12 Май 2016

 

В.П. АВДЕЕВ, канд. техн. наук, А.В. РАСПОПОВ, Д.В. МЕРКУЛОВ, инженеры
(Воронежская государственная архитектурно@строительная академия)

 

Радиоволновый (РВ) неразрушающий контроль основан на регистрации параметров электромагнитной волны (ЭМВ) радиодиапазона, взаимодействующей с контролируемым объектом. Обычно [1] применяют волны СВЧ диапазона длиной 1—100 мм для контроля диэлектриков (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектриков (ферриты), полупроводников, тонкостенных металлических объектов и др.

 

При РВ контроле объект, приемное и излучающее устройства находятся в ближней зоне, где структура электромагнитного поля (ЭМП) имеет сложный характер. Поэтому вопросы взаимодействия объекта контроля с ЭМП решаются экспериментально или приближенными методами.

 

В работе [2] рассматривалась возможность радиоволнового поляризационного метода контроля качества керамической плитки.

 

Данная работа основана на использовании совмещенного приема и передачи СВЧ-волн и приближенного импедансного метода. Сущность импедансного метода состоит в том, что реальная система «источник СВЧ-волн — контролируемый объект — приемник» заменяется моделью в виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и размерами, как в реальной системе.

 

Объект контроля зондируется плоской ЭМВ. Традиционно с целью зондирования волной, близкой к плоской, в качестве излучателя используют рупор. Тогда объект можно представить некоторым эквивалентным четырехполюсником. Измеряемыми параметрами являются комплексные коэффициенты отражения этого четырехполюсника для плоской ЭМВ, подаваемой на его вход.

 

Полную информацию об отражающих и поляризационных свойствах объекта несет его матрица рассеяния [3]. Для четырехполюсника матрица рассеяния имеет следующий вид:

где элементы матрицы Sij — коэффициенты отражения j-й составляющей излученной волны в i-м канале.

 

Ранее [4] аналитически были получены расчетные формулы для элементов матрицы рассеяния объекта при известных поляризационных характеристиках зондирующего сигнала. Для использования их в эксперименте необходимо к экспериментальной установке предъявить следующие требования:

  • зондирующая (излученная) волна может иметь любую заданную поляризацию;
  • установка имеет совмещенные приемный и передающий тракты;
  • установка позволяет измерять амплитуду и фазу суммарной волны на известном расстоянии от нагрузки. 

 

Данные требования учтены в разработанной экспериментальной установке с рабочей длиной волны 3 см, блок-схема которой представлена на рис.1.

 

Экспериментальная установка состоит из двух взаимно ортогональных волноводных трактов, опорного канала, элементов для управления поляризацией зондирующего сигнала (интерферометров), измерительных приборов (амплифазометров) и ЭВМ. Для исключения отражения от посторонних предметов антенна и измеряемый образец помещены в безэховую камеру [5] (на рис. 1 не показана).

 

Длины плеч каналов установки от объекта контроля (х = 0) до точек подключения измерительных приборов (х = x1, х = Х2) не равны (х1≠х2). Также в общем случае не совпадают точки подключения измерительных приборов в опорном канале (х01≠х02). Поэтому измеряемые в каналах разности фаз и отношения амплитуд будут иметь следующий вид:

где i = 1,2 — номер канала; фСi(xi), ECi (xi) — фаза и амплитуда суммарной ЭМВ в i-м канале в точке xi; ϕon(x0i)Eon(x0i) — фаза и амплитуда ЭМВ в опорном канале в точке x0i.

 

Для расчета элементов матрицы рассеяния необходимо знать координаты xi в обоих волноводных трактах. Для калибровки установки измеряли амплитуды и фазы ЭМВ сначала в режиме холостого хода, а затем в режиме короткого замыкания. Возможны другие способы калибровки, например приведенные в работе [6].

 

При проведении измерений в качестве объекта контроля использовалась керамическая плитка. Наиболее распространенными дефектами керамической плитки являются следующие: сколы по краям и углам плитки, трещины, деформации — различные изгибы поверхности плитки.

 

Был поставлен ряд экспериментов с целью изучения влияния различных дефектов керамической плитки на характеристики (амплитуду и фазу) ЭМВ, отраженной от плитки.

 

Для этого описанная выше экспериментальная установка была несколько упрощена. Во-первых, измерения проводились только в одном из двух ортогональных каналов. Во-вторых, рассматривалась не суммарная(излученная + отраженная), а отраженная волна, для чего в рабочий канал был добавлен направленный ответвитель. Параметры излученной волны в ходе каждого эксперимента оставались неизменными.

03_08

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: Г — генератор СВЧ; -> — вентиль; Р — поляризационный разделитель; С — сумматор; Ф1, Ф2, А1, А2— фазовращатели и аттенюаторы, с помощью которых можно устанавливать различную поляризацию излученной волны; ИП1, ИП2— измерительные приборы (амплифазометры)

 

 

На представленных ниже графиках по оси абсцисс отложена величина ф^р а по оси ординат — Л^\, которые в данном случае определялись как:

05_08

где Ф01 (x1), E01 (X1) — фаза и амплитуда отраженной ЭМВ в 1-м канале в точке Х1.

 

Эллипсы, построенные на рисунках 2—4, предназначены для удобства восприятия областей, соответствующих различным типам плитки. Координаты центров эллипсов есть математические ожидания, а полуоси — среднеквадратические отклонения измеряемых величин.

 

Первоначально эксперимент состоял в том, что для исследований были взяты по одному яркому представителю от каждого типа плитки, а именно: эталонная; с большим сколом на углу; с большой трещиной, идущей вдоль одной из сторон; сильно деформированная с одного угла.

 

Для эксперимента брали одну из вышеназванных плиток и измеряли Фd1 и Ad1. Затем плитка поворачивалась по часовой стрелке на 90o относительно своего центра, и измерялась следующая пара значений Фd1 и Ad1. И так далее, пока плитка не возвращалась в исходное положение (четыре точки). То же самое проделывалось со всеми остальными плитками. После этого все повторялось сначала, причем измерения начинались с тех же положений плиток, что и первый раз. Таким образом, для каждой плитки было получено по 12 точек (по 3 точки для каждого положения).

 

Результаты измерений представлены на рис. 2. Их анализ показывает следующее:

  • области измеренных параметров, представляющие площади, ограниченные соответствующими эллипсами, не пересекаются, то есть имеется возможность классифицировать дефекты плитки по результатам измерений;
  • наибольшее отличие от параметров эталонной плитки имеется у параметров деформированной плитки, а наименьшее — у параметров плитки со сколом;
  • для плиток с дефектами области измеренных параметров имеют четкое разделение на две группы, одна из которых соответствует углам поворота плитки 0о и 180о, а вторая — углам 90о и 270о;
  • последнее свидетельствует о том, что имеется существенная зависимость измеряемых параметров от поляризации зондирующего сигнала.

 

На рис. 3 представлены результаты измерений, проведенных по описанной методике, однако для эксперимента было отобрано 28 плиток по 7 штук каждого типа.

 

Результаты данного эксперимента подтвердили выводы предыдущего эксперимента. Вместе с тем увеличился разброс в измеряемых параметрах, вследствие чего области, соответствующие сколам и трещинам, частично перекрылись.

 

Чтобы оценить разброс параметров для одного типа плитки, были проведены следующие измерения. В качестве исследуемых образцов было выбрано пять эталонных плиток. Методика измерений оставалась прежней, но увеличилось число измерений.

 

Результаты измерений представлены на рис. 4. Они показывают, что измерительная установка позволяет различать между собой даже эталонные плитки. Как выяснилось при более внимательном рассмотрении плиток, три из них (на графике — внизу) имели незначительные, почти незаметные глазу дефекты: две плитки со сколом и одна (самая нижняя) — с деформацией.

 

При производстве керамической плитки представленная выше установка может успешно справиться с выявлением бракованных изделий.

 

Список литературы

  1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий/ Под ред. В.В. Клюева, Кн. 1. М.: Машиностроение, 1986.
  2. Авдеев В.П., Бойко Н.И. Проверка возможности радиоволнового поляризационного метода контроля качества строительных материалов// Строит. материалы. 1993. № 4. С. 20-21.
  3. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966.
  4. Меркулов Д.В., Распопов А.В. Определение элементов матрицы рассеяния при радиоволновых измерениях качества СМИ // Материалы 53-й научно-технической конференции. Воронеж: ВГАСА, 2000.
  5. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982.
  6. Ляховский А.Ф., Чепурный Я.Н., Сомов В.А. Автоматизация измерений поляризационных характеристик электромагнитных волн // Радиотехника. 1996. № 8. С. 84-87.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»