Элементная база радиолокационного
дистанционного контроля
Источники энергии СВЧ. Электромагнитные волны СВЧ диапазона генерируются генераторами электромагнитных колебаний в диапазоне от единиц мегагерц до сотен гигагерц (в зависимости от поставленной задачи).
Основные характеристики генераторов СВЧ-диапазона:
частота генерируемых колебаний;
мощность излучения;
уровень шума;
диапазон перестройки частоты.
Все генераторы электромагнитных колебаний могут быть разделены на три основных группы:
электровакуумные приборы, принцип действия которых основывается на эффекте взаимодействия электромагнитных пучков с высокочастотным электромагнитным полем. К ним относятся клистроны, лампы обратной волны, магнетроны. Преимущество этих источников - малый уровень шума, высокая стабильность частоты, широкий, до 70%, диапазон электронной перестройки частоты. Недостаток - необходимость применения высоковольтного питания, принудительного охлаждения, что увеличивает габариты и массу приборов, разрабатываемых на базе таких генераторов;
генераторы на базе полупроводниковых приборов, лавино-пролетных диодов (ГЛПД) с объемным эффектом или диодов Ганна. Механизм возбуждения СВЧ-колебаний в таких генераторах основан на возникновении в переходном слое полупроводника отрицательного сопротивления из-за сдвига фаз между напряженностью поля и током в переходный период. Этот ток создается в результате ударной ионизации атомов кристалла и лавинного умножения носителей заряда в области перехода. Сдвиг по фазе между током и напряжением возникает из-за инерционности лавинного процесса и конечности времени пролета носителей через переход. Преимущества таких генераторов - малые значения прикладываемых напряжений и токов для их питания, малые габариты и масса. Перестройка частоты в генераторах осуществляется использованием варакторов или СВЧ-ферритов и составляет 20... 27%. Генераторы на диодах Ганна имеют более низкий уровень шума по сравнению с ГЛПД;
полупроводниковые приборы на базе СВЧ-транзисторов. Диапазон генерируемых частот составляет единицы ГГц. Перестройка частоты осуществляется подбором индуктивности и сопротивлений в цепях питания. Основными преимуществами являются малое значение питающих напряжений и токов и возможность конструктивного исполнения в микрополосковых линиях.
Приемники волн СВЧ. Для приема волн СВЧ в приборах неразрушающего контроля могут быть использованы в основном термоэлектрические индикаторы (термопары, термисторы, болометры) и выпрямляющие устройства (кристаллические детекторы). Многие из них весьма чувствительны и реагируют на мощность 10-12 Вт.
Термоэлектрические приборы применяют при абсолютных измерениях. Они удобны при измерениях, для которых важна точность, хотя и обладают сравнительно низкой чувствительностью.
Электрические методы выпрямления дают возможность преобразовывать сигналы СВЧ в постоянный ток или ток низкой частоты. В качестве нелинейных элементов используются детекторы или преобразователи. Вследствие их простоты, высокой чувствительности и доступности детекторные устройства являются наиболее распространенными индикаторами. Нелинейность характеристики позволяет использовать кристаллические детекторы как для детектирования малых сигналов, так и в качестве преобразователей частоты. Если генератор используется для преобразования частоты, то на него совместно с измеряемым сигналом подается напряжение гетеродина, и на выходе выделяется сигнал биений. При детектировании слабых сигналов в цепи детектора появляется выпрямленный ток.
Для передачи энергии источника к приемнику излучения используют как волноводные линии, так и свободное пространство.
Волновод, по которому распространяется электромагнитная волна, представляет собой металлическую трубу прямоугольного или круглого сечения (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Виды волноводов: а - круглый; б - прямоугольный
Волноводы характеризуются:
линейными размерами;
критической длиной волны, длиннее которой волны не распространяются в данном волноводе;
длиной волны в волноводе.
В идеальных условиях в волноводе устанавливается режим бегущей волны, который характеризуется тем, что если какой-либо измеритель электрической напряженности полей перемещать вдоль волновода, то индикаторный прибор будет показывать одно и то же значение вне зависимости 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, распространяющихся в обратном направлении - от любой неоднородности к генератору. При этом в волноводе устанавливается режим стоячих волн. Любая волноводная линия характеризуется коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), который в идеальных условиях должен быть равен 1. Практически волноводные линии с КСВН = 1,02... 1,03 считаются достаточно хорошими.
Свойства стоячих волн и возможность установления связи между наблюдаемыми явлениями и характеристиками неоднородности, вызывающей отражение, имеют большое практическое значение.
Чтобы избежать больших потерь мощности, добиться стабильной работы генератора и получить точные результаты измерений, необходимо тщательно следить за соединением волноводов с помощью фланцев. Основные требования: одинаковые размеры волноводов, высокая их соосность и недопущение зазора между фланцами, если они не имеют специальных согласующих устройств.
Благодаря возможности изгибать волноводы в любых плоскостях (изгиб в плоскостях Е или Н) можно создавать приборы, обеспечивающие проведение контроля в труднодоступных местах. При этом надо иметь в виду, что каждый волноводный тракт рассчитывается на диапазон длин волн. Поэтому условия согласования и коэффициент стоячей волны рассчитывают с учетом перестраиваемого диапазона по длинам волн.
Для проведения исследований часто бывает необходимо смещать антенные устройства на некоторое расстояние, не меняя положения остальных частей тракта. Это может быть достигнуто за счет гибких волноводов. Если в сантиметровой технике имеются гибкие гофрированные волноводы, то в миллиметровом диапазоне можно с успехом воспользоваться длинным куском волновода, согнутым буквой V.
Волноводные элементы, построенные на основе волноводов, являются базой для создания СВЧ-преобразователей - главных узлов приборов радиоволнового контроля. Основными элементами являются: согласованные нагрузки, аттенюаторы, фазовращатели, направленные ответвители, гибридные соединения, коаксиаль-но-волноводные переходы, преобразователи видов колебаний, вращающиеся сочленения, переключатели, резонаторы, диплексеры, вентили, циркуляторы, модуляторы, антенны и Т.д.
Аттенюаторы, или ослабители мощности, представляют собой волновод с находящейся внутри него пластиной, на которую напылено поглощающее энергию СВЧ покрытие. По мере внедрения пластин в центр волновода все большая часть энергии поглощается пластиной и все меньшая ее часть распространяется.
Фазовращатель представляет собой волноводный узел, обеспечивающий изменение фазы проходящей внутри него волны. Фазовращатели могут быть сжимного, пластинчатого (ферритовые) и тромбонного типа. Они бывают фиксированные и перестраиваемые.
При измерениях и согласованиях трактов часто используют переменные полные сопротивления. Отрезок волновода, заканчивающийся подвижным короткозамыкателем, образует в любой плоскости переменную реактивную проводимость. Используя сочетание переменного аттенюатора с короткозамыкающим поршнем, в тракте можно создавать необходимую нагрузку с заданным сопротивлением.
Для измерения длины волны применяют волномеры чаще всего в виде резонансных волноводов. Волномер включают в тракт так, чтобы при резонансе получить либо поглощение, либо передачу энергии.
Для того чтобы иметь возможность разделить мощность поровну или отвести часть энергии в другие измерительные цепи, используют тройники и направленные ответвители как в плоскости Е, так и в плоскости Н. Направленные ответвители часто используют как фиксированные ослабители мощности. В тройниках разветвление мощности осуществляется с помощью двух прямоугольных волноводов, которые соединяются между собой через широкую (Е-тройник) или узкую (Н-тройник) стенку. Такую же функцию могут выполнять волноводные соединения, изготовленные в виде буквы Y. Особый интерес представляет комбинация Н- и Е-тройников, которая называется двойной Т-мост, двойной тройник. Двойные волноводные тройники являются главной основой в мостовых схемах и схемах балансных смесителей. Другим весьма интересным гибридным соединением является турникетное соединение. Оно является надежным анализатором поляризации.
Направленный ответвитель является фиксированным разделителем мощности. Он состоит из основного и дополнительного волновода, связанного с основным через отверстия связи. Число отверстий, их конфигурация и расположение определяют характеристики и геометрические размеры направленных ответвителей. С помощью направленного ответвителя в линиях передачи энергии можно складывать и вычитать определенные доли мощности.
Невзаимные элементы волноводных цепей обеспечивают передачу энергии только в одном направлении, создавая большое ослабление энергии, распространяющейся в обратном направлении. К ним относятся вентили и циркуляторы. Все они характеризуются прямыми и обратными потерями. Вентиль является пассивным элементом, и однородность пропускания волны в одном направлении обеспечивается наличием в волноводе ферритового стержня, находящегося в поле постоянного магнита. Циркулятор (или переключатель) обеспечивает передачу энергии по нескольким каналам, сохраняя высокую развязку между каналами.
Излучение энергии в свободное пространство осуществляется с помощью антенн, которые имеют разнообразное конструктивное оформление: от открытых концов волноводов до многоэлементных или линзовых систем. Если рассмотренные ранее элементы микроволнового тракта могут быть использованы в неизменном виде в различных схемах неразрушающего контроля, то антенны представляют собой элементы тракта, от которых зависит эффективность выбранного способа контроля.
Любую антенну можно рассматривать с одной стороны как элемент цепи, обладающий активным и реактивным сопротивлением, а с другой стороны как излучатель либо приемник электромагнитной энергии, влияющий на эффективность условий взаимодействия поля СВЧ с контролируемым объектом. Наибольшее применение находят антенны в виде открытых срезов волноводов (с фланцами или без них) и рупорные антенны различных конфигураций.
При выборе антенн в качестве зондов для различных условий работы СВЧ-дефектоскопов необходимо иметь в виду следующее:
вблизи среза антенн площади конусов излучения практически совпадают с площадями срезов антенн;
чем меньше площадь среза антенны, тем быстрее с ростом увеличиваются площади сечений конусов излучений.
На близком расстоянии от срезов дифракционных антенн поле излучения можно считать плоской волной с ограниченным фронтом.
В технике радиоволнового контроля могут быть использованы излучающие антенны, обеспечивающие на выходе (в непосредственной близости от среза рупора или края излучателя) синфазное плоское поле. Это достигается применением корректирующих или коллимирующих линз различных исполнения и формы. Кроме того, линзы используют для формирования радиоизображений, что обеспечивает получение видимого естественного изображения. Основные законы образования радиоизображения такие же, как и для оптических систем.
В настоящее время все шире применяют диэлектрические волноводы.
Классификация методов и средств
Различают следующие СВЧ-методы неразрушающего контроля:
амплитудный;
фазовый;
амплитудно-фазовый;
частотно-фазовый;
поляризационный;
геометрический;
временной.
Первые пять методов основаны на регистрации одного или двух параметров волн, взаимодействующих с контролируемым объектом: амплитуды (интенсивности) или фазы сигнала, модуля коэффициента отражения или прохождения, амплитуды и фазы, частоты (длины волны) и фазы, поляризации. Геометрический метод основан на регистрации пространственного положения максимума интенсивности радиоволнового пучка, прошедшего через объект или отраженного от его противоположной поверхности. Временной метод основан на регистрации времени прохождения волны (импульса) через объект.
В зависимости от источника излучения методы разделяют на активные и пассивные. При пассивных методах предполагается собственное излучение в СВЧ-диапазоне как самих контролируемых тел, так и сред, расположенных за объектом контроля. В неразрушающем контроле последние методы пока практически не используют. При активных методах используют, как правило, маломощные источники СВЧ-излучения с интенсивностью до 1 Вт.
По расположению датчиков относительно объекта контроля различают три основных варианта:
одностороннее расположение;
двустороннее расположение;
расположение под прямым углом оптических осей друг к другу (способ фиксации параметров рассеянного излучения).
Резонансные СВЧ-методы делятся по виду резонансного эффекта (электронный парамагнитный, ядерный магнитный, ферромагнитный и др.).
Рассмотрим основные особенности приборов, построенных на разных принципах.
Приборы амплитудно-фазовые «на прохождение». В этом случае внутреннее состояние объекта контроля определяется по изменению параметров сигнала, прошедшего через материал образца. Принципиальная схема метода приведена на рис. 3.8. Основой метода является наличие двух антенн (приемной и излучающей), находящихся по разные стороны от объекта контроля и, как правило, соосных между собой. В основном существуют две принципиальные структурные схемы приборов, в которых применен метод «на прохождение» (рис. 3.9).
Рис. 3.8. Принципиальная схема образования сигнала по методу «на прохождение»: l0 - длина рупора; l1 - расстояние от края излучающего рупора до первой поверхности; l2 - расстояние от второй поверхности до приемного рупора; h - толщина контролируемого изделия: r1,2 - коэффициент отражения от первой и второй границ; g1,2 - коэффициент прозрачности первой и второй границ; E1 - излученная волна; - волна в образце; E3- принимаемая волна
Рис. 3.9. Структурная схема амплитудно-фазовых приборов, работающих по методу «на прохождение»: 1 - блок питания; 2 - источник энергии СВЧ; 3 - развязывающий элемент (ферритовый вентиль); 4 - аттенюатор; 5 - излучающая антенна (рупор); 6 - приемная антенна; 7 - детектор; 8 - блок обработки информации; 9 - фазовращатель; 10 - объект контроля
Принцип работы схемы, в которой все элементы обозначены сплошной линией, заключается в следующем. Энергия СВЧ от клистронного генератора 2 подается через вентиль 3, волновод и аттенюатор 4 к излучающему рупору 5. Энергия проходит через образец 10, принимается приемной антенной 6 и через измерительный аттенюатор 4 попадает на детектор 7, после чего сигнал усиливается и подается на индикаторный прибор 8. Такая схема позволяет проводить контроль свойств материала по величине затухания энергии СВЧ в образце, отсчитываемого по шкале аттенюатора, с помощью которого величина сигнала индикаторного устройства прибора поддерживается на постоянном уровне.
Рис. 3.10. Принципиальная схема образования сигнала в амплитудно-фазовых приборах, работающих «на отражение»: l0 - длина рупора; l - расстояние от среза рупора до поверхности; h - толщина образца; Е1 - сигнал связи приемной и излучающей антенн; E2 - сигнал, отраженный от первой границы; Е3 - сигнал, отраженный от второй границы; Е4 - сигнал, отраженный от дефекта
Схему, в которой часть элементов отмечена пунктиром, часто называют интерферометром с открытым плечом. В этой схеме прошедший сигнал сравнивается по амплитуде и фазе с опорным, подаваемым через аттенюатор 4 и фазовращатель 9. Такая схема обладает более высокой информативной емкостью.
Рис. 3.11. Структурные схемы амплитудно-фазовых приборов, работающих «на отражение»: а - одноантенный вариант; б - двухантенный вариант; 1 - блок питания; 2 - источник энергии СВЧ; 3 - развязывающий элемент; 4 - узел разделения излучаемого и принимаемого сигналов (двойной волноводный тройник, направленный ответвитель, щелевой мост и Т.п.); 5 - излучающая (приемная) антенна; б ~ детектор; 7 - индикаторный прибор; 8 - объект контроля
Чтобы исключить влияние переотражений, необходимо согласовать границы раздела с приемной и излучающей антеннами, Т.е. исключить появление стоячей волны.
Приборы амплитудно-фазовые «на отражение». Внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию среды на сигнал, отраженный от объекта или поверхности образца. Принципиальная схема метода приведена на рис. 3.10. Основой метода является одностороннее расположение приемной и излучающей антенн. Существуют две структурные схемы приборов, работающих по методу «на отражение» (рис. 3.11). Принцип работы таких схем заключается в следующем. Энергия СВЧ клистронного генератора 2 через вентиль 3 передается на излучающую антенну 5. Отраженный сигнал (обычно сумма всех отраженных сигналов) попадает либо на ту же антенну (рис. 3.11, а) и с помощью соответствующих волноводных элементов подается на детектор 6, либо в другую приемную антенну 5 ( П3.11б), детектируется, обрабатывается и подается на индикаторный прибор 7.
Основной особенностью приборов является существование связи между излучающей и приемной антеннами, которая определяется конструктивным оформлением антенн. В однозондовом варианте связь существует за счет попадания части мощности генератора в детекторную секцию по внутренним волноводным трактам. В двухзондовом варианте связь наблюдается за счет попадания части излученной мощности в приемную антенну.
Конструктивная связь является по существу опорным сигналом, с которым суммируется отраженный сигнал. Для различных задач эта связь может быть полезной и мешающей. Так, для выделения сигнала только от дефекта другие компоненты сигнала должны быть исключены. В этом случае выявляемость дефекта зависит только от чувствительности приемника, и на показания приборов не влияет изменение расстояния от образца до антенны.
В случае наличия всех компонентов сигнала форма сигнала от расстояния носит ярко выраженный интерференционный характер, который зависит от соотношения между амплитудой и фазой сигналов отраженного и связи. Отраженный сигнал зависит от структуры отраженного поля, свойств контролируемого образца и от расстояния. Отличие электромагнитных свойств дефектной области от бездефектной является причиной изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала. Это приводит к изменению вида интерференционной кривой. Возможность регистрации дефекта основана на существовании разности интенсивностей при заданном положении антенны (при данном расстоянии между поверхностью образца и антенной).
Следует иметь в виду, что в точках пересечения, соответствующих точкам пересечения двух интерференционных кривых, невозможно обнаружить дефект, Т.е. могут существовать зоны необнаружения. Их ширина определяется тем минимальным значением сигнала, которое может быть зафиксировано системой регистрации.
Приборы поляризационные. Внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию на вектор поляризации сигнала. В приборах могут быть использованы схемы «на прохождение» и «на отражение». Принципиальным положением является такое начальное взаимное расположение плоскостей поляризации излучающей и приемной антенн, когда сигнал в приемной антенне равен нулю. Только при наличии дефекта и структурной неоднородности, меняющих плоскость поляризации излученного сигнала или меняющих вид поляризации (от плоскопараллельной к эллиптической или круговой), в приемной антенне появляется сигнал. Следует иметь в виду, что среда может оказать воздействие на направление вращения плоскости поляризации (левое и правое), что также может служить информативным параметром. Основным мешающим фактором при дефектоскопии многослойных изделий является изменение толщины составляющих слоев, обусловленное обычно случайными технологическими или специальными конструктивными причинами. Такие изменения по площади или объему изделия в значительной степени ухудшают достоверность и эффективность радиоволновых методов. Применение волн круговой поляризации позволяет в значительной степени уменьшить влияние толщины при контроле дефектов, физико-механические свойства, форма и пространственная ориентация которых различным образом взаимодействуют с ортогональными компонентами электрического вектора падающей волны.
Рис. 3.12. Структурная схема дефектоскопа круговой поляризации: 1 - СВЧ-генератор; 2 - турникетное соединение; 3, 4 - рупорно-линзовые антенны; 5 - приемник-разделитель волн ортогональных поляризаций; 6 - блок вычитания; 7 - пороговое устройство; 8 - индикатор; 9 - механизм поворота и перемещения антенн; 10 - контролируемый объект
При отсутствии дефектов величина отраженной энергии пропорциональна квадратам коэффициентов отражения, которые являются функцией толщины, свойств и угла падения. Зависимости от этих параметров носят сложный осциллирующий характер. Амплитуда этих осцилляций меняется в довольно широких пределах. Однако при малых значениях угла падения эти изменения практически адекватны. Аналогичный характер имеют и изменения фаз отраженных волн. Таким образом, разделив отраженную волну круговой поляризации на две волны с ортогональными компонентами и проведя последующее вычитание продетектированных сигналов, можно в значительной степени снизить влияние мешающего фактора от изменения толщины. На рис. 3.12 приведена структурная схема дефектоскопа круговой поляризации.
Рис. 3.13. Схема цилиндрического резонатора, возбужденного на волне типа H01: а - распределение поля; б - расположение образца; 26 - диаметр образца; 2а - диаметр резонатора; l- высота резонатора и образца
Приборы резонансные. В этом случае внутреннее состояние объекта контроля определяется по воздействию среды на изменение таких резонансных параметров, как добротность, смещение резонансной частоты распределение поля в резонаторе. Наибольшее распространение получил цилиндрический резонатор (рис. 3.13). Преимуществом такого резонатора является возможность использования образцов достаточно больших диаметров и его перестройка с помощью подвижного поршня, особенно бесконтактного.
Приборы с преобразованием вида волны. Метод основан на том, что волна высшего вида при встрече с дефектом (неоднородностью) «вырождается», Т.е. преобразуется в волну основного вида, которая проходит через соответствующий фильтр. В этом случае могут быть использованы схемы «на отражение» и «на прохождение». Принцип преобразования обеспечивает высокую избирательность по дефектам.
Приборы, использующие принцип геометрического метода. Внутреннее состояние объекта контроля приборы этого типа определяют по воздействию среды на направление распространения электромагнитной волны, Т.е. используются принципы геометрической оптики, главным образом закон Снелиуса. В этом случае могут быть применимы схемы «на отражение» и «на прохождение» (рис. 3.14). Полезный сигнал является функцией выхода из образца сигнала СВЧ.
Рис. 3.14. Схема работы прибора геометрическим методом: а - на прохождение; б - на отражение; d- отсчетная величина; - угол падения; - угол преломления
Квазиоптические приборы. Радиоизображение, сформированное с помощью радиооптических систем (линз, зеркал, объективов), содержит всю информацию об объекте контроля и обеспечивает получение видимого изображения, близкого естественному. Радиоизображение может быть получено как методом «на отражение», так и методом «на прохождение» (рис. 3.15). Квазиоптический метод может быть использован для исследования как близко расположенных объектов (расстояние от плоскости приема до объекта порядка 1 - 4 м), так и удаленных на расстояние более 80 м. Метод применим для волн, длина которых меньше 3 см.
Приборы, работа которых основана на радиоголографическом методе. В этом случае внутреннее состояние объекта контроля определяется либо по интерференционной картине, либо по восстановленному изображению. Первый случай обычно используют для получения информации при сравнении детали с эталоном. Во втором случае анализируют видимое изображение.
Рис. 3.15. Схема квазиоптического прибора: а - теневой метод; б - на прохождение; в - на отражение; 1 - источник энергии; 2 - рупорный излучатель; 3 - коллиматор; 4 - объект контроля; 5 - линза, формирующая радиоизображение; 6- приемная антенна; 7- отражатель
Приборы с использованием нескольких частот. В этом методе внутреннее состояние объекта контроля определяется либо по сдвигу резонансной частоты поглощения, либо при сравнении двух или более частот, либо на основе анализа спектра частот. Основой частотного метода является использование одновременно излучаемого широкого спектра частот или изменения частоты в определенном интервале, когда полезный сигнал пропорционален изменению амплитуды, частоты, ее смещению по электромагнитному спектру, выделению разностной частоты на нелинейном элементе. Метод может быть совмещен с методами «на отражение» и «на прохождение».
Дефектоскопы поверхностных волн. Физические особенности распространения замедленных волн в линиях с распределенной электромагнитной связью можно эффективно использовать при неразрушающем контроле слоистых диэлектрических изделий и покрытий. При этом одна из линий с постоянными физическими характеристиками используется в роли активного зонда, а другая - с переменными параметрами - в качестве исследуемого объекта. Связь между линиями может быть как сильной, так и слабой. При этом происходит полная или частичная передача энергии из зонда в объект и обратно. Наличие в объекте неоднородностей, дефектов, изменения свойств или геометрии приводит к нарушению условий распространения поверхностных волн и перераспределению энергии между зондом и объектом.
К основным характеристикам поверхностных волн относят тип волны и коэффициент замедления. Расчет характеристик активного зонда в зависимости от поставленной задачи производят на базе решения дисперсного уравнения, которое связывает физические параметры объекта с основной характеристикой, являющейся мерой всех волноводных свойств - коэффициентом замедления. Результаты численного исследования и анализ чувствительности коэффициента замедления к изменению параметров объекта показывают наличие ярко выраженной экстремальной зависимости, что позволяет расчетным путем в зависимости от поставленной задачи выбрать оптимальный тип волны и рабочую частоту и параметры зонда. В качестве активного зонда для возбуждения поверхностных волн в объекте могут быть использованы диэлектрические волноводы, дисковые или кольцевые резонаторы, возбуждаемые диэлектрическими волноводами. Метод обладает высокой чувствительностью и локальностью при контроле относительно тонких изделий или покрытий на металле, при обнаружении микрорасслоений, отсутствия клея или плохой адгезии между слоями. Метод и его приборная реализация позволяют не только обнаружить дефект (например, расслоение), но и оценить его глубину залегания, величину раскрытия и размер площади.
|
