SU1748029A1 - Способ СВЧ-дефектоскопии - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к средствам неразрушающего контрол  и может быть использовано дл  СВЧ-дефектоскопии материалов. Цель изобретени  - повышение точности определени  глубины залегани  дефекта за счет возбуждени  поверхностной волны на двух частотах. Эти частоты выбираютс  в диапазоне, соответствующем максимально возможным размерам дефекта и его глубинам залегани . 1 ил,

Description

Изобретение относитс  к дефектоскопии и может быть использовано дл  определени  глубины залегани  диэлектрического тела в проницаемой дл  электромагнитных волн среде.

Известен способ определени  места нахождени  тела, расположенного в диэлектрическом полупространстве, с помощью подповерхностной радиолокации. Способ заключаетс  в облучении контролируемого объекта электромагнитным импульсом и измерении разности времен прихода импульсов , отраженных от поверхности диэлектрического полупространства и включени . Погрешность определени  места нахождени  тела составл ет несколько длин волн и определ етс  возможност ми аппаратуры.

Однако ввиду небольших рассто ний от поверхности контролируемого объекта до дефекта (от миллиметров до деб тков сантиметров ) этот способ требует излучени 

очень коротких импульсов и высокого временного разрешени . Соответствующа  аппаратура  вл етс  недостаточно развитой и чрезмерно дорогосто щей.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ СВЧ-дефектоскопии, заключа ющийс  в том, что измер ют коэффициент отражени  плоской электромагнитной волны от контролируемого объекта и по его величине определ ют наличие и параметры дефекта, в том числе и координаты залегани  этого дефекта Измерени  коэффициента отражени  провод т в широком диапазоне частот (от 30 до 40 ГГц). В результате обработки на микропроцессорном устройстве частотной зависимости коэффициента отражени  определ етс  глубина залегани  дефекта.

Способ применим дл  обнаружени  дефектов , размеры которых больше длины волны, Точное определение глубины залегани  дефекта возможно лишь при использоXJ

KD

ю

.««а

вэнии дл  зондировани  плоских электромагнитных волн и бесконечно большого частотного диапазона. В реальных услови х использование неплоских волн и конечного частотного диапазона приводит к по вле- нию методической ошибки в определении глубины залегани  дефекта, котора  в р де случаев может достигать дес тков процентов от истинного значени . Кроме того, дл  реализации этого способа требуетс  слож- на  математическа  обработка результатов измерений.

Цель изобретени  - повышение точности определени  глубины залегани  дефекта .

Рассмотрим однородное диэлектрической полупространство, в котором на рассто нии z b от поверхности расположено тело с диэлектрической проницаемостью, отличной от диэлектрической проницаемо- сти полупространства. Характерный линейный размер тела (например, дл  тела с формой шара- это диаметр) обозначен через а. Пусть от поверхности полупространства вс буждаетс  поверхностна  электромаг- нитна  волна. В диэлектрическом полупространстве амплитуда поверхностной полны мен етс  с глубиной z по закону Е ехр{-6,28318 у fz/C), где безразмерный коэффициент у считаетс  известным. Кооф- фициент у нетрудно вычислить исход  из величины диэлектричес ой проницаемости полупространства и способа возбуждени  поверхностной волны. Частота f отой вол-ш удовлетвор ет двум услови м. Во-первых, С/(100а) f С/(10а), где С 3-Ю3 (м/с) - скорость света в вакууме, т.е. длина волны электромагнитного пол  на пор док больше характерного линейного размера тела, Во-вторых амплитуда поверхностей волны на максимально возможной глубине залегани  дефекта (которую обозначим через Ьмакс) не более чем на два пор дка меньше амплитуды этой поверхностной волны на поверхности диэлектрического полугростран- ства, т.е. f С/(ЗЬмакс у). Объедин   оба услови , получим С/(100а) f (С/(10а), С/(ЗЬмакс У) или С/(100а) f С/(ЗЬмакс у), так как обычно Ьмакс 10а/(3 у).

Из уравнени  Максвелла следует, что в такой ситуации рассе нное дефектом элек- тромагнлицое поле Ег на рассто нии L vgc/f от дефекта описываетс  приближенным выражением

Er (ka)3exp(-kyb)/(kL);k 6,28318f/C.

Коэффициент пропорциональности в этом выражении зависит от формы и материала дефекта, расположени  точки наблюдени  и определ етс  экспериментально.

Из вышеприведенного выражени  и закона сохранени  энергии нетрудно получить , что разность между мощност ми поверхностной волны в начале (Рн) и в конце (Рк) распространени  пропорциональна Рн - Рк (ka)6exo(-2k у b)/k2. Здесь коэффициент пропорциональности слабо зависит от размеров дефекта и частоты поверхностной электромагнитной волны и не зависит от глубины залегани  дефекта. Наход  разность мощности поверхностных волн на двух фичсировзиных частотах из вышеуказанного интервала и вычисл   отношение этих разностей, можно определить глубину дефекта Ь:

(Й) (-12,5664yb(fi-f2)/C), где нижним индексом 1 обозначены величины , измеренные на частоте fi, а индекс 2 - на частоте h- Видно, что отношение интен- сивностей рассе нных дефектов электромагнитных полей на двух различных частотах оказываетс  не завис щим от размеров , формы и материала дефекта. Обраща  последнюю формулу относительно глубичы залегани  дефекта, получим

b - CHIn(fi/f2) - ln((PHi - Рк1)/(Рн2 -Рк)),5664 y{fi-f2). Эта формула определ ет процедуру обработки результатов измерений.

Ча чертеже изображена установка, с помощью которой реализуетс  предлагаемый способ

Установка состоит из двухступенчатого генератора 1, соединенного через делитель 2 мощности с измерителем 3 мощности и устройством 4, возбуждающим поверхностные электромагнитные волны. Последнее через устройство 5, направл ющее поверхностные волны, соединено с приемником 6 поверхностных волн, который соединен с измерителем 7 мощности,

Установка работает следующим образом .

Устройство 5, направл ющее поверхностные волны, приводитс  в контакт с исследуемым изделием 8, содержащим дефект 9. С помощью генератора 1 возбуждаютс  эпектромагнитнне колебани  на частоте fi. Мощность этих колебаний делитс  поровну на депителе 2 мощности и направл етс  в измеритель 3 мощности и устройство 4, возбуждающее поверхностные электромагнитные волны. Мощность поверхностной волны, возбуждаемой устройством 4, равна мощности Рц1, регистрируемой измерителем 3 мощности . Поверхностна  электромагнитна  волна, распростран  сь по поверхности исследуемого издели  8 вдоль

устройства 5, направл ющего поверхностные волны, взаимодействует с дефектом 9, из-за чего уменьшаетс  ее мощность, После взаимодействи  с дефектом поверхностна  волна попадает на приемник б поверхностных волн, который преобразует ее в электромагнитные колебани , мощность которых Рк1 регистрируетс  измерителем 7 мощности . Затем генератором 1 возбуждаютс  электромагнитные колебани  на частоте fa и измер ютс  мощности поверхностной электромагнитной волны в начале распространени  (Рн2) с помощью измерител  3 мощности и в конце распространени  (РК2) с помощью измерител  7 мощности. Измеренные величины подставл ютс  в формулу

h г 41Ф -f2)-ln((PHl -Рк1)/Рн2-Рк2)) 12, 5669 у (/1 - f2J

по которой определ етс  глубина залегани  дефекта.

Проведено математическое моделирование процесса измерений, Предложено, что в однородном диэлектрическом полупространстве , моделирующем изделие, на глубине z 0,0124 м р сположен диэлектрический шар диаметром а 0,003 м и диэлектрической проницаемостью Ј 4 ед. СГСЕ, моделирующий дефект. Вдоль поверхности полупространства распростран лась поверхностна  волна с у 0,5. В результате математического моделировани  процесса измерений получено, что на частоте fi 1010 Гц разность мощностей поверхностной волны в начале и в конце распространени  вдоль полупространства равна ДРч Вт, а на частоте h 2f 1 - АРа 5,43 Вт. Подставл   расчетные значени  в формулу дл  определени  глубины залегани  дефекта , получим b 0,0123 м. Таким образом, относительна  погрешность способа составила 0,5%.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ позвол ет: определ ть глубину залегани  дефектов с размерами, на пор док меньшим длины волны, с относительной ошибкой пор дка 1 %, в то врем  как в прототипе погрешность определени  глубины залегани  дефекта составл ет 10-, 20%; упростить по сравнению с прототипом

обработку результатов измерений, исключив необходимость численного решени  интегрального уравнени . Кроме того, предлагаемый способ не требует эбсолютных измерений мощности поверхностной волны, а лишь разности мощностей этой волны в начале и в конце ее распространени  вдоль поверхности исследуемого издели , позвол ет также устранить вредные

Claims (1)

1. услови  труда, обусловленные излучением пространственных электромагнитных волн. Формулаизобретени  Способ СВЧ-дефектоскопии. заключающийс  в том, что регистрируют характерисгики электромагнитного СВЧ-пол  в контролируемом объекте на нескольких частотах и по зтим характеристикам определ ют параметр дефекта в объекте, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что, с целью повышени 

   точности определени  глубины залегани  дефекта, воздействуют на контролируемый объект поверхностной электромагнитной волной и измер ют изменение мощности этой волны при взаимодействии с дефектом

   на двух фиксированных частотах в диапазоне С/(100а) f C/(3 у Ьмакс), а глубину залегани  дефекта определ ют согласно выражению

   h - г Inff1 f2) f (Рн1 рк1)/Рн2 Рха) )

   12, 5994 у (fi - fa)

   где fi, f2 - значение фиксированных частот, Гц;

   С 3,108 м /с - скорость света в вакууме; у - безразмерный коэффициент, завис щий от способа возбуждени  поверхностной электромагнитной волны;

   Рн1 и РК1 - мощности поверхностной волны в начале и в конце ее распространени  вдоль поверхности исследуемого объекта на частоте fi;

   Рн2 и Рк2 - мощности поверхностной волны в начале и в конце ее распростране- ни  вдоль поверхности исследуемого объекта на частоте fa;

   b - глубина залегани  дефекта, м; Ьмакс максимально возможна  глубина залегани  дефекта, м;

   а - максимальный линейный размер дефекта , м.

   генератор двухчастотный

   делитель мощности

   измеритель мощности

   измеритель мощности

   I

   устройство направл ющее поверхностные волны

   приемник

   поверхностных

   волн