Измерительный преобразователь для контроля толщины материалов резонаторным методом

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

н
I-
УДК 621. 385. 6
Предложена конструкция измерительного преобразователя для измерения резонаторным методом пленок больших толщин
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ МАТЕРИАЛОВ РЕЗОНАТОРНЫМ МЕТОДОМ
В. Д. Сахацки й
Доктор технических наук, профессор Заведующий кафедрой Радиоэлектроники и компьютерных
систем
Украинская инженерно-педагогическая академия ул. Университетская 16, г. Харьков, Украина
Постановка проблемы
Анализ литературы
Радиоволновая толщинометрия диэлектриков играет важную роль во многих технологических процессах, позволяя проводить бесконтактным и контактным способами неразрушающий контроль полимерных, композитных и других материалов. Ее применяют при производстве листового стекла, контроле толщины огнеупорной футеровки в металлургических и стекловаренных установках, толщины изделий, изготовление которых сопровождается намоткой на барабан, толщины строительных конструкций и материалов, диэлектрических теплозащитных, антикоррозионных, дорожных и других покрытий слоистых диэлектрических материалов и т. п. СВЧ толщиномеры применяют при контроле движущихся изделий. Они малогабаритны, легко встраиваются на ограниченных по размерам измерительных участках технологических установок [1−6].
Одной из открытых задач измерения толщин СВЧ методом является задача увеличения диапазона измеряемых толщин материалов и изделий.
Цель статьи
Целью статьи является разработка измерительного преобразователя резонаторного типа, позволяющего производить измерение толщин пленочных материалов в более широком диапазоне.
В зависимости от вида информативного параметра, существующие методы измерения толщины разделяют на амплитудный, фазовый, геометрический, интерференционный (амплитудно-фазовый), переменной частоты (частотно-фазовый), поляризационный, импульсный, резонаторный, волноводный.
При выборе метода измерения толщины d следует учитывать ее соотношение с длиной зондирующей волны.
При измерении толщины покрытий полезны следующие рекомендации. При d «интерференционными явлениями в покрытиях можно пренебречь и для измерения d использовать изменение фазы волны, а при очень больших значениях d также и время распространения электромагнитного сигнала- в ряде случаев возможно определение толщины путем пассивной (по собственному тепловому излучению) локации объекта. При d «интерференционными явлениями пренебречь нельзя, коэффициент отражения и набег фазы являются сложными функциями диэлектрической проницаемости вещества и отношение d / здесь возможно эффективное применение метода переменной частоты и интерференционного метода. При d «целесообразно применение резонаторного метода и метода квазиоптической поляриметрии.
Совершенствование методов измерения позволяет в ряде случаев пересмотреть возможности каждого из них.
Например, импульсный метод позволяет в настоящее время измерять толщину достаточно тонких диэлектрических слоев, соизмеримых с длиной волны, соответствующей средней частоте спектра сигналов.
Высокие точность и чувствительность могут обеспечить резонаторные и волноводные толщиномеры, когда контролируемый объект размещается в поле резонатора или направляющей системы. Возможны контактные и бесконтактные толщиномеры такого типа, для контроля как движущихся материалов и изделий, так и неподвижных.
В резонаторе возбуждаются два вырожденных типа колебаний, например, Нои и Е111, собственные частоты которых по-разному зависят от наличия контролируемого материала, являясь функцией его параметров, в частности толщины. При введении в полость резонатора листового материала вырождение снимается, и по отличию резонансных частот колебаний этих типов можно судить о толщине листа. Поскольку на разность Af резонансных частот в некоторой степени влияют колебания размера зазора расщепленных половин полости, то для существенного уменьшения этого влияния в полость вводятся диэлектрические элементы, в частности диски.
Контролируемый материал может располагаться и вне полости резонатора.
При измерениях один торец резонатора заменяется контролируемым образцом, который помещают поочередно на этот торец стороной пленки и стороной подложки. По изменению резонансной частоты определяют толщину пленки.
Диапазон измерения толщины пленок составляет 1−10 мкм при среднеквадратичном отклонении результатов измерения ±0,1 мкм, что обеспечивает допустимый предел приведенной погрешности 3% при доверительной вероятности 0,975 [3−6]. В реализации наиболее простым является резонаторный метод, при этом точность измерения не уступает выше перечисленным методам.
Основным узлом устройств работающих на резонансном методе является измерительный преобразователь.
Для контроля толщины могут быть применены измерительные преобразователи Е типа. Как и в случае измерительных преобразователей Н-типа, толщина пленки определяется по смещению резонансного положения поршня настройки резонатора при замене одного из его торцов образцом поочередно стороной пленки и подложки [4−6].
Важной особенностью таких измерительных преобразователей является существенная зависимость их чувствительности от диэлектрической проницаемости пленки при tg б & lt- 1 и & amp-'-, близких к единице.
Благодаря этому влияние воздушных зазоров оказывается значительно меньшим по сравнению с измерительными преобразователями Н-типа. При использовании в качестве выходной величины смещения резонансного положения поршня возможно увеличение чувствительности измерительного преобразователя Е-типа введением четвертьволнового диэлектрического трансформатора на расстоянии А/4 от измерительного торца. Измерительный преобразователь Е-типа при одинаковой чувствительности и линейности характеристики преобразования имеет
следующие преимущества перед измерительным преобразователем Н-типа: выходной сигнал значительно меньше зависит от неплоскостности образца, от наличия микрочастиц на поверхности и воздушных зазоров между образцом и измерительным преобразователем.
Влияния температуры и частотных флуктуаций СВЧ — генератора сказывается на результате измерений в меньшей степени.
В литературе описаны устройства с измерительными преобразователями для определения толщины диэлектрических пленок толщиной меньше 40мкм. В данной работе разработано устройство для измерения толщин диэлектрических пленок до 2 мм.
Основное содержание статьи
Для измерения пленок с большой толщиной необходимо разработать конструкцию измерительного преобразователя Е — типа, для которой широкая щель не оказывала бы существенного влияния на добротность резонатора. Такая конструкция показана на рис. 1.
чХЧ*ЧЧЧЧ-
ГТН
Рис. 1 Измерительный преобразователь 1-отрезки волноводной линии- 2- цилиндрический
резонатор с фланцем- 3- диэлектрический вкладыш-
4- измеряемая диэлектрическая пленка- 5- низкоомная подложка- 6- щель для возбуждения требуемого типа колебаний- 7- поршень.
Конструкция представляет собой цилиндрический резонатор со встроенным диэлектрическим вкладышем высотой А^ /4, где А^ - длина волны в диэлектрике.
Резонатор имеет круглый фланец, на который помещается измеряемая диэлектрическая пленка, прижимаемая низкоомной подложкой. В этом случае между фланцем резонатора и низкоомной подложкой образуется конденсатор, закорачивающий высокочастотные токи, препятствуя излучению в пространство через щель.
Диаметр фланца определен экспериментальным путем.
Для этого была собрана измерительная установка, структурная схема которой показана на рис. 2.
7
2 3 4 5 6

1
1 7
0 1 1,5 2 2,5 3
0 1 1,5 2 2,5 3
-Д = 40 а
-Д = 50
Рис. 2
1- генератор СВЧ частот- 2- вентиль- 3- измерительный аттенюатор- 4- измерительный преобразователь- 5- согласующий трансформатор- 6- детекторная секция- 7- индикаторное устройство. ¦ Структурная схема измерительной установки
На установке в 10 ГГц диапазоне частот исследовалось влияние щели между фланцем и подложкой, которая соответствует толщине слоя измеряемой пленки, а также диаметра фланца на коэффициент передачи энергии электромагнитного излучения через измерительный преобразователь. Метод измерений заключался в следующем.
В начале фланец измерительного преобразователя и подложку состыковывали так, чтоб зазора между ними не было.
С помощью измерительного аттенюатора устанавливались определенные показания на индикаторном устройстве.
На измерительном аттенюаторе проводился отсчет показаний А1 (дБ).
Далее устанавливался требуемый зазор между фланцем и подложкой.
С помощью измерительного аттенюатора устанавливались прежние показания на индикаторном устройстве и проводился отсчет показаний на измерительном аттенюаторе А2 (дБ). Коэффициент затухания выраженный в дБ, определялся как разница между показаниями А2 и А1.
К = А2 — А1
Затем устанавливались измерительные преобразователи с другими размерами фланца и проводились аналогичные измерения.
По результатам эксперимента были составлены графики зависимости коэффициента затухания К от ширины зазора Дt при различном значении высоты фланца Д, представленные на рис. 3. Под высотой фланца понимается разность между диаметрами фланца и резонатора.
0 1 1,5 2 2,5 3
0 -0,2 -0,4 * -0,6 -0,8 -1 -1,2
0 1 1,5 2 2,5 3
-Д = 0
0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1
-Д = 30
Рис. 3 Зависимость коэффициента затухания от размера щели между фланцем резонатора и подложкой для различных высот фланцев
Размер фланца, при котором К практически не меняется, будет означать, что происходит замыкание СВЧ токов через емкость образованную фланцем и подложкой, а значит излучением из щели между фланцем и подложкой можно пренебречь.
В качестве подложки в эксперименте использовался медный диск того же диаметра, что и фланец. Из рисунка видно, что при щели равной 2 мм высота фланца равная 50 мм практически устраняет излучение мощности через щель.
Выводы и перспективы дальнейших исследований
В производственных условиях расстояние до диэлектрического материала или покрытия заранее точно не известно.
Кроме того, оно может изменяться вследствие вибрации прибора и технологической установки и перемещения контролируемого объекта.
Исходя из таких условий необходимо, чтоб зазор между измерительным резонатором и измеряемым объектом был больше измеряемой толщины. Приведенные результаты могут успешно использоваться при проектировании СВЧ устройств измерения толщин различных материалов. Дальнейшие исследования предполагают непосредственную оценку добротности резонатора при различных размерах щели и диаметра фланца.
Литература
1. В. А. Викторов, Б. В. Лункин, А. С. Совлуков. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин — М.: Наука, 1978 г.
2. Шарп Р. Методы неразрушающих испытаний. Физические основы, практическое применение перспективы развития. — М.: Мир, 1972 г.
3. В. В. Клюев Справочник. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. — М.: Машиностроение, 1976 г. Т.1.
4. Ю. Е. Гордиенко, В. В. Старостенко, С. С. Бордукова. Измерение толщины эпитаксиальных полупроводниковых пленок на низкомных подложках. — М.: Электронная техника. Серия 8, 1972. — 22−24 с.
5. Ю. Е. Гордиенко, Ю. А. Дудкин, В. В. Старостенко, В. Е. Шевченко. Прибор для измерения толщины полупроводниковых эпитак-сиальных полупроводниковых пленок на низкомных подложках. — М.: ПТЭ, 1974 г, № 4, с. 196.
6. Гордиенко Ю. Е., Гуд Ю. И, Дудкин Ю. А., ЖуковГ. В, НикитскийВ.П., СтаростенкоВ.В. Микроволновый измеритель толщины пленок на низкоомных подложках. — М.: ПТЭ, 1981, № 3. с. 22−26.
УДК 656. 015
Розглянуто модель визначення оптимальног довжини перегону на маршрутах м^ького пасажирсько-го транспорту, i наведено результа-ти моделювання довжини перегону з урахуванням змти величини паса-жиропотоку при рiзних значеннях вартостi пшого руху
ВИЗНАЧЕННЯ ВПЛИВУ ВЕЛИЧИНИ ПАСАЖИРОПОТОКУ НА ОПТИМАЛЬНУ ДОВЖИНУ ПЕРЕГОНУ М1СЬКОГО ПАСАЖИРСЬКОГО ТРАНСПОРТУ
О. М.? р м, а к
Астрант
Кафедра транспортних систем i лопстики Хармвська нацюнальна академiя мюького господарства вул. Революцп, 12, м. Хармв, УкраТна, 61 002.
Контактний тел.: (057)755−23−99
1. Вступ
2. Мета та постановка задачi
Основним параметром, що визначае величину па-сажиропотокiв у мiстах, е кореспонденцп мiж транс-портними районами мшта, що е змiнними по годинах доби, дням тижня, порам року. Розмiр транспортних кореспонденцш дуже мшливий i практично не повто-рюеться, тому що на нього впливають безлiч факторiв, якi важко перелiчити й вгадати. Однак, шнуе визначе-на закономiрнiсть змiни величини транспортних кореспонденцш по годинах доби. I це дозволяе оргашзо-вувати постшно дiючi маршрути, що у рiзному ступенi оптимальностi здшснюють перевезення пасажирiв у мiстах [1].
Тому для визначення впливу величини пасажиро-потоку на довжину перегону, необхвдно дослщити па-сажиропотоки на маршрутах мшького пасажирського транспорту.
Основною метою е дослщження впливу величи-ни пасажиропотоку на оптимальну довжину перегону.
Основними задачами е:
— визначення величини пасажиропотоку на маршрутах мшького пасажирського транспорту-
— виявлення закономiрностей впливу величини пасажиропотоку на оптимальну довжину перегону, що забезпечуе мiнiмум сукупних сустльних витрат паса-жирiв, що користуються маршрутом.
3. Рiшення задачi
Розрiзняють два основних способи проведення об-стежень потокiв пасажирiв — з використанням облжов-

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой