Радиофизические методы диагностики материалов и сред (стр. 8 )

Терморезистор – нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Терморезисторы выполняются из полупроводникового материала сложного состава с температурным коэффициентом до 6 % на 1 К. Для работы в СВЧ-диапазоне применяют измерительные терморезисторы (термисторы), позволяющие проводить измерения мощности от долей микроватта до нескольких милливатт. Свойства терморезистора описывают две характеристики: температурная – зависимость сопротивления от температуры и вольтамперная . Поскольку СВЧ-энергия в терморезисторе преобразуется в тепловую, терморезистор характеризуют температурным коэффициентом и постоянной времени, которая по сравнению с диодами оказывается большой, что и ограничивает области их применения.

Болометры – специально выполненные резисторы из проводникового или полупроводникового материала, предназначенные для обнаружения и измерения чрезвычайно малых потоков мощности. По сравнению с другими терморезисторами болометры отличает более высокая стабильность характеристик (металлические болометры), но вместе с тем – пониженные температурные коэффициенты. Их так же, как СВЧ-диоды, изготавливают парами, причем располагают рядом и один из них экранируют от излучения. Болометры часто применяют с охлаждением до низких температур с целью увеличить их чувствительность и снизить погрешность измерений.

2.6.4 Одноканальные методы радиоволнового контроля

Одноканальные устройства радиоволнового контроля по прошедшему излучению применимы в тех случаях, когда возможен двусторонний доступ к внешним границам контролируемого объекта. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте обеспечивают режим бегущей волны и измеряют амплитуду полученного СВЧ-сигнала. Недостатками такого метода контроля являются сильная зависимость сигнала от уровня излучения и малая чувствительность. Поэтому аппаратура с лучшими метрологическими характеристиками выполняется с использованием балансных или мостовых схем.

Измеритель, функциональная схема которого показана на рис. 2.8, может быть использован для однопараметрового контроля толщины или свойств тонких листовых материалов. В этом измерителе за счет измерения величины, связанной с отношением мощности прошедшей и падающей волн, результат контроля не зависит от небольших вариаций выходной мощности генератора. Его преобразовательная часть выполнена на базе двух открытых концов волноводов В1 и В2, защищенных четвертьволновыми кольцевыми прорезями КП1 и КП2, в промежутке между которыми помещается контролируемый объект КО. Показание логометра ЛГ-прибора, измеряющего отношение токов, пропорциональных прошедшему излучению, и ответвленной направленным ответвителем НО, не зависит от подаваемой от генератора Г через аттенюатор А мощности и определяется только свойствами контролируемого объекта, что особенно существенно при радиоволновом контроле объектов с различными отражательными характеристиками и при изменении выходной мощности СВЧ-генератора.

Рис. . Функциональная схема устройства одноканального радиоволнового контроля

Измеритель, построенный в соответствии со схемой рис. 2.8, имеет невысокую чувствительность из-за плохого согласования волноводов В1 и В2 и усиления сигналов по постоянному току, ограниченного дрейфом. Кроме того, этот измеритель не позволяет производить раздельный контроль параметров контролируемого объекта.

2.6.5 Двухканальные методы радиоволнового контроля

Повышенную чувствительность имеет двухканальное устройство с усилением по переменному току, функциональная схема которого изображена на рис. 2.9 [1].

Рис. . Функциональная схема двухканального устройства радиоволнового контроля

Источником СВЧ-колебаний в нем является генератор Г, запитываемый от блока питания СБП и модулятора МД, который создает прямоугольное напряжение с частотой 1 кГц и подает его на лавинно-пролетный диод или на отражательный клистрон. В результате СВЧ-колебания также имеют огибающую в виде прямоугольного радиоимпульса. Радиоимпульсы через аттенюатор А, вентиль ВН и секцию контроля мощности КМ поступают к простому тройнику Т, разделяющему СВЧ-энергию на две равные части, направляемые в одинаковые излучающие рупоры РИ1 и РИ2. Часть СВЧ-энергии отражается от внешней поверхности контролируемого объекта КО и эталона ЭТ, но затухает в вентиле и аттенюаторе и почти не влияет на работу генератора Г. Если свойства объекта контроля и эталона одинаковы, то напряженность электрического поля в 1- и 2-каналах (объекта контроля и эталона) одинакова. Поэтому после выпрямления диодами Д1 и Д2 СВЧ-сигналы напряжения на резисторах R1 и R2 будут иметь вид одинаковых прямоугольных импульсов. Получить максимальный сигнал позволяет настройка с помощью короткозамыкающих настроечных поршней НП1 и НП2. Учитывая разную полярность напряжений и , нетрудно видеть, что потенциал средней точки потенциометра при определенном положении его движка, достигаемый при настройке, будет равен нулю (). Вследствие этого напряжения на выходе усилителя У и фазового детектора ФД будут равны также нулю и не вызовут отклонения стрелочного прибора СП.

Предположим, контролируемый объект имеет толщину меньше номинального значения. В этом случае напряженность поля в приемном рупоре РП2 будет больше, чем при номинальном значении толщины объекта, увеличится импульс напряжения () на выходе детектора Д2, что приведет к появлению напряжения () на движке потенциометра R и соответственно на выходе усилителя У () при увеличении толщины. В результате работы фазового детектора ФД с учетом фазы опорного напряжения, создаваемого модулятором М и совпадающего, например, с напряжением на его выходе появится постоянное отрицательное выходное напряжение, которое покажет стрелочный прибор СП.

Таким образом, двухканальное устройство, построенное в соответствии с функциональной схемой, изображенной на рис. 2.9, имеет повышенную чувствительность за счет сравнения сигналов эталонного и контролируемого объектов или за счет наличия усиления приращения сигналов огибающей СВЧ-колебаний по переменному току. Использование модуляции прямоугольными импульсами и применение фазового детектора ФД является типичным и дает возможность повысить чувствительность и определить знак приращения контролируемого параметра.

Устройство с двумя каналами (см. рис. 2.9) позволяет определить изменения толщины, магнитной и диэлектрической проницаемостей, удельной электрической проводимости, а также определять наличие неоднородностей в объекте. Радиоволновой контроль с помощью этого устройства может производиться тремя различными способами: абсолютными измерениями параметров контролируемого объекта, относительными измерениями (контроль отклонения в поле допуска) путем сравнения с эталоном или образцовым объектом (этот режим был описан ранее) и путем самосравнения двух разных участков контролируемого объекта, что характеризует высокую универсальность этого устройства, а также обеспечивает высокую стабильность нуля и возможность реализации высокой чувствительности за счет усиления сигналов по переменному току. Однако такое устройство не дает возможности вести радиоволновой контроль с учетом фазы пришедших СВЧ-сигналов, что снижает его информационную способность. Такую обработку можно производить, если до выпрямления СВЧ-сигналов использовать тройник, где будет происходить их сложение с учетом фазы.

Функциональная схема простейшего варианта устройства для радиоволнового контроля по прошедшему излучению с учетом амплитудных и фазовых характеристик СВЧ-сигналов, используемая для дефектоскопии, приведена на рис. 2.10 (основные обозначения соответствуют рис. 2.9). Это устройство содержит два одинаковых простых Т1 и Т2 тройника, что позволяет разделить излучаемую энергию на два потока, а затем сложить полученные СВЧ-сигналы.

Рассмотренные устройства позволяют решить большинство практических задач, доступных для контроля по прошедшему излучению.

Рис. . Функциональная схема амплитудно-фазового СВЧ-прибора

2.6.6 Параметрические методы контроля

Параметрические (резонансные) методы радиоволнового контроля сводятся к тому, что контролируемый объект помещается в резонатор, волновод или длинную линию и по изменению параметров этих элементов (резонансная частота, добротность, распределение поля и др.) определяют качество объекта. С помощью параметрического метода возможен контроль геометрических характеристик различных объектов, электромагнитных свойств материалов и наличия неоднородностей в них. Параметрические методы позволяют испытывать вещества в любых агрегатных состояниях (твердые, жидкие, газообразные, плазма). Радиоволновой контроль геометрических размеров различных изделий из материалов с хорошей проводимостью возможен только относительно поверхностей, к которым возможен доступ, т. е. наружных и некоторых внутренних. Примеры выполнения объектов такого контроля иллюстрируются на рис. 2.11 и 2.12.