Радиолокационный мониторинг (стр. 8 )

Отличительной особенностью скоростных структуроскопов является наличие многоэлементной линейной антенны, содержащей 32 или 100 волноводных каналов, коммутируемых специальным коммутатором.

Принцип работы такой аппаратуры заключается в следующем (см. рис. 3.36). Энергия СВЧ от клистронного генератора 2 подается на коммутатор, выполненный в виде вращающегося узла. Пройдя накладную излучающую антенну 5, сигнал излучается в пространство, проходит сквозь контролируемый объект и попадает в накладную приемную антенну 7, а затем в основную приемную антенну 8. Приемная антенна выполнена идентично передающей антенне. В ней имеется коммутатор СВЧ, который в той же последовательности, что и передающая антенна коммутирует каналы и подает их к детекторную секцию 9, выделяющую низкочастотный сигнал, несущий информацию о внутренней структуре контролируемого объекта. С детекторной секции сигнал подается на линейный усилитель блока усиления и индикации 10, в котором он обрабатывается и подается на модулятор осциллографической трубки 11 для модуляции электронного потока. Одновременно с этим на отклоняющие пластины осциллографической трубки подают соответствующие напряжения, обеспечивающие получение растра. Это достигается тем, что на вход осциллографа «X» подается запускающий импульс, в то время как осциллограф находится в режиме ждущей развертки. На вход «У» подается напряжение с датчика кадровой синхронизации 13, который установлен на системе линейного перемещения 15, обеспечивающей перемещение антенн относительно объекта контроля, либо наоборот. При наличии напряжений и сигналов на экране осциллографа получается яркостная или аксонометрическая картина. В приборе заложена возможность индицировать на экране осциллографа амплитудное распределение по любой строке.

Приборами данного класса можно проводить контроль двумя основными методами: на «прохождение» и на «отражение». В последнем случае обе антенны устанавливают по одну сторону от контролируемого объекта. При наличии накладных съемных антенн в качестве носителя информации можно использовать поляризацию волны. Поэтому в комплекте приборов имеется приемная накладная антенна, у которой входная плоскость волноводов повернута на 90° по отношению к выходной площади поляризации излучающей антенны.

В комплект приборов входит накладная антенна, обеспечивающая работу в режиме дифференциального выделения сигнала, прошедшего сквозь образец.

Дифференциальный режим создается благодаря наличию перед излучающей антенной металлического стержня, имеющего двухлепестковую диаграмму направленности, что обеспечивает выделение сигнала только в случае различных условий распространения энергии СВЧ по этим двум направлениям. Если условия одинаковые, то сигнал отсутствует.

Эти приборы используют для контроля стеклопластиков, керамики, пластмассы, огнеупоров, резины, строительных материалов, покрытий и Т. п.

Перспективно применение таких приборов для регистрации полей СВЧ-диапазона 8 и 32 мм, для исследования диаграмм направленности, получения радиоголограмм, а также в схемах с оптическим формированием радиоизображений.

СВЧ-интроскопы с реактивным зондом. Наряду с приборами, в которых используется принцип активного зонда, Т. е. имеется приемный зонд, принимающий энергию СВЧ, существуют приборы, работа которых основана на принципе реактивного зонда.

В этом случае сигналом служит принятая антенной рассеянная на реактивном зонде мощность в том месте пространства, где в данное время находится зонд. Для получения изображения в пространстве перемещается реактивный зонд. Приборы данного класса предназначены для:

―  контроля качества интегральных схем СВЧ;

―  контроля качества резонансных систем электроники СВЧ;

―  юстировки антенн;

―  исследований ближневолновых распределений;

―  получения изображений в системах с квазиоптическим формированием радиоизображения;

т. е. в основном в тех случаях, когда исследуется поле СВЧ.

Структурная схема реализации метода реактивного зонда приведена на рис. 3.27. Основным элементом в этой схеме является фото-управляемая полупроводниковая пластина 5, которая обладает малым темновым возмущением: в неосвещенном состоянии ее параметры не искажают поле в том месте, где находится эта пластина. Если эту пластину в какой-либо точке осветить световым пятном большой интенсивности, то в этом месте резко изменится проводимость материала пластины (коэффициент отражения, преломления и прохождения). Созданный таким образом реактивный зонд приводит к рассеянию локальной энергии СВЧ, что воспринимается тем или иным приемником 4 (излучающей антенной в моностатической схеме, эталонной антенной в бистатической схеме, детектором в волноводной схеме). С помощью соответствующих схем 3 из принятого сигнала выделяется информация об амплитуде, фазе и поляризации электромагнитного поля в точке падения света на плоскость фотоуправляемой пластины, и можно получать картину исследуемого поля, Т. е. исследовать структуру поля. Особенностью построения высокочастотной схемы прибора (1, 3, 10, 11) является введение в ее состав канала когерентной компенсации 2, необходимого для выделения малого полезного сигнала СВЧ на фоне постоянной когерентной составляющей, вызванной отражениями от антенны и окружающих предметов, конечным согласованием и направленностью элементов измерительного тракта СВЧ и Т. д.

Рис. 3.27. Структурная схема метода реактивного зонда

Рис 3.28. Структурная схема радиовизора РВ-П: 1 - защитная кассета; 2 - приемный экран; 3 - источник УФ-возбуждения

Радиовизор - прибор для визуального наблюдения и регистрации полей излучения СВЧ. Благодаря использованию неселективных приемников СВЧ-излучения, обеспечивающих преобразование части энергии СВЧ в тепловой рельеф, и управлению с его помощью различными физическими явлениями, создан радиовизор, структурная схема которого приведена на рис. 3.28. Принцип действия прибора заключается в следующем. Энергия СВЧ падает на экран 2 и частично поглощается металлической поглощающей пленкой толщиной в несколько сотен ангстрем. Появившийся в результате этого тепловой рельеф, адекватный пространственному распределению СВЧ-поля, воздействует на люминесцентный экран таким образом, что в тех местах экрана, где температура становится выше определенной, происходит гашение люминесценции. При отсутствии поля СВЧ равномерное свечение экрана обеспечивается ультрафиолетовой лампой 3, встроенной в прибор. Разрешающая способность таких приборов в диапазоне СВЧ определяется радиооптикой (не более 0,5l).

3.5. Радиоволновой контроль
физических параметров

При оценке качества и надежности изделий и конструкций необходимо знание ряда физико-механических параметров материалов, из которых они изготовлены. Так, например, одной из основных физических характеристик материала является его плотность. Плотность используется при расчетах большинства других физических и механических характеристик материалов, в частности, динамического модуля упругости, коэффициента теплопроводности, коэффициента отражения и др. Кроме того, плотность является и важнейшей технологической характеристикой материалов, особенно композитных. От плотности зависит количественное содержание отдельных компонентов, пористость, степень кристаллизации, проницаемость, содержание летучих, неоднородность и Т. п.

Контроль таких параметров, как пористость, удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, содержание компонентов непосредственно в полуфабрикатах, изделиях и конструкциях, также является одной из важных практических задач.

Для оценки плотности часто используют фазовый проходной метод в диапазоне радиоволн СВЧ. Этот метод базируется на взаимосвязи между контролируемым физическим параметром среды и ее диэлектрической проницаемостью. Если волна распространяется через изделие конечных размеров, то имеет место явление интерференции волн, претерпевших многократное отражение на границах раздела изделие - воздух. В случае неплоской формы изделия из-за рассеяния отраженных волн влияние осцилляции, связанной с многократным отражением, будет меньше.

В указанной классической схеме может быть использован эталонный (калиброванный) фазовращатель, служащий одновременно отсчетным устройством. Процесс измерения заключается в фиксации положения фазовращателя, при котором сигнал с детектора равен нулю (или минимуму).

Рис. 3.29. Структурная схема устройства для измерения диэлектрической проницаемости: 1 - передающая антенна; 2 - частотомер; 3 - СВЧ-генератор; 4 - модулятор; 5 - приемная антенна; 6 - усилитель; 7 - измерительное устройство; 8 - диэлектрик

Фазопроходной метод получил широкое распространение при неразрушающем контроле качества огнеупорных изделий из различных окислов, в том числе алюмосиликатных, магнезиальных, хромомагнезитовых, изготовленных полусухим прессованием, шликерным литьем, плавлением. Изделия различны по размерам и конфигурации (прямоугольные и клиновидные с плоскими поверхностями, в виде толстостенных цилиндрических и конических тел вращения и др.). Контроль ведут на воздушно-сухих изделиях, которые до проведения операции контроля подвергают высокотемпературной обработке (обжигу).

Для непосредственного измерения диэлектрической проницаемости материалов широко используют интерференционные СВЧ-методы. Однако эти методы не всегда применимы в случае крупногабаритных изделий и не применимы совсем, если неизвестна толщина контролируемого материала. В этих условиях используется частотно-фазовый метод (переменной частоты) (рис. 3.29).

3.6. Радиоволновой контроль
технологических параметров

В современном производстве полимерные материалы часто вытесняют металлы. Эти обстоятельства ставят неотложные задачи по созданию эффективных методов и средств контроля качества данных материалов в технологическом процессе производства.

Следует отметить, что если современный уровень развития методов и средств контроля готовых изделий достаточно высок, то в отношении контроля технологических параметров полимерных материалов и изделий в процессе производства достижения еще незначительны. Наиболее важными технологическими параметрами, которые необходимо контролировать в процессе производства изделий, являются:

―  влажность всех компонентов;

―  вязкость связующего;

―  кинетика твердения;

―  плотность материала на всех стадиях его изготовления;

―  упругие и прочностные характеристики армирующего наполнителя и готового изделия;

―  геометрические характеристики армирующего наполнителя (диаметр волокон, толщина слоев) и готовых изделий;

―  наличие различных дефектов.

Особенность неразрушающего контроля заключается в том, что все указанные параметры необходимо определять непосредственно в технологическом процессе. Это обстоятельство накладывает на метод контроля существенные ограничения. Наиболее эффективными для этих целей являются радиоволновые, тепловые, радиационные, акустические методы. При этом наиболее универсальными и информативными являются бесконтактные радиоволновые, которые позволяют контролировать влажность, вязкость, кинетику твердения, геометрические размеры, содержание компонент, наличие различных дефектов, ориентацию наполнителя и другие параметры.

Особое значение при неразрушающем технологическом контроле приобретают системы обработки и визуализации результатов контроля. При этом предпочтение отдается автоматизированным системам.

Возможность применения радиоволновых методов в определении влажности в материалах и изделиях основывается на двух физических явлениях: поглощении и рассеянии радиоволн, что связано с наличием широкополосной вращательной релаксации полярных водяных молекул в области СВЧ.

Информацию о влажности содержат амплитуда, фаза и угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, как отраженной, так и прошедшей через влажный материал.

Для увеличения эффективности влагомеров могут быть использованы двухчастотные методы, когда одна из частот находится в области резонансного поглощения электромагнитной энергии молекулами воды, или метод переменной частоты. Диэлектрическая постоянная воды в области СВЧ меняется от 80 до 15, в то время как эта величина для большинства диэлектрических материалов лежит в интервале 2-9.

Обычно считают, что влажный материал - бинарная смесь воды и сухого вещества. Вода и сухой твердый материал относятся к диэлектрикам, но по физико-химическим свойствам и поведению в электромагнитном поле резко отличаются друг от друга.

Большинство СВЧ-влагомеров применяют для управления технологическими процессами в бумажной, строительной, пищевой, химической и других отраслях промышленности.

В промышленных образцах амплитудных влагомеров измеряемой величиной является ослабление мощности прошедшего сигнала в децибелах.

Рис. 3.30. Типичная зависимость параметров материала от влажности

В областях малых влагосодержаний и преобладания химически связанной влаги крутизна характеристик (рис. 3.30) значительно меньше, чем в области с преобладанием слабосвязанной влаги.

На рис. 3.31 приведены структурные и функциональные схемы амплитудных СВЧ-влагомеров, основанные на принципе ослабления (метод на «прохождение»).

В неавтоматических влагомерах используют одноканальную схему по методам прямого преобразования (отсчет по шкале прибора) или замещения (отсчет го шкале аттенюатора). Установка (рис. 3.31) состоит из двух частей:

1.  приемно-измерительный тракт (приемная антенна 5, измерительный аттенюатор 6, детектор 7, усилительный блок 8, измерительный прибор 9;

2.  передающий тракт (передающая антенна 4 с клистронным генератором 2, блоком питания 1 и вентилем 3), 10 - устройство управления аттенюатором.

Рис. 3.31. Структурные схемы амплитудных СВЧ-влагомеров

Автоматические амплитудные влагомеры (рис. 3.31, б, в) строят по двухканальным схемам сравнения:

1)  с опорной волноводной ветвью, содержащей эталон;

2)  с опорным электрическим сигналом, полученным детектированием части подающей энергии СВЧ.

В фазовых влагомерах в отличие от амплитудных выходной величиной СВЧ-преобразователя является изменение фазы как функции влагосодержания материала. Принципиальная схема влагомеров этого типа приведена на рис. 3.32. Передающий тракт фазовых влагомеров состоит из СВЧ-генератора 2 с блоком питания, вентиля 3 и передающей антенны 4. Приемный тракт состоит из приемной антенны 5, аттенюатора 6, детектора 7, усилителя 8 и индикатора 9. Приемный и передающий тракты через тройники соединены между собой измерителем фазы.

Установка для измерения влажности сыпучих материалов (в частности, речной песок, гравий) основана на ослаблении прошедшей волны, и в качестве выходного параметра используется изменение амплитуды и фазы. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 3.32.

Устройство состоит из СВЧ-генератора 1, трех переменных аттенюаторов 2, тройника 3, двойного полноводного тройника 8, двух антенн 4 и 5, фазовращателя 7, детектора согласованной нагрузки 6, усилителя 10 и индикатора 11. Работает оно по методу сравнения сигнала, прошедшего через влажный образец, и сигнала, прошедшего по волноводному тракту. В выходном тройнике (сумматоре) сигналы сравниваются по амплитуде и по фазе. Разностный сигнал поступает на выход СВЧ-преобразователя. Необходимо проводить уплотнение материала на вибростенде перед измерениями.

Рис. 3.32. Структурная схема амплитудно-фазового СВЧ-влагомера

Существуют влагомеры, основанные на принципе изменения волновых характеристик отраженной электромагнитной волны при изменении влажности материала. Принципиальная схема одного из них дана на рис. 3.33. Прибор предназначен для автоматического измерения влажности асбоцемента на листоформовочной машине.

Такой влагомер обладает высокой чувствительностью, так как в нем используется мостовая схема - двойной волноводный тройник 4, в плечо Н или Е которого через развязывающий вентиль 3 и переменный аттенюатор 2 с короткозамыкателем 9 включен СВЧ-генератор 1.

Рис. 3.33. Структурная схема СВЧ-влагомера для измерений влажности тонколистовых материалов

Сигнал антенны 5, отраженный от передней границы, а в случае тонкого материала и от задней границы образца, сравнивается в тройнике по амплдитуде и по фазе с сигналом от аттенюатора с короткозамыкателем. В случае равенства этих сигналов по амплитуде и по фазе сигнал в плече отсутствует и показания индикатора 8, подключенного через усилитель 7 к детектору 6, равны 0. Отсчет производится по индикатору 8, отградуированному в процентах влажности. Диапазон измеряемой влажности 15-30%. Диапазон температуры°С. В качестве балансного элемента может быть использован ответвитель.

Большим преимуществом устройств, работающих по методу отраженной волны, является одностороннее расположение приемно-передающих антенн; недостаток - отсутствие интегральной оценки влажности для материалов большой толщины или в случае больших потерь (не вся толщина материала взаимодействует с волной).

При контроле резонаторным или волноводным методом исследуемый материал вводят в полость волновода или резонатора, Т. е. в этом случае размеры образца ограничены и сам прибор не обеспечивает бесконтактности определения. В то же время благодаря локализации волн повышается чувствительность влагомера и создается возможность измерения характеристик материала при малых значениях влагосодержания и массы образца.

Рис.3.34. Структурная схема СВЧ-влагомера для измерений влажности тонколистовых материалов

В волноводных влагомерах используется влияние диэлектрических свойств материала, введенного в волновод, на характеристики, определяющие распространение радиоволн СВЧ в волноводе. Например, можно измерять амплитуду и фазу волны до и после установки образца, а также полное волновое сопротивление на входе волноводной секции с образцом.

Основное препятствие для применения влагомеров этого типа в производственных условиях — трудности, связанные с введением материалов в волновод и привязкой их к поточным линиям. Их применяют для контроля влажности листовых материалов и жидкостей. Для тонких листовых и нитевидных материалов (бумага, текстильные ткани, синтетические волокна) в измерительном волноводе делают узкую прорезь по оси волновода вдоль линии напряженности электрического поля.

Влагомеры резонаторного типа основаны на принципе измерения параметров резонатора при введении исследуемого материала.

Из резонаторных влагомеров следует выделить такие, у которых конструкция резонатора позволяет измерять влажность материалов в потоке (резонаторы проточного, щелевого и открытого типов). Тип резонатора определяется видом контролируемого материала: для сыпучих и жидких материалов и листовых - резонаторы щелевого или открытого типа. Проточный резонатор может быть сделан, в частности, в виде цилиндрического резонатора с коаксиальной диэлектрической трубкой, значение s которой достаточно мало; щелевой - в виде закороченного волновода с излучающими отверстиями в широкой стенке; открытый - в виде двух хорошо отражающих пластин, размеры которых значительно превышают длину волны колебаний основного типа (во избежание излучения).

Рис. 3.35. Структурная схема СВЧ-влагомера сыпучих материалов: 1 - СВЧ-генератор; 2 - переменный аттенюатор; 3 - ферритовый вентиль; 4 - передающая рупорная антенна; 5 - бункер; б - приемная рупорная антенна; 7 - ферритовый вентиль; 8 - измерительный аттенюатор; 9 - ферритовый вентиль; 10 - детекторная головка; 11 - усилитель; 12 - синхронный детектор; 13 - индикаторный прибор; 14 - блок питания приемника; 15 - блок питания СВЧ-генератора

Резонаторные влагомеры могут быть однорезонаторными и двухрезонаторными, построенными по принципу компарирования. Полуавтоматический влагомер с классическим резонатором имеет точность измерений влажности 0,1...0,5% при стабильных температуре и плотности материала.

Влагомер сыпучих материалов. Процентное содержание влаги определяют косвенным методом путем измерения затухания мощности СВЧ, которое зависит от измеряемой среды. Затухание мощности, выраженное в децибелах, с помощью прилагаемого к влагомеру графика переводят в проценты влажности. Структурная схема влагомера приведена на рис. 3.35. Электромагнитные колебания, вырабатываемые в СВЧ-генераторе 1, через линию передачи с включенным в нее переменным аттенюатором 2 и ферритовым вентилем 3 проводятся к передающей антенне 4. Излучаемые передающей антенной колебания проходят через бункер 5 с исследуемым веществом и возбуждают приемную антенну, расположенную в одной плоскости поляризации с передающей антенной. Из приемной антенны через ферритовый вентиль 7, измерительный аттенюатор 8 и ферритовый вентиль 9 мощность колебаний поступает в детекторную головку 10, где и улавливается кристаллическим детектором. Ток детектора, пропорциональный мощности СВЧ, контролируется измерительным прибором 13. Если бункер заполнять материалом с различным содержанием влаги, то и показания измерительного прибора в соответствии с содержанием влаги будут различные. Переменный аттенюатор 2 служит для регулирования мощности генератора. Измерительный аттенюатор 8 имеет шкалу в децибелах и предназначается для измерения влажности методом замещения затухания во влажном материале равным затуханием в измерительном аттенюаторе.

Расстояние между передающей и приемной антеннами постоянное. Для этого они вмонтированы в корпус бункера. Это состояние соответствует оптимальной толщине измеряемого слоя, чтобы обеспечить необходимую разрешающую способность прибора и слабую зависимость его показаний от характера заполнения бункера. В то же время это расстояние достаточно малое, чтобы проводить измерения влажности в широких пределах.

При калибровке прибора выбрано расстояние в 120 мм, обеспечивающее затухание во влажном материале до 60 дБ с чувствительностью 2 дБ при изменении влажности на 1%.

Влагомер жидких масс. На рис. 3.36 приведена структурная схема СВЧ-влагомера, предназначенного для измерения влажности жидких масс. Прибор построен по амплитудно-фазовой схеме, в которой используется зависимость коэффициента отражения от влажности. На рис. 3.37 приведена типичная градуировочная кривая такого влагомера.

Принцип работы влагомера заключается в следующем.

Рис. 3.36. Структурная схема СВЧ-влагомера жидких масс

Мощность от клистронного генератора 2 (см. рис. 3.36) с блоком питания 1 через аттенюатор 3 и развязывающий вентиль 4 поступает на двойной волноводный тройник 5, с помощью которого она делится пополам и поступает в эталонное плечо и измерительное. Измерительное плечо имеет кювету 8, в которую наливают измеряемую жидкую массу. Отраженный сигнал через двойной тройник и развязывающий вентиль 10 поступает в детекторное плечо 11, где сравнивается с опорным. Разностный сигнал пропорционален влажности. Для калибровки прибора в измерительное плечо включен переключатель 6 с двумя нагрузками 7 и 9. Отраженный от них сигнал пропорционален верхнему и нижнему пределам измерения влажности. Кювета имеет температурную стабилизацию измеряемой массы.

Рис. 3.37. Градуировочная кривая СВЧ-влагомера жидких масс

Чтобы использовать весь динамический диапазон измерения полезного сигнала, в усилитель введен нормирующий узел, позволяющий проводить измерения по одной шкале.

Другой важной задачей, которую позволяют решать радиоволновые методы, является контроль геометрии протяженных изделий в технологическом потоке, в том числе диаметра и овальности цилиндрических изделий при поточном производстве. Прибор контролирует изменение расстояния (зазора) между антенной датчика и поверхностью объекта контроля. При использовании двух датчиков суммарный сигнал является функцией диаметра цилиндра, расположенного между антеннами датчиков, и не зависит от смещения оси цилиндра. Таким образом контролируется отклонение от базового размера, задаваемого начальной установкой датчиков. Диапазон контролируемых отклонений диаметра от номинального значения (6мм) составляет величину 0... 6 мм, а погрешность контроля равна ±0,1 мм при рабочей длине волны 3 см. При этом площадь зоны контроля каждого датчика около 1 см2.

3.7. Радиоволновой контроль
динамических характеристик

Радиоволновые методы значительно расширяют область измерения механических величин и позволяют определять перемещение, вибрации, скорость и другие динамические характеристики объектов. Решающий фактор точности измерений - длина волны: точность тем выше, чем короче длина волны. С этой точки зрения является очевидным преимущество применения СВЧ-радиоволн. Другие характерные преимущества следующие:

―  бесконтактность контроля, в результате чего датчик не нагружен и не нарушает состояние поверхности изучаемого или контролируемого объекта;

―  весьма мала инерционность системы считывания;

―  возможно проведение непрерывных измерений;

―  результирующий сигнал пропорционален измеряемой величине или ее изменениям;

―  сигналы на выходе системы не требуют дополнительного преобразования;

―  систему легко калибровать и автоматизировать.

В практике контроля указанных выше динамических характеристик находят основное применение мостовые методы, резонансные методы, методы, основанные на эффекте Допплера.

Мостовые методы. Мостовые методы используют двойной волноводный тройник (см. рис. 3.11, а и 3.31, а). Диапазон минимально обнаруживаемых перемещений составляет 0,1... 0,01 мкм. Для измерений небольших механических смещений неподвижных объектов порог чувствительности приблизительно равен 0,01 мкм, а движущихся около 0,1 мкм. Для объектов, расположенных на расстоянии выше 0,5 м, преобразователь снабжается, как правило, эллиптической антенной диаметром не менее 280...300мм (при использовании восьмимиллиметрового диапазона радиоволн). Если антенна обладает хорошей направленностью либо фокусирующими свойствами, то прибор регистрирует практически только изменение фазы отраженного сигнала. СВЧ-преобразователи на мостовых схемах широко используются для определения очень малых изменений размеров различных деталей, проверки допусков прецизионных деталей в условиях рабочих вибраций, при балансировке вращающихся объектов, измерении скорости перемещения отражающей радиоволны границы раздела. Так, при измерении скорости для некоторого положения границы раздела с помощью аттенюатора и фазовращателя добиваются баланса моста - отсутствия сигнала в детекторной секции. В процессе изменения положения границы СВЧ-мост разбалансируется. Скорость изменения энергии, поступающей к детектору, пропорциональна скорости перемещения отражающей границы. Для того чтобы с помощью описываемого устройства можно было измерить скорость перемещения в абсолютных единицах, нужно знать длину волны при распространении СВЧ-радиоволн в среде.

Резонансные методы. Резонансные методы - более чувствительны к перемещениям отражающих поверхностей. Порог чувствительности находится в диапазоне 10-3... 10-6 нм. При выборе рабочей резонансной частоты, например, 7 ГГц, изменение частоты на 1 Гц будет соответствовать перемещению границы на 10-3нм. На рис. 3.38 представлена упрощенная схема преобразователя одного из устройств, реализующих резонансный метод. Реализация резонансного метода с обеспечением высокой чувствительности к перемещениям требует высокой стабильности частоты СВЧ-генераторов и основного элемента преобразователя - резонатора.

Рис. 3.38. Схема преобразователя на резонансном методе: 1 - СВЧ-генератор; 2 — резонатор; 3 - элемент связи резонатора с антенной; 4 - детекторная секция; 5 - участок поверхности объекта контроля; 6 - индикатор

Методы, основанные на эффекте Допплера. Дистанционный контроль скорости движущихся объектов чаще всего производится с применением эффекта Допплера. Учитывая на практике сложный характер отражения сигнала объектом, как правило, применяют волны круговой поляризации и смесительный режим работы приемного тракта. Этим условиям в совокупности с простотой реализации отвечают схемы СВЧ-преобразователей на основе волноводного турникетного соединения (см. рис. 3.11, б). Точность измерения скорости составляет величину 1...1,5 %.. Схемы с использованием волноводного турникетного соединения широко используются для контроля вибраций, позволяют с высокой точностью контролировать дистанционно как амплитуду вибраций, так и частоту. Диапазон контролируемых частот распространяется от близких к нулевым значениям до нескольких сотен мегагерц, ограничиваясь инерционностью индикаторных систем. Диапазон контролируемых амплитуд зависит от выбранной рабочей длины волны и практически составляет единицы миллиметров.

3.8. Радиолокационный мониторинг
тормозной системы автотранспорта

Расссмотрим результаты[27] разработки прибора и способа обработки доплеровских сигналов трехлучевого автодинного радиолокатора на диодах Ганна, используемого при контроле тормозной системы автотранспортного средства в дорожных условиях. Определены вычислительные алгоритмы предварительного и основного этапов измерений проекций векторов скорости в продольном и поперечном направлениях. Предлагаемый способ обработки полезных сигналов позволяет повысить точность контроля и снизить временные затраты на его осуществление путем учета положения антенной системы относительно подстилающей поверхности непосредственно в процессе измерения тормозного пути АТС и его отклонения (заноса) от прямолинейного движения при торможении.

О том, что проблема безопасности дорожного движения очень остро стоит сегодня не только в России, но и в мире, говорят цифры. Сегодня в авариях погибает в шесть раз больше людей, чем во всех вооруженных конфликтах. Актуальность разработки прибора обусловлена также и вводимой обязательной[28] инструментальной проверки технического состояния автотранспортных средств (АТС) при техническом осмотре и обязательностью проверки тормозных систем. Проверка тормозных систем является самой сложной, трудоемкой и ответственной из операций контроля технического состояния автомобиля.

В данном разделе представлены результаты разработки автодинного КВЧ-радиолокатора, реализующего новый метод измерений, не использовавшийся в мире в такой аппаратуре. По своим функциональным возможностям и метрологическим характеристикам он соответствует прецизионным оптическим измерителям параметров движения АТС в продольном и поперечном направлениях, стоимостью более $75 тыс. По удобству, простоте эксплуатации новый прибор намного превосходит известные устройства при меньшей, более чем на порядок, цене.

Принципы построения доплеровских измерителей вектора скорости

Исходные предпосылки. Как известно, эффект Доплера заключается в изменении частоты принимаемых колебаний при относительном движении приемника и передатчика колебаний. Изменение частоты тем больше, чем больше скорость приемника относительно передатчика или наоборот передатчика относительно приемника. Такой же эффект имеет место, если приемник и передатчик неподвижны друг относительно друга и находятся на движущемся объекте, а колебания принимаются после отражения от неподвижного объекта.

Рассмотрим эффект Доплера при непрерывном излучении радиоколебаний при размещении РЛС на движущемся объекте.

Представим напряжение передатчика в виде:

uп = Uпsin(ω0t + φоп), (1)

где ω0, φоп, Uп, uп – угловая частота, начальная фаза, амплитуда и мгновенное значение напряжения передатчика; а принятое колебание а виде:

Uoтpi = Uoтpisin[t – 2Гi /c) + φоп], (2)

где 2Гi/c – временное запаздывание сигнала на входе приемника от i-го отражателя.

Мгновенная частота принимаемых колебаний будет равна:

ωотр i = dφ / dt = ω0 [1 – 2 / c )(dRi/dt]. (3)

Отсюда видно, что отраженные колебания отличаются по частоте от излучаемых колебаний на величину:

ωДi = – (2ω0 / c)(dRi/dt), (4)

называемую доплеровским смещением частоты. При приближении РЛС к i-у отражателю ωДi положительна, при удалении – отрицательна, при неизменном расстоянии (РЛС неподвижна) – ωДi =0.

Величина – dRi/dt в (3) является проекцией вектора полной скорости V на направление визирования i-го отражателя, Т. е. радиальной скоростью Vгi объекта относительно i-го отражателя. Учитывая это, выражение (4) представляется в виде:

FДi = (2V / λ) cosγi. (5)

Полагая в (1.5) скорость V в км/ч и длину волны λ в см. получаем:

FДi (Гц) = (55,6 V/ λ)cosγi. (6)

Так как в силу конечных угловых размеров антенного луча РЛC в него попадает не один элементарный отражатель, результирующий отраженный сигнал должен быть представлен на оси частот не одной частотой, а спектром частот. Положение этого спектра на оси частот но отношению к частоте излучаемых колебаний характеризуется средней доплеровской частотой (FДср).

Измерение составляющих вектора скорости. Итак, сигналом, отраженным от земной поверхности, свойственен целый спектр доплеровских частот. Положение этого спектра на оси частот, характеризуемое средней частотой спектра, определяет радиальную составляющую вектора скорости движущегося объекта относительно отражающей площадки, Т. е. проекцию вектора скорости на направление максимума луча антенны доплеровского измерителя скорости. Так как вектор скорости определяется в общем случае проекциями на три некопланарных (т. е. лежащих не в одной плоскости) направления, то для определения всех трех составляющих вектора скорости необходимо излучать и принимать сигналы минимум по трем антенным лучам. На рис. 3.39 приведен пример расположения лучей антенны и отражающих участков подстилающей поверхности. Доплеровская аппаратура измеряет проекции вектора скорости в системе координат XAYAZA, жестко связанной с антенным устройством и называемой антенной системой координат.