Научные основы радиоволновых методов и средств неразрушающего контроля низкоимпедансных композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАДИОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ДМИТРИЕНКО Герман Вячеславович

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Северо-западном государственном заочном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Балашов Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор Прокопенко Виктор Трофимович

доктор технических наук, профессор заслуженный деятель науки РФ Мишин Валерий Алексеевич

Ведущая организация: ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Защита состоится 15 декабря 2009 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета (Санкт-Петербург).

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.244.01 Ивановой И.В.

Автореферат разослан 12 ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодня активно разрабатываются и создаются различные виды неядерного электромагнитного оружия (ЭМО), основной целью которого является вывод из функционирования радиоэлектронных средств воздействием на радиотехническую аппаратуру мощными электромагнитными импульсами. С 1960х годов в США и СССР были приняты программы по обеспечению электромагнитной стойкости стратегических систем вооружений и военной техники: ракет, пусковых установок, самолетов РЛС и т.д. В 1980-1990 гг в США и СССР (России) начали проводиться исследования по созданию неядерного ЭМО высокой мощности и высокой направленности действия. Испытания такого ЭМО проводились в военных конфликтах в 1991г. в Ираке, в 1999г. в Югославии.

Для защиты от ЭМО в настоящее время происходит стремительное развитие технологий в области создания новых защитных радиопоглощающих материалов и покрытий для самолетной, космической и судостроительной промышленностей. Новые защитные радиопоглощающие материалы по своей основе композиционные материалы (КМ), которые имеют уникальные характеристики по отражению и поглощению электромагнитных волн. Как радиотехнические материалы они представляют интерес в качестве укрытий для защиты радиотехнической аппаратуры от радиоизлучения, и вызывает особенный интерес у разработчиков радиотехнической аппаратуры. Работы по КМ зарубежными фирмами ведутся с 60-х годов прошлого века. Интерес к радиопоглощающим материалам возрос в 70-е годы, когда администрация США объявила о программе разработки «невидимого» бомбардировщика (программа Stealth). В 80-е годы такие материалы уже используются в самолетах B-2 и F-117 и самолетах повышенной скрытности ATF ВВС США, ATA ВМС США, английском EFA, французском Rafale и пр. В настоящее время в данной области работают много отечественных и зарубежных фирм, но судить о результатах их работ довольно сложно, вследствии крайне малого количества публикуемых данных о новых радиопоглощающих материалах и особенно мало об их радиотехнических характеристиках и свойствах.

В последнее время (в 90 гг. прошлого века) появились принципиально новые виды радиопоглощающих материалов, такие как: проводящие полимеры, углеродные нанотрубки, наноструктурные КМ, позволяющие создавать тонкие легкие широкополосные радиопоглотители электромагнитных волн с коэффициентом отражения R?10 дБ в диапазоне частот от 2,6 до 38 ГГц, имеющие высокую проводимость в пределах 110³ (Омсм)^-1. В электродинамике такие материалы классифицируются как низкоимпедансные. Низкоимпедансные КМ (НКМ) по своим электрическим свойствам относятся к диэлектрическим материалам, которые характеризуются большими значениями относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg одновременно. Эти материалы образуют особую группу диэлектрических материалов. По технологии изготовления НКМ обладают большим затуханием электромагнитной энергии до 70 дБ/мм по толщине в широком диапазоне частот. НКМ по своей сути являются радиозащитными материалами.

Одним из представителей такого класса КМ являются углеродосодержащие материалы - углепластики, по своим электрическим свойствам это диэлектрики, имеющие высокое значение проводимости. Углепластики широко применяются в военной технике как конструкционные материалы для создания несущих конструкций, и как радиотехнические материалы: для уменьшения эффективной отражающей поверхности летательных аппаратов, кораблей; для защиты радиотехнических систем от мощных электромагнитных излучений. Они хорошо зарекомендовали себя в новых разработках в качестве защитных укрытий от новых видов вооружений, типа лазеров, пучкового оружия и т.д. Особенность углеродосодержащих материалов заключается в том, что падающая на них электромагнитная волна распространяется по их поверхности, тем самым, замедляя процесс прожигания материала в глубину.

Для НКМ в настоящее время нет единой сложившейся электродинамической теории описания свойств, методик и измерительных средств для контроля их диэлектрических характеристик в процессе производства и эксплуатации. Существующие традиционные косвенные методы и методики измерения электродинамических характеристик диэлектриков на СВЧ для НКМ не пригодны из-за большой неопределенности итогового результата, который соизмерим с промахом. Основными причинами больших неопределенностей являются сильно упрощенные математические модели; из-за сильной почти вертикальной зависимости диэлектрической проницаемости НКМ от значений комплексного коэффициента отражения. При проектировании новых радиотехнических систем разработчикам необходимо знать параметры НКМ, так как от характеристик выбранного материала зависят защищенность и жизнеспособность системы. Поэтому с появлением новых технологий изготовления принципиально новых НКМ еще сильнее возникает необходимость создания новых методик и средств контроля комплексной НКМ с целью повышения качества изделий из НКМ. НКМ имеют большой диапазон значений , широкий частотный диапазон эксплуатации. Для всего частотного диапазона НКМ необходимо создать комплекс измерительных средств, методик измерений, новых образцовых мер, созданных на основе традиционных косвенных методов. Это может достигаться путем модернизации существующих методов и путем создания новых методов и средств неразрушающего контроля низкоимпедансных композиционных материалов.

Целью диссертационной работы является решение важной научной проблемы по повышению качества радиоволновых методов и средств неразрушающего контроля диэлектрических параметров низкоимпедансных композиционных материалов, применяемых в качестве защитных укрытий, обладающих большими значениями относительной диэлектрической проницаемостью и большими потерями одновременно на СВЧ.

Задачи исследования. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведение сравнительного анализа и исследование применимости традиционных радиоволновых методов, метрологической аппаратуры, методик измерения традиционных методов непосредственно к измерению диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

2. Разработка электродинамической теории для описания работы волноводных, резонаторных измерительных датчиков, участвующих в процессе измерения диэлектрических характеристик низкоимпедансных композиционных материалов, дающей меньшую неопределенность значений диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов. низкоимпедансный радиоволновой композиционный материал

3. Проведение анализа и исследование влияния шероховатой поверхности образца измеряемого низкоимпедансного композиционного материала на точность измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов. Разработка методов по ее учету в процессе обработки результатов измерений.

4. Разработка адекватных электродинамических моделей низкоимпедансных композиционных материалов, описывающих все диэлектрические свойства НКМ в процессе взаимодействия с электромагнитной волной в строгой электродинамической постановке, выделение основных факторов, несущих информацию о комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого образца низкоимпедансного композиционного материала в процессе взаимодействия электромагнитной волны с измеряемым материалом.

5. Разработка принципиально новых конструкций измерительных датчиков для проведения контроля комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

6. Разработка методов по построению конструкций измерительных волноводных, резонаторных датчиков и методик выполнения измерений комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

7. Разработка и создание новых образцовых мер для контроля комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов, обладающих шероховатой поверхностью, разработка методов изготовления, аттестации и контроля их точности.

Методы исследований. Основные теоретические результаты работы базируются на математических методах электродинамики: аппарате интегральных и дифференциальных исчислений; теории уравнений Максвелла; аналитических методах; методах статистической обработки результатов экспериментов; численных методах математической физики и вычислительной математики. Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждено экспериментально.

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие результаты работы:

Созданы новые теоретические и практические основы радиоволновых методов неразрушающего исследования и контроля электродинамических свойств низкоимпедансных композиционных материалов на основе волноводных, резонаторных и радиоволновых измерительных датчиков.

Созданы новые конструкции измерительных волноводных и резонаторных датчиков. Разработаны методы по их созданию для проведения контроля диэлектрических характеристик низкоимпедансных композиционных материалов.

Создана новая метрологическая база промежуточных образцовых мер, учитывающая шероховатую поверхность измеряемого образца низкоимпедансного композиционного материала.

Проведен контроль диэлектрической проницаемости образцов низкоимпедансных композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность и большие значения диэлектрической проницаемости на СВЧ.

Дана оценка вклада шероховатой поверхности измеряемого низкоимпедансного композиционного материала, влияющая на точность в процессе измерения комплексной диэлектрической проницаемости и в процессе обработки результата измерений.

Получены новые данные комплексной диэлектрической проницаемости для ряда новых материалов, типа углепластиков радиотехнического назначения, имеющих шероховатую поверхность. На основе разработанной методологии экспериментально исследованы низкоимпедансные композиционные материалы.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что усовершенствованны радиоволновые методы неразрушающего контроля, разработаны новые метрологические средства, промежуточные образцовые меры и методики, позволяющие производить контроль, исследования и измерения относительной диэлектрической проницаемости существующих и новых низкоимпедансных композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность и большие значения комплексной диэлектрической проницаемости с повышенной достоверностью; получены новые данные относительной диэлектрической проницаемости для ряда специальных материалов. Результаты выполненных исследований представляют интерес для разработчиков защитных укрытий радиотехнических систем от воздействия мощных электромагнитных импульсов, для оценки свойств низкоимпедансных материалов, а также непосредственно производителям низкоимпедансных материалов для контроля параметров материалов в процессе их производства.

Положения, выносимые на защиту. Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать новые научные положения и результаты, выносимые на защиту:

На защиту выносятся следующие положения:

новая обобщенная электродинамическая модель низкоимпедансных композиционных материалов для проведения контроля комплексной диэлектрической проницаемости косвенными методами;

новые математические модели измерительных датчиков для контроля комплексной относительной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов волноводными и резонаторными методами в строгой электродинамической постановке;

новый математический аппарат прикладной электродинамики для анализа электродинамических характеристик низкоимпедансных композиционных материалов, измеряемых с помощью волноводных и резонаторных измерительных датчиков;

новая электродинамическая модель шероховатой поверхности для контроля характеристик низкоимпедансных материалов, участвующая в процессе обработки результатов измерения комплексной диэлектрической проницаемости НКМ;

новые конструкции волноводных и резонаторных измерительных датчиков, реализующих распределенное взаимодействие электромагнитной волны с низкоимпедансным композиционным материалом и способы их изготовления;

новые промежуточные образцовые меры для повышения точности проведения контроля комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов и способы их изготовления.

Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических подходах, адекватных математических моделях измерительных датчиков, построенных на их основе, которые подтверждены теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными автором при измерении новых и существующих образцов НКМ. Разработанные измерительные датчики и методики контроля использовались в опытно-конструкторских работах, что позволило обеспечить надежную защиту радиотехнических систем.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на I, III Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» г. Ульяновск 1998, 2001г; на секциях школы-семинара, проводимой в рамках Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 - 2000 годы» г. Ульяновск 1999, 2004г.; на 8-ой и 9-ой международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды.» г. Ульяновск 2000, 2004г.; на III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов.» г. Волгоград 2004г.; на XXVII Российской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева» г. Миасс 2007г., на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников УлГТУ 1997-2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 печатных трудов, в том числе 1 монография, 7 научных статьи в центральных периодических журналах, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией для публикации основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени доктора наук, 11 патентов РФ на изобретения, 7 статей в сборниках научных трудов институтов и университетов, 20 тезисов и докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 259 страниц и список используемых источников из 263 наименований. В состав основной части входят 80 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и определены задачи исследований, решаемые в диссертационной работе, сформулированы основные положения выносимые на защиту, приведены сведения о структуре работы.

В первой главе производится анализ применимости существующих традиционных методов измерения диэлектрической проницаемости на СВЧ для НКМ.

По проведенному анализу установлено, что НКМ разрабатывались как радиотехнические поглощающие материалы для снижения уровня отраженного сигнала. По технологии изготовления и по своим электрическим свойствам НКМ относятся к диэлектрическим материалам, которые характеризуются одновременно большими значениями диэлектрической проницаемости , тангенсом угла диэлектрических потерь tg. Значения этих величин определяются технологией изготовления НКМ. НКМ имеют сложную внутреннюю структуру (многослойную, многомерную, пористую) и одновременно обладают хорошими радиотехническими (высокий коэффициент отражения, большое значение комплексной диэлектрической проницаемости ) и механическими (жаростойкость, высокая прочность, малая плотность, высокая химическая стойкость и др.) характеристиками. По своим свойствам НКМ существенно отличаются от традиционных диэлектрических материалов, поэтому проведение контроля НКМ традиционными методами и средствами измерения является проблематичным.

На СВЧ измерение традиционных диэлектрических материалов производится косвенными методами: волноводными, резонаторными и радиоволновыми. Как следует из проведенного обзора, измерения материалов подобных НКМ производилось в единичных случаях, в узкой полосе частот. Для полного анализа возможности применимости косвенных методов для контроля НКМ производится подробное рассмотрение применяемости каждого метода.

Волноводный метод. Суть метода состоит в сравнении режимов работы волновода с помещением измеряемого образца материала в волновод и без него. Затем по полученным результатам значений комплексного коэффициента отражения от измеряемого образца или прохождения через образец, вычисляется значение . В качестве примера рассматривается метод короткого замыкания, в котором измеряемый образец диэлектрика устанавливается на конце измерительного волноводного датчика перед короткозамыкателем. Проведя измерения для образца НКМ, установленного в качестве короткозамыкателя, произведены вычисления из коэффициента отражения R, и построены зависимости относительной диэлектрической проницаемости ' и тангенса угла диэлектрических потерь tg от (|R|,) рис.1. Из рис.1 видно, что при фазе коэффициента отражения 180 зависимость очень быстро возрастает, имея почти вертикальную характеристику. По данной методике при наличии небольшой инструментальной ошибки измерения получится большая неопределенность относительной диэлектрической проницаемости .



Рис. 1 Зависимости и tg от модуля |R| и фазы коэффициента отражения

Другой вариант измерений основан на использовании поглощающей стенки. Измеряемый образец конечных размеров размещается на широкой или боковой стенке волновода, зондирующая волна при распространении по волноводу взаимодействует с измеряемым материалом, испытывая затухание и дополнительный фазовый сдвиг. По значениям комплексных коэффициентов прохождения зондирующей волны по волноводу с образцом и без него производится вычисление . Еще один вариант волноводного метода это использование распределенного взаимодействия зондирующей электромагнитной волны с измеряемым материалом. Измеряемый материал в виде тонкой пленки помещается в волновод через узкую щель, прорезанную в боковой стенке. В основном измерения производились на прямоугольных и круглых волноводах. На волноводах сложных форм П- и Н- типа измерения для традиционных материалов не проводятся. На основе проведенного анализа волноводных методов можно сделать следующие выводы:

при соблюдении всех требований, предъявляемых к измеряемым образцам традиционных материалов и к измеряемой аппаратуре, гарантируется получение предельных погрешностей по - 5 % и по tg - 2050 %. В традиционной постановке контроль НКМ дает неопределенность более 100 %;

обработка результатов измерений производится по упрощенной методике, рассчитанной на однородные материалы;

измерения производятся на образцах малых размеров, в случае больших неоднородностей материала метод становится не пригодным из-за высокой чувствительности;

в процессе измерения не учитывается шероховатость поверхности (ШП) образца измеряемого материала, так как считается ее вклад малым, который можно отнести к инструментальной или методической неопределенности;

отсутствуют сведения об эталонах для диэлектрических образцов, имеющих шероховатую поверхность.

Любая из перечисленных причин при проведении контроля НКМ может дать неопределенность значительно превышающую неопределенность средств измерений. Требуется изменить или усовершенствовать методы контроля НКМ для получения достоверного результата. Например, усовершенствовать метод бесконечного слоя за счет разработки более адекватной физической и математической модели датчика. Дальнейшее развитие применимости волноводных методов для контроля НКМ особого внимания заслуживают методы, использующие распределенное взаимодействие электромагнитной волны с НКМ, в которых измеряемым параметром является постоянная распространения волны в волноводе с измеряемым образцом НКМ. Для накопления измерительной информации измерения производят на образцах большой длины. Поэтому ставится вопрос о модификации и изменении конструкций волноводных датчиков и методик для контроля параметров НКМ. Еще одним направлением повышения достоверности контроля НКМ является совершенствование образцовых мер. В традиционных методах качество и свойства эталонов не рассматриваются.

Резонаторный метод. Суть метода состоит в сравнении параметров резонатора с измеряемым образцом, внесенным в объем резонатора, с параметрами резонатора без образца. Наряду с объемными резонаторами известны резонаторы бегущей волны. Такие резонаторы строятся на основе линии передачи, свернутой в кольцо. На резонансной частоте кольцевой волновод накапливает ответвляемую в него мощность и передает ее обратно в основной волноводный тракт. Для обычных диэлектрических материалов такие резонаторы не имеют преимуществ по сравнению с объемными резонаторами. Для материалов типа НКМ необходима реализация методов измерений датчиками с распределенным взаимодействием электромагнитной волны с измеряемым образцом НКМ. Такой способ реализации методов измерений можно построить на основе резонаторов бегущей волны. Процесс взаимодействия электромагнитной волны в резонаторе бегущей волны с измеряемым образцом НКМ такой же, как в волноводе. Достоинство резонаторных методов заключается в многократном взаимодействии зондирующей волны с измеряемым материалом, что повышает достоверность измерений.

Конструкция открытого или оптического резонатора выполняется в виде двух зеркал или отражающих пластин, между которыми помещен измеряемый образец или он размещен на одном из зеркал. Процесс измерения по сути такой же, как в объемных резонаторах, но по виду их конструкций можно отнести к радиоволновым методам. Данные измерения возможны, если образец материала радиопрозрачен, имеет малые потери или поверхностную проводимость, т.к. от этого зависит добротность резонатора и достоверность измерений. В качестве открытых резонаторов могут выступать различные виды оптических, конфокальных резонаторов или радиоволновые конструкции, создающие открытую резонансную систему. Физика процесса измерения такая же, как в резонаторных методах. По проделанному анализу резонаторных методов можно сделать следующие выводы:

при соблюдении всех требований к измеряемым образцам традиционных материалов и к измеряемой аппаратуре гарантируется получение предельных неопределенностей по - 1 % и по tg - 10 %;

неопределенность определения зависит от точности изготовления геометрических размеров образца и резонатора, от величины воздушного зазора между образцом и стенкой резонатора, от точной установки измеряемого образца в резонаторе;

точность измерения зависит от добротности резонатора, которая определяется качеством изготовления конструкции резонатора и качеством изготовления образца.

В традиционной постановке резонаторные методы для контроля НКМ не применимы по следующим причинам:

по ГОСТам предъявляются жесткие требования к поверхности измеряемого образца, низкокомпозиционный материал этим требования не соответствует из-за пористой структуры;

в процессе измерения не учитывается ШП образца материала;

отсутствуют образцовые меры для диэлектрических образцов, имеющие шероховатую поверхность.

Радиоволновый метод (метод свободного пространства). Суть метода заключается в сравнении режимов работы антенной системы с измеряемым образцом, внесенным в ее объем, с параметрами антенной системы без образца. Измеряемый образец, находящийся в свободном пространстве, может иметь большие геометрические размеры по сравнению с длиной зондирующей волны. Измеряемым параметром является комплексный коэффициент прохождения через образец или комплексный коэффициент отражения от образца. Измерения в свободном пространстве основываются на раздельном измерении фазы и модуля коэффициента отражения от образца или прохождения через образец. Одним из вариантов установки измерения коэффициента отражения для оптически тонких образцов является измеритель коэффициента стоячей волны (КСВн), согласованный с помощью рупорной антенны со свободным пространством. У выходной апертуры рупора располагается исследуемый образец (пластина), за которым на некотором расстоянии, определяющим импеданс нагрузки, помещается металлическая пластина. Измерение фазы отражения от образца производится относительно фазы отраженного сигнала от металлической пластины, на которой помещается измерительный образец. Расчетные формулы используются без учета шероховатости поверхности (ШП) образца материала, в результате чего появляются методические неопределенности, порождающие большой доверительный интервал конечного результата. По проделанному анализу радиоволновых методов можно сделать следующие выводы:

при соблюдении всех требований, предъявляемых к измеряемым образцам традиционных материалов и к измеряемой аппаратуре, гарантируется получение предельных погрешностей по - 10 - 15 % и по tg - 25-30 %, при до 100 и tg до 10^-2 ;

в процессе измерения не учитывается шероховатость поверхности образца измеряемого материала;

отсутствуют образцовые меры для диэлектрических образцов, имеющих ШП.

Достоинством радиоволновых методов является:

1 - усреднение параметров по большой поверхности измеряемого образца;

2 - зондирующий тип волны в свободном пространстве сохраняется, измерения производятся в одномодовом режиме;

3 - расчетные соотношения получаются для комплексного коэффициента отражения или прохождения и для них становятся значимыми ошибки, связанные с качеством подготовки поверхности образца, в частности с ШП. Поэтому необходимо совершенствовать математические модели, описывающие взаимодействие зондирующей волны с образцом, для применимости радиоволновых методов в контроле НКМ.

По проведенному подробному анализу традиционных методов измерений определено, что для контроля НКМ будет использоваться стандартная измерительная аппаратура, будут применяться стандартные измерительные схемы. Рассмотрены стандартные схемы измерения, обеспечивающие повышенную точность измерения амплитуды и фазы. Исходя из свойств и особенностей рабочей поверхности НКМ установлено, что преобладающей является методическая неопределенность, возникающая из-за не учета ШП НКМ в процессе контроля их диэлектрических параметров. Рассмотрены другие виды неопределенностей, образованные ШП НКМ: методические (неточные физическая и математическая модели представления НКМ), неопределенности образцовых мер (разница уровней ШП измеряемого образца и образцовой меры). Рассмотрены математические способы представления ШП в других областях измерения, где ШП учитывается.

Из проведенного обзора формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе разработаны математические модели волноводных измерительных датчиков для контроля НКМ с целью уменьшения неопределенностей в результатах измерений. На этих моделях проведены исследования диэлектрических свойств НКМ. На основе анализа в первом главе, волноводные методы в традиционной постановке для контроля НКМ не пригодны по ряду причин.

Эти причины имеют методический и инструментальный характер, приводящие к большим итоговым неопределенностям результата. С целью устранения причин, порождающих методические неопределенности, процесс измерения НКМ рассматривается в более строгой электродинамической постановке - методом интегральных уравнений (МИУ). Конструкция измерительного датчика реализуется на круглом волноводе. Конструкция волноводного датчика имеет осевую симметрию, это позволяет сократить размерность решаемой задачи. Конструкция измерительного волноводного датчика на базе круглого волновода представлена на рис.2. На поверхности измеряемого образца НКМ задаются импедансные усредненные граничные условия (ГУ)

n,E=Zn,n,H (1)

где n - внешняя нормаль, направленная в глубь образца НКМ, Z - диагональная матрица поверхностного импеданса . Матричный характер импеданса показывает, что он может быть различным по разным направлениям, при наличии анизотропии НКМ. Описание процесса взаимодействия электромагнитной волны с измеряемым образцом НКМ производиться через базовые интегральные уравнения (2), после преобразования в цилиндрической системе координат, они используются в разработанных моделях измерительных датчиков.

;

;

p; ; . (2)

В процессе контроля НКМ волноводным датчиком, реализованном на круглом волноводе, используется одна из трех моделей НКМ: полубесконечного тела, тонкого тела, многослойного тела.



Рис. 2 Конструкция волноводного датчика на основе круглого волновода

Рис. 3 Модель волноводного датчика

Методика составления интегральных уравнений для каждой модели одинаковая. Затем интегральные уравнения решаются численно, находя параметры НКМ. Модель полубесконечного тела используется при отражении электромагнитной волны от измеряемого образца. Для нее получена следующая система уравнений: внутри измеряемого образца (3) и на его поверхности (4).

, (3)

где матрица поверхностного импеданса.

 (4)

Модель тонкого тела используется при прохождении электромагнитной волны через измеряемый образец. Для нее получены следующие интегральные уравнения: отражения от образца (5), на прохождения через образец (6,7).

, (5)

, (6)

. (7)

Модель многослойного тела представляет тело в качестве многослойной структуры, по аналогии модели тонкого. На границе слоев используются уравнения вида (8).

(8)

p_K

С целью уменьшения методической неопределенности методом интегральных уравнений производится описание отражения электромагнитной волны от эталонного короткозамыкателя для уточненного описания отражательных характеристик эталона или образцовой меры (9). Составление интегральных уравнений для эталонного короткозамыкателя производится так же. Внутри эталонного короткозамыкателя поле равно нулю и граничные условия задаются вида [n,E]=0.

(9)

где - функция тока J^E - на вспомогательной поверхности. Далее производится анализ численных методов для решения интегральных уравнений с повышенной точностью.

В главе 1 показано, что перспективными конструкциями датчиков для контроля параметров НКМ являются датчики с распределенным взаимодействием, имеющих вид на рис.3. Такая структура описывается собственными функциями методом продольных волн. Решается волновое уравнение Гельмгольца, электрическое Е и магнитное Н поля задаются через векторные потенциалы.

Продольные волны представляются суперпозицией поперечных волн. В случае нулевых индексов они могут совпадать: LМ_m0 - волнам типа H_m0, LЕ_0n - волнам H_0n. Система продольных волн является полной и не имеет преимуществ перед обычными Н и Е волнами. Удобство системы продольных волн проявляется при исследовании прямоугольного волновода с неоднородной стенкой. Стенкой волноводного датчика является образец НКМ, на поверхности измеряемого образца выполняются граничные условия (ГУ) Щукина-Леонтовича

Электрические и магнитные составляющие поля, входящие в ГУ, находятся из 1-го и 2-го уравнений Максвелла и подставляются в ГУ. В результате получаются дисперсионные уравнения для импедансной поверхности НКМ, решение которых определяет НКМ. Для широкой импедансной стенки получено уравнение (10), для узкой стенки получено уравнение (11).

, (10) . (11)

Для вычисления поперечного волнового числа q из уравнения (10) используется численный алгоритм, т.к. q число комплексное. По его значению вычисляется продольное волновое число для волноводного датчика, как

, , .

Для представления картины электромагнитного поля в волноводном датчике вычисляются величины: длина волны в волноводе ,

фазовая скорость , погонное затухание ,

где h=-j - волновое число в комплексной форме.

Аналогично производится вычисления для волнового числа p из уравнения (11). Произведено математическое описание работы волноводного измерительного датчика, включенного в измерительную схему. Описание производится методом сшивки.

На основе теории измерительных датчиков, реализованных на прямоугольном волноводе, рассматриваются математические модели измерительных конструкций на волноводах других типов П- и Н-. Теория описания их работы и методика контроля совпадает с теорией измерительного датчика на прямоугольном волноводе. Особенность заключается в нахождении собственных типов колебаний для волноводов сложных типов. Рассматриваются численные методы решения волноводных задач методом собственных функций, дающих минимальную численную неопределенность.

В третьей главе производится теоретическое обоснование и исследования математических моделей резонаторных датчиков для контроля НКМ, снижающих неопределенность конечного результата.

Из анализа в первой главе для контроля НКМ могут быть применены резонаторы бегущей волны. На основе волноводного датчика, реализованного на прямоугольном волноводе, построена конструкция резонатора бегущей волны, использующего распределенное взаимодействие электромагнитной волны с образцом НКМ. Конструкция измерительного датчика на базе резонатора бегущей волны показана на рис.4 и реализована для метода вариации частоты. Резонатор бегущей волны состоит из кольцевого волновода, в котором имеется прямолинейный участок, содержащий волноводный датчик бегущей волны. Описание работы резонатора производиться методом собственных функций. Для существования в кольцевом волноводе режима бегущих волн должно выполняться условие резонанса. Фазовый сдвиг, полученный волной при прохождении кольцевого волновода, должен быть равен l_ср=2p, где =2/_в - постоянная распространения волны в волноводе, _в - длина волны в волноводе. Постоянная распространения волны в кольцевом волноводе - резонаторе складывается из постоянной распространения в волноводе кольца плюс постоянная распространения в волноводном датчике l=₁l₁+₂l₂, где ₁ и l₁ - постоянная распространения в волноводе кольца и его геометрическая длина, ₂ и l₂ - постоянная распространения в волноводном датчике и его геометрическая длина. Постоянная распространения волны в волноводном датчике находится как в главе 2. Методика решения и включения измерительного датчика в измерительную схему описана в главе 2.

Методика измерений параметров резонатора заключается в измерении резонансной частоты, ширины полосы резонанса по уровню 0,5 мощности, комплексного коэффициента отражения и комплексного коэффициента передачи резонатора. Измерения проводятся с образцовой мерой и с образцом НКМ.

При изменении условий распространения электромагнитной волны в кольцевом волноводе изменяется частота резонанса. В процессе изменения условий распространения волны в кольцевом волноводе может возникнуть ситуация возникновения резонанса на высших типах колебаний, что приводит к ошибкам при обработке результатов измерений. Для устранения возможности возникновения высших типов колебаний определяется критическая длина измеряемого образца, при которой условия для их существования отсутствуют. Для кольцевого резонатора производится расчет спектра основных типов резонансов, из них находятся рабочие интервалы длин измеряемого образца для их однозначного определения. Длина образца выбирается из величины изменения постоянной распространения волны в кольцевом волноводе с измеряемым образцом таким образом, чтобы сохранить одномодовость резонатора.

Рис. 4 Резонатор бегущей волны (1 - образец НКМ, 2 - волноводный датчик 3 - резонатор бегущей волны, 4 - направленный ответвитель, 5 - волновод)



Рис. 5 Конструкция полуконфокального резонатора: 1 - сферическое зеркало; 2 - волновод; 3 - центральная ось резонатора; 4 - образец НКМ; 5 - плоское зеркало

В процессе проведения контроля НКМ существует возможность изменения типа колебания объемного резонатора, это связано с изменением третьего индекса p. При резонансе известны первые два индекса резонансного типа колебания, третий индекс неизвестен из-за изменения постоянной распространения волны при помещении образца в резонатор. Из-за изменения значения индекса возможна ситуация перескока резонансного типа колебания, отличного от типа колебания, который существовал при установке образцовой меры. Если происходит перескок типа колебания, то формулы, по которым производят обработку результата, не учитывают перескок, при вычислениях образуется грубая ошибка, промах. Для устранения этого факта предлагается использовать два датчика с разной длиной участка волновода с НКМ и результаты измерений этих датчиков обрабатывать совместно. Поскольку материал один и тот же, диапазон значений и tg, получаемых при обработке результата каждого измерения, будет общим и являться достоверным результатом. Определение длин волн в конструкциях резонаторов производится для конкретных резонаторов и для конкретного материала. Для достоверности результата длины датчиков должны различаться на четверть длин, например, 20 и 15 длин волн в датчике.

С целью перекрытия миллиметрового частотного диапазона измерений, а также использование преимуществ метода свободного пространства, используется конструкция полуконфокального резонатора, рис.5. Конструкция полуконфокального резонатора представляет собой два металлических зеркала, одно - сферическое радиусом R, второе - плоское, расположенные друг от друга по оси резонатора на расстоянии L=R/2. Оба зеркала имеют коэффициент отражения “-1”, подвод энергии в резонатор осуществляется через центр сферического зеркала, фокусируя пятно на плоском зеркале. Использование сферического зеркала позволяет сфокусировать зондирующую волну в малой области резонатора, это уменьшает дифракционные потери и уменьшает геометрические размеры измерительной системы. Контроль НКМ производится следующим образом. На плоском зеркале устанавливается образцовая мера - отражатель, имеющий коэффициент отражения “-1”, затем на его место устанавливается измеряемый образец НКМ. Измеряемыми параметрами являются резонансная частота и добротность резонатора, которые зависят от значений и tg.

Для проведения инженерных расчетов описание работы полуконфокального резонатора производиться методом собственных функций. С целью уменьшения методических неопределенностей при обработке результатов измерений, описание работы резонатора производится методом интегральных уравнений. Описание МИУ контроля НКМ полуконфокального резонатора производится в строгой электродинамической постановке. Полуфонфокальный резонатор имеет осевую симметрию, поэтому процесс составления интегральных уравнений производится, как в главе 2. Электромагнитное поле на сферическом зеркале задается интегральным уравнением. На каждом зеркале вводится система координат вращения. Операции grad и div записываются в цилиндрической системе координат, в результате для полуконфокального резонатора получаются следующие выражения:

, (12)

,

где L - геометрические размеры зеркал, нули отсчета соответствуют центрам зеркал; ₁ и ₂ - линии на зеркалах, соединяющие точку наблюдения с центром зеркала; индексы 1 и 2 соответствуют первому и второму зеркалу. Токи на поверхности зеркала создаются только токами соседнего зеркала, а не своими собственными. Из этого условия ядра уравнений представляют тангенциальные составляющие магнитного поля, созданные токами, текущими по той же поверхности, приравниваются к нулю . Это заметно упрощает интегральные уравнения и доказывает, что токи возникают в результате наводок токов с противоположного зеркала. Величина теневых токов мала и ими пренебрегают. Полученная система уравнений (12) по теории открытых резонаторов сводится к системе из повторения полей. Данная система записана для двух проводящих зеркал для получения калибровочных зависимостей. Далее вместо плоского зеркала помещается измеряемый образец. Процесс составления уравнений повторяется, но на втором зеркале в качестве импеданса подставляются параметры измеряемого материала. Решение интегральных уравнений производится как в главе 2.

Исходя из свойств НКМ и для перекрытия дециметрового частотного диапазона, разработана новая конструкция коаксиального резонатора, использующая распределенное взаимодействие электромагнитной волны с образцом измеряемого материала НКМ. Для контроля параметров НКМ в конструкции коаксиального резонатора измеряемый образец НКМ устанавливается в качестве центрального проводника. В коаксиальном резонаторе с проводящей образцовой мерой, центральным проводником, будет распространяться волна Т - типа. При установке в коаксиальный резонатор измеряемого образца НКМ происходит изменение типа колебания, возникает волна типа Н₁₁, которая по своей структуре может быть названа квази-Т волной, не исключено существование волн высших типов колебаний H_nmp и E_nmp - типов, похожих на волну Т - типа, т.е. происходит перескок типов колебаний. Возможностью их возникновения явлеться ШП измеряемого образца НКМ, его большие значения и проводимости . Описание работы коаксиального резонатора производится методом собственных функций.

На основе предложенных базовых конструкций и описывающей их теории, разработаны другие конструкции резонаторных датчиков стоячей волны.

В четвертой главе произведен анализ факторов, дающих неопределенности в процессе измерения и обработки результатов измерений комплексной относительной диэлектрической проницаемости НКМ.

Итоговая неопределенность процесса контроля НКМ на СВЧ косвенными методами складывается из всех факторов, входящих в измерительные и вычислительные процедуры. В этом случае данную неопределенность НКМ условно можно разделить на следующие группы:

1. метрологические факторы, включающие в себя:

- инструментальные неопределенности, возникающие в процессе измерения прямых величин, связанных зависимостями с НКМ: измерительной аппаратуры, измерительного датчика, измерительных преобразователей;

- неопределенности образцовых мер, возникающие из-за: неточности передачи характеристик ШП измеряемого материала образцовой мерой; неопределенностей проводящих свойств поверхности образцовой меры и измеряемого образца НКМ, определяющих значение комплексного коэффициента отражения.

2. методические факторы - включающие неопределенности физической и математической моделей представления измеряемого образца НКМ и процесса измерения НКМ, несоответствующие моделям описания взаимодействия зондирующей электромагнитной волны с образцом НКМ;

3. технологические факторы включающие: допуски по точности изготовления и установки измеряемого образца НКМ в измерительный датчик перед измерениями; допуски по точности изготовления конструкций измерительных датчиков;

На первом этапе контроля НКМ на СВЧ идет процесс уменьшения инструментальной неопределенности. Основополагающими методами измерения НКМ являются волноводные и резонаторные методы, имеющие общие виды неопределенностей. В инструментальную неопределенность входят группы:

1. неопределенность всех измерительных приборов;

2. неопределенность метрологической настройки измерительной аппаратуры, юстировки и установки ее в «ноль»;

3. неопределенность рассогласования измерительных приборов и устройств, входящих в измерительную схему;

4. неопределенности измеренных электрических величин с помощью измерительных датчиков в процессе измерения;

5. неопределенность индикаторного оборудования.

Неопределенности образцовых мер. В традиционных методах измерения эталоны считаются идеально проводящими и идеально гладкими. Измеряемые образцы НКМ имеют проводимость, соизмеримую с проводимостью эталона, и в процессе измерения необходимо учитывать проводимость эталона. Кроме того, за счет разности распределений и уровня ШП эталона и измеряемого образца НКМ возникает дополнительная неопределенность поверхности эталона. С целью уменьшения величины неопределенности эталона вводятся промежуточные образцовые меры. Шероховатая образцовая мера, имеющая распределение и уровень ШП как у измеряемых образцов НКМ, для обеспечения более точного задания начальной точки отсчета, и гладкая образцовая мера, имеющая проводимость поверхности как у шероховатой образцовой меры. В группу неопределенностей образцовых мер входят:

1. точность изготовления рельефа ШП образцовой меры как у измеряемого образца НКМ;

2. точность передачи отражательных характеристик проводимости покрытия, нанесенного на измеряемый образец при изготовлении шероховатой образцовой меры и нанесенного на эталон, при изготовлении промежуточного гладкой образцовой меры.

В процессе контроля НКМ используются новые измерительные датчики, которые рассматриваются и анализируются с позиции нового не традиционного измерительного оборудования. Измерительные датчики волноводной или резонаторной конструкции выступают как инструменты измерения, контактирующие с измеряемым образцом НКМ. К перечню инструментальных неопределенностей можно присоединить и технологические факторы, связанные с установкой измеряемого образца в измерительный датчик и точностью изготовления конструкции измерительного датчика. В традиционных методах они учитываются и их относят к инструментальным неопределенностям.

При установке измерительного образца НКМ в металлическую конструкцию измерительного волноводного датчика ШП образца не обеспечивает достаточную плотность прилегания. В месте соприкосновения измеряемого образца и металлической конструкции датчика возникает воздушный зазор, в зависимости от крепления образца имеет разные размеры, определяемые ШП измеряемого образца, способом и точностью его установки. Технологические факторы будут систематической и случайной неопределенностью, которую можно только уменьшить. Полученные расчетные формулы не учитывают воздушный зазор, т.к. его наличие не нарушает распределение электромагнитного поля внутри измерительного датчика, воздушный зазор приводит к завышению измеренного результата за счет просачивания энергии зондирующей волны из измерительной системы. Устранение просачки энергии, вызванной воздушным зазором в месте контакта измеряемого образца с металлической конструкцией измерительного датчика, устраняется заливкой воздушного зазора припоем или установлением дроссельной секции.

Неточности изготовления конструкций объемных резонаторов такие же, как у волноводных измерительных датчиков. В открытых резонаторах метрологические неопределенности связаны с точностью установки измерительного образца на место плоского зеркала и установки его плоскопараллельно падающей зондирующей волне. Они могут быть устранены за счет усложнения механической конструкции крепления плоского зеркала или измеряемого образца.

Второй, преобладающей по величине неопределенностью, является методическая. Произведенный анализ в предыдущих главах показывает, что итоговую неопределенность можно уменьшить за счет устранения методических факторов. Методические факторы определяют несоответствие физической и математической модели измеряемому образцу. Одна часть неопределенности - точность представления взаимодействия зондирующей электромагнитной волны с измеряемым образцом, не учитывающая свойства НКМ. Другая часть методической неопределенности возникает из-за не учета ШП измеряемого образца НКМ в процессе измерения и в процесс обработки результатов измерений. Считается, рабочая поверхность измеряемого образца НКМ одинаковой по сравнению с поверхностью образцовой меры. Возникающие неопределенности связаны с несоответствием поверхности эталона и предполагаемой модели. Методические неопределенности косвенных измерений складываются из следующих факторов:

· составления адекватной математической модели НКМ, представления внутренней структуры и ШП для получения расчетных зависимостей;

· представления в электродинамической постановке процесса взаимодействия электромагнитной волны с образцом НКМ;

· численных алгоритмов вычисления НКМ из полученных электродинамических соотношений.

· не адекватность (неточность) проведения измерений, не учитывающих ШП измеряемого образца;

· определение уровня ШП для выбора или создания промежуточных образцовых мер;

...