Підвищення чутливості і точності радіометричних приладів контролю виробів із діелектричних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

КУЦЕНКО ВОЛОДИМИР ПЕТРОВИЧ

УДК 621.317.39:539.2

ПІДВИЩЕННЯ ЧУТЛИВОСТІ І ТОЧНОСТІ РАДІОМЕТРИЧНИХ ПРИЛАДІВ КОНТРОЛЮ ВИРОБІВ ІЗ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі автоматизації та комп'ютерних систем у Київському національному університеті технологій та дизайну, Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України СКРИПНИК Юрій Олексійович, Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри автоматизації та комп'ютерних систем, Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ПЕТРУК Василь Григорович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри хімії та екологічної безпеки, Міністерства освіти і науки України;

кандидат технічних наук, доцент ШИРОКОВ Ігор Борисович, Севастопольський національний технічний університет, доцент кафедри радіотехніки, Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: Національний технічний університет України „КПІ”, кафедра приладів та систем неруйнівного контролю, Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “27“ жовтня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.01 у Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, Немировича-Данченка 2, конференц-зал, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, Немировича-Данченка 2, корпус 2.

Автореферат розісланий “21“ вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор Березненко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

діелектричний мультиплікативний адитивний високоточний

Актуальність теми. У виробах нової техніки все більш широке застосування одержують діелектричні матеріали на основі кераміки, аморфного скла, високомолекулярних полімерів тощо. Однак, контролювати склад та властивості цих матеріалів традиційними методами (електромагнітним, акустичним і ін.), які базуються на їх зондуванні електромагнітними хвилями різних частотних діапазонів та вимірюванні параметрів хвиль, які пройшли через матеріал, не дозволяють їх низька електропровідність, теплопровідність і звукопровідність. Висока поглинальна здатність діелектричних матеріалів ускладнює використання і радіохвильового методу, заснованого на оцінці відбивної здатності таких матеріалів і виробів з них. У той же час, враховуючи відносно високу радіопрозорість діелектричних матеріалів і те, що власні радіотеплові електромагнітні випромінювання цих матеріалів визначаються їхнім хімічним і мінеральним складом, а також залежать від температури, вологості і ряду інших характеристик: густини, пористості, структури гранулометричного складу, контроль цих параметрів можливо використовувати радіометричним методом, заснованим на аналізі інтенсивності власного електромагнітного випромінювання (ЕМВ) матеріалів у надвисокочастотному (НВЧ)-діапазоні.

Розроблені раніше радіометричні прилади забезпечують вимірювання інтенсивності електромагнітного випромінювання (шумових сигналів) у межах 10-3 - 10-12 Вт. Однак, враховуючи, що інтенсивність власних шумових сигналів від діелектричних виробів дуже мала і фактично нижча за рівень власних шумів радіометричних приладів контролю (РПК), то виникають значні похибки і знижується вірогідність контролю.

Таким чином, підвищення чутливості і точності РПК є актуальною задачею, вирішення якої можливе за рахунок розвитку теоретичних та практичних засад, побудови нових спеціалізованих схем РПК.

Зв'язок роботи з науковими планами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі АКС Київського національного університету технологій та дизайну у рамках науково-дослідної теми 0103U000849 „Теоретичні основи взаємодії ЕМП людини з матеріалами одягу та створення НВЧ-апаратури оцінки відбиваючих та поглинальних властивостей матеріалів”, а також у рамках НДР на Казенному науково-виробничому підприємстві „Кварсит” (м. Костянтинівка, Донецької обл.) „Визначення можливості застосування НВЧ-технологій на основі вимірювання ЕМВ для аналізу властивостей матеріалів” згідно з програмою Міністерства промислової політики України 01/3-2-2-33р.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні чутливості, точності і розширенні функціональних можливостей РПК виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону, інтенсивність яких нижча за рівень власних шумів контролюючої апаратури.

Відповідно до поставленої мети у роботі зумовлювалися та вирішувалися такі завдання:

- розробка наукових методів неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем власного (склад, густина, температура) та вторинного (чистота складу й визначення домішків) ЕМВ НВЧ-діапазону;

- розробка концепції і принципів побудови функціональних схем високочутливих РПК НВЧ-діапазону для контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем потужності ЕМВ;

- розробка методів і способів високоточного контролю складу речовин і відповідних алгоритмів обробки результатів контролю для виключення прогресуючих адитивних (АСП) та мультиплікативних (МСП) складових похибок, а також мінімізації випадкових похибок контролю виробів із діелектричних матеріалів, за рахунок оцінки власних та вторинних сигналів ЕМВ, інтенсивність яких менша за рівень власних шумів РПК;

- дослідження залежності флуктуаційного порогу чутливості модуляційного РПК від параметрів автоматичного перемикача, характеристик порівнюваних сигналів, частоти іх комутації та смуги пропускання низькочастотного каналу РПК. Розробка рекомендації щодо поліпшення параметрів РПК;

- експериментально-аналітичне отримання виразів для оцінки похибок впливу НВЧ-шумів та параметрів автоматичних перемикачів, вибору РПК з мінімальними похибками перетворення та підвищення точності контролю.

Об'єкт дослідження. Процес отримання інформації про інтенсивність ЕМВ НВЧ-діапазону, що характеризує склад і властивості виробів із діелектричних матеріалів.

Предмет дослідження. Створення РПК, які забезпечують високу чутливість та точність вимірювань власного ЕМВ діелектричних матеріалів.

Методи дослідження ґрунтуються на загальних положеннях: теорії рівноважного та нерівноважного ЕМВ виробів із діелектричних матеріалів; теорії радіотехнічних вимірювань з перетворенням та без перетворення частоти вхідного сигналу власних ЕМВ об'єктів різної фізичної природи; структурно-функціонального моделювання, комутаційно-модуляційного перетворення, теорії випадкових подій та теорії похибок.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в новому підході до розробки методів та засобів неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем потужності ЕМВ НВЧ-діапазону за рахунок розробці високочутливих модуляційних РПК, що забезпечують селекцію широкосмугових слабких сигналів від шумових завад, підвищення чутливості і точності контролю, розширення їхнього частотного діапазону та функціональних можливостей;

- при оцінюванні градієнту речовини (домішки) в виробах контролю досягнуто вилучення впливу температурної й часової нестабільності параметрів РПК на чутливість і точність контролю за рахунок порівняння різницевих сигналів до та після опромінювання об'єкта мікрохвильовим випромінюванням і використання при цьому позитивного зворотного зв'язку в схемі РПК;

- забезпечено виключення впливу шумів антени і шумів самого РПК на значення прийнятого сигналу за рахунок введення операцій порівнювання ЕМВ від абсолютно чорного тіла, об'єкту контролю та екрану. Доведено, що похибка контролю залежить тільки від похибки градуїровки атенюатора (0,1 дБ), а флуктуаційний поріг за потужністю сягає 10-22 Вт/Гц за смуги приймання 100 МГц;

- доведено, що виключення впливу власних шумів вхідного тракту модуляційного РПК на значення прийнятого сигналу об'єкту контролю незалежно від частоти гетеродину і досягається за рахунок формування компенсуючого шумового сигналу з перебудованого за частотою гетеродину шляхом балансової модуляції НВЧ-сигналу шумовим сигналом проміжної частоти та подачі його на вихід НВЧ-ключа антени;

- обґрунтовано доцільність введення структурного надлишку, що забезпечує при комп'ютерній обробці результатів додаткових вимірювань виключення МСП і АСП РПК та значного підвищення точності контролю (МСП- 1,5%, АСП- 10-15 Вт) і чутливості РПК (10-15 Вт);

- розроблені методики оцінки похибок, що забезпечує можливість роздільного вимірювання МСП і АСП та рекомендації до послаблення впливу власних шумів НВЧ-тракту РПК, що дає можливість вимірювати рівні сигналів нижче рівня власних шумів РПК.

Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості отримання нової інформації про склад, будову та якість виробів із діелектричних матеріалів за допомогою використання РПК НВЧ-діапазону з комутаційно-модуляційним перетворенням сигналів, які приймаються антеною. В результаті дисертаційного дослідження:

- запропоновано РПК, схемні вирішення яких дають можливість розробити системи для неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів;

- розроблено модуляційні РПК, які забезпечують розширення сфери досліджень слабких сигналів у мало вивченій верхній частині НВЧ-діапазону;

- запропоновано структури РПК, а також структури й алгоритми перетворення сигналів для інженерного проектування модуляційних РПК з більшою чутливістю, точністю, розширеним частотним діапазоном та функціональними можливостями;

- запропоновано засоби усунення похибок від впливу власних шумів антени і РПК, а також через нестабільність функції перетворення РПК, що забезпечують високу точність контролю у широкому діапазоні значень.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Нові технічні рішення:

„Спосіб оцінки перевищення вторинного мікрохвильового випромінювання над радіотепловим” №66419 G01№22/00 G01j5/00, „Модуляційний гетеродинний радіометр” №68120А G01R29/08 „Спосіб вимірювання слабких радіовипромінювань” №70229А G01S13/00, „Нульовий модуляційний радіометр” №69098А, G01R29/08, „Кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання” №65764А G01R29/08, що розроблені та захищені патентами України, які впроваджуються у виробництві.

Результати дисертаційної роботи використовуються у Науково-дослідному інституті комплексної автоматизації (м. Донецьк) та Казенному науково-виробничому підприємстві „Кварсит” (м. Костянтинівка, Донецької обл.) під час дослідних та виробничих процесів, а також при підготовці студентів у навчальному процесі Житомирського інженерно-технологічного інституту на кафедрі медичних приладів та систем, у Київському національному університеті технологій та дизайну на кафедрі автоматизації та комп'ютерних систем і у Севастопольському національному технічному університеті на кафедрі радіотехніки.

Особистий внесок дисертанта є основним на всіх етапах досліджень і полягає у формулюванні завдань та безпосередньому виконанні всіх етапів роботи та експериментальних досліджень. Автором запропоновані нульові радіометричні модуляційні системи для контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону, розроблена концепція побудови модуляційних РПК і показані шляхи підвищення чутливості та точності, розроблено алгоритм оцінки слабких радіовипромінювань і похибок, обґрунтована методика розрахунків оцінки перевищення вторинного ЕМВ НВЧ-діапазону над радіотепловим.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й схвалені на семи науково-технічних конференціях:

- VIII, XII, XIII Міжнародні науково-практичні конференції „Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Чернігів, 2000, м. Миргород, 2002; м. Дніпропетровськ, 2003);

- XIII, XIV, XV, XVI Міжнародні конференції „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (м. Севастополь, 2003, 2004, 2005, 2006).

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в одній монографії, чотирьох статтях у наукових фахових виданнях ВАК України та науково-технічних журналах, сімох статтях надрукованих у збірках праць науково-практичних конференцій, п'яти патентах на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 167 сторінок, із них 134 сторінки основного змісту роботи, 48 рисунків займають 10 сторінок за текстом і 10 окремих сторінок, 8 таблиць займають 3 сторінки, список із 102 використаних літературних джерел налічує 11 сторінок. Додатки ілюструють експериментальні дослідження та впровадження результатів роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, мета та основні наукові проблеми, дається коротка характеристика загального стану і методів вирішення проблем. Зазначені наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто електрофізичні моделі взаємозв'язку складу речовин з власними та зовнішніми ЕМП. Показано, що власне ЕМВ об'єктів обумовлене в основному тепловим рухом заряджених часток, спектральний розподіл енергії випромінювання визначається законами Планка та Релея-Джинса. У речовинах, поряд з рівноважними процесами, мають місце і значно нерівноважні процеси, джерелом яких може бути неоднорідне поле температур, градієнти концентрації речовин, поляризаційні властивості та ін. Наведені положення створюють передумови для формування фізичних уявлень про механізми взаємодії ЕМВ з молекулярними структурами речовини, на підставі чого можна орієнтуватися при практичному використанні ЕМВ.

На основі проведеного аналізу схем РПК для визначення та реєстрації слабких ЕМВ зроблено висновок про те, що при встановленні складу речовин виникає необхідність у вимірюванні сигналів ЕМВ, спектральна густина, яких становить ?10-20 Вт/Гц·см2, а рівень - нижчий, ніж рівень теплових шумів апаратури. На цей час розроблені приймачі не забезпечують достатньої оцінки потужності ЕМВ речовин . До недоліків застосованої апаратури варто віднести слабку чутливість, низький рівень точності, вузький діапазон та ін. Тому перспектива подальшого підвищення чутливості і точності РПК виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону є актуальним завданням, вирішення якого можливо на основі розвитку теоретичних та практичних засад та створення нових спеціалізованих схем РПК.

Враховуючи викладене і те, що метод резонансно-хвильового НВЧ дослідження виявляється чутливим не тільки до складу, домішок і властивостей речовини, але й до процесів, які відбуваються в досліджуваних середовищах, то очевидна перспектива подальшого розвитку методів та засобів вимірювання ЕМВ і створення бази даних про характеристики речовин. Це є актуальним завданням, вирішення якого можливо за рахунок розвитку теоретичних та практичних засад, побудови нових спеціалізованих схем РПК.

З'ясовані особливості застосування РПК. Встановлено, що модуляційні РПК найповніше відповідають вимогам забезпечення чутливості і точності, а простота реалізації схем, надійність у роботі визначають широке їхнє використання при оцінці потужності слабких випромінювань НВЧ-діапазону. Реалізація високої чутливості в компенсаційних РПК обмежена через значну флуктуацію коефіцієнта підсилення та складність їхньої компенсації за малих рівнів вхідних сигналів, а в кореляційних приладах через „паразитні” корельовані сигнали за рахунок шумів гетеродина та проходження сигналів з каналу в канал.

Проаналізовано причини, що обумовлюють виникнення у модуляційних РПК складових похибок. Показана методика визначення сумарних систематичних похибок, як арифметична сума складових, і випадкових похибок, як геометрична сума складових. Якщо визначати довірчу ймовірність 99,8% та рахувати, що розподіл сумарної похибки наближається до нормального закону.

У третьому розділі розглядаються методи та засоби контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем потужності ЕМВ НВЧ-діапазону без перетворення та з перетворенням частоти вхідного сигналу, обґрунтовуються їхні можливості щодо виміру параметрів сигналів. Закладено нові напрямки використання радіометричних приладів для контролю складу речовин і запропоновано нові високочутливі модуляційні РПК. Наведено кількісні характеристики підвищення чутливості і точності РПК за рахунок застосування нових методів в порівнянні з уже існуючими.

Автором розроблено радіометричний спосіб, який полягає в оцінці перевищення вторинного ЕМВ від наданих обєктів над радіотепловим.

Це дає можливість уникнути впливу температурної часової нестабільності параметрів РПК на чутливість і точність контролю, забезпечити високу вірогідність виявлення і оцінки вторинного ЕМВ. Із виразу видно, що значення коефіцієнта перевищення не залежить від параметрів РПК, а визначається тільки значеннями коефіцієнта передачі атенюатора. Це надає можливість використовувати високочутливі схеми РПК, здатні виявляти слабі шумові ЕМВ за рівнем потужності, значно нижчій, ніж потужність власних шумів РПК.

Розглянутий РПК використано для контролю чистоти складу виробів із діелектричних матеріалів й визначення домішок без порушення їх цілісності. При опроміненні монохроматичним НВЧ-сигналом інтенсивністю не вище 10 мкВт/см2 на резонансних частотах опромінення (48 - 53 ГГц) виникало додаткове вторинне ЕМВ на частоті 1 ГГц з коефіцієнтом перевищення.10-25%.

Для забезпечення більшої точності контролю складу речовин у широкому діапазоні значень запропоновано спосіб, у якому включення нульового РПК без переривання прийнятого сигналу від обєкта контролю, а також введення структурного надлишку при комп'ютерної обробки результатів додаткового вимірювання забезпечило уникнення похибок як від впливу власних шумів антени РПК, так і від нестабільності функції перетворення РПК.

Автором розроблена функціональна схема супергетеродинного РПК, яка забезпечує підвищення чутливості та точності контролю, розширення частотного діапазону. Наступний спосіб був розроблений для досліджень складу діелектричних матеріалів (хімічні, фізико- механічні, структурні характеристики виробів тощо). Схема працює таким чином. Сигнал від обєкту О через антену X1, змінний атенюатор A1 і ключ-модулятор S1 надходить на один вхід балансного змішувача (БЗ) U1, на інший вхід якого впливає сигнал гетеродина G1. В результаті змішування монохроматичного сигналу гетеродина і прийнятого сумарного шумового сигналу із широким спектром формуються два сигнали різницевої частоти симетричними відносно. Складові різницевої частоти підсилюються підсилювачем проміжної частоти (ППЧ) A2, надходять на КД U2, на виході якого формується послідовність відеоімпульсів. Напруга основної гармоніки обвідної відеоімпульсів виділяється і підсилюється ВП A3, набудованим на частоту генератора G2, випрямляється СД U3 і згладжується ФНЧ Z1.

Спочатку вимірюють ЕМВ від обєкту О, далі - ЕМВ від АЧТ, а потім екранують антену від зовнішніх випромінювань, при цьому коефіцієнт передачі атенюатора змінюють відповідно до значення, при якому кожний раз досягається нульове показання реєстратора P.

На результат контролю складу речовин не впливають шуми антени, шуми РПК, нестабільність параметрів РПК, мінливість чутливості антени, а також варіації потужності гетеродина. Похибка контролю залежить тільки від похибки градуювання атенюатора, що для вимірювальних атенюаторів поглинального типу НВЧ- діапазону не перевищує 0,1 дБ. Перебудовуючи частоту гетеродина можна контролювати спектральну густину потужності досліджуваних речовин у діапазоні до 160 ГГц.

Для контролю виробів із діелектричних матеріалів (дефектоскопії структур, контролю вологості, температури) був розроблений модуляційний гетеродинний РПК Введення в схему керованого ППЧ А7, диференціального підсилювача А8, джерела стабілізованої постійної напруги G3, НВЧ-балансового модулятора U5 і вентиля А2, сполучених зазначеним чином, забезпечує формування шумового сигналу, що компенсує, безпосередньо з НВЧ-сигналу і гетеродину. В результаті вплив власних шумів антени на приймач врівноважується дією шумового сигналу, що компенсує, який формується на виході НВЧ-балансного модулятора і вводиться в тракт приймача спрямованим відгалужувачем А1, коли НВЧ-ключ U1 закритий. За періодичної роботи НВЧ-ключа U1 вибірковим ПНЧ A4 буде підсилюватися напруга обвідної відеоімпульсів. Якщо низька частота переключень НВЧ-ключа Щ, то низькочастотну напругу, підсилену вибірковим ПНЧ A4.

Це забезпечує підвищення точності і чутливості вимірювання вхідних сигналів за рахунок виключення впливу власних шумів антени і вхідних елементів прийомного тракту РПК на значення прийнятого сигналу незалежно від частоти гетеродину. Розроблений модуляційний гетеродинний РПК за запропонованою схемою може використовуватися для дефектоскопії, контролю вологості та температури і має флуктуаційний поріг чутливості у межах 10-20 - 10-21 Вт/Гц·.

Встановлено, що з часом через процеси електричного старіння елементів контролюючих схем, а також при відхиленні параметрів навколишнього середовища від нормальних змінюється коефіцієнт підсилення активних елементів, що порушує симетрію автоматичного перемикача і викликає зміщення нуля РПК. Тому виникають прогресуючі похибки МСП і АСП.

Автором запропонована схема реалізації алгоритму оцінки складових похибки. Згідно з поясненнями до виразу випливає, що компенсувати МСП можна зміною крутизни перетворення Sп, тобто зміною коефіцієнта підсилення приймача РПК, а АСП - симетрією автоматичного перемикача при Рх = 0. Показано, як можна безпосередньо в процесі роботи РПК із використанням додаткових стандартних технічних засобів (атенюатора, еталонного генератора шуму, надвисокочастотних ключів) оцінити сумарну абсолютну похибку вимірювання ДСх і відносну сумарну похибку дСх.

Таким чином, можна визначати похибки РПК й оцінювати тим самим достовірність результатів контролю.

Проведена оцінка похибок контролю густини виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ, розраховані ризики виробника (б = 0,071) і замовника (в =0,018), а також ступінь абсолютної вірогідності визначення (D = 0,911). Показано, що розроблені РПК відповідають вимогам до приладів і методів контролю та визначення складу речовин.

Четвертий розділ присвячено експериментально-аналітичному дослідженню метрологічних характеристик РПК НВЧ-діапазону, які впливають на результат і похибки контролю.

Показано, що поліпшення характеристик антен є важливою практичною задачею проектування РПК. Досліджено залежність коефіцієнта підсилення використаної антени-аплікатора (діаметр - D) від розміру екрана антени (Dе). Обґрунтовано застосування „магнітних” антен-аплікаторів, що забезпечують велику глибину зондування. Експериментальними дослідженнями встановлено, що граничні поля практично відсутні у зазорі „антена - об'єкт”, якщо розмір Dе ? 1,75D, що забезпечує більшу завадозахищеність та ефективність при реєстрації надзвичайно малих потужностей НВЧ випромінювань.

Був проаналізований вплив асиметрії параметрів АП. Показано, що реальні АП при перемиканні порівнюваних сигналів мають властиву їм асиметрію, що викликає похибку від комутаційних розривів. У результаті цього, у спектрі обвідної напруги з'являються додаткові складові, які впливають на результат порівнювання. Для покращення якості комутації АП керується напругою прямокутної форми.

Таким чином, отримані співвідношення сигнал/завада при домінуючому впливі теплових шумів і пригнічення флікер-шуму показують, що завадостійкість РПК збільшується із зменшенням частоти комутації, не залежить від різниці фаз порівнюваних сигналів для некорельованих джерел і залежить від фазового зсуву для корельованих джерел. Досліджено вибір частоти комутації та смуги пропускання РПК. Показано, що змінна складова частоти комутації, що несе інформацію про стан або характер досліджуваного об'єкта, на виході КД є величиною, пропорційною потужності вхідного сигналу та змінюється із частотою модуляції.

Експериментальні дослідження виробів із діелектричних матеріалів проведені за допомогою запропонованих РПК. З метою створення системи оцінки комфортності текстильних матеріалів, які використовуються для пошиття одягу, були досліджені їхні власні ЕМВ у діапазоні 45 - 55 ГГц при температурі 37єС. Встановлено, що інтенсивність власних ЕМВ натуральних матеріалів (хутро, льон) мають рівень 10-13 _10-14 Вт/см2 і найближчі до інтенсивності ЕМВ людини, отже, сприяють збереженню температури тіла. Синтетичні ж матеріали, наприклад, поліестер, мають значно меншу випромінювальну здатність, що призводить до порушення комфортності одягу з цих матеріалів.

Для організації системи неруйнівного контролю технологічних процесів при виробництві продукції спеціального призначення за допомогою РПК досліджувалися рівні ЕМВ кварцового скла, кварцової кераміки і ситалу при температурі 45єС на частоті 52ГГц. Результати експериментальних досліджень показали, що кварцова кераміка, виготовлена з молотого кварцового скла, має у 2 рази вищу інтенсивність ЕМВ, аніж монолітне кварцове скло, і рівень випромінювання залежить від густини кераміки. Отримані результати підтверджують можливість контролю густини кераміки в межах 1,5...2,5 г/см3 і пористості в межах 6..12% при зрівнянні рівнів потужності ЕМВ контролюємого і еталонного зразків, які знаходяться в однакових температурних умовах.

З'ясовано, що матеріали, нагріті до раніше зазначеної температури, створюють спектральну густину ЕМВ, яка не перевищує 110-20 Вт/Гц·см2. Залежність інтенсивності випромінювання матеріалів від температури має лінійний характер. Таким чином, досліджувані діелектричні матеріали мають різну інтенсивність випромінювання у НВЧ-діапазоні хвиль, рівень якої може бути використаний для неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів. Доведено, що рівень потужності власного ЕМВ залежить від структурних порушень та неоднорідності речовини.

Досліджено електромагнітний діапазон випромінювання генераторів поляризованого світла БІОПТРОН з довжинами хвиль 480 - 3400 нм. В результаті виявлено й експериментально підтверджено невідоме раніше у спектрі випромінювання додаткове ЕМВ НВЧ-діапазону.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень в дисертаційній роботі отримані такі наукові та практичні результати:

1. Обґрунтовано метод неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем власного ЕМВ у НВЧ-діапазоні.

Показано, що розроблені раніше РПК не відповідають вимогам контролю виробів із діелектричних матеріалів через недостатню чутливість (до 10-12 Вт), точність (похибка не менш

3дБ) і обмеженість частотного діапазону (до 30 ГГц).

2. Доведено, що при наявні градієнту речовини (домішки) в виробах контролю виникає довгохвильове (дц) вторинне ЕМВ при опромінюванні короткохвильовим (мм) ЕМВ.

Запропоновано спосіб оцінки перевищення вторинного ЕМВ над радіотепловим за рахунок компенсації шумового сигналу від об'єкту контролю власними шумами підсилювача при додатковому введенні позитивного зворотного зв'язку РПК. За рахунок підвищення чутливості РПК зареєстровано перевищення вторинного ЕМВ над первинним в діапазоні 10-25%.

3. Встановлено, що домінуючим фактором підвищення флуктуаційного порогу РПК (що непотрібно) з'являється проходження у низькочастотному каналі РПК спектральних складових наближених до частоти комутації.

Запропоновано проводити зменшення флуктуаційного порогу чутливості модуляційних РПК за рахунок звуження смуги пропускання ВП та ФНЧ, збільшення коефіцієнту підсилення ВП на частоті комутації, вибору частоти комутації в залежності від факторів завад.

4. Введення в схему РПК із гетеродинним перетворенням частоти зворотного зв'язку через спрямований відгалужувач з додатковим перетворенням шумового сигналу промчастоти в НВЧ сигнал із використанням переналагоджуємого гетеродину дозволяє поширити частотний діапазон РПК в короткохвильову частину мм-діапазону (до 140-160 ГГц).

5. Обґрунтовано доцільність введення структурного надлишку (введення каліброваної радіопрозорої пластини, додаткового введення еталонного шуму), що забезпечує при комп'ютерної обробки результатів додаткового вимірювання виключення МСП і АСП РПК та значного підвищення точності контролю (МСП- 1,5%, АСП- 10-15 Вт) і чутливості РПК.

6. На основі запропонованої методики оцінки похибок, що забезпечує можливість роздільного вимірювання МСП і АСП, виявлено, що РСХ РПК практично збігається з НСХ при температурі 25оС, АСП не перевищує 10-21 Вт/Гц. Досліджено вплив на похибку контролю виробів власних шумів НВЧ-тракту РПК, а також розроблені рекомендації щодо їхнього послаблення, що дає можливість оцінювати сигнали нижче власних шумів РПК.

7. Теоретичні висновки та експериментальні результати підтверджують, що розроблені сучасні РПК НВЧ-діапазону забезпечують достатню підвищену чутливість і точність контролю. Це дає змогу вірогідно контролювати вироби із діелектричних матеріалів, реєструвати значення температури, вплив фізичних та хімічних факторів на їх склад та властивості і коригувати ці процеси, встановлювати зв'язок між параметрами виробів. Отримані результати підтверджують можливість контролю густини кераміки в межах 1,5...2,5 г/см3 і пористості в межах 6..12% при зрівнянні рівнів потужності ЕМВ контролюємого і еталонного зразків, які знаходяться в однакових температурних умовах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф., Манойлов В.П., Куценко В.П., Гимпилевич Ю.Б. Микроволновая радиометрия физических и биологических объектов. - Житомир: „Волынь”, 2003. - 408 с.

Здобувач запропонував модуляційні РПК складу фізичних об'єктів.

2. Водотовка В.И., Репа Ф.М., Куценко В.П. Высокочувствительный нулевой модуляционный радиометр // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. -Изд. НТУУ „КПИ”. - Вып. 48, 2005. - С.16-22.

Здобувач обґрунтував методику модуляційної обробки сигналів без комутації виходу антени РПК.

3. Скрипник Ю.О., Куценко В.П., Трегубов М.Ф., Шевченко К.Л., Яненко О.П. Радіометричний кореляційний вимірювач потужності мікрохвильового діапазону // Наукові праці Донецького національного технічного університету. - Серія „Обчислювальна техніка та автоматизація”. - Вип. 88. - Донецьк.: „Лебідь”, 2005. - С.152-155.

Здобувачем створено алгоритм розрахункових операцій для визначення потужності ЕМВ НВЧ-діапазону.

4. Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Куценко В.П., Трегубов М.Ф., Яненко О.П.

Радіометричний контроль складу та стану об'єктів живої та неживої природи // Вісник КНУТД, №2(22), 2005. - С.13-18.

Здобувач запропонував метод зменшення завад наближених до частоти комутації при радіометричному контролі складних виробів із діелектричних матеріалів.

5. Скрипник Ю.О., Куценко В.П., Яненко О.П. Радіометрична система реєстрації мікрохвильових полів і випромінювань біооб'єктів // Наукові праці Донецького національного технічного університету. - Серія „Обчислювальна техніка та автоматизація”. - Вип. 74. - Донецьк.: „Лебідь”, 2004. - С.382-385.

Здобувач обґрунтував методику проведення калібрування РПК за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону від АЧТ.

6. Патент №66419 (Україна), G01N22/00, G01J5/00 Спосіб оцінки перевищення вторинного мікрохвильового випромінювання над радіотепловим / Скрипник Ю.О., Яненко О.П., Куценко В.П.- № 20021210245; Заявл. 18.12.2002; Опубл. 17.05.2004; Бюл.№ 5.

Здобувачем розроблена методика розрахунків оцінки перевищення вторинного ЕМВ НВЧ-діапазону над радіотепловим.

7. Патент № 68120А (Україна), G01R20/08 Модуляційний гетеродинний радіометр / Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Куценко В.П. - №2003109235; Заявл. 13.10.2003; Опубл. 15.07.2004; Бюл. 7.

Здобувач обґрунтував концепцію побудови модуляційного гетеродинного РПК і показав шляхи підвищення чутливості та точності.

8. Патент №70229А (Україна), G01S13/00 Спосіб вимірювання слабких радіовипромінювань. / Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Скрипник І.Ю., Куценко В.П.- № 20031213093; Заявл. 30.12.2003; Опубл. 15.09.2004; Бюл. № 9.

Здобувач розробив алгоритм вимірювання слабких радіовипромінювань і оцінку похибок контролю.

9. Патент №69098А (Україна), G01R29/08 Нульовий модуляційний радіометр / Скрипник Ю.О., Водотовка В.І., Репа Ф.М., Куценко В.П. - №20031210978; Заявл. 03.12.2003; Опубл. 16.08.2004; Бюл. 8.

Здобувачем обґрунтована методика модуляційної обробки сигналу без комутації виходу антени.

10. Патент №65764А (Україна), G01R29/08 Кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання. / Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Яненко О.П., Куценко В.П.- № 2003054104; Заявл. 06.05.2003; Опубл. 15.04.2004; Бюл. № 4.

Здобувачем створено алгоритм розрахункових операцій для визначення потужності ЕМВ НВЧ-діапазону.

11. Куценко В.П., Трегубов Н.Ф. Неразрушающий радиометрический метод контроля плотности кварцевой керамики радиопрозрачных термостойких обтекателей // Материалы 15-ой международной конференции „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМико-2005). - Севастополь: „Вебер”, 2005. - С.834-835.

Здобувач запропонував та експериментально підтвердив можливість контролю густини кераміки радіометричним методом.

12. Куценко В.П., Скрипник Ю.А.,Трегубов Н.Ф., Шевченко К.Л., Яненко А. Ф. Радиометрический контроль состава и свойств диэлектрических материалов // Материалы 16-ой международной конференции „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМико-2006). - Севастополь: Вебер”, 2006. - С. 762-764.

Здобувач обґрунтував спосіб радіометричного неруйнівного контролю складу матеріалів за рівнем їх радіотеплового ЕМВ НВЧ-діапазону.

АНОТАЦІЯ

Куценко В.П. Підвищення чутливості і точності радіометричних приладів контролю виробів із діелектричних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 „Прилади і методи контролю та визначення складу речовин”. Київський національний університет технологій та дизайну, м. Київ, 2006 р.

Дисертація присвячена питанням підвищення чутливості і точності радіометричних приладів неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів (РПК) за їх рівнем власного електромагнітного випромінювання НВЧ-діапазону.

Розвинута теорія модуляційних РПК та систем, яка заснована на виділенні інформаційних сигналів на фоні шумових завад. Проаналізовано основні причини зниження чутливості і точності РПК. Встановлено, що головною причиною зниження чутливості модуляційних РПК є шумові завади, наближені до частоти комутації. Запропоновані алгоритми періодичного заміщення контрольованих сигналів у каналах РПК: власними шумами РПК; сигналом НВЧ-гетеродину, промодульованим шумовою напругою проміжної частоти; додаванням еталонного шуму з відомою інтенсивністю і т. і.

Досліджено вплив асиметрії параметрів автоматичного перемикача, вибір частоти комутації та смуги пропускання РПК, джерела похибок РПК, вплив узгодження антен з об'єктами контролю. Запропоновано схемна реалізація комп'ютерних засобів зниження похибок модуляційних РПК від власних шумів антени і підсилення прийнятого сигналу, нульових методів контролю без переривання прийнятого сигналу. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження підтверджують можливість практичної побудови нових схем модуляційних РПК з порівняно вищими метрологічними параметрами: флуктуаційним порогом чутливості Pmin?1•10-20 Вт/гц, діапазоном робочих частот до 160 ГГц та розширеними функціональними можливостями.

Розроблено нові структури високочутливих РПК НВЧ-діапазонів і створено основи їхнього проектування для неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рахунок контролю інформативних параметрів, надзвичайно слабких сигналів, рівень яких менший за рівень власних шумів РПК. Отримані результати підтверджують можливість контролю густини кераміки в межах 1,5...2,5 г/см3 і пористості в межах 6..12% при зрівнянні рівнів потужності ЕМВ контролюємого і еталонного зразків, які знаходяться в однакових температурних умовах.

Ключові слова: чутливість, точність, флуктуаційний поріг, НВЧ-діапазон, радіометричний прилад, контроль складу речовини, рівень електромагнітного випромінювання, похибка.

АННОТАЦИЯ

Куценко В.П. Повышение чувствительности и точности радиометрических приборов контроля изделий из диэлектрических материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 „Приборы и методы контроля и определения состава веществ”. Киевский национальный университет технологий и дизайна, г. Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена вопросам развития теоретических основ и разработки методов и способов повышения чувствительности и точности радиометрических приборов неразрушающего контроля изделий из диэлектрических материалов (РПК) по их уровню электромагнитного излучения СВЧ-диапазона.

В диссертационной работе исследованы взаимосвязи состава веществ с собственными ЭМИ. Показано, что собственное СВЧ излучение от различных объектов несет в себе информацию о температуре, физических свойствах, характере динамики внутренних процессов. Эти излучения имеют как равновесный характер (тепловое излучение), спектральное распределение энергии излучения которых описывается законами Планка и Релея-Джинса, так и неравновесный, обусловленные в основном неоднородностью структур. Разработаны математические модели и рассмотрен характер резонансного взаимодействия веществ с внешними ЭМП. Показано, что по уровню ЭМИ можно идентифицировать чистые и однородные вещества, определять их примеси, плотность, а так же температуру веществ.

Впервые предложен способ оценки превышения вторичного ЭМИ над радиотепловым за счет сравнения измеряемого сигнала с собственными шумами РПК до и после облучения объекта микроволновым излучением и использования при этом положительной обратной связи в схеме РПК. Обеспечена высокая достоверность определения примесей и исследования химсостава веществ без нарушения их целостности.

В ходе исследований получила развитие теория модуляционных РПК и систем, основанная на выделении информационных сигналов на фоне шумовых помех. Проанализированы основные причины снижения чувствительности и точности РПК. Установлено, что главной причиной снижения чувствительности модуляционных РПК являются шумовые помехи, близкие к частоте коммутации. Предложены меры повышающие помехоустойчивость РПК за счет сужения полосы пропускания избирательного усилителя (ИУ) и фильтра нижних частот, увеличения коэффициента усиления (ИУ) на частоте коммутации, выбора частоты коммутации в зависимости от факторов помех.

Исследовано влияние ассиметрии параметров автоматического переключателя, проведен выбор частоты коммутации, полосы пропускання ФНЧ, определены источники погрешностей РПК, в т.ч. влияние согласования антен-апликаторов с объектами контроля. Предложена схемная реализация компьютерных средств снижения погрешностей модуляционных РПК от собственных шумов антенны и усиления принятого сигнала, нулевых методов измерения без прерывания принятого сигнала, а также с компенсацией погрешностей, определяемых неравновесной составляющей электромагнитных излучений (ЭМИ). Разработана функциональная схема и алгоритм определения адитивных и мультипликативных составляющих погрешностей измерения ЭМИ. Выявлено, что реальная статическая характеристика РПК практически совпадает с номинальной при температуре 25оС, адитивная составляющая погрешность не превышает 1•10-14 Вт.

Исследовано влияние на погрешности измерения собственных шумов СВЧ-тракта РПК, разработаны рекомендации по снижению их влияния, что упрощает выбор элементной базы РПК.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования подтверждают возможности практического построения новых схем модуляционных РПК с более высокими метрологическими параметрами: флуктуационным порогом чувствительности - Pmin?1•10-20 Вт/гц, диапазоном рабочих частот вплоть до 160 ГГц и росширенными функциональными возможностями.

Разработаны новые структуры высокочувствительных РПК СВЧ-диапазона и созданы основы их проектирования. Показаны возможности данной аппаратуры и способы измерения мощности сигналов, уровень которых ниже чем уровень собственных шумов РПК, для решения практических и научных задач при неразрушающем контроле изделий из диэлектрических материалов. Полученные результаты подтверждают возможность контроля плотности кварцевой керамики в пределах 1,5...2,5 г/см3 и пористости в пределах 6..12% при сравнении уровней мощности ЭМИ контролируемого и эталонного образцов, которые находятся в одинаковых температурных условиях.

Ключевые слова: чувствительность, точность, флуктуационный порог, СВЧ-диапазон, радиометрический прибор, контроль состава вещества, уровень электромагнитного излучения, погрешность.

ABSTRACT

Kutsenko V.P. Increase of sensitivity and accuracy of radiometric control devices of products from dielectric materials. - the Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand. Tech. Sc. on a speciality 05.11.13 "Devices and a quality monitoring and definitions of substances structureThe Kyiv National university of technologies and design, Kyiv, 2006.

The dissertation is devoted to questions concerning the increase of sensitivity and accuracy of radiometric non-destructing control devices of products from dielectric materials (RCD) by a level of electromagnetic radiation over a high-frequency range.

Theory of modulation RCD and systems which is based on allocation of broadband information signals against a background of noise handicapes is developed. Principal causes of decrease in sensitivity and accuracy RCD are analyzed. Influence of channels parameters on fluctuation sensitivity is investigated. It is established that themain reason of decrease in sensitivity of modulation RCD are noise handicapes which are approached to frequency of switching. Algorithms of periodic replacement of controllable signals in channels RCD are offered by: own noise of RCD; the signal of the microwave-getеrоdin which is promodulated by noise pressure of intermediate frequency; addition of reference noise with known intensity, and etc. Influence of parameters asymmetry of the automatic switch, choice of modulation frequency and passband, source of errors RCD, influence of the coordination of own radiation aerials with objects of the control is investigated. Circuit realization of computer means of decrease in errors of modulation RCD from own noise of the aerial and strengthening of the accepted signal, a zero quality monitoring without interruption of the accepted signal are proposed.

Carried out theoretical and experimental researches confirm an opportunity of practical construction of new schemes of modulation RCD with rather maximum metrological parameters: fluctuation sensitivity Pmin?1 10-14 V, a range of working frequencies up to 160 GHz and the expanded functionalities.

New structures of high-sensitivity RCD the microwave-ranges are developed. The basis of their designing for non-destructing control of products from dielectric materials by control of informative parameters , extremely weak signals which level is lesser than level of own noise RCD is created. The possibile control of ceramik density within 1,5...2,5 g/сm3 and porosity within 6..12% is confirmed by received results. It can be possible at comparison of levels of electromagnetic radiation power of controlled and model production at egual temperature conditions.

Keywords: sensitivity, accuracy, fluctuation threshold, UHF-range, the radiometric device, the control of substance structure, a level of electromagnetic radiation, an error.

Размещено на Allbest.ur

...