Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия

Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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

Известно устройство, реализуемое емкостным датчиком толщины покрытия (см. М.Чеховский. Контроль толщины эмали на кузове. Радио, №7, 2004, стр.47), в котором о толщине покрытия эмали на кузове легкового автомобиля судят по измерению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.

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

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство, реализующее способ определения толщины диэлектрического покрытия (см. Патент РФ №2262658, опубликованный 20.10.2005, Бюл. №29). В основе работы способа, реализуемого указанным устройством, лежит зондирование диэлектрического покрытия электромагнитными волнами и измерение напряженности электрического поля отраженной волны от контролируемого покрытия. Здесь для этого используются излучатель и приемник, выполненные в виде зеркальных антенн, которые соответственно осуществляют облучение покрытия и прием отраженного от него сигнала. При известных значениях направленности и мощности излучателя, путем измерения продетектированного сигнала амплитудного детектора определяют толщину диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу.

Недостатком этого изобретения следует считать неточность, связанную с изменением диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения толщины.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу, содержащее генератор электромагнитных колебаний, соединенный выходом с излучателем, первый приемник, подключенный ко входу первого детектора, излучатель и первый приемник выполнены в виде зеркальных антенн и расположены в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, введены второй детектор, вычислитель и второй приемник, выполненный в виде зеркальной антенны и расположенный вместе с излучателем и первым приемником в одной плоскости, на одном расстоянии от контролируемого покрытия, при этом второй приемник подключен ко входу второго детектора, выход которого соединен с первым входом вычислителя, второй вход вычислителя подключен к выходу первого детектора.

Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие второго приемника, второго детектора и вычислителя.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков преобразование напряженности электрических полей отраженных от первой границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - диэлектрическая основа» волн дает возможность решить поставленную задачу: обеспечить повышение точности измерения толщины диэлектрического покрытия.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний 1, излучатель 2, первый приемник 3, первый детектор 4, второй приемник 5, второй детектор 6 и вычислитель 7. На чертеже поз. 8 и 9 обозначены соответственно диэлектрическое покрытие и диэлектрическая основа.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные волны излучателя 2, поступающие с выхода генератора электромагнитных колебаний 1, направляются в сторону диэлектрического покрытия 8, нанесенного на диэлектрическую основу 9. В этом случае согласно теории распространения электромагнитных волн может иметь место отражение волн от первой границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие», прохождение волн через диэлектрическое покрытие и отражение прошедших волн от второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - диэлектрическая основа».

Для коэффициента отражения от первой границы раздела сред k₁₂ можно записать:

где Е_пад1 - напряженность электрического поля падающей на первую границу раздела сред волны, Е_отр1 - напряженность электрического поля отраженной от первой границы раздела сред волны.

В рассматриваемом случае при расположении диэлектрической основы с нанесенным на нее диэлектрическим покрытием в волновой зоне (см. стр.3, вышеприведенного патента) для Е_пад1 можно принимать:

,

где R - расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы, P - мощность излучателя, G - направленность излучателя и δ - толщина диэлектрического покрытия.

В силу этого для Е_отр1 получаем:

Формулу (2) с учетом того, что:

где ε₂ - диэлектрическая проницаемость диэлектрического покрытия, можно переписать как:

Здесь принимается, что диэлектрическая проницаемость воздуха ε_в равна единице и диэлектрическое покрытие не имеет потерь, т.е. g₂=0, где g₂ - проводимость диэлектрического покрытия.

Из формулы (3) видно, что при постоянных значениях P, G и R для определения δ по величине Е_отр1 необходимо иметь информацию о ε₂, так как разные материалы, используемые для покрытия диэлектрической основы, могут иметь разные значения диэлектрической проницаемости.

Для этого в предложенном устройстве используется отражение от второй границы раздела сред с коэффициентом отражения K₂₃, определяемым следующим выражением:

где Е_пад2 - напряженность электрического поля падающей на вторую границу раздела сред волны, Е_отр2 - напряженность электрического поля отраженной волны от второй границы раздела сред.

Согласно вышеприведенным условиям (расположение диэлектрической основы и покрытия в волновой зоне) для данного случая напряженность электрического поля падающей на вторую границу раздела сред (поверхность диэлектрической основы) волны можно представить как:

Как следует из последней формулы, в этом случае влияние толщины покрытия δ на формирование Е_пад2 не учитывается. Это объясняется тем, что при отсутствии покрытия на диэлектрической основе имеет место только одно отражение от поверхности диэлектрической основы (граница раздела сред «воздух - диэлектрическая основа»), которое может существовать и при наличии покрытия, но от другой границы раздела сред («диэлектрической покрытие - диэлектрическая основа») и с другим коэффициентом отражения. Поэтому при формировании Е_пад2 на второй границе раздела сред (расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы без учета δ) нет необходимости учитывать толщину покрытия. В силу такого допущения формулу (4) с учетом того, что:

где ε₃ - диэлектрическая проницаемость диэлектрической основы, можно переписать как:

Здесь принимается, что ε₃>ε₂ и диэлектрическая основа не имеет потерь, т.д. g₃=0, где g₃ - проводимость диэлектрической основы.

Из последней формулы видно, что в случае постоянных значений P, G, R и ε₃=const, т.е. при одном и то же материале диэлектрической основы, величина Е_отр2 становится функцией ε₂.

Пусть отраженная волна от первой границы раздела сред улавливается первым приемником 3, а отраженная волна от второй границы раздела сред - вторым приемником 5, которые далее поступают на входы первого 4 и второго 6 детекторов соответственно. В рассматриваемом случае из-за того, что значения напряженности Е_отр1 одновременно изменяются от изменений ε₂ и δ, а значения напряженности Е_отр2 изменяются только от изменения ε₂, их разделение по приему первым и вторым приемниками можно осуществить опытным путем.

Согласно предлагаемому техническому решению сигнал, полученный на выходе первого детектора, зависящий от изменений ε₂ и δ, далее поступает на первый вход вычислителя 7. Одновременно на второй вход вычислителя поступает выходной сигнал второго детектора, зависящий от ε₂. В результате этого преобразование в вычислителе сигналов, описывающихся формулами (3) и (5), дает возможность определить толщину покрытия δ с учетом изменения ε₂, т.е. диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что преобразованием напряженностей электрических полей отраженных волн от двух границ раздела сред можно обеспечить повышение точности измерения диэлектрического покрытия.

Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу, содержащее генератор электромагнитных колебаний, соединенный выходом с излучателем, первый приемник, подключенный ко входу первого детектора, излучатель и первый приемник выполнены в виде зеркальных антенн и расположены в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, отличающееся тем, что в него введены второй детектор, вычислитель и второй приемник, выполненный в виде зеркальной антенны и расположенный вместе с излучателем и первым приемником в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, причем второй приемник подключен ко входу второго детектора, выход которого соединен с первым входом вычислителя, второй вход вычислителя подключен к выходу первого детектора.