КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ
КУЦЕНКО ВОЛОДИМИР ПЕТРОВИЧ
УДК 621.317.39:539.2
ПІДВИЩЕННЯ ЧУТЛИВОСТІ І ТОЧНОСТІ РАДІОМЕТРИЧНИХ ПРИЛАДІВ КОНТРОЛЮ ВИРОБІВ ІЗ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Спеціальність 05.11.13 – прилади і методи контролю
та визначення складу речовин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі автоматизації та комп’ютерних систем у
Київському національному університеті технологій та дизайну,
Міністерства освіти і науки України, м. Київ.
Науковий
керівник: | доктор технічних наук, професор,
Заслужений діяч науки і техніки України
СКРИПНИК Юрій Олексійович,
Київський національний університет технологій
та дизайну, професор кафедри автоматизації
та комп’ютерних систем,
Міністерства освіти і науки України
Офіційні
опоненти: | доктор технічних наук, професор
ПЕТРУК Василь Григорович,
Вінницький національний технічний університет,
завідувач кафедри хімії та екологічної безпеки,
Міністерства освіти і науки України
кандидат технічних наук, доцент
ШИРОКОВ Ігор Борисович,
Севастопольський національний технічний
університет, доцент кафедри радіотехніки,
Міністерства освіти і науки України
Провідна установа: | Національний технічний університет України „КПІ”,
кафедра приладів та систем неруйнівного контролю,
Міністерства освіти і науки України, м. Київ
Захист відбудеться “27“ жовтня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради
Д 26.102.01 у Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою:
01011, м. Київ, Немировича-Данченка 2, конференц-зал, корпус 1.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою:
01011, м. Київ, Немировича-Данченка 2, корпус 2.
Автореферат розісланий “21“ вересня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., професор | Березненко С.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У виробах нової техніки все більш широке застосування одержують діелектричні матеріали на основі кераміки, аморфного скла, високомолекулярних полімерів тощо. Однак, контролювати склад та властивості цих матеріалів традиційними методами (електромагнітним, акустичним і ін.), які базуються на їх зондуванні електромагнітними хвилями різних частотних діапазонів та вимірюванні параметрів хвиль, які пройшли через матеріал, не дозволяють їх низька електропровідність, теплопровідність і звукопровідність. Висока поглинальна здатність діелектричних матеріалів ускладнює використання і радіохвильового методу, заснованого на оцінці відбивної здатності таких матеріалів і виробів з них. У той же час, враховуючи відносно високу радіопрозорість діелектричних матеріалів і те, що власні радіотеплові електромагнітні випромінювання цих матеріалів визначаються їхнім хімічним і мінеральним складом, а також залежать від температури, вологості і ряду інших характеристик: густини, пористості, структури гранулометричного складу, контроль цих параметрів можливо використовувати радіометричним методом, заснованим на аналізі інтенсивності власного електромагнітного випромінювання (ЕМВ) матеріалів у надвисокочастотному (НВЧ)-діапазоні.
Розроблені раніше радіометричні прилади забезпечують вимірювання інтенсивності електромагнітного випромінювання (шумових сигналів) у межах 10-3 – 10-12 Вт. Однак, враховуючи, що інтенсивність власних шумових сигналів від діелектричних виробів дуже мала і фактично нижча за рівень власних шумів радіометричних приладів контролю (РПК), то виникають значні похибки і знижується вірогідність контролю.
Таким чином, підвищення чутливості і точності РПК є актуальною задачею, вирішення якої можливе за рахунок розвитку теоретичних та практичних засад, побудови нових спеціалізованих схем РПК.
Зв'язок роботи з науковими планами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі АКС Київського національного університету технологій та дизайну у рамках науково-дослідної теми 0103U000849 „Теоретичні основи взаємодії ЕМП людини з матеріалами одягу та створення НВЧ-апаратури оцінки відбиваючих та поглинальних властивостей матеріалів”, а також у рамках НДР на Казенному науково-виробничому підприємстві „Кварсит” (м. Костянтинівка, Донецької обл.) „Визначення можливості застосування НВЧ-технологій на основі вимірювання ЕМВ для аналізу властивостей матеріалів” згідно з програмою Міністерства промислової політики України 01/3-2-2-33р.
Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні чутливості, точності і розширенні функціональних можливостей РПК виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону, інтенсивність яких нижча за рівень власних шумів контролюючої апаратури.
Відповідно до поставленої мети у роботі зумовлювалися та вирішувалися такі завдання:
- розробка наукових методів неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем власного (склад, густина, температура) та вторинного (чистота складу й визначення домішків) ЕМВ НВЧ-діапазону;
- розробка концепції і принципів побудови функціональних схем високочутливих РПК НВЧ-діапазону для контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем потужності ЕМВ;
- розробка методів і способів високоточного контролю складу речовин і відповідних алгоритмів обробки результатів контролю для виключення прогресуючих адитивних (АСП) та мультиплікативних (МСП) складових похибок, а також мінімізації випадкових похибок контролю виробів із діелектричних матеріалів, за рахунок оцінки власних та вторинних сигналів ЕМВ, інтенсивність яких менша за рівень власних шумів РПК;
- дослідження залежності флуктуаційного порогу чутливості модуляційного РПК від параметрів автоматичного перемикача, характеристик порівнюваних сигналів, частоти іх комутації та смуги пропускання низькочастотного каналу РПК. Розробка рекомендації щодо поліпшення параметрів РПК;
- експериментально-аналітичне отримання виразів для оцінки похибок впливу НВЧ-шумів та параметрів автоматичних перемикачів, вибору РПК з мінімальними похибками перетворення та підвищення точності контролю.
Об'єкт дослідження. Процес отримання інформації про інтенсивність ЕМВ НВЧ-діапазону, що характеризує склад і властивості виробів із діелектричних матеріалів.
Предмет дослідження. Створення РПК, які забезпечують високу чутливість та точність вимірювань власного ЕМВ діелектричних матеріалів.
Методи дослідження ґрунтуються на загальних положеннях: теорії рівноважного та нерівноважного ЕМВ виробів із діелектричних матеріалів; теорії радіотехнічних вимірювань з перетворенням та без перетворення частоти вхідного сигналу власних ЕМВ об'єктів різної фізичної природи; структурно-функціонального моделювання, комутаційно-модуляційного перетворення, теорії випадкових подій та теорії похибок.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в новому підході до розробки методів та засобів неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем потужності ЕМВ НВЧ-діапазону за рахунок розробці високочутливих модуляційних РПК, що забезпечують селекцію широкосмугових слабких сигналів від шумових завад, підвищення чутливості і точності контролю, розширення їхнього частотного діапазону та функціональних можливостей;
- при оцінюванні градієнту речовини (домішки) в виробах контролю досягнуто вилучення впливу температурної й часової нестабільності параметрів РПК на чутливість і точність контролю за рахунок порівняння різницевих сигналів до та після опромінювання об'єкта мікрохвильовим випромінюванням і використання при цьому позитивного зворотного зв'язку в схемі РПК;
- забезпечено виключення впливу шумів антени і шумів самого РПК на значення прийнятого сигналу за рахунок введення операцій порівнювання ЕМВ від абсолютно чорного тіла, об'єкту контролю та екрану. Доведено, що похибка контролю залежить тільки від похибки градуїровки атенюатора (0,1 дБ), а флуктуаційний поріг за потужністю сягає 10-22 Вт/Гц за смуги приймання 100 МГц;
- доведено, що виключення впливу власних шумів вхідного тракту модуляційного РПК на значення прийнятого сигналу об’єкту контролю незалежно від частоти гетеродину і досягається за рахунок формування компенсуючого шумового сигналу з перебудованого за частотою гетеродину шляхом балансової модуляції НВЧ-сигналу шумовим сигналом проміжної частоти та подачі його на вихід НВЧ-ключа антени;
- обґрунтовано доцільність введення структурного надлишку, що забезпечує при комп’ютерній обробці результатів додаткових вимірювань виключення МСП і АСП РПК та значного підвищення точності контролю (МСП- 1,5%, АСП- 10-15 Вт) і чутливості РПК (10-15 Вт);
- розроблені методики оцінки похибок, що забезпечує можливість роздільного вимірювання МСП і АСП та рекомендації до послаблення впливу власних шумів НВЧ-тракту РПК, що дає можливість вимірювати рівні сигналів нижче рівня власних шумів РПК.
Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості отримання нової інформації про склад, будову та якість виробів із діелектричних матеріалів за допомогою використання РПК НВЧ-діапазону з комутаційно-модуляційним перетворенням сигналів, які приймаються антеною. В результаті дисертаційного дослідження:
- запропоновано РПК, схемні вирішення яких дають можливість розробити системи для неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів;
- розроблено модуляційні РПК, які забезпечують розширення сфери досліджень слабких сигналів у мало вивченій верхній частині НВЧ-діапазону;
- запропоновано структури РПК, а також структури й алгоритми перетворення сигналів для інженерного проектування модуляційних РПК з більшою чутливістю, точністю, розширеним частотним діапазоном та функціональними можливостями;
- запропоновано засоби усунення похибок від впливу власних шумів антени і РПК, а також
через нестабільність функції перетворення РПК, що забезпечують високу точність контролю у
широкому діапазоні значень.
Реалізація та впровадження результатів роботи. Нові технічні рішення:
„Спосіб оцінки перевищення вторинного мікрохвильового випромінювання над радіотепловим” №66419 G01№22/00 G01j5/00, „Модуляційний гетеродинний радіометр” №68120А G01R29/08 „Спосіб вимірювання слабких радіовипромінювань” №70229А G01S13/00, „Нульовий модуляційний радіометр” №69098А, G01R29/08, „Кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання” №65764А G01R29/08, що розроблені та захищені патентами України, які впроваджуються у виробництві.
Результати дисертаційної роботи використовуються у Науково-дослідному інституті комплексної автоматизації (м. Донецьк) та Казенному науково-виробничому підприємстві „Кварсит” (м. Костянтинівка, Донецької обл.) під час дослідних та виробничих процесів, а також при підготовці студентів у навчальному процесі Житомирського інженерно-технологічного інституту на кафедрі медичних приладів та систем, у Київському національному університеті технологій та дизайну на кафедрі автоматизації та комп'ютерних систем і у Севастопольському національному технічному університеті на кафедрі радіотехніки.
Особистий внесок дисертанта є основним на всіх етапах досліджень і полягає у формулюванні завдань та безпосередньому виконанні всіх етапів роботи та експериментальних досліджень. Автором запропоновані нульові радіометричні модуляційні системи для контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону, розроблена концепція побудови модуляційних РПК і показані шляхи підвищення чутливості та точності, розроблено алгоритм оцінки слабких радіовипромінювань і похибок, обґрунтована методика розрахунків оцінки перевищення вторинного ЕМВ НВЧ-діапазону над радіотепловим.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й схвалені на семи науково-технічних конференціях:
- VIII, XII, XIII Міжнародні науково-практичні конференції „Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Чернігів, 2000, м. Миргород, 2002; м. Дніпропетровськ, 2003);
- XIII, XIV, XV, XVI Міжнародні конференції „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (м. Севастополь, 2003, 2004, 2005, 2006).
Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в одній монографії, чотирьох статтях у наукових фахових виданнях ВАК України та науково-технічних журналах, сімох статтях надрукованих у збірках праць науково-практичних конференцій, п’яти патентах на винаходи.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 4-х розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 167 сторінок, із них 134 сторінки основного змісту роботи, 48 рисунків займають 10 сторінок за текстом і 10 окремих сторінок, 8 таблиць займають 3 сторінки, список із 102 використаних літературних джерел налічує 11 сторінок. Додатки ілюструють експериментальні дослідження та впровадження результатів роботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації, мета та основні наукові проблеми, дається коротка характеристика загального стану і методів вирішення проблем. Зазначені наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.
У першому розділі розглянуто електрофізичні моделі взаємозв’язку складу речовин з власними та зовнішніми ЕМП. Показано, що власне ЕМВ об'єктів обумовлене в основному тепловим рухом заряджених часток, спектральний розподіл енергії випромінювання визначається законами Планка та Релея-Джинса. У речовинах, поряд з рівноважними процесами, мають місце і значно нерівноважні процеси, джерелом яких може бути неоднорідне поле температур, градієнти концентрації речовин, поляризаційні властивості та ін. Наведені положення створюють передумови для формування фізичних уявлень про механізми взаємодії ЕМВ з молекулярними структурами речовини, на підставі чого можна орієнтуватися при практичному використанні ЕМВ.
На основі проведеного аналізу схем РПК для визначення та реєстрації слабких ЕМВ зроблено висновок про те, що при встановленні складу речовин виникає необхідність у вимірюванні сигналів ЕМВ, спектральна густина, яких становить ?10-20 Вт/Гц·см2, а рівень – нижчий, ніж рівень теплових шумів апаратури. На цей час розроблені приймачі не забезпечують достатньої оцінки потужності ЕМВ речовин . До недоліків застосованої апаратури варто віднести слабку чутливість, низький рівень точності, вузький діапазон та ін. Тому перспектива подальшого підвищення чутливості і точності РПК виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону є актуальним завданням, вирішення якого можливо на основі розвитку теоретичних та практичних засад та створення нових спеціалізованих схем РПК.
У другому розділі розроблені математичні моделі молекулярної взаємодії речовини (система зв'язаних тотожних осциляторів) із зовнішніми полями. Встановлено, що у інтервалі частот:
, (1) хвиля у речовині загасає як експонента, а у інтервалі:
. (2)
проникає в обсяг речовини,
де – циклічна частота падаючої електромагнітної хвилі; – маса осцилятора; – власна циклічна частота коливань осцилятора; , – константи пружності автономного осцилятора і взаємозв'язку осциляторів; – питомий коефіцієнт дисипації; – хвильовий вектор; – відстань між осциляторами.
Показано, що при потужності ЕМВ порядку 102 мвт/см2 і більше виникає зріст дисипації і зсув інтервалу резонансної взаємодії ЕМВ з речовинами у бік менших частот на величину . Враховуючи викладене і те, що метод резонансно-хвильового НВЧ дослідження виявляється чутливим не тільки до складу, домішок і властивостей речовини, але й до процесів, які відбуваються в досліджуваних середовищах, то очевидна перспектива подальшого розвитку методів та засобів вимірювання ЕМВ і створення бази даних про характеристики речовин. Це є актуальним завданням, вирішення якого можливо за рахунок розвитку теоретичних та практичних засад, побудови нових спеціалізованих схем РПК.
З’ясовані особливості застосування РПК. Встановлено, що модуляційні РПК найповніше відповідають вимогам забезпечення чутливості і точності, а простота реалізації схем, надійність у роботі визначають широке їхнє використання при оцінці потужності слабких випромінювань НВЧ-діапазону. Реалізація високої чутливості в компенсаційних РПК обмежена через значну флуктуацію коефіцієнта підсилення та складність їхньої компенсації за малих рівнів вхідних сигналів, а в кореляційних приладах через „паразитні” корельовані сигнали за рахунок шумів гетеродина та проходження сигналів з каналу в канал.
Проаналізовано причини, що обумовлюють виникнення у модуляційних РПК складових похибок. Показана методика визначення сумарних систематичних похибок , як арифметична сума складових, і випадкових похибок, як геометрична сума складових. Якщо визначати довірчу ймовірність 99,8% та рахувати, що розподіл сумарної похибки наближається до нормального закону, тоді, а сумарна похибка:
, (3)
де – середня квадратична похибка, яка дорівнює кореню квадратному із суми дисперсій для незалежних часткових похибок за будь-яких законах розподілу останніх.
У третьому розділі розглядаються методи та засоби контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем потужності ЕМВ НВЧ-діапазону без перетворення та з перетворенням частоти вхідного сигналу, обґрунтовуються їхні можливості щодо виміру параметрів сигналів. Закладено нові напрямки використання радіометричних приладів для контролю складу речовин і запропоновано нові високочутливі модуляційні РПК. Наведено кількісні характеристики підвищення чутливості і точності РПК за рахунок застосування нових методів в порівнянні з уже
існуючими.
Автором розроблено радіометричний спосіб, який полягає в оцінці перевищення вторинного ЕМВ від наданих обєктів над радіотепловим (рис.1). Антеною Х1 приймають від досліджуваного обєкту радіотеплове довгохвильове ЕМВ, періодично переривають прийнятий сигнал автоматичним перемикачем S1, підсилюють широкосмуговим підсилювачем А1 сумісно з його власними вхідними шумами, виділяють із підсилених сигналів за рахунок квадратичного детектора (КД) U1, вибіркового підсилювача (ВП) А3, настроєного на частоту генератора G1, синхронного детектора (СД) U2 та фільтра нижніх частот (ФНЧ) Z1 різницевий сигнал і фіксують його значення реєстратором Р1. Збільшують в паузі переривання підсилені вхідні шуми введенням ключем S2 в ПВЧ А1 позитивного зворотного звязку, коефіцієнт передачі атенюатора ланцюга А2 позитивного зворотного звязку збільшують до досягнення нульового значення першого різницевого сигналу, фіксують відповідне значення коефіцієнта передачі атенюатора б1. Замикають ключ S3 і через антену Х2 опромінюють обєкт дослідження низько інтенсивним короткохвильовим ЕМВ. Антеною Х1 приймають вторинне довгохвильове ЕМВ і знову збільшують коефіцієнт передачі до досягнення нульового значення другого різницевого сигналу, фіксують друге значення коефіцієнта передачі атенюатора б2, а перевищення з вторинного мікрохвильового ЕМВ над первинним радіотепловим визначається за формулою:
(4)
Це дає можливість уникнути впливу температурної часової нестабільності параметрів РПК на чутливість і точність контролю, забезпечити високу вірогідність виявлення і оцінки вторинного ЕМВ. Із виразу (4) видно, що значення коефіцієнта перевищення не залежить від параметрів РПК, а визначається тільки значеннями коефіцієнта передачі атенюатора. Це надає можливість використовувати високочутливі схеми РПК, здатні виявляти слабі шумові ЕМВ за рівнем потужності, значно нижчій, ніж потужність власних шумів РПК. Потужність вторинного мікрохвильового ЕМВ можна визначити за формулою:
(5)
де Sо – результуюча чутливість РПК за потужністю; U8 – постійна складова напруги на виході ФНЧ Z1.
Розглянутий РПК використано для контролю чистоти складу виробів із діелектричних матеріалів й визначення домішок без порушення їх цілісності. При опроміненні монохроматичним
НВЧ-сигналом інтенсивністю не вище 10 мкВт/см2 на резонансних частотах опромінення (48 – 53 ГГц) виникало додаткове вторинне ЕМВ на частоті 1 ГГц з коефіцієнтом перевищення.10-25%.
Для забезпечення більшої точності контролю складу речовин у широкому діапазоні значень запропоновано спосіб, у якому включення нульового РПК без переривання прийнятого сигналу від обєкта контролю (), а також введення структурного надлишку при комп'ютерної обробки результатів додаткового вимірювання забезпечило уникнення похибок як від впливу власних шумів антени () і РПК (), так і від нестабільності функції перетворення РПК (). Функціональна схема (рис.2). працює за програмою, записаною у пам'яті мікро- ЕОМ (СРU). Вихідна напруга РПК при основному вимірюванні широкосмугового сигналу має вигляд:
, (6)
де і – відповідно мультиплікативна (МСП) та адитивна (АСП) похибки від мінливості коефіцієнта підсилення РПК та рівня власних шумів тракту РПК. Напругу перетворюють в код за допомогою перетворювача U1 і вводять у пам'ять мікро-ЕОМ. Далі вхід антени закривають радіопрозорою пластиною Е з каліброваним коефіцієнтом пропускання 0,8-0,9, вихідна напруга РПК змінюється до значення:
. (7)
Зменшену напругу U2 вводять у пам'ять мікро-ЕОМ, відкривають антену і додають еталонний шум від генератора G1 до значення 0,1...0,2. Напруга на виході РПК зростає до значення:
. (8)
Після обчислювання одержують остаточний результат контролю:
. (9)
З виразу (9) видно, що результат обчислень не залежить від власних шумів антени і РПК, від МСП і АСП цього РПК. Розрахунки показали, що завдяки виключенню власних шумів антени нижня межа контролю складу речовин за рівнем потужності ЕМВ знижена до 10-15 Вт. Це дає можливість контролювати густину та чисті і однорідні речовини. Виключення МСП і АСП забезпечило підвищення точності РПК у 2 – 2,5 разів у НВЧ-діапазоні 52 – 78 ГГц.
Автором розроблена функціональна схема супергетеродинного РПК, яка забезпечує підвищення чутливості та точності контролю, розширення частотного діапазону. Наступний
спосіб був розроблений для досліджень складу діелектричних матеріалів (хімічні, фізико-
механічні, структурні характеристики виробів тощо) (рис.3). Схема працює таким чином. Сигнал
від обєкту О через антену X1, змінний атенюатор A1 і ключ-модулятор S1 надходить на один вхід балансного змішувача (БЗ) U1, на інший вхід якого впливає сигнал гетеродина G1. В результаті змішування монохроматичного сигналу гетеродина і прийнятого сумарного шумового сигналу із широким спектром формуються два сигнали різницевої частоти симетричними відносно. Складові різницевої частоти підсилюються підсилювачем проміжної частоти (ППЧ) A2, надходять на КД U2, на виході якого формується послідовність відеоімпульсів. Напруга основної гармоніки обвідної відеоімпульсів виділяється і підсилюється ВП A3, набудованим на частоту генератора G2, випрямляється СД U3 і згладжується ФНЧ Z1.
Спочатку вимірюють ЕМВ від обєкту О, далі – ЕМВ від АЧТ, а потім екранують антену X1 від зовнішніх випромінювань, при цьому коефіцієнт передачі атенюатора A1 (б1, б2, б3) змінюють відповідно до значення, при якому кожний раз досягається нульове показання реєстратора P.
Після обчислювання маємо результат контролю складу речовини за потужністю ЕМВ:
, (10)
де – потужність випромінювання АЧТ при його температурі.
З виразу (10) видно, що на результат контролю складу речовин не впливають шуми антени, шуми РПК, нестабільність параметрів РПК, мінливість чутливості антени, а також варіації потужності гетеродина. Похибка контролю залежить тільки від похибки градуювання атенюатора, що для вимірювальних атенюаторів поглинального типу НВЧ- діапазону не перевищує 0,1 дБ. Перебудовуючи частоту гетеродина можна контролювати спектральну густину потужності досліджуваних речовин у діапазоні до 160 ГГц.
Для контролю виробів із діелектричних матеріалів (дефектоскопії структур, контролю
вологості, температури і т. і.) був розроблений модуляційний гетеродинний РПК (рис.4). Введення
в схему керованого ППЧ А7, диференціального підсилювача А8, джерела стабілізованої постійної
напруги G3, НВЧ-балансового модулятора U5 і вентиля А2, сполучених зазначеним чином, забезпечує формування шумового сигналу, що компенсує, безпосередньо з НВЧ-сигналу і гетеродину. В результаті вплив власних шумів антени на приймач врівноважується дією шумового сигналу, що компенсує, який формується на виході НВЧ-балансного модулятора і вводиться в тракт приймача спрямованим відгалужувачем А1, коли НВЧ-ключ U1 закритий. За періодичної роботи НВЧ-ключа U1 вибірковим ПНЧ A4 буде підсилюватися напруга обвідної відеоімпульсів. Якщо низька частота переключень НВЧ-ключа Щ, то низькочастотну напругу, підсилену вибірковим ПНЧ A4, можна представити як :
, (11)
де – коефіцієнт підсилення вибіркового ПНЧ А4; – напруга низько-частотних шумів, що попадають у смугу пропускання вибіркового ПНЧ А4.
Підсилена напруга (11) випрямляється СД U4, що керується безпосередньо напругою генератора G1 низької частоти, і згладжується ФНЧ Z2. При досить великій постійної часу ФНЧ шуми ДU(t) шляхом усереднення придушуються, а постійна напруга, що реєструється, має вигляд:
, (12)
де– коефіцієнт перетворення СД; – коефіцієнт передачі ФНЧ Z2.
Для повного виключення впливу шумів антени і фону радіовипромінювання на покази РПК проводять операцію калібрування. НВЧ-антену X1 направляють на нейтральне тло, на якому можна вважати, що корисний сигнал відсутній (), тоді зміною послаблення атенюатора A6 домагаються нульового показання реєстратора P. Прирівнюючи вираз (12) нулю, одержуємо умову компенсації:
. (13)
Це забезпечує підвищення точності і чутливості вимірювання вхідних сигналів за рахунок виключення впливу власних шумів антени і вхідних елементів прийомного тракту РПК на значення прийнятого сигналу незалежно від частоти гетеродину. Розроблений модуляційний гетеродинний РПК за запропонованою схемою може використовуватися для дефектоскопії, контролю вологості та температури і має флуктуаційний поріг чутливості у межах 10-20 – 10-21 Вт/Гц·.
Встановлено, що з часом через процеси електричного старіння елементів контролюючих схем, а також при відхиленні параметрів навколишнього середовища від нормальних змінюється
коефіцієнт підсилення активних елементів, що порушує симетрію автоматичного перемикача і
викликає зміщення нуля РПК. Тому виникають прогресуючі похибки МСП і АСП.
Автором запропонована схема реалізації алгоритму оцінки складових похибки (рис.5). Функція вимірювального перетворення РПК (рис. 6) має вигляд:
(14)
Рис.6. Статична характеристика перетворення
РПК НВЧ-діапазону: 1– номінальна; 2 – фактич-
на при температурі 250С; 3 – фактична при
температурі 450С.
де Sп – номінальна крутизна перетворення потужності Рх на постійну напругу ;. – відносна МСП, обумовлена зміною чутливості РПК;. – абсолютна АСП, викликана зміщенням нуля статичної характеристики; б – коефіцієнт передачі атенюатора у відносних одиницях.
Рис.5. Функціональна схема реалізації
алгоритму оцінки складових похибки РПК.
Згідно з поясненнями до виразу (14) випливає, що компенсувати МСП можна зміною крутизни перетворення Sп, тобто зміною коефіцієнта підсилення приймача РПК, а АСП – симетрією автоматичного перемикача при Рх = 0.
Показано, як можна безпосередньо в процесі роботи РПК із використанням додаткових стандартних технічних засобів (атенюатора, еталонного генератора шуму, надвисокочастотних
ключів) оцінити сумарну абсолютну похибку вимірювання ДСх і відносну сумарну похибку дСх.Умовою відсутності або компенсації відносної сумарної похибки є вираз:
(15)
Таким чином, можна визначати похибки РПК й оцінювати тим самим достовірність результатів контролю.
Проведена оцінка похибок контролю густини виробів із діелектричних матеріалів за рівнем ЕМВ, розраховані ризики виробника (б = 0,071) і замовника (в =0,018), а також ступінь абсолютної вірогідності визначення (D = 0,911). Показано, що розроблені РПК відповідають вимогам до приладів і методів контролю та визначення складу речовин.
Четвертий розділ присвячено експериментально-аналітичному дослідженню метрологічних
характеристик РПК НВЧ-діапазону, які впливають на результат і похибки контролю.
Показано, що поліпшення характеристик антен є важливою практичною задачею проектування РПК. Досліджено залежність коефіцієнта підсилення використаної антени-аплікатора (діаметр – D) від розміру екрана антени (Dе). Обґрунтовано застосування „магнітних” антен-аплікаторів, що забезпечують велику глибину зондування. Експериментальними дослідженнями встановлено, що граничні поля практично відсутні у зазорі „антена – об’єкт”, якщо розмір Dе ? 1,75D, що забезпечує більшу завадозахищеність та ефективність при реєстрації надзвичайно малих потужностей НВЧ випромінювань.
Був проаналізований вплив асиметрії параметрів АП. Показано, що реальні АП при перемиканні порівнюваних сигналів мають властиву їм асиметрію, що викликає похибку від комутаційних розривів. У результаті цього, у спектрі обвідної напруги з’являються додаткові складові, які впливають на результат порівнювання. Для покращення якості комутації АП керується напругою прямокутної форми. Оцінку відносної АСП для симетричного АП можна визначити за формулою:
, (16)
що показує її залежність від частота комутації і коефіцієнтів, які характеризують ступінь часової асиметрії (і). Проведена оцінка флуктуаційного порогу чутливості РПК. Ступінь розрізнювання сигналів на фоні теплових шумів оцінено відношенням сигналу до завади (с/з) з використанням функції кореляції і взаємокореляції на прикладі гармонічних сигналів () за допомогою еквівалентної схеми досліджуваного ланцюга (рис.7). Визначені складові сигналів із частотами і порівнюваних сигналів і частоти їхньої комутації:
. (17)
Таким чином, отримані співвідношення сигнал/завада при домінуючому впливі теплових шумів і пригнічення флікер-шуму показують, що завадостійкість РПК збільшується із зменшенням
частоти комутації, не залежить від різниці фаз порівнюваних сигналів для некорельованих джерел і залежить від фазового зсуву для корельованих джерел. Досліджено вибір частоти комутації та смуги пропускання РПК. Показано, що змінна складова частоти комутації, що несе інформацію про стан або характер досліджуваного об'єкта, на виході КД є величиною, пропорційною потужності вхідного сигналу та змінюється із частотою модуляції. У результаті послідових перетворень у каналі РПК на виході СД формується напруга:
, (18)
де K? – сумарний коефіцієнт перетворення каналу РПК; UХ, U0– амплітуда корисного та опорного сигналу; Sд – крутість перетворення КД U1; – дисперсія шумів, які втрапляються у смугу пропускання ВП.
Вихідна напруга фільтра нижніх частот (ФНЧ) РПК визначається за формулою:
(19)
де Щб – частота шумів, що заважає.
Аналіз виразів (18, 19) показує, що окрім постійної складової вихідний сигнал містить напруги „паразитних” складових частот, наближених до частоти комутації, що обумовлює проходження їх на вихід РПК та збільшення флуктуаційного порогу. Зменшення впливу шумів, наближених до частоти комутації, можна досягнути за рахунок зменшення смуги пропускання ВП та ФНЧ, збільшення коефіцієнту підсилення ВП на частоті комутації, вибору частоти комутації в залежності від факторів завад.
На рис. 8 наведена залежність розподілу потужності теплових шумів (1) через різну смугу пропускання ФНЧ, а також флуктуаційний виграш (2 – розрахунковий, 3 – експериментальний), що фактично може бути 4 і 5 кратним.
Показано, що частота комутації та смуга ?FA2 ВП вибирається таким чином, щоб забезпечити значне пригнічення впливу високочастотних складових теплового шуму апаратури.
Експериментальні дослідження виробів із діелектричних матеріалів проведені за допомогою запропонованих РПК. З метою створення системи оцінки комфортності текстильних матеріалів, які використовуються для пошиття одягу, були досліджені їхні власні ЕМВ у діапазоні 45 – 55 ГГц при температурі 37єС. Встановлено, що інтенсивність власних ЕМВ натуральних матеріалів (хутро, льон) мають рівень 10-13 _10-14 Вт/см2 і найближчі до інтенсивності ЕМВ людини, отже, сприяють збереженню температури тіла. Синтетичні ж матеріали, наприклад, поліестер, мають значно меншу випромінювальну здатність, що призводить до порушення комфортності одягу з цих матеріалів.
Для організації системи неруйнівного контролю технологічних процесів при виробництві продукції спеціального призначення за допомогою РПК досліджувалися рівні ЕМВ кварцового скла, кварцової кераміки і ситалу при температурі 45єС на частоті 52ГГц. Результати експериментальних досліджень показали, що кварцова кераміка, виготовлена з молотого кварцового скла, має у 2 рази вищу інтенсивність ЕМВ, аніж монолітне кварцове скло, і рівень випромінювання залежить від густини кераміки. Отримані результати підтверджують можливість контролю густини кераміки в межах 1,5...2,5 г/см3 і пористості в межах 6..12% при зрівнянні рівнів потужності ЕМВ контролюємого і еталонного зразків, які знаходяться в однакових температурних умовах.
З'ясовано, що матеріали, нагріті до раніше зазначеної температури, створюють спектральну густину ЕМВ, яка не перевищує 110-20 Вт/Гц·см2. Залежність інтенсивності випромінювання матеріалів від температури має лінійний характер. Таким чином, досліджувані діелектричні матеріали мають різну інтенсивність випромінювання у НВЧ-діапазоні хвиль, рівень якої може бути використаний для неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів. Доведено, що рівень потужності власного ЕМВ залежить від структурних порушень та неоднорідності речовини.
Досліджено електромагнітний діапазон випромінювання генераторів поляризованого світла БІОПТРОН з довжинами хвиль 480 – 3400 нм. В результаті виявлено й експериментально підтверджено невідоме раніше у спектрі випромінювання додаткове ЕМВ НВЧ-діапазону.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ
В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень в дисертаційній роботі отримані такі наукові та практичні результати:
1. Обґрунтовано метод неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рівнем власного ЕМВ у НВЧ-діапазоні.
Показано, що розроблені раніше РПК не відповідають вимогам контролю виробів із діелектричних матеріалів через недостатню чутливість (до 10-12 Вт), точність (похибка не менш
3дБ) і обмеженість частотного діапазону (до 30 ГГц).
2. Доведено, що при наявні градієнту речовини (домішки) в виробах контролю виникає довгохвильове (дц) вторинне ЕМВ при опромінюванні короткохвильовим (мм) ЕМВ.
Запропоновано спосіб оцінки перевищення вторинного ЕМВ над радіотепловим за рахунок
компенсації шумового сигналу від об'єкту контролю власними шумами підсилювача при додатковому введенні позитивного зворотного зв'язку РПК. За рахунок підвищення чутливості РПК зареєстровано перевищення вторинного ЕМВ над первинним в діапазоні 10-25%.
3. Встановлено, що домінуючим фактором підвищення флуктуаційного порогу РПК (що непотрібно) з'являється проходження у низькочастотному каналі РПК спектральних складових наближених до частоти комутації.
Запропоновано проводити зменшення флуктуаційного порогу чутливості модуляційних РПК за рахунок звуження смуги пропускання ВП та ФНЧ, збільшення коефіцієнту підсилення ВП на частоті комутації, вибору частоти комутації в залежності від факторів завад.
4. Введення в схему РПК із гетеродинним перетворенням частоти зворотного зв'язку через спрямований відгалужувач з додатковим перетворенням шумового сигналу промчастоти в НВЧ сигнал із використанням переналагоджуємого гетеродину дозволяє поширити частотний діапазон РПК в короткохвильову частину мм-діапазону (до 140-160 ГГц).
5. Обґрунтовано доцільність введення структурного надлишку (введення каліброваної радіопрозорої пластини, додаткового введення еталонного шуму), що забезпечує при комп'ютерної обробки результатів додаткового вимірювання виключення МСП і АСП РПК та значного підвищення точності контролю (МСП- 1,5%, АСП- 10-15 Вт) і чутливості РПК.
6. На основі запропонованої методики оцінки похибок, що забезпечує можливість роздільного вимірювання МСП і АСП, виявлено, що РСХ РПК практично збігається з НСХ при температурі 25оС, АСП не перевищує 10-21 Вт/Гц. Досліджено вплив на похибку контролю виробів власних шумів НВЧ-тракту РПК, а також розроблені рекомендації щодо їхнього послаблення, що дає можливість оцінювати сигнали нижче власних шумів РПК.
7. Теоретичні висновки та експериментальні результати підтверджують, що розроблені сучасні РПК НВЧ-діапазону забезпечують достатню підвищену чутливість і точність контролю. Це дає змогу вірогідно контролювати вироби із діелектричних матеріалів, реєструвати значення температури, вплив фізичних та хімічних факторів на їх склад та властивості і коригувати ці процеси, встановлювати зв’язок між параметрами виробів. Отримані результати підтверджують можливість контролю густини кераміки в межах 1,5...2,5 г/см3 і пористості в межах 6..12% при зрівнянні рівнів потужності ЕМВ контролюємого і еталонного зразків, які знаходяться в однакових температурних умовах.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Скрипник Ю.А., Яненко А.Ф., Манойлов В.П., Куценко В.П., Гимпилевич Ю.Б. Микроволновая радиометрия физических и биологических объектов. – Житомир: „Волынь”, 2003. – 408 с.
Здобувач запропонував модуляційні РПК складу фізичних об'єктів.
2. Водотовка В.И., Репа Ф.М., Куценко В.П. Высокочувствительный нулевой модуляционный радиометр // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. –Изд. НТУУ „КПИ”. – Вып. 48, 2005. – С.16-22.
Здобувач обґрунтував методику модуляційної обробки сигналів без комутації виходу антени РПК.
3. Скрипник Ю.О., Куценко В.П., Трегубов М.Ф., Шевченко К.Л., Яненко О.П. Радіометричний кореляційний вимірювач потужності мікрохвильового діапазону // Наукові праці Донецького національного технічного університету. – Серія „Обчислювальна техніка та автоматизація”. – Вип. 88. – Донецьк.: „Лебідь”, 2005. – С.152-155.
Здобувачем створено алгоритм розрахункових операцій для визначення потужності ЕМВ НВЧ-діапазону.
4. Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Куценко В.П., Трегубов М.Ф., Яненко О.П.
Радіометричний контроль складу та стану об'єктів живої та неживої природи // Вісник КНУТД, №2(22), 2005. – С.13-18.
Здобувач запропонував метод зменшення завад наближених до частоти комутації при радіометричному контролі складних виробів із діелектричних матеріалів.
5. Скрипник Ю.О., Куценко В.П., Яненко О.П. Радіометрична система реєстрації мікрохвильових полів і випромінювань біооб'єктів // Наукові праці Донецького національного технічного університету. – Серія „Обчислювальна техніка та автоматизація”. – Вип. 74. – Донецьк.: „Лебідь”, 2004. – С.382-385.
Здобувач обґрунтував методику проведення калібрування РПК за рівнем ЕМВ НВЧ-діапазону від АЧТ.
6. Патент №66419 (Україна), G01N22/00, G01J5/00 Спосіб оцінки перевищення вторинного мікрохвильового випромінювання над радіотепловим / Скрипник Ю.О., Яненко О.П., Куценко В.П.- № 20021210245; Заявл. 18.12.2002; Опубл. 17.05.2004; Бюл.№ 5.
Здобувачем розроблена методика розрахунків оцінки перевищення вторинного ЕМВ НВЧ-діапазону над радіотепловим.
7. Патент № А (Україна), G01R20/08 Модуляційний гетеродинний радіометр / Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Куценко В.П. – №2003109235; Заявл. 13.10.2003; Опубл. 15.07.2004; Бюл. 7.
Здобувач обґрунтував концепцію побудови модуляційного гетеродинного РПК і показав шляхи підвищення чутливості та точності.
8. Патент №70229А (Україна), G01S13/00 Спосіб вимірювання слабких радіовипромінювань. / Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Скрипник І.Ю., Куценко В.П.- № 20031213093; Заявл. 30.12.2003; Опубл. 15.09.2004; Бюл. № 9.
Здобувач розробив алгоритм вимірювання слабких радіовипромінювань і оцінку похибок контролю.
9. Патент №69098А (Україна), G01R29/08 Нульовий модуляційний радіометр / Скрипник Ю.О., Водотовка В.І., Репа Ф.М., Куценко В.П. – №20031210978; Заявл. 03.12.2003; Опубл. 16.08.2004; Бюл. 8.
Здобувачем обґрунтована методика модуляційної обробки сигналу без комутації виходу антени.
10. Патент №65764А (Україна), G01R29/08 Кореляційний вимірювач інтенсивності електромагнітного випромінювання. / Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Яненко О.П., Куценко В.П.- № 2003054104; Заявл. 06.05.2003; Опубл. 15.04.2004; Бюл. № 4.
Здобувачем створено алгоритм розрахункових операцій для визначення потужності ЕМВ НВЧ-діапазону.
11. Куценко В.П., Трегубов Н.Ф. Неразрушающий радиометрический метод контроля плотности кварцевой керамики радиопрозрачных термостойких обтекателей // Материалы 15-ой международной конференции „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМико-2005). – Севастополь: „Вебер”, 2005. – С.834-835.
Здобувач запропонував та експериментально підтвердив можливість контролю густини кераміки радіометричним методом.
12. Куценко В.П., Скрипник Ю.А.,Трегубов Н.Ф., Шевченко К.Л., Яненко А. Ф. Радиометрический контроль состава и свойств диэлектрических материалов // Материалы 16-ой международной конференции „СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (КрыМико-2006). – Севастополь: „Вебер”, 2006. – С. 762-764.
Здобувач обґрунтував спосіб радіометричного неруйнівного контролю складу матеріалів за рівнем їх радіотеплового ЕМВ НВЧ-діапазону.
АНОТАЦІЯ
Куценко В.П. Підвищення чутливості і точності радіометричних приладів контролю виробів із діелектричних матеріалів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 „Прилади і методи контролю та визначення складу речовин”. Київський національний університет технологій та дизайну, м. Київ, 2006 р.
Дисертація присвячена питанням підвищення чутливості і точності радіометричних приладів неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів (РПК) за їх рівнем власного електромагнітного випромінювання НВЧ-діапазону.
Розвинута теорія модуляційних РПК та систем, яка заснована на виділенні інформаційних сигналів на фоні шумових завад. Проаналізовано основні причини зниження чутливості і точності РПК. Встановлено, що головною причиною зниження чутливості модуляційних РПК є шумові завади, наближені до частоти комутації. Запропоновані алгоритми періодичного заміщення контрольованих сигналів у каналах РПК: власними шумами РПК; сигналом НВЧ-гетеродину, промодульованим шумовою напругою проміжної частоти; додаванням еталонного шуму з відомою інтенсивністю і т. і.
Досліджено вплив асиметрії параметрів автоматичного перемикача, вибір частоти комутації та смуги пропускання РПК, джерела похибок РПК, вплив узгодження антен з об’єктами контролю. Запропоновано схемна реалізація комп’ютерних засобів зниження похибок модуляційних РПК від власних шумів антени і підсилення прийнятого сигналу, нульових методів контролю без переривання прийнятого сигналу. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження підтверджують можливість практичної побудови нових схем модуляційних РПК з порівняно вищими метрологічними параметрами: флуктуаційним порогом чутливості Pmin?1•10-20 Вт/гц, діапазоном робочих частот до 160 ГГц та розширеними функціональними можливостями.
Розроблено нові структури високочутливих РПК НВЧ-діапазонів і створено основи їхнього проектування для неруйнівного контролю виробів із діелектричних матеріалів за рахунок контролю інформативних параметрів, надзвичайно слабких сигналів, рівень яких менший за рівень власних шумів РПК. Отримані результати підтверджують можливість контролю густини кераміки в межах 1,5...2,5 г/см3 і пористості в межах 6..12% при зрівнянні рівнів потужності ЕМВ контролюємого і еталонного зразків, які знаходяться в однакових температурних умовах.
Ключові слова: чутливість, точність, флуктуаційний поріг, НВЧ-діапазон, радіометричний прилад, контроль складу речовини, рівень електромагнітного випромінювання, похибка.
АННОТАЦИЯ
Куценко В.П. Повышение чувствительности и точности радиометрических приборов контроля изделий из диэлектрических материалов. – Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13
