – критическая частота прямоугольного волновода, на котором построена по-

лость резонатора.

На рисунке 5.11 показана расчетная зависимость f для генератора на диоде Ганна с начальной (при d 0 ) собственной частотой f0 9,4ГГц [16].

Рисунок 5.11 – Расчетные зависимости для генератора на диоде Ганна

Для измерения диаметра нити с погрешностью не более 1 % необходимо из-

мерять рабочую частоту генератора с неопределенностью от 10-7 до 10-5. Изменения частоты генератора, зависящие от диаметра нити, измеряют, например, с помощью устройства, выполненного по балансной схеме. Два согласованных генератора на

80