Микроволновой метод и устройство для контроля толщины магнитодиэлектрических покрытий

Актуальность темы

В современном мире технический прогресс в различных отраслях промышленности определяется совершенствованием известных и созданием новых технологий. Особое внимание уделяется исследованиям и разработкам методов и средств получения информации о параметрах технологических процессов и показателях качества веществ, материалов и изделий. Для качественного управления новыми технологическими процессами требуется получение значительного количестваизмерительной информации, а к средствамконтроля предъявляются все более высокие требования по быстродействию и точности.

Производство композиционных материалов и контроль, качества готовой продукции требует измерения толщины слоя гетерогенных дисперсных сред, таких, как ферромагнитные жидкости: (ФМЖ), применяемые в технологиях лакокрасочных покрытий, а также в производстве радиозащитных материалов (РЗМ).

Контроль: качества продукции заключается в проверке соответствия ее качества установленным требованиямВажными критериями качества покрытий на металле являются геометрические показатели, а также технологические признаки качества, например, отсутствие недопустимых дефектов типа нарушения сплошности.

В производстве широко применяют неразрушающий контроль, позволяющий проверить. качество продукции без нарушения ее годности к использованию not назначению. При этом особая роль в повышении эффективности производства и улучшения* качества продукции отводится автоматическим средствам измерения^.

Актуальной и требующей скорейшего разрешения, является проблема контроля толщины покрытий в процессе их нанесения и финишного контроля результатов этого процесса. Причем большое внимание придается скорости сканирования относительно больших по площади поверхностей, с высокой разрешающей способностью локальных измерений.

Широкий спектр материалов и покрытий приводит к необходимости применения специализированных приборов и г сложных методик контроля толщины их слоя. Многие из известных методов измерения толщины магнитодиэлектрических покрытий чувствительны к изменению ряда неконтролируемых параметров, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемостикоторые могут изменяться в процессе сушки и затвердевания слоя:

Все приведенное выше определяет актуальность проведения исследований и разработок методов и устройств измерения толщины слоя магнитодиэлектрических покрытий, а также обоснование их технической! реализуемости.

Цель работы., Разработать бесконтактный метод измерения толщины слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле в процессе их нанесения: и финишного контроля результата, с учетом влияния неконтролируемых параметров: диэлектрической и магнитной относительной проницаемостей.

Методы исследования основаны, на применении теории электродинамики, математическом моделировании и метрологии.

В первой главе «Литературный обзор и постановка задачи исследования» произведен сравнительный анализ существующих методов и устройств контроля толщины покрытий. Приведены достоинства и недостатки электрических и магнитных методов.

Рассмотрены конструкции вихретоковых и емкостных датчиков. Произведен сравнительный анализ средств толщинометрии покрытий. На основе проведенного анализа были установленыосновные недостатки, сужающие возможность их применения. Сюда, в первую очередь, следует отнести: малое быстродействие сканирования больших поверхностей, нелокальность измерений, влияние неконтролируемых параметров, высокую чувствительность к переменной величине зазора между полеобразующими поверхностями проводящих элементов и контролируемым слоем.

В главе дана классификация радиоволновых СВЧ' методов и средств контроля параметров покрытий.

Обоснована необходимость разработки нового бесконтактного СВЧ метода контроля толщины слоя магнитодиэлектрических покрытий на металле, с учетом влияния неконтролируемых параметров: относительной) диэлектрической? и относительной магнитной. проницаемостиконтролируемого слоя.

Во второй главе «Математическое описание взаимодействия поверхностных волн с: магнитодиэлектрическим слоем на металлической поверхности» дано математическое описание процесса взаимодействия электромагнитного поля с магнитодиэлектрическим покрытием на металле, и предложен метод быстродействующего определения свойств таких покрытий.

Решена краевая задача распространения медленной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник».

Возбуждаемое электромагнитное поле, описываемое уравнениями Максвелла в слое диэлектрика и в окружающем пространстве, удовлетворяет условиям излучения, а также граничным условиям на металлической поверхности и на поверхности раздела диэлектриков.

Теоретические зависимости получены, для бесконечных синфазных источников поверхностных волн. Условием пренебрежения влияния конечных размеров реальных несинфазных излучателей нахарактер распространения поляявляется измерение напряженности поля в дальней? зоне по максимуму диаграммы направленности (ДН).

Предложен бесконтактный СВЧ метод измерения толщины слоя Ь, с учетом влияния неконтролируемых параметров: относительных диэлектрической 8 и магнитной ц проницаемостей. Метод основан на эффекте взаимодействия электромагнитного поля поверхностной волны, со слоем «диэлектрик-металлическая поверхность» при ее распространениивдоль этого слоя.

В случае отсутствия существенного градиента неоднородностей электрофизических параметров исследуемого слоя, величина нормального коэффициента затухания напряженности поля сиу не является функцией координаты у. Благодаря этому процесс измерения инвариантен положению датчика по оси у, что является большим преимуществом.

В главе произведено упрощение модели и дана оценкапогрешности такого упрощения.

В третьей главе «Разработка устройств для реализации метода» произведен • анализ существующих внутренних и внешних апертур с целью выбора варианта апертуры применительно к поставленной задаче.

Проведенный анализ показал, что не существует ярко выраженного оптимального положения > ДН внешнего излучателя, так как доля энергии отраженной или преломленной прямой волны существенно снижает точность измерения.

Была поставлена задача проектирования формы апертуры излучающей системы, обеспечивающей максимум энергииволны в магнитодиэлектрическом слое на металле. Для этого необходимо обеспечить такую диаграмму направленности излучателя по углу места, чтобы с одной стороны наблюдалось полное внутреннее отражение в слое, а с другой — не было отраженной прямой волны от поверхностного слоя.

В качестве внутреннего излучателя? была разработана электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная апертура, обладающая большей мощностью излученияпо сравнению с, обычнойсинфазной круговой апертурой. При этом: подстилающая металлическая подложка входит излучающую систему. Показаны преимущества апертуры применительно к решаемой задаче, по сравнению с узконаправленными излучателями. Это, в первую очередь, непрерывная по азимуту всенаправленность, отсутствие необходимости вращения и достаточно простая конструкция.

Для разработаннойапертуры предложен ряд усовершенствований с целью повышения их эффективности. Это, в частности, отсекатель прямой волны в дальней зоне, и корпус из поглощающего покрытия, уменьшающий паразитные излучения токов.

Показано соответствие санитарным нормам при работе с источниками электромагнитного излучения СВЧ диапазона.

Поставлена и решена задача конструирования специального электромагнитного экрана — отсекателя прямой волны, помещенного в раскрыве апертуры, с целью уменьшения мощности паразитного излучения.

В четвертой главе «Экспериментальная оценка метода и его метрологический анализ» произведена экспериментальная оценка метода и его метрологический анализ.

Экспериментально подтверждена адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому физическому процессу.

В приложениях приведены: фотографииэкспериментальной установкирезультаты и анализ экспериментальных исследованийматериалы сопутствующие основной теме работыдокументы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

Научная новизна. Разработан СВЧ метод измерения толщины слоя Ъ магнитодиэлектрических покрытий на металле, с учетом влияния неконтролируемых параметров: относительной диэлектрической е и относительной магнитной проницаемости |1. Метод основан на эффекте взаимодействия электромагнитного поля со слоем магнитодиэлектрического покрытия на металле и обладает высоким быстродействием, точностью и локальностью измерения. Метод не чувствителен к величине зазора между датчиком и контролируемым слоем.

Практическая ценность. Используя предложенный метод, разработано устройство бесконтактного быстродействующего измерения толщины слоя b магнитодиэлектрических покрытий на металле.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы апробированы и рекомендованы к внедрению в практику аналитического контроля в ОАО «Котовский лакокрасочныйзавод» (Тамбовская обл. г. Котовск) и в учебномпроцессе Тамбовского военного авиационного нженерного института (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные научные И: практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на- 7-й Всероссийской научно-технической конференции. «Состояние и проблемы измерений» МЕТУ им. Баумана (Москва, 1999) — 5-й Научно-методической конференции ТГТУ (Тамбов, 2000), 14-й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Смоленск, 2001), II Международной научной конференции «Измерения, контроль, информатизация"^ Алтайский ГТУ (Барнаул, 2001), Четвертой международнойтеплофизической школы «Теплофизические измерения в начале XXI века» ТГТУ (Тамбов, 2001), 15-й Международной научнойконференции «Математические методы* в технике и технологиях» ТГТУ (Тамбов, 2002).

Публикации. По теме диссертацииопубликовано 14 работ, в том числе получен один патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, спискалитературы и 11 приложений, работа изложена на 160 страницах, содержит 79 рисунков, 3 таблицы и? 62 наименования библиографического указателя.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1 Решена краевая задача распространения медленной поверхностной волны над неограниченной системой «магнитодиэлектрик-проводник» и произведена адаптация результатов расчетов к ограниченной системе.

2 Предложен СВЧ метод измерения толщины слоя магнитодиэлек-трического покрытия с учетом влияния неконтролируемых параметров: диэлектрической и магнитной относительной проницаемостей, в основе которого лежит явление взаимодействия медленной поверхностной волны со слоем магнитодиэлектрика на металлической поверхности. Метод обладает высоким быстродействием, локальностью измерения и отсутствием необходимости отстройки величины зазора между датчиком и исследуемой поверхностью.

3 Разработаны излучающие устройства, реализующие предложенный методв частности внутренняя электронно-управляемая по максимуму ДН секториальная апертура, обладающая большей мощностью излучения посравнениюс обычной синфазной круговой апертурой. Для разработанных апертур предложен ряд усовершенствований с целью повышения их эффективности.

4 Техническим результатом работы является повышение точности определения толщины покрытия, а также расширение функциональных возможностей (дополнительное определение относительной диэлектрической проницаемости и относительной магнитной проницаемости слоя).

5 Разработана измерительная система, реализующая предложенный метод, и экспериментально подтверждена адекватность расчетных математических зависимостей исследуемому физическому процессу. Погрешность измерения толщины не превышает 5%.

6 Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания и рекомендованы к внедрению для служб аналитического контроля.