Перспективные методы измерения комплекса электрофизических и теплофизических параметров радиопоглощающих покрытий Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 543.257.5;473.45.33

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ

Н.П. Федоров, П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, С.Р. Каберов

Тамбовский военный авиационный инженерный институт Представлена членом редколлегии профессором С.В. Мищенко

Ключевые слова и фразы: волновое сопротивление; диэлектрическая проницаемость; магнитная проницаемость; неразрушающий контроль; поверхностная волна.

Аннотация: Представлены перспективные методы неразрушающего контроля и реализующие их алгоритмы измерения комплекса параметров поглощающих и неотражающих покрытий летательных аппаратов.

Цель работы: рассмотреть перспективы предложенных и апробированных высокоинформативных методов поверхностных волн, суть которых заключается в информативном сканировании результатов взаимодействия поверхностных медленных волн (бегущих или смешанных) с двухслойной структурой, например, «магнитодиэлектрик - металл».

Задача: определить комплекс электрофизических и теплофизических параметров магнитодиэлектрических покрытий, в частности, радиопоглощающих, лакокрасочных покрытий и др.

Решение задачи базируется на решении системы трансцендентных характеристических уравнений измеряемого коэффициента затухания а от параметров анализируемого слоя, как результат взаимодействия специально организованных синфазными апертурными системами поверхностных волн с магнитодиэлектрическими покрытиями путем возбуждения в слое разных Е и Н мод (многочастотных) как латентных, так и не латентных (под латентностью понимается степень локализации поля поверхностной медленной волны вблизи слоя покрытия).

Рассмотрим основные методы измерения электрофизических и теплофизических параметров покрытий.

На рис. 1, а представлена графическая интерпретация решения характеристических уравнений для измерения электрофизических параметров поверхностными Е и Н модами. На рис. 1, б, в показаны зависимости коэффициента затухания аЕН для разных мод, начиная с основной моды Е1, Е2, Н1 и т.д. от длины волны X, возбуждаемой в слое и зависимости фазового аргумента рЕНЬ (Ь - локальная толщина слоя), из которых видны границы частотного диапазона существования одно-, двух- и многомодовых режимов. Например, при ХкрН1 мода Е1 -латентна, а мода Н1 - не латентна.

Самым простым из предложенных является метод определения диэлектрической проницаемости (действительной ее части) е' и толщины Ь защитного покрытия [1].

Метод 1. При двух длинах волн меньше Хтах (рис. 1 а - е) Xп < Хг2 в зоне первой моды Е1, так что |Х п -Xг2 << Xп 2 при Р^Ь << ^ (где Ь - толщина покрытия), определяются а1 и а2, затем величины е и Ь по а,1, а2 , Х1, Х2. Ме-4ип й

КЦИ1

'тз

£ (1ПО/LQ) 1 ! 1 E (S. мола) 1 H (2 мода)

yiÿ(Pe<è) \-Щ(Рт &)- l 1 l i

1 1 1 l

—rs 1 I\\ 1 u Я f i\"3 i I i i

j « У NT'*1Л 1 -Ж-1- \*-п iSim Z.~ ~ Л ~к 4 \\ N N\ ¡\\АгЖ \ / 1 1 \ JLrSUr3 < ~^ri <-^-rv 1 \ /1 ' \ / 1 I \/ j {dyEfHnB)*+(fl 1 1 U— \ 1

vr ЗЯ л X" Et

а)

Рис. 1 а) графическая интерпретация решения характеристических уравнений для измерения электрофизических параметров поверхностными Е и Н модами;

1 - окружность при постоянной длине волны - существуют 2 моды (Е1 и Н1);

X—- = X—-; 2 - точки решения, дающие значения ауЕ НпЬ и руЕ НпЬ;

3 - окружность для постоянной длины волны - существуют 3 моды (Е1, Н1, Е2); б) зависимости коэффициента затухания аЕН от длины волны X, возбуждаемой в слое; в) зависимости фазового аргумента рЕ,НЪ от длины волны X, возбуждаемой в слое

тод можно рассматривать как способ определения Ь с отстройкой от е' . Основным достоинством метода является возможность быстрого сканирования распределения толщины Ь( х, г) на больших площадях покрытий с отстройкой от зазора и от изменения величин е'.

Метод 2. Комплексный метод неразрушающего определения е, ц, Ь , 7 в -волнового сопротивления и объемной теплоемкости С жидких (твердеющих) или твердых магнитодиэлектрических покрытий на металлической поверхности.

1. На XГ1 возбуждается мода Е1 при условии 0 <РЕ1Ь << ^2.

2. Измеряется ауЕ1 =а1 (е', ц',Ь).

3. На разных длинах волн Xг2 < Xп , но близких Xг2 » ХГ1 возбуждается мода Е1 при условии 0 < рЕ1Ь << ^2 . Выбор Xп и Xг2 осуществляется из условия, когда Ре1 2Ь такое, что погрешность аппроксимации моды меньше заданной, т.е. X! и X2 должны быть как можно больше.

4. Измеряется ауЕ1 =а2 (е',ц',Ь), а также определяется объемная теплоемкость С. Для этого дополнительно используется измеритель/преобразователь измерения величины а и инфракрасного (ИК) объемного теплопоглощения (ИК объемной теплоемкости СИК).

Схемная реализация устройства по данному методу приведена на рис. 2. При заданных координатах X\ и 7^ в момент времени /0 излучается микросекундный импульс ИК-излучения. Измеряется отраженный тепловой импульс в приемник Ротр. ИК. В момент времени /0 + Д/ измеряется отношение мощности падающей Рпад. ИК и отраженной Ротр. ИК волн, и по их среднему значению определяется объемная теплоемкость СИК.

5. На длине волны X г3 (X г3 е ДXЕ1н 1) возбуждаются моды Е1 и Н1. Длина волны Xгз выбирается так, чтобы мода Е1 была латентной, т.е. а2 = ауЕ1

много больше аз = ауН1 для моды Н1, а также ^2 < Рн 1Ь ^ ^2 + Д. При этом Xз должна обеспечивать выполнение неравенства

X3 > XН1 + ДXНЕ1 = X§]. . (1)

6. Измеряется величина аз =аз (е',ц',Ь) для #1 вибраторами на таком расстоянии от Ь , чтобы поле Е1 на длине волны X г3 практически было равно нулю (латентность моды Е1). Выбор Х1, X2 и Х3, т.е. их отношения, производится только по компьютерной модели.

Анализ рис. 1, в показывает, что невозможно измерение е, ц, в для моды

Е1, на трех длинах волн Х1Д3 , так как система переопределена. В этом случае возможно определить величину аЕ только для двух длин волн Х1 2 по упрощенному методу:

2b

1 + 4(s' и'-1)

2nb

X г s'

-1

(2)

Для связи ц 'и Ь надо определить на длине волны X Я1(3) величину 2п

а #1(3)

X #1(3) И

1 -

а #1(3)X # 1(3)

2п

(-ctg Р # 1(3)b)

Р#1(3)

И

Р # 1(3)b-- ]•

Аналитическое решение системы трансцендентных характеристических уравнений зависимости коэффициента затухания а от параметров анализируемого слоя по пп. 2, 4 и 6 при условии, что параметр

Ре -

2п

X Гі \

аіх Гі 2п

<< 1, і —1, 2

(3)

записывается в виде системы уравнений:

1 + а iа 2 X j X 2 (а 1-а 2 ) ;

~'

s и =

4п2 (а2X2 -а 1X2)

b

а і X

11

s' 4п2 (ц- 1)-а2X2 ( 3b )■

(4)

Таким образом:

к 1 - s'|a';

и' — к3b - к4 .

(5)

где (&i,.. .,&4) = const - коэффициенты пропорциональности.

Решение системы уравнений (4) или системы (5), дает локализованные вели-

чины е ', ц' ,b и нормированную величину фазовой скорости Уф = (е'ц')

-1/2

s

Метод 3. На длинах волн X Г3 и X Г3' возбуждается мода Е1 так, чтобы вЕ1Ь /2. При этом на XГ3 ' возбуждается и мода Н1, но так, чтобы рЯ1Ь<п/2 + А (см. рис. 1, а). В случае затухания а1 и а2 дляЕ1 достаточно велики и измеряются вблизи Ь, а затухание для Н1 мало и им можно пренебречь. Далее определяется а 3 для моды Н1, но на таком расстоянии Ь, чтобы поле на длинах волн Xг3 и Xг3 ' моды Е1 было латентным.

По значениям а!, а2 и а3 определяются искомые величины. Здесь важно отметить, что измерение производится только на двух длинах волн Xг . Однако возможно измерение а для ЕиНнаразной базе вибраторов.

Особенностью приемной части аппаратурной реализации указанного алгоритма (см. рис. 2) является наличие устройства создания поля Н0^ - постоянного поля поперечного ферромагнитного резонанса для определения гиромагнитных потерь угм. Обеспечивая постоянное поле поперечного ферромагнитного резонанса Н в точке приема, производятся измерения напряженности электрического поля поверхностных медленных волн еЦ1(Xо,7о) вибратором В1.

Повторяется предыдущий измерительно'-вычислительный алгоритм определения е ', ц ', и Ь в следующей точке, делая шаг А2 вдоль оси 2.

По результатам измерений вычисляется величина аж, пропорциональная омическим потерям уом и определяется мнимая часть величины диэлектрической проницаемости

аж = ^Уом = е"=уом X п . (6)

Измеряя напряженность электрического поля еЦ1 (X0,70 +А1) при Н01, вычисляется

а НЕ = У гм + Том. (7)

С учетом (6) - (7) и по величине гиромагнитных потерь угм вычисляют мнимую часть величины магнитной проницаемости ц"

а НЕ1-а 2Е =У гм =Ц" = У гм X Г1. (8)

ШГ Г 1 гг гг

рассчитанным величинам е , ц , Ь и е , ц определяются комплексные

величины диэлектрической и магнитной проницаемостей е = е'- уе ' ' и ц = ц' - уц'', их модули и аргументы, а также вычисляется величина волнового сопротивления

А”

Ц ( . фц фЕ -expl ----------

(9)

где 7 о = 377 Ом - волновое сопротивление свободного пространства.

Величины е', ц ', а также фазовую скорость в бесконечном пространстве, которое заполняет данный магнитодиэлектрик с потерями

,, = _^_ = ^ (10)

(е' ц')2 (е'ц')2

Таблица 1

Сравнительная характеристика методов измерения параметров покрытия на двух и трех длинах волн

Метод 2 Метод 3

Три длины волны. Две длины волны.

Погрешность из-за дисперсии є ' ,ц' на существенно разных длинах волн Х^ X2, Х3 . Минимум этой погрешности, так как ^ ~ ^ '.

Чувствительность а к изменению параметров мала. Влияние нестабильности Xг мало. Чувствительность а к изменению параметров велика. Влияние нестабильности Xг велико. Погрешность больше из-за высокой чувствительности аЕ при вЕ1Ь /2 к нестабильности X г .

Вычислительный алгоритм значительно проще (2 простых уравнения). Вычислительный и измерительный алгоритмы (коммутация базы вибраторов) сложнее.

можно определить не только по двум длинам волн Xl, X2 и а1, а2 , но и по трем

Xl, X2 и Xз. В табл. 1 приведена сравнительная характеристика методов измерения параметров покрытия на двух и трех длинах волн (методы 3 и 2).

Метод 3’. Данный метод является модификацией предыдущего. Выбор X Г 4 для моды Н1, производится с условием малой латентности, но высокой чувствительности ан к измерению параметров, а для Е1 на X г4 латентность весьма высока. Измерение выполняется на 2-х длинах волн на одинаковой базе вибраторов.

Метод 4. Определение величин е', е ' ' и Ь по длинам стоячих волн (СВ) или смешанных волн (СмВ) моды Е1 [3].

Из-за конечности продольного размера измеряемой замедляющей структуры

(ЗС) обладающей волновым сопротивлением 7 ^ на ее границе со свободным пространством с 7о Ф 7ВС имеет место частичное отражение поверхностной

волны. В этом случае «чистого» режима бегущей волны (БВ) (с коэффициентом БВ (КБВ) порядка о,85...о,9) можно добиться введением закрепленного совместно с приемным вибратором на расстоянии от него не менее Xг / 2 поглощающей согласованной нагрузки.

В общем случае наличие режима СмВ, а при установке электромагнитного экрана - режима, близкого к СВ (с КБВ не хуже 4о.5о дБ) позволяет производить измерение, как информативной, величину КСВ. Главное, что при этом легко реализовать измерение длины волны над замедляющей структурой, т.е. X зс , как удвоенное расстояние между двумя соседними минимумами поля стоячей волны вибратором, непрерывно (или дискретно с шагом А7 ) передвигающимся вдоль максимума диаграммы направленности (ДН) с поисковым методом индикации минимума поля.

Расстояние от вибратора до слоя при этом должно быть минимальным.

Так как а2 = Ф(Ь,е') = -к2 = ^ < k11 = k2v‘^-k2 = k2-1), то

а = X“'^/v3 -1, где коэффициент замедления ¥3 = Х. Отсюда ХзС зависит

от Ь, е ': Xзс = Ф2 (Ь,е ' ).

На основании метода 1 и выражений по заданным величинам X п = "1, Xг2 = a2 и измеренным величинам Xзс = ¿1 и Х3С2 = Ь., с учетом того, что

V"2 - Ь2 ^2 - ¿2

--------= с , ----------= 8,

"1Ь1 "2Ь2

легко получить расчетные выражения для е'= Ф3 (Х1, X., Хза, X зС. ) и

ь = ф4(X1,X.,XЗСЬX3С2) :

е' = 1 + (-8), (П)

2 2 2 8"1 - с а.

са ,2 е '

Ь =---------1------2. (12)

4п (е ' -1) - са.

Достоинства метода:

1. Простота сканирования электрического поля Е только по оси г по максимуму диаграммы направленности. Нет необходимости измерений по оси у как в [2].

2. Если в [2] для измерений величин диссипативных затуханий аЕ2 = уом и аН2 = уом + угм « угм обязательно присутствие согласующей нагрузки-поглотителя (см. выше), то в прелагаемом методе величины а% могут быть измерены как

_ 1 _!п +1шш

0,5Х ЗС E

ЗС min

0,5Xтсп + o,5xтСах и ■ \2 , \2

где 0,5X3С =------ 2-3С_ или 0,5X3С ^П) + (),5XтСх) .

Здесь 0,5X- - расстояние между ближайшими минимумами, а 0,5хтСх -

расстояние между ближайшими максимумами.

3. Больше чувствительность измерений СВ по сравнению с параметрами бегущей волны (локализации мощности СВ в замкнутом пространстве «излучатель-

ЭМЭ»). Заметим, что при измерениях для X г2 при (для X^) по пункту 1 поиска (рис. 3) величины Д£ = 0^зс. , при которой фазы Е в точках 1г и

+ Д (X г 2) будут отличаться на величину ±п. Этот вариант лучше, в смысле локальности измерений. При этом е' считаем измеренным в точке , а в вари-

% г 2 - % г1

анте 1 - в точке Z i +

2

■Г 1

■Г 2

L Поиск Zj,i, Zj+i,i, Zj-,2, Zi+1,2 • 2. Измерение ElMn , Ei+I,min , E,,2 , Ei+1,2

1. Расчет Xзс1 , хЗС2 .

2. Расчет а г1,2 по (13).

3. Усреднение а2 по X^ и Xг2.

4. Расчет Ь , е ' по (11) и (12).

5. Расчет У ом или е'' = У ом х г

Ь ± ь х е

Рис. 3 Схема вычислительного алгоритма метода 4

Метод 5. На длинах волн XЕ при ре^ <<~^ (1); XН3, X^ при

П о , п

2 ¿в н \Ь < — +А рассматриваются все прочие варианты сочетания режимов

двух соседних мод Е и Н. Это не обязательно первые моды Е1 и Н1, ибо при любых Xг нас интересуют две соседние моды, т.к. предыдущие до них практически латентны, а последующих при уменьшении X г - еще нет.

Метод 6. Методы многомодовых режимов на одной частоте.

Число мод, реализуемых на одной длине волны X г, как было показано выше, является функцией величин е', ц', Ь , т. е. зависит от величины радиуса характеристической окружности рЬ. Здесь практически реализуются только режимы двух смежных по длине волны (частоте) Е и Н нелатентных мод.

Одновременно существующие моды имеют разную степень «залипания», то есть разные а и р, а, следовательно, и разные коэффициенты замедления vз и фазовой скорости Уф в режиме БВ, то есть, как бы плывут относительно друг

друга. Измерение интегрального или раздельного затухания нескольких мод в одной точке, позволяет сделать вывод об увеличении чувствительности измеряемой величины а к параметрам слоя Ь и е', но требует уточнения модели с учетом конкуренции этих мод.

В связи с этим, выявлено:

а) как распределяется мощность излучения между модами;

б) влияние конструкции двухмодовой апертуры на условие реализации мод Е1 и Н1 и условие их одночастотной и энергетической конкуренции и т.д.

Для двухмодового одночастотного режима стоячих волн (см. метод 4) в силу конечного размера зоны суммарного поля мод СВ спектр пространственных гармоник мод является сплошным, но близким к линейному для прямых и обратных дискретных пространственных гармоник.

Таким образом, суммарная спектральная плотность пространственных гармоник 0^(1^Е1,Xн 1) XG (где XЕ1, Xн 1 - длины волн над ЗС при данной длине

волны Xг ) зависит от коэффициентов Vе и Vзн1, а, следовательно, от аЕ1 и ан 1, и, в конечном счете, от величин Ь , е и т.д.

Очевидно, что значение амплитудного и фазового спектра пространственных частот могут быть привязаны к конкретной координате точки измерения. Анализ картины этих спектров (легко алгоримизируемым методом, например, быстрого дискретного преобразования Фурье (БПФ)) дает адекватную информацию не только о величинах Ь и е', но и позволяет разрешить задачу проектирования слоя, обеспечивающего эффект поглощения за счет преобразования падающей волны в поверхностную.

Недостатком описываемого выше метода двух мод СВ является малая локальность измерения, или, по крайней мере, его методическая сложность, так как для перевода распределения поля Е (г) двух мод вдоль оси 2 из аналогового вида

в цифровую (требуется АЦП с большой памятью ОЗУ) и дальнейшей обработки большого массива данных в цифровой форме в микропроцессорном устройстве требуется большая дискретная база 2 с весьма малым шагом Дг.

Существует также расчетная возможность определения величины КСВ^). зависящего от изменения амплитуд Ет и, естественно, конкурентного раздела

активной мощности Р между модами.

Метод 7. Методы, реализующие многоизлучательные когерентные системы поверхностных волн. На рис. 4 показана схема сканирования двумя ортогональными (когерентными) излучателями.

Работа метода измерения 2в в режиме дискретного сканирования с шагом

Д2 (ДХ, ) подобна данному методу, но проводится либо попеременным их

включением, либо в режиме интерференции полей когерентных источников; У -управляемое устройство для отработки соотношений амплитуды и фазы волн ортогональных излучателей по результатам интерференции, в том числе У может быть и управляемым делителем.

Приведем пример метода сканирования:

1) включение излучателя 2, измерение а1 в х,г, или I Е (у, );

2) включение излучателя х, измерение а2 в х^г, или IЕ (у,);

3) усреднение по массиву IЕ и

а.

Рис. 4 Схема сканирования: У - У-циркулятор или антенный переключатель или делитель-разветвитель мощности пополам

Этот метод дает уменьшение погрешности за счет конечных размеров сканируемой площади.

Кроме ортогонального расположения когерентных излучателей возможно и их противофазное расположение. Их можно включать попеременно как в указанном выше методе. При этом второй излучатель может служить согласующей нагрузкой.

Варианты:

а) ортогональный вариант с подвижным излучателем или линейкой излучателей X и

б) противофазный вариант с соответствующими излучателями.

Таким образом, рассмотренные варианты коммутации баз вибраторов для разных методов 2, 3, 3', 6 и их обоснование по развязке измерения величин а латентных и нелатентных мод позволяет решить задачу увеличения быстродействия алгоритмов их работы.

В сравнении с известными емкостными и индуктивными датчиками контроля [4] предлагаемые методы и преобразователи (табл. 2) позволяют на 2 - 3 порядка повысить локальность измерений, которая будет определяться поперечными размерами приемного вибратора (порядка 10-4 м) и получить значительно меньшую погрешность определения электрофизических и теплофизических параметров.

Таблица 2

Сравнительная характеристика предлагаемых методов

№ метода 1 2 3 4 5

Измеренные параметры є ', Ь є ,, Ц, Ь є, А,¿в , Ь, С 8' , Ь є, А, Ї в , Ь, С

Моды (реализуемые) Е1 Е1, Н1 Е1, Н1 Е1 Е1, Н1

Длины волн и значение фазового аргумента У1Е , Х 2 Е , р еь << п2 У1Е, У2Е, У3Н р еь << , у2 <Ряь < +дн Х1Е, Х 2Е, Н ■ РеЬ ^%/2, т2 <внь < <т2+дн У1Е, Х 2 Е, РеЬ <<% У1Е, У2 Е, У3Н р еь << <внь < <?2+Дн

Наличие погрешности из-за дисперсии Нет Есть Нет Нет Нет

Локальность и погрешности измерения (относительные и приведенные) Локален 5є'< 3% 8Ь < 5% Локален 5є'< 3% 8Ь < 5% 5|А <10% Локален 5є '< 3% 8Ь < 5% 5є" < 5 % 5ц " < 8 % 5ц " < 5 % 5г < 15 % 5С < 20 % Локален только алгорит- мически (не локален по сканированию) 58 ' < 3 % 58' '< 9 % 5Ь < 3 % Локален 5є'< 3 % 5Ь < 5 % 5є" < 5 % 5 ц < 8 % 5ц" < 5 % 5г < 15 % 5С < 20 %

Аппаратурная реализация методов, позволяющая разделение в пространстве сложной апертуры - источника поверхностных волн и отдельного, простого в реализации приемника, позволяет решить задачу быстродействующего сканирования больших поверхностей одним приемником.

Список литературы

1. Патент № 2193184 РФ, МКИ в01 N 15/06. СВЧ способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле / М. А. Суслин, П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев.

2. Федюнин П.А., Карев Д.В., Каберов С.Р. Методы измерения комплекса электромагнитных параметров радиопоглощающих покрытий в диапазоне СВЧ. Состояние проблемы измерений // Тезисы докладов 7-й Всеросс. научнотехнической конфер. - М.: МГТУ им. Баумана, 1999.

3. Дмитриев Д. А., Федюнин П. А., Федоров Н.П. Измерение электрических параметров гиротропных материалов в режиме смешанных и стоячих волн // Измерение, контроль, диагностика. Сб. материалов Международной научнотехнической конференции «ИКИ-2003», Барнаул, 2003.

4. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, В.Н.Филинов и др.; Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.

Long-Range Methods of Measuring Complex of Electro-Physical and Thermo-Physical Parameters of Radio-Absorbing Coverings

N.P. Fedorov, P.A. Fedyunin, D.A. Dmitriev, S.R. Kaberov

Tambov Military Aviation Engineering Institute

Key words and phrases: wave resistance; dielectric penetrability; magnetic penetrability; non-destructive control; surface wave.

Abstract: Long-range methods of non-destructive control and algorithms for measuring the set of parameters of absorbing and non-reflecting coverings of aircraft are represented.

Perspektive Methoden der Messung des Komplexes von den elektrophysikalischen und wärmephysikalischen Parametern der Funkschluckungsbedeckungen

Zusammenfassung: Es sind die perspektiven Methoden der ununterbrochenen Kontrolle und die Algorithmen der Messung des Komplexes von den Parametern der Schluckungs- und Unreflexionsbedeckungen der Flugapparate dargestellt.

Méthodes perspectives de la mesure du complexe des paramètres électrophysiques et thermophysiques des recouvrements d’absorption radiative

Résumé: Sont présentées les méthodes perspectives du contrôle non déstructif et les algorithmes les réalisant pour la mesure du complexe des paramètres des recouvrements d’absorption et de non-réflexion des appareils volants.