2. Методы технологического контроля в процессе производства изделий

Для проведения технологического контроля используются неразрушающие методы контроля. Так как объект контроля – ПКМ представляют собой диэлек­трики, то необходимо использовать методы, наилучшим образом контролирую­щие данные материалы. С учётом того, что мы имеем относительно непрерыв­ные процессы, как во времени, так и в пространстве необходимо применять для ТК (по возможности) бесконтактные методы контроля.

2.1. Краткая характеристика методов контроля

Наибольшее употребление находят методы: радиоволновой (СВЧ), оптиче­ский, диэлькометрический и ультразвуковой. Рассмотрим кратко указанные методы контроля.

Для осуществления ультразвуко­вого метода требуется обеспечение надёж­ного контакта преобразователей (дат­чиков) с контролируемой средой. Варианты метода с бесконтактным вводом и приёмом упругих ультразвуковых колебаний, которые могут быть использованы в ТК, имеют меньшую чувствительность.

Радиоволновые и оптические методы относятся к методам, в которых ис­пользуются излучения, создаваемые электромагнитными колебаниями соответ­ствующего диапазона частот. Для ввода излучений в контролируемую среду (и соответствующего приёма) не требуется контакта датчиков с контролируемой поверхностью. При контроле этими методами используются такие характери­стики электромагнитных волн, как амплитуда, поляризация и фаза. Для оптиче­ского метода использование фазовых соотношений имеет ограничение, связан­ное с малой длиной волны (0,7 – 2 мкм). Рабочая длина волны для СВЧ метода 8 – 11 мм.

В диэлькометрическом методе измерительным параметром большей частью являются диэлектрическая проницаемость и тангенс диэлектрических потерь. Частотный диапазон метода перекрывает частоты от десятков килогерц до СВЧ. Для каждого диапазона своё методическое и конструктивное воплощение изме­рений.

2.2. Методы контроля радиоволнового вида

Наибольшее употребление в ТК ПКМ имеют методы указанного вида, т. к. они обладают высокой чувствительностью, бесконтактным вводом и приёмом СВЧ-излучения, возможностью контроля значительных толщин контролируе­мого материала. СВЧ-методы основаны на взаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн 1 – 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала и передачи его на регист­рирующий прибор или средство обработки информации.

2.2.1. Классификация методов

СВЧ-методы подразделяются на: волноводные, резонатор­ные и свободного пространства. В первых двух объект контроля (в виде образца определённой геометрии) помещается в волновод или резонатор. В волноводном методе ис­пользуются прямоугольные (или круглые) волноводы, рабочая длина волны 0,5 – 10 см. В резонаторных методах используются объёмные резонаторы и измери­тельные конденсаторы, работают они в сантиметровом и метровом диапазоне длин волн. В ТК они используются как образцовые при контроле проб материа­лов.

2.2.2. Методы свободного пространства

Методы свободного пространства целиком заимствованы из оптики и но­сящие, в силу этого, название оптических. Идея оптических методов проста и состоит в наблюдении проходящих или отражённых от диэлектрической среды электромагнитных волн, собранных в узкие пучки с помощью подходящих направляющих устройств.

Техническое воплощение этих методов наталкивается, однако, на целый ряд трудностей, связанных с тем, что длина волны используемых электромагнитных волн (особенно в длинноволновой области миллиметрового диапазона) оказыва­ется сравнимой с размерами применяемой аппаратуры и объектов контроля. Это обстоятельство приводит к появлению различного рода дифракционных явле­ний, мешающих проведению контроля.

Необходимым условием применения данных методов является соблюдение следующих требований:

1. Отношение наименьшего размера контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенн должно быть не меньше 1;

2. Наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в 3 раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мого объекта.

Данные методы подразделяются на методы: «режим на прохождение» (РНП) и «режим на отражение» (РНО). По информативному первичному пара­метру различают сле­дующие методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, поляризацион­ный, геометрический и т. д.

В таблице 1 приведены наиболее употребительные методы свободного про­странства; области их применения; факторы, ограничивающие область приме­нения; контролируемые параметры; чувствительность и погрешность.

Таблица 1.

Название метода	Область применения	Факторы, ограни- чи­вающие область применения	Контролируемые параметры	Чувствительность	Погрешность
Амплитуд- ный	Толщинометрия полуфабрикатов, изделий из радиопро­зрачных мате­риалов.	Сложная конфигура­ция. Изменение зазора между антенной преобразователя и поверхностью объекта контроля.	Толщина до 100 мм	1-3 мм	5%
	Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий из радиопро­зрачных мате­риалов.		Дефекты: тре­щины, расслоения, включения, недопрессовки.	Трещины более 0,1х 1х1 мм	-
Фазовый	Толщинометрия листовых материалов и полуфабрикатов, слоистых из­делий и конструкций из диэлектрика.	Волнистость профиля или поверхности объекта контроля при шаге менее 10 λ. Отстройка от влияния амплитуды сигнала.	Толщина до	5х 10-3 мм	1%
	Контроль “электрической” (фазовой) толщины.		Толщина	0,10	10
Амплиту- дно-фазов- ый	Толщинометрия материалов, полуфабри­катов, изделий и конструкций из диэлектриков, контроль изменений то- лщины.	Неоднозначность отсчёта при измене­ниях толщины более . Изменение диэлектрических свойств материала объектов контроля величи- ной более 2%. Толщина более 50 мм.	Толщина 0-50 мм	0,05 мм	0,1мм
	Дефектоскопия слоистых материалов и изделий из диэлек­трика и полупровод­ника толщиной до 50 мм.	Изменение зазора между антенной преобразователя и поверхностью объекта контроля.	Расслоения, включения, трещины, измене­ния плотности, неравномерное распределение составных компо­нентов.	Включения порядка .Трещины с раскрывом порядка 0,05 мм. Разноплотность порядка 0,05 г/см3.	_
Геометри- ческий	Толщинометрия изделий и конструк­ций из диэлектриков: контроль абсолютных значений толщины, остаточной толщины.	Сложная конфигурация объектов кон­троля, непараллельность поверхностей. Толщина более 500 мм.	Толщина 0-500 мм	1,0 мм	3 - 5%
	Дефектоскопия полуфабрикатов и из­делий: контроль раковин, расслое­ний, инородных включений в изде­лиях из диэлектриче­ских материалов.	Сложная конфигурация объектов контроля.	Определение глубины залегания дефектов в пределах до 500 мм	1,0 мм	3 - 5%

Рассмотрим амплитудный метод контроля для РНП И РНО. Для РНП метод заключается в определении внутреннего состояния объекта контроля по воздействию среды на электромагнитную волну, проходящею через неё. Основой метода является наличие двух антенн (излучающей и приёмной), находящихся по разные стороны объекта контроля, и, как правило, соосных. Принципиальная схема метода приведена на рис. 3.

l₁ E₁ r₁, g₁

.

EE

l₂ r₂ , g₂

E₃

Рис. 3. Схема амплитудного метода в РНП.

На рисунке 3 приняты следующие обозначения: l₁ – расстояние от края излучающего рупора до первой поверхности, l₂ – расстояние от второй поверхности до края приёмного рупора, r_1,2 – коэффициенты отражения от первой и второй границ, g_1,2 – коэффициенты прозрачности первой и второй границ, E₁ – излучённая волна , E₂ – волна внутри объекта контроля, E₃ – принимаемая волна.

Изменяя расстояния l₁, l₂, для данной толщины объекта контроля, добиваются максимального (минимального) значения сигнала на качественном участке контролируемого объекта. Изменение расстояний позволяет настраивать прибор на максимальную чувствительность.

Для РНО метод заключается в определении внутреннего состояния объекта контроля по воздействию среды на электромагнитную волну, отражённую от дефекта (аномалии) или поверхности объекта контроля. Основой метода является наличие двух антенн (излучающей и приёмной) или одной совмещенной (приёмно-излучающей), находящихся (находящейся) по одну сторону объекта контроля.

l₁ E₁ E₂ r_1, g₁

. E₃

E₄

r₂, g₂

Рис. 4. Схема амплитудного метода в РНО.

На рисунке 4 приняты следующие обозначения: l₁ – расстояние от края излучающего рупора до первой поверхности; r_1,2 – коэффициенты отражения от первой и второй границ; g_1,2 – коэффициенты прозрачности первой и второй границ; E₁ – сигнал связи приёмной и излучающей антенн; E₂ – волна, отражённый от первой границы, E₃ – волна, отражённая от второй границы; E₄ - волна, отражённая от дефекта. Изменение расстояния l₁ , как и в приведённом выше рассмотрении приводит к аналогичному эффекту.

Существует две разновидности приборов, работающих в РНО: одно-антенный и двух антенный (рис. 4). Основной особенностью приборов является существование конструктивной связи между излучающим и приёмным трактами. В одно-антенном варианте связь существует за счёт попадания части мощности генератора в детекторную секцию по внутренним волноводным трактам. В двух антенном варианте связь наблюдается за счёт попадания части излучённой мощности из излучающей антенны в приёмную антенну, величина которой (E₁) зависит от конструктивного исполнения антенн.

Для различных задач эта связь может быть полезной или мешающей. При использовании её, конструктивная связь рассматривается как опорный сигнал, с которым суммируется отражённый сигнал. Такой подход позволяет увеличивать чувствительность прибора.

В случае, когда необходимо регистрировать сигнал от дефекта (аномального участка) другие компоненты общего сигнала (в первую очередь от рассматриваемой связи – E₁ и E₂) должны быть исключены. Тогда выявляемость дефекта зависит только от чувствительности приёмника и на показание прибора не влияет изменение расстояния l₁ от образца до антенны, которое может приводить к изменению E₂.

В таблице 2 приведены варианты схем расположения антенн по отношению к объекту контроля.

Таблица 2.

Схема расположения антенн	Возможные методы контроля	Режим контроля
	Амплитудный, поляризационный.	РНП
	Фазовый и амплитудно-фазовый.	РНП
	Амплитудный, поляризационный, амплитудно-фазовый.	РНО
	Амплитудный и фазовый.	РНО
	Амплитудно-фазовый.	РНО
	Геометрический, амплитудный, поляризационный.	РНО

В таблице приняты обозначения СВЧ-элементов: 1 – излуча­тель, 2 – объект контроля, 3 – приёмник, 4 – направленный ответвитель, 5 – согласованная нагрузка.

Рассмотрим одну из распространённых схем прибора, работающего в РНП амплитудным методом (рис. 5).

Рис. 5. Схема СВЧ-прибора амплитудного метода в РНП.

1 – блок питания генератора; 2 – СВЧ – генератор; 3 – направленный ответвитель; 4 – аттенюатор; 5 – излучающая антенна; 6 – приёмная антенна; 7^I, 7^II – детектор; 8^I, 8^II – усилитель; 9^I,9^II – прибор измерительный; 10 – блок регистрации; 11 – объект контроля.

Прибор работает следующим образом. Электромагнитная волна от генератора 2 распространяется по основному волноводу направленного ответвителя 3, проходит аттенюатор 4, достигает излучающей антенны 5, излучается в свободное пространство, достигает объекта контроля 11. Прошедшая через контролируемый объект волна воспринимается приёмной антенной 6, детектируется детектором 7^I и после усилителя 8^I поступает на измерительный прибор 9^I и блок регистрации 10.

Цепочка детектор 7^II, усилитель 8^II, измерительный прибор 9^II предназначена для контроля над возможным изменением мощности генератора. Связь цепочки с основным трактом осуществляется с помощью направленного ответвителя 3.

При перемещении контролируемого объекта относительно срезов антенн, интенсивность прошедшей волны будет меняться в зависимости от изменения свойств подводимых к антеннам участков объекта контроля. Наличие аномалий в объекте контроля приводит к изменению интенсивности прошедшей волны, которое будет регистрироваться измерительным прибором 9^I и отражаться в блоке регистрации 10.

Рассмотрим два варианта для РНО амплитудного метода: одно-антенный вариант (рис. 6, а) и двух антенный вариант (рис. 6, б).

а)

б)

Рис. 6. Схема СВЧ-прибора амплитудного метода в РНО, а – одно-антенный вариант, б – двух- антенный вариант.

1 – блок питания генератора; 2 – СВЧ – генератор; 3 – направленный ответвитель; 4 – аттенюатор; 5 – циркулятор для а (излучающая антенна для б); 6 – приёмно-излучающая антенна для а (приёмная антенна для б); 7^I, 7^II– детектор; 8^I, 8^II – усилитель; 9^I, 9^II – прибор измерительный; 10 – блок регистрации; 11 – объект контроля.

Наряду с амплитудным методом в ТК широко используется фазовый метод контроля. Рассмотрим кратко данный метод.

Фазовый метод основан на регистрации изменения фазы электромагнитной волны, прошедшей объект контроля или отражённой от него. Схема измерителя фазы (интерферометра) приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема СВЧ-измерителя фазы.

1 – блок питания генератора; 2 – СВЧ-генератор; 3 – волномер; 4, 11, 12 – вентиль; 5^I, 5^II – волноводный тройник; 6^I, 6^II – излучающая антенна; 7^I, 7^II – приёмная антенна; 8 – аттенюатор, 9 – «ручной» фазовращатель; 10 – электрически управляемый фазовращатель; 13 – детекторная секция; 14 – усилитель; 15 – блок управления фазовращателем; 16 – измерительный прибор; 17 – узел перемещения приёмной антенны; 18 – объект контроля.

Особенностью прибора является наличие двух плеч: опорного и измерительного, в который помещается объект контроля. Прибор настраивается следующим образом. На качественном участке объекта (или на эталонном образце) с помощью аттенюатора 8 и фазовращателя 9 добиваются нулевого показания на измерительном приборе 16.

После режима настройки прибор работает в автоматическом режиме. Осуществляется сканирование объекта контроля относительно антенн 6^I, 7^I и в случае отличия свойств подводимых к антеннам участков объекта контроля от нормы за счёт разбаланса измерительной схемы возникает сигнал в усилителе 14. Подводимое от усилителя напряжение создаёт в блоке управления фазавращателем 15 ток компенсации, изменяющий магнитное поле в фазовращателе, что приводит к сдвигу фазы электромагнитной волны в измерительном плече. В результате проведённой регулировки схема приводится в первоначальное (минимальное) состояние, величина фазового сдвига определяется по показанию измерительного прибора 16 в градусах. При необходимости по полученному значению сдвига фазы рассчитывается значение диэлектрической проницаемости. Значение длины волны в момент измерения, которое подставляется в расчётную формулу, определяется с помощью волномера 3.

Для «ручного» режимы работы прибора используется узел перемещения приёмной антенны опорного плеча, с помощью которого смещается приёмная антенна 7^II, что приводит, как и в автоматическом режиме, схему в первоначальное состояние. Перемещение антенны численно характеризует сдвиг фазы в миллиметрах.

Рассмотренный фазометр может быть реализован как для работы в РНП, так и в РНО. Для последнего случая в измерительном плече реализуется конструкция антенн аналогичная, приведённой на рис. 6, б.

Рассмотрим кратко поляризационный метод СВЧ-контроля. Данный метод основан на взаимодействии поляризованной электромагнитной волны излучающей антенны с объектом контроля, в результате которого может изменяться интенсивность в приёмной антенне, которая будет зависеть от свойств контролируемого участка объекта.

Принципиальным положением метода является такое начальное взаимное расположение плоскостей поляризации (направление вектора Е) антенн, при котором сигнал в приёмной антенне отсутствует. Только при наличии дефекта или структурной неоднородности в объекте контроля, меняющих направление плоскости поляризации, в приёмной антенне появляется сигнал. Схемы прибора аналогичны для РНП рис. 5, а для РНО рис. 6, б. Только плоскости поляризации антенн устанавливаются взаимно-перпедикулярно, как показано на рис. 8, а. На рис. 8, б показано также положение вектора Е (плоскости поляризации) в антенне – прямоугольном полом металлическом волноводе.

а) Е_из б)

Е_пр Е

Рис. 8. Принципы поляризационного СВЧ-метода, а – положение плоскостей поляризации антенн, б – положение плоскости поляризации в антенне (прямоугольном волноводе).