Способ определения толщины диэлектрического покрытия

Способ определения толщины диэлектрического покрытия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ, реализуемый емкостным датчиком толщины покрытия (см. И.Чеховский. Контроль толщины эмали на кузове, «Радио» №1, 2004, стр.47), при котором о толщине покрытия эмали на кузове легкового автомобиля судят по измерению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.

Недостатками этого способа являются контактность датчика с контролируемой поверхностью и погрешность измерения из-за температурных влияний на емкость конденсаторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения толщины диэлектрических слоев (см. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов», М.: Энергоиздат 1989, стр.59).Этот способ, реализуемый указанным устройством, основан на использовании поверхностных волн для возбуждения и съема, которых применяются контактирующие с контролируемой средой диэлектрические призмы с основаниями равносторонних прямоугольных треугольников. В этой разработке при прохождении затухающей волны через воздушные зазоры призм измерение критической частоты f_кр этой волны и наклона S дисперсионной кривой вблизи f_кр позволяет получить выражения, связывающие толщину и диэлектрическую проницаемость с характеристиками волны. В итоге в зависимости от значений рабочей частоты и углов падения и приема сигнала по значениям параметров S и f_кр вычисляют толщину и диэлектрическую проницаемость контролируемого слоя.

Недостатком данного способа измерения можно считать сложность определения толщины, связанную с возбуждением и съемом поверхностных волн.

Задачей заявленного технического решения является упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую подложку, основанном на возбуждении в диэлектрическом покрытии поверхностных электромагнитных волн и их приеме, допускают существование в контролируемой среде поверхностной электромагнитной волны типа НЕ₁₁ и в процессе приема этого типа волны при ее распространении по диэлектрическому покрытию, фиксируют затухание указанной волны и при полном затухании определяют толщину покрытия по формуле

где d - толщина диэлектрического покрытия; λ - длина НЕ₁₁ волны; ξ₂ - диэлектрическая проницаемость покрытия; ξ₂ - диэлектрическая проницаемость воздуха.

Сущность заявленного изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при возбуждении поверхностных электромагнитных волн в диэлектрическом покрытии полное затухание распространяющейся по диэлектрическому покрытию волны служит для определения толщины покрытия, нанесенного на металлическую подложку.

Наличие в заявленном способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить поставленную задачу определения толщины диэлектрического покрытия на основе оценки величины затухания распространяющейся по диэлектрическому покрытию волны с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит электромагнитный генератор перестраиваемой частоты 1, подключенный выходом с первым элементом связи 2, осуществляющим возбуждение поверхностных электромагнитных волн в диэлектрическом покрытии 3, второй элемент связи 4, соединенный с входом амплитудного детектора 5, и индикатор 6. На чертеже цифрой 7 обозначена металлическая подложка. Суть предлагаемого способа заключается в использовании характеристик распространения поверхностных электромагнитных волн, возбужденных в диэлектрическом покрытии, нанесенном на металлическую подложку.

Как известно, при наклонном падении электромагнитных волн на поверхность раздела двух диэлектриков, по диэлектрику, имеющему более высокую диэлектрическую проницаемость, будут распространяться так называемые гибридные волны, имеющие все шесть составляющих электрического и магнитного полей. Среди бесчисленного множества типов волн, могущих существовать в диэлектрической среде с боле высокой диэлектрической проницаемостью (ДВДП), наибольший интерес представляет дипольная волна типа НЕ₁₁. Напряженность поля этого типа волны спадает по экспоненциальному закону в радиальном направлении при удалении от поверхности диэлектрика ДВДП. Часть энергии передается внутри этого диэлектрика, а остальная движется по этому диэлектрику. Излучение энергии при этом не происходит: поле как бы «прижимается» к диэлектрику ДВДП. Волну, обладающую подобными свойствами, принято называть поверхностной.

На практике для возникновения поверхностных электромагнитных волн и их канализации используют диэлектрические волноводы с различной формой и конструкцией. При этом затухание волн в диэлектрическом волноводе зависит от тангенса угла потерь используемого диэлектрика и убывает с уменьшением отношения толщины, например, плоского волновода к длине волны.

С учетом выше приведенного рассуждения в данном случае контролируемое диэлектрическое покрытие можно рассматривать как плоский диэлектрический волновод, имеющий поверхность раздела первого диэлектрика (воздушная среда с меньшей диэлектрической проницаемостью) и второго диэлектрика (диэлектрическое покрытие с большей диэлектрической проницаемостью).

Согласно предлагаемому техническому решению диэлектрическое покрытие (плоский диэлектрический волновод) должно работать на одной волне типа НЕ₁₁. При этом для существования в покрытии этого типа волны толщина покрытия d должна быть меньше, чем где λ - длина волны типа НЕ₁₁, ε₁ - диэлектрическая проницаемость воздуха, ε₂ - диэлектрическая проницаемость покрытия.

Этот выкладок вытекает из того факта, что критическая длина волны λ_кр ближайшего высшего типа волны составляет:

.

Отсюда следует, что условием существования и распространения волны НЕ₁₁ является неравенство λ<λ_кp и условием существования и распространения ближайшего высшего типа волны - λ>λ_кр. Следовательно, при равенстве λ=λ_кр может наблюдаться отсутствие как НЕ₁₁, так и высшего типа волн, т.е. затухание уже существующей в диэлектрическом покрытии волны НЕ₁₁. В силу этого условием полного затухания волны типа НЕ₁₁ с учетом толщины покрытия может являться выражение:

Из полученной формулы видно, что при известных значениях длины λ волны HE₁₁,

ε₁ и ε₂ можно определить толщину покрытия. При этом следует отметить, что слежение за толщиной покрытия можно осуществить путем изменения длины волны (частоты колебаний) с затуханием рабочей волны, распространяющейся по диэлектрическому покрытию.

Проиллюстрируем поведение толщины покрытия на числовом примере в зависимости от длины волны. Пусть λ=8 мм. Тогда при, например, ε₂=4 (здесь принимается, что ε₁≈1), d≈3 мм. Теперь пусть d≈2 мм. Тогда длину волны необходимо уменьшить до 5,2 мм, т.е. увеличить частоту колебаний. Из этого числового примера следует, что для определения толщины покрытия необходимо выбрать такую длину волны, при которой имело бы место полное затухание волны типа НЕ₁₁ без учета тангенса угла потерь используемого диэлектрика.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. Электромагнитный сигнал с выхода электромагнитного генератора перестраиваемой частоты 1 поступает в первый элемент связи 2. С помощью этого элемента связи возбуждают в диэлектрическом покрытии волну типа НЕ₁₁. Для возбуждения этого типа волны и ее распространения по диэлектрическому покрытию 3 необходимо, чтобы толщина покрытия была меньше ¹/₂ длины рабочей волны. После этого посредством второго элемента связи 4, расположенного против первого элемента связи по линии распространения рабочей волны на расстоянии, не оказывающем существенного влияния на напряженность поля этой волны, улавливают распространяющуюся по диэлектрическому покрытию волну, которую далее переносят в амплитудный детектор 5. Здесь измеряют амплитуду напряженности, например, электрического поля указанной рабочей волны. По выходному сигналу амплитудного детектора оценивают характер затухания данной рабочей волны в зависимости от изменения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую подложку 7. При этом нулевое значение выходного сигнала амплитудного детектора, соответствующее полному затуханию волны, дает возможность определить толщину покрытия по формуле (1). Для этого необходимым является измерение частоты колебаний генератора 1 (длины волны) со знанием ε₁ и ε₂. В устройстве для фиксации выходного сигнала амплитудного детектора используется индикатор 6. Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе фиксирования и оценки полного затухания распространяющейся по контролируемой среде волны типа НЕ₁₁ можно обеспечить упрощение процедуры измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую основу.

Способ определения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую подложку, при котором возбуждают в диэлектрическом покрытии поверхностные электромагнитные волны и принимают эти волны при их распространении по диэлектрическому покрытию, отличающийся тем, что в диэлектрическом покрытии при его возбуждении допускают существование поверхностной электромагнитной волны типа НЕ₁₁ и в процессе приема этого типа волны при ее распространении по диэлектрическому покрытию фиксируют затухание указанного типа волны и при достижении полного затухания определяют толщину покрытия по формуле: где d - толщина диэлектрического покрытия, λ - длина волны типа НЕ₁₁, ε₁ - диэлектрическая проницаемость воздуха, ε₂ - диэлектрическая проницаемость покрытия.