Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Проектирование радиоволновых (СВЧ) приборов неразрушающего контроля материалов. Учебное пособие

Голосов: 5

В учебном пособии даны сведения по основам проектирования, конструирования и применению радиоволновых (СВЧ) приборов неразрушающего контроля качества материалов и изделий. Предназначено для использования студентами и магистрантами при выполнении курсового и дипломного проектирования по специальностям 210217 и 200800.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       С. В. МИЩЕНКО
    Н. А. МАЛКОВ


  ПРОЕКТИРОВАНИЕ
РАДИОВОЛНОВЫХ (СВЧ)
      ПРИБОРОВ
  НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ




• ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ •


                МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

             ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




                                С. В. Мищенко, Н. А. Малков

                                  ПРОЕКТИРОВАНИЕ
                                РАДИОВОЛНОВЫХ (СВЧ)
                                      ПРИБОРОВ
                                  НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
                                КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ



                               Одобрено УМО в области автоматики, электроники, микроэлектро-
                           ники и радиотехники в качестве учебного пособия для студентов, обу-
                           чающихся по направлению 5511 и специальности 2008 и 210217




                                           Тамбов
                                    • Издательство ТГТУ •
                                             2003
УДК 621.3.049:621.385.6(075)


ББК Á 844.1 я 73-1
    М18




                                          Рецензент
                          Доктор физико-математических наук, профессор
                                         В. А. Федоров




   С. В. Мищенко, Н. А. Малков
М18         Проектирование радиоволновых (СВЧ) приборов неразрушающего контроля: Учеб. посо-
   бие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. 128 с.
   ISBN 5-8265-0238-Х



     В учебном пособии даны сведения по основам проектирования, конструирования и применению
   радиоволновых (СВЧ) приборов неразрушающего контроля качества материалов и изделий.
     Предназначено для использования студентами и магистрантами при выполнении курсового и ди-
   пломного проектирования по специальностям 210217 и 200800.
                                 УДК 621.3.049:621.385.6(075)
                                 ББК Á 844.1 я 73-1




ISBN 5-8265-0238-Х                    © Мищенко С. В., Малков Н. А.,
                                  2003
                                © Тамбовский государственный
                                  технический университет
                                  (ТГТУ), 2003

                                     УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ

                     МИЩЕНКО Сергей Владимирович,
                     МАЛКОВ Николай Аркадьевич

                                    ПРОЕКТИРОВАНИЕ
                                  РАДИОВОЛНОВЫХ (СВЧ)
                               ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
                                 КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ

                                     УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ


                                   Редактор Е. С. Мордасова
                     Инженер по компьютерному макетированию Т. А. Сынкова


                                  Подписано к печати 29.04.2003.
              Формат 60 × 84/16. Гарнитура Times. Бумага офсетная. Печать офсетная.
                              Объем: 7,44 усл. печ. л.; 7,0 уч.-изд. л.
                                      Тираж 100 экз. С. 279

                              Издательско-полиграфический центр
                    Тамбовского государственного технического университета
                            392000, Тамбов, ул. Советская, 106, к. 14




                                         ВВЕДЕНИЕ

   Создание высокоточных и надежных измерителей параметров технологических процессов, способ-
ных работать в сложных эксплуатационных условиях, является одной из актуальных проблем.
Применяя средства неразрушающего контроля, можно полностью автоматизировать многие производ-
    ственные процессы изготовления изделий, повысить производительность и качество выпускаемой
    продукции.
    Высококачественный объект должен отличаться постоянством химического состава, микро- и мак-
роструктурой, электрических и магнитных характеристик материалов, неизменными геометрическими
размерами, повышенными механическими и другими свойствами. Для исследования различных свойств
изделий, материалов и полуфабрикатов могут быть использованы все известные виды электромагнитно-
го излучений. Особенно успешно можно использовать методы радиоволнового контроля материалов на
сверхвысоких частотах (СВЧ).
    В пособии значительное место отведено практическому применению данных методов контроля
технологических характеристик (влажности, содержанию компонентов, степени отверждения и др.) по-
лимерных материалов и полуфабрикатов, а также дефектоскопии, толщинометрии и контролю физико-
механических, структурных характеристик непосредственно в изделиях и конструкциях без их разру-
шения.
    Рассмотрены теоретические основы методов контроля на СВЧ, даны расчеты и примеры конструк-
ций элементов и устройств СВЧ волноводного исполнения, используемых для проектирования прибо-
ров неразрушающего контроля (НК).
Учебное пособие предназначено для использования студентами и магистрантами при выполнении кур-
    сового и дипломного проектирования по специальностям 200800 и 210217.
                                           Глава 1

                         МЕТОДЫ РАДИОВОЛНОВОГО КОНТРОЛЯ
                                МАТЕРИАЛОВ НА СВЧ

                        1.1 РАДИОВОЛНОВЫЙ КОНТРОЛЬ НА СВЧ

    Особенности радиоволнового диапазона СВЧ. Радиоволновый диапазон электромагнитного спек-
тра излучения занимает область длин волн от 1 до 1000 мм – диапазон сверхвысокой частоты (СВЧ).
Дуализм диапазона СВЧ находит выражение в методике построения средств радиоволнового неразру-


шающего контроля: существуют радиотехнические и квазиоптические методы неразрушающего кон-
троля с использованием излучения СВЧ.
    Радиоволновые методы и средства применяют для контроля качества и геометрических размеров
изделий из диэлектрических материалов (строительные материалы, стеклопластики и пластмассы, рези-
на, термозащитные материалы, теплоизоляционные материалы, бумага, фибра, фанера), для измерения
влажности материалов (зерно, песок, древесностружечные материалы), вибраций, толщины металличе-
ского листа и т.п. [1].
    Исследуемые материалы и тела влияют на прохождение, отражение, поглощение и рассеяние ра-
диоволн. При этом происходит изменение амплитуды, фазы, поляризации и т.п. По степени изменения
указанных параметров можно судить о характерных свойствах самого материала, а также об отклонени-
ях от номинала.
    Нарушение сплошности и структуры тел почти всегда сопровождается изменением их электромаг-
нитных параметров, а, следовательно, и результатов взаимодействия электромагнитных волн с ними. На
этом основаны радиоволновые методы неразрушающего контроля состояния и структуры тел.
    Электромагнитная волна представляет собой совокупность быстропеременных электрического Е и
магнитного Н полей, распространяющихся в определенном направлении z. В свободном пространстве
электромагнитная волна поперечна, т.е. векторы Е и Н перпендикулярны направлению распространения
волны z (продольная волна отсутствует) (рис. 1.1).
    При радиоволновом контроле диэлектрических материалов необходимо знать диэлектрическую по-
стоянную ε и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ (обычно для диэлектриков магнитная проницае-
мость           µ = 1) (табл. 1.1) [2], для полупроводниковых и магнитных материалов необходимо учи-
тывать ε и µ, для металлов в основном имеет значение величина проводимости σ.




                          Рис. 1.1 Схема расположения векторов E , H и П
                                  в бегущей электромагнитной волне

                  1.1 Диэлектрические свойства сухих материалов в диапазоне
                                    сверхвысоких частот

                          ε           tg δ ⋅ 10-2
                                            Плот-
                                                          Тем-
                                                          пера-
    Материал      λ = 10 λ = 3 λ = 10 λ = 3 ность,        тура,
                    см    см     см    см   г/см3          o
                                                             С

 Окись алюми-       9,6        9,2   0,02    0,08   1,4    20
 ния                6,5        6,8   0,02    0,08   1,4    25
 Кремнезем          2,4        2,7    0,1     0,1    –     20
 Полиэтилен        2,05       2,07   0,02     0,4    –      –
 Тефлон             2,4        2,6    0,6      2     –      –
 Полистирол         2,5        2,7     6       8     –      –
 Плексиглаз        2,65        4,0    35      20    1,7    20
 Цемент


(новороссий-       2,6        2,8    6    10      –        20
ский)             3,17       3,17 0,7    0,7    0,92       -1
Нейлон             1,2       1,26 0,4    0,4     0,3       -2
Лед                2,2        2,2   40    50      –        20
Снег               3,4        3,7   25    30     1,7        –
Растительный       2,9        3,0   20    22     1,0       20
жир                3,1        3,2   14    32     1,7       20
Кирпич    крас-   2,65        2,8    5     7     1,8       20
ный               2,2–       2,5– 11–20 20–35 1,0–1,7      20
Кирпич порис-      3,0        3,2   40    60     1,1        –
тый                1,8        2,0   70   120     0,7        –
Кирпич    сили-    2,5        2,6   30    60     0,4        –
катный             1,7        1,9   40    90    0,82        –
Гипс               3,1        3,6   36    80     0,2        –
Мел                2,9        3,2
А С Б Е С Т                         20    40     0,5       –
Древесина (бе-     2,6        2,8
реза)
Березовая
стружка
Дуб
Древесноволок-
нистые плиты
С О С Н А
                                                                  Продолжение табл. 1.1

                         ε          tg δ ⋅ 10-2
                                            Плот-
                                                          Тем-
                                                          пера-
   Материал       λ = 10 λ = 3 λ = 10 λ = 3 ность,        тура,
                    см    см     см    см   г/см3          o
                                                             С

Фанера (6 мм)      3,2        4,1    80   320     0,65      –
Н И Т Р О Н        1,5        1,7    0,3   0,4      –       –
Лавсан             1,2       1,36    0,2   0,4      –       –
Винол              1,4        1,5   0,32 0,45       –      20
Капрон             1,2        1,3    0,4 0,51       –       –
Полипропилен      1,25       1,37   0,27  0,36      –       –
Сахарный песок     2,9        3,6    4,5   7,6      –       –
Пшеница            4,1        5,2    30    80      0,8      –
Ячмень             2,8        4,0     4    30      0,6      –
Рожь               3,2        3,9    20    40      0,7      –
Хлопок-сырец       2,2        2,6   0,35 0,38     0,06      –
Керамзит           2,1        2,3    2,3    8      0,5      –
Гравий            1,8–       2,1–   0,3– 0,4–,8 1,4–1,9     –
Грунт-суглинок     2,3        2,6    0,6   8,9     1,9      –
Минвата            3,2        3,8     7    1,1     0,1      –
Минераловат-       1,8        1,9    0,9    9      0,4      –
ная                4,2        4,6     5
плита                                      0,5     2,7      –
Мрамор             2,1       2,4    0,36 0,36     0,03      –
Пенопласт          1,6       1,7     0,3 0,63      0,3     20


Пеностекло         2,6    2,9   0,46    2,1    1,5    –
Песок речной       2,1    3,0    1,2    9,1    2,7    –
Песок плотный      2,6    3,4    6,8    170     –     –
Мыло               2,9    3,1   110     370     –     –
Мясо      (нату-   40     30    330     0,2     –     –
ральное)           6,0    6,0    0,2     15     –     –
Поваренная         5,0    5,1     9
соль                                   10–24    –      –
Фарфор прессо-     5,1–   5,1– 10–22     41     –      –
ванный              7,2    7,2   43       3     –      –
Стекло              3,7    3,6    3     8,9     –      –
Бакелит             2,3    2,3  7,1      28     –      –
Каучук              3,2    3,8   20     8,2     –      –
Торф     фрезер-    2,9    3,1    7      62    1,4     –
ный                 4,6    4,8   54      72    0,7     –
Торфоплиты          3,8    4,3   35      91    2,1     –
Фаянс               4,6    5,2   65       4    0,3    20
Известняк           3,6    4,3    4      62     –      –
Кожа                3,1    3,1   88
Асфальтобетон       4,2    4,4
Пенобетон
Н Е Ф Т Ь
С Ы Р А Я
    В неограниченной диэлектрической среде без потерь µ = 1; σ = 0, наличие магнитной составляющей
поля связано с существованием электрической составляющей Е, играющей основную роль в современ-
ных средствах радиоволнового контроля.
    Одним из важнейших параметров электромагнитной волны является ее поляризация, определяемая
ориентацией вектора Е в пространстве по мере ее распространения. Волну называют естественной (не-
поляризованной), если вектор Е принимает в плоскости, перпендикулярной к направлению ее распро-
странения, в различные моменты времени различные направления, а в конце его описывает окружность.
Если при тех же условиях конец вектора описывает эллипс, то волну называют частично поляризован-
ной по эллипсу (влево или вправо) (рис. 1.2). В частных случаях эллипс вырождается в окружность
(волна поляризована по кругу) или прямую линию (плоско поляризованная волна).
В свободной волне Е и Н синфазны, т.е. они одновременно в одних и тех же точках пространства дости-
    гают максимального или минимального значения (рис. 1.3). Аналогичная картина получится, если
    вместо z отложить время t. Векторы Е и H всегда образуют правый винт, что определяет направле-
    ние распространения энергии и очень важно при анализе условий отражения.
    Поток энергии П ортогонален векторам Е и Н и совпадает с направлением распространения волн z.
Поток энергии колеблется с удвоенной частотой (по сравнению с Е и Н) (рис. 1.4), принимая положи-
тельные значения (включая П = 0).
    Плотность потока энергии пропорциональна квадрату амплитуды электрического поля. Это общее и
важное положение, на котором фактически основана возможность регистрации распространяющихся
электромагнитных волн различными приемниками, так как из-за инерционности приемники энергии
СВЧ регистрируют средние значения квадрата амплитуды Е2.


                               Рис. 1.2 Схема эллиптической поляризации




         Рис. 1.3 Схема распространения плоскополяризованной электромагнитной волны




   H 0 = ε E0




      c    2
        ε E0
     4π
      c    2
 П =    ε E0
     8π




                Рис. 1.4 Изменение во времени значений Е, Н и П в бегущей волне

    При наличии границы раздела появляется отраженная волна, взаимодействующая с падающей и об-
разующая в первой среде стоячую волну, для которой как во времени, так и в пространстве имеет место
сдвиг фаз ∆ϕ = π / 2 между векторами E и Н .
    Узлы (и соответственно пучности) векторов E и Н разнесены пространственно, и расстояние меж-
ду ними (между узлами Е и Н) равно λ / 4 . В любом узле вектор П = [ E H ] обращается в нуль, т.е. энергия
не распространяется вдоль z.
    Измеряя расстояния между узлами (или пучностями) электрической напряженности, находят значе-
ния длины волны λ. Длина волны λ = c / f , где с – скорость света, а f – частота электромагнитных коле-
баний.
    Элементы техники СВЧ. Для передачи энергии источника к приемнику излучения применяют как
волноводные линии, так и свободное пространство.
Волновод, по которому распространяется электромагнитная волна, представляет собой металлическую
    трубу прямоугольного или круглого сечения (рис. 1.5, табл. 1.2).


    Волноводы характеризуются поперечными размерами (а – ширина,             b – высота для прямоуголь-
ного волновода, рис. 1.5, б); а – радиус, ϕ – угол поворота для круглого волновода, рис. 1.5, а), критиче-
ской длиной волны λ кр , длиннее которой волны не распространяются в данном волноводе, и




         а




                                                  b
                                        ε1µ

                                              а



                    а)                                    б)

                                        Рис. 1.5 Виды волноводов:
                                      а – круглый; б – прямоугольный

                         1.2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ

                     ПРЕДЕЛЬ-
 Сечение вол-                       РАБОЧИЕ ЗНА-
                       НЫЕ
  новода, мм                           ЧЕНИЯ            Зату-
                    ЗНАЧЕНИЯ
                                                        хание,
                  Длина                                  дБ/м
 ШИР ВЫ- Часто-          Частота,   Длина
                  волны,
 ИНА СОТА та, ГГц          ГГц    волны, см
                    см
  23,0       10,0    6,56    4,578,2 – 12,4 3,66 –    1,38
  19,0        9,5    7,87    3,81  10,0 –     2,42    1,67
  16,0        8,0     9,5    3,16   15,0    3,0 – 2,0  2,2
  13,0        6,5   11,57    2,59  12,4 –    2,42 –    2,9
   9,0        4,5    17,4    1,73   18,0      1,67     5,5
   7,2        3,4    21,1    1,43  15,0 – 2,0 – 1,36 7,4
                                    22,0     1,36 –
                                   22,0 –     0,91
                                    33,0     1,13 –
                                   26,5 –     0,75
                                    40,0
длиной волны в волноводе λ в . Волна, распространяющаяся по волноводу, определяется видом колеба-
ний и обозначается с помощью индексов (Еmn или ТМmn и Нmn или ТЕmn), соответствующих числу полу-
волновых изменений напряженностей Е и Н вдоль широкой (индекс m) и узкой (индекс n) стенок вол-
новода. На рис. 1.6 приведены конфигурации электрического и магнитного полей в прямоугольном
волноводе для колебаний видов ТЕ01, ТМ11 и ТЕ11.


                                               H10(ТЕ01)


                                                    а)




                                               E11(ТM11)


                                                    б)




                                               H11(ТE11)


                                                    в)


                       Рис. 1.6 Вид колебаний в прямоугольном волноводе:
              а – волна типа Н10(ТЕ10); б – волна типа Е11(ТМ11); в – волна типа Н11(ТЕ11)

        В идеальных условиях в волноводе устанавливается режим бегущей волны, который характери-
    зуется тем, что если какой – либо измеритель электрической напряженности полей перемещать
    вдоль волновода, то индикаторный прибор будет показывать одно и то же значение вне зависимо-
    сти от его местоположения.
    Но, как правило, создать идеальные условия распространения не удается, и поэтому полная картина
поля образуется из совокупности волн, распространяющихся от генератора к нагрузке, и волн, распро-
страняющихся в обратном направлении – от любой неоднородности к генератору. При этом в волноводе
устанавливается режим стоячих волн. Любая волноводная линия характеризуется коэффициентом стоя-
чей волны напряжения (КСВН), который в идеальных условиях должен быть равен 1. Практически вол-
новодные линии с КСВН = 1,02 … 1,03 считаются достаточно хорошими.
    Свойства стоячих волн и возможность установления связи между наблюдаемыми явлениями и ха-
рактеристиками неоднородности, вызывающей отражение, имеют большое практическое значение и
рассмотрены ниже.
    Если максимальное напряжение, отмечаемое прибором Umax, а минимальное Umin то величина, на-
зываемая коэффициентом стоячей волны напряжения равна

                                                    U max
                                               r=           .
                                                    U min

   Значение r можно выразить через отношение падающей и отраженной волн:



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика