Устройство квазиоптического резонаторного контроля тонких объектов (варианты)

Полезная модель (варианты) относится к средствам радиоволнового неразрушающего СВЧ контроля тонких протяженных объектов и может быть использована для измерения и контроля объектов, у которых хотя бы один из геометрических размеров много меньше длины волны используемых электромагнитных колебаний (полимерных пленок, волокон и т.п.) В устройство резонаторного контроля тонких объектов, содержащее СВЧ генератор, основной открытый СВЧ резонатор, детектор и индикатор, введен дополнительный параллельный основному резонатору по осям резонатор, расстояние между отражателями которого отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину L, равную целому числу длин волн рабочего СВЧ излучения L=n, где n=0, 1, 2, а центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние , равное нечетному числу четвертей длины волны =(2n-1)/4, где n=1, 2, 3 Раскрыт также второй вариант компоновки резонаторов. Техническим результатом является увеличение чувствительности контроля за счет исключения влияния собственной нестабильности дополнительного генератора, а также его нестабильности относительно основного генератора, уменьшение потребляемой мощности и удешевление конечного устройства. 2 нпф, 2 илл, 3 ист.

Полезная модель относится к средствам радиоволнового неразрушающего СВЧ контроля тонких протяженных объектов и может быть использовано для измерения и контроля параметров литого остеклованного микропровода, полимерных пленок, волокон, нитей и других объектов, у которых хотя бы один из геометрических размеров много меньше длины волны используемых электромагнитных колебаний. Устройство может работать как в статике (неподвижный объект), так и в динамике (при протяжке).

Известно устройство для бесконтактного измерения диаметра провода, в котором в качестве датчика используется открытый СВЧ резонатор [1]. Недостатком данного устройства является то, что выходной сигнал зависит не только от параметров контролируемого объекта, но и от его положения в резонаторе, так как поле открытого резонатора неоднородно, особенно вдоль его оси. При изменении положения объекта в резонаторе на полезный сигнал накладывается дополнительная составляющая, что приводит к уменьшению чувствительности измерений. Для уменьшения этой составляющей необходима точная фиксация объекта в пространстве между отражателями резонатора. Однако практически это затруднительно, особенно для движущихся объектов.

Известно также использование открытого резонатора для измерения диэлектрической проницаемости листовых диэлектриков [2]. Для уменьшения влияния положения диэлектрика в [2] предлагается наклонять его на небольшой угол по отношению к оси резонатора. Однако в длинноволновой части миллиметрового диапазона и в сантиметровом диапазоне длин волн уменьшение влияния положения объекта на характеристики резонатора (а значит и на полезный сигнал) незначительно. При этом данный способ приводит к уменьшению чувствительности к изменениям параметров измеряемого диэлектрика.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для бесконтактного измерения диаметра провода [3], в котором для уменьшения зависимости выходного сигнала от положения контролируемого объекта в резонаторе введен дополнительный генератор, работающий на частоте соседнего по продольному индексу основного типа колебаний. Данное устройство принято за прототип. Возбуждение двух мод открытого резонатора приводит к тому, что суммарное поле в центре резонатора становится близким к однородному. Этим достигается значительное ослабление влияния местоположения измеряемого объекта на выходной сигнал.

Недостатками прототипа является то, что введение дополнительного генератора в устройство вносит также и дополнительные источники нестабильности. В данном случае это влияние выражается не только в сумме нестабильностей каждого из генераторов, но и в дополнительной нестабильности, выражающейся в том, что разность частот между ними должна в точности соответствовать межвидовому интервалу открытого резонатора. Это приводит к уменьшению чувствительности контрольного прибора. Введение активного устройства ведет также к увеличению потребляемой мощности, снижению отказоустойчивости, увеличению стоимости прибора.

Технической задачей является увеличение чувствительности прибора радиоволнового неразрушающего СВЧ контроля тонких объектов, уменьшение потребляемой мощности, повышение отказоустойчивости и уменьшение стоимости устройства.

Поставленная задача решена следующим образом. В дополнение к основному генератору, открытому резонатору, детектору и индикатору в устройство введены дополнительные открытый резонатор, делитель мощности, детектор и сумматор. При этом ось дополнительного открытого СВЧ резонатора параллельна оси основного открытого резонатора. Технический результат достигается при различных вариантах компоновки элементов устройства.

В первом варианте устройства расстояние между отражателями дополнительного открытого СВЧ резонатора отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину L, равную целому числу длин волн рабочего СВЧ излучения L=n, где n=0,1,2, а центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние , равное нечетному числу четвертей длины волны =(2n-1)/4, где n=1, 2, 3.

Во втором варианте расстояние между отражателями дополнительного резонатора отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину L, равную нечетному числу полуволн рабочего СВЧ излучения L=(2n-1)/2, где n=1, 2, 3, а центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние , равное целому числу полуволн =n/2, где n=0, 1, 2.

И в том, и в другом случае индикатор подключается к обоим детекторам через сумматор.

Устройство поясняется схемами фиг. 1, фиг. 2.

Устройство включает в себя генератор СВЧ сигнала 1, делитель мощности 2, основной 3-3' и дополнительный 4-4' открытые СВЧ резонаторы, образованные двумя отражателями. Оси резонаторов параллельны. Устройство также включает в себя детекторы 5 и 6, сумматор 7 и индикатор 8. Здесь L_o - расстояние между отражателями основного открытого резонатора. L_d - расстояние между отражателями дополнительного открытого резонатора. Измеряемый элемент обозначен цифрой 9.

Согласно формуле полезной модели, в одном из возможных вариантов исполнения устройства (фиг. 1) дополнительный резонатор 3-3' смещен относительно основного резонатора вдоль своей оси на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны. Расстояние между отражателями дополнительного резонатора L_d либо равно, либо отличается от расстояния между отражателями основного резонатора L_o на величину, равную целому числу длин волн используемого типа электромагнитных колебаний.

Во втором варианте устройства (фиг. 2) отражатели дополнительного резонатора 3-3' либо расположены на равном удалении от отражателей основного резонатора 4-4', либо смещены на величину, равную целому числу полуволн используемого типа электромагнитных колебаний. При этом расстояние Z_d между отражателями дополнительного резонатора отличается от расстояния L_o между отражателями основного резонатора на величину, равную нечетному числу полуволн.

Устройство работает следующим образом. Сигнал с генератора 1 через делитель мощности 2 поступает на открытые резонаторы 3-3' и 4-4'.

Для первого варианта выполнения устройства основной открытый резонатор настроен на основной нечетный по продольному индексу тип электромагнитных колебаний, имеющий в центре пучность электрического поля. Контролируемый образец 9, взаимодействующий с электрическим полем, размещается в центре основного резонатора 4-4', перпендикулярно его оси, то есть в пучности электрического поля. Тем самым обеспечивается максимальная чувствительность параметров резонатора к изменениям параметра образца, поэтому и изменение сигнала на выходе основного резонатора при изменениях параметров объекта будет максимальным.

Так как расстояние между отражателями дополнительного открытого резонатора 3-3' равно, либо отличается от расстояния между отражателями основного открытого резонатора 4-4' на величину, равную целому числу длин волн используемого в основном резонаторе типа электромагнитных колебаний, то в дополнительном открытом резонаторе также возбуждается основной нечетный по продольному индексу тип колебаний. Вследствие того, что дополнительный резонатор 3-3' смещен относительно основного на расстояние, равное нечетному числу четвертей длины волны, то контролируемый образец 9 попадает в узел электрического поля дополнительного резонатора 3-3'.

Для второго варианта выполнения устройства расстояние между отражателями дополнительного открытого резонатора 3-3' отличается от расстояния между отражателями основного открытого резонатора 4-4' на величину, равную нечетному числу полуволн используемого типа электромагнитных колебаний, поэтому в дополнительном открытом резонаторе 3-3' возбуждается основной четный по продольному индексу тип колебаний. Вследствие того, что отражатели дополнительного резонатора 3-3' либо расположены на равном удалении от отражателей основного резонатора, либо смещены вдоль оси относительно основного резонатора 4-4' на расстояние, равное целому числу полуволн, контролируемый образец 9 также попадает в узел электрического поля дополнительного резонатора 3-3'.

В обоих случаях сигнал на выходе дополнительного резонатора не будет зависеть от изменения положения образца. Если во время размещения или протяжки контролируемого образца 9 произойдет его смещение, то для основного резонатора 4-4' это приведет к уменьшению взаимодействия с его полем, а для дополнительного 3-3' - к увеличению. Соответственно, изменятся сигналы на выходах обоих резонаторов, на выходе основного сигнал уменьшится, а на выходе дополнительного - увеличится. При этом пока параметры образца остаются неизменными, на выходе сумматора 7 изменение сигнала не произойдет, так как данные изменения компенсируют друг друга. Если же одновременно со смещением изменятся параметры образца, то на выходе сумматора 7 сигнал будет пропорционален только изменениям параметров контролируемого объекта 9.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение чувствительности контроля за счет исключения влияния собственной нестабильности дополнительного генератора, а также его нестабильности относительно основного генератора, уменьшение потребляемой мощности, удешевление конечного устройства и повышение его отказоустойчивости за счет замены сложного элемента (дополнительного генератора) на резонатор.

Литература

1. А.С. 873155 СССР, МКИ G01R 27/26, G01B 7/12. Устройство для бесконтактного измерения диаметра провода / Дунаевский Г.Е., Завьялов А.С, Кравченко В.Г. - 2446713/18-09; заявл. 03.01.1977; опубл. 15.10.1981.

2. Degenford J.E., Coleman P.D. A quasi-optics perturbation technique for measuring dielectric constants // Proc. IEEE. - 1966. V. 54. - P. 520-522.

3. A.C. 1335900 СССР, МКИ G01R 27/26. Устройство для бесконтактного измерения диаметра провода / Дорофеев И.О., Дунаевский Г.Е. - 4036341/24-09; заявл. 11.03.1986; опубл. 07.09.1987.

1. Устройство квазиоптического резонаторного контроля тонких объектов, содержащее СВЧ генератор, открытый СВЧ резонатор, детектор и индикатор, отличающееся тем, что в него через делитель мощности введен дополнительный открытый СВЧ резонатор со своим детектором, расстояние между отражателями которого отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину L, равную целому числу длин волн рабочего СВЧ излучения L=n, где n=0,1,2..., причем ось дополнительного резонатора параллельна оси основного резонатора, центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние , равное нечетному числу четвертей длины волны =(2n-1)/4, где n=1,2,3..., а индикатор подключен к обоим детекторам через сумматор.

2. Устройство квазиоптического резонаторного контроля тонких объектов, содержащее СВЧ генератор, открытый СВЧ резонатор, детектор и индикатор, отличающееся тем, что в него через делитель мощности введен дополнительный открытый СВЧ резонатор со своим детектором, расстояние между отражателями которого отличается от расстояния между отражателями основного резонатора на величину L, равную нечетному числу полуволн рабочего СВЧ излучения L=(2n-l)/2, где n=1,2,3..., причем ось дополнительного резонатора параллельна оси основного резонатора, центр дополнительного резонатора смещен относительно центра основного резонатора вдоль оси на расстояние , равное целому числу полуволн =n/2, где n=0,1,2..., а индикатор подключен к обоим детекторам через сумматор.