РАДИОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОСТАВА И СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

January 3, 2013 by admin Комментировать »

Куценко В. П.\ Скрипник Ю. оД Трегубов М. Ф.\ Шевченко К. П?, Яненко О. П.^ ^Казенное научно-производственное предприятие «Кварсит» Минпромполитики Украины ул. Шмидта, 1, Константиновка, 85104, Донецкая обл., Украина тел.: +38 (06272) 20361, e-mail: kvarsit@kcn.skif.net ^Киевский национальный университет технологий и дизайна Министерства образования и науки Украины ул. Немировича-Данченко, 2, г. Киев, 01011, Украина тел.: +38 (044) 2562130, e-mail: autom@i.com.ua

Аннотация – Предложен способ радиометрического неразрушающего контроля состава и свойств диэлектрических материалов по уровню их радиотеплового электромагнитного излучения в диапазоне сверхвысоких и крайне высоких частот. Рассмотрены структура и алгоритм работы радиометрической системы, позволяющие обеспечить повышение чувствительности и ТОЧНОСТИ контроля энергетического спектра слабых и крайне слабых радиоизлучений. Рассмотренная радиометрическая система может использоваться в научных исследованиях и производственной деятельности.

I.                                       Введение

Радиотепловое электромагнитное излучение характерно для всех диэлектрических материалов, температура которых отлична от абсолютного нуля. Оно несёт в себе информацию о составе, свойствах, структуре и других электрофизических характеристиках диэлектрических материалов [1]. По уровню мощности излучения на разных частотах при фиксированных значениях температуры можно контролировать указанные параметры. Поэтому в последние годы все большее внимание уделяется радиометрическим методам исследования объектов [2,3]. Системы, построенные по принципу радиометров и работающие в области сверхвысоких и крайне высоких частот, сегодня уже применяются в различных направлениях науки и техники для измерения очень слабых сигналов, уровень которых соизмерим, или ниже уровня собственных шумов самой измерительной аппаратуры. В то же время, из-за недостаточной чувствительности и точности радиометрической аппаратуры, она не нашла широкого использования в научных исследованиях и производственной деятельности для контроля состава и свойств материалов и готовых изделий.

II.                              Основная часть

При измерениях мощности слабых радиоизлучений, уровень которых меньше собственных шумов измерительного приемника и антенны [4], часто используют метод сравнения СВЧ сигнала антенны с шумами калиброванной нагрузки и выделяют в узкополосном приемнике разностный сигнал, пропорциональный принятому радиоизлучению. Это позволяет исключить влияние собственных шумов приемника.

Однако нестабильность крутизны преобразования самого приемника с узкой полосой пропускания снижает точность измерения дисперсии принятого сигнала.

Так же получил распространение способ, включающий операции сравнения выходного сигнала приемника с эталонным напряжением шумового генератора, пропускания принятого излучения через радиопрозрачную пластину с калибрированным коэффициентом пропускания и определения дисперсии радиоизлучения по значению дисперсии эталонного шума [5].

Однако, отсутствие стабильных генераторов эталонного шума с равномерной спектральной плотностью излучения в широком диапазоне сверхвысоких частот не позволяет обеспечить высокую точность измерения энергетического спектра слабых радиоизлучений.

Основной целью данной работы является разработка структуры радиометрического преобразователя, который путем использования оригинального алгоритма обработки информации обеспечивал бы повышение точности измерения мощности (энергетического спектра) крайне слабых радиоизлучений в широкой полосе частот при узкополосной настройке избирательного приемника.

Для решения поставленной задачи авторами предложена показанная на рис. 1 структура радиометрической системы контроля и разработан алгоритм ее работы, приведенный ниже.

Рис. 1. Функциональная схема радиометрического контроля.

Fig. 1. The Function chart ofthe radiometric control

Схема содержит антенну 1 (рупорную или аппли- каторную) и ее электрический эквивалент 2. Антенна через управляемый кодом аттенюатор 3 соединена с одним из входов СВЧ переключателя 4. К другому входу СВЧ перекпючателя 4 подключен эквивалент антенны 2. Выход СВЧ перекпючателя соединен с сигнальным входом избирательного приемника 5, гетеродинный вход которого соединен с управляемым цифровым кодом генератором 6. Выход избирательного приемника 5 соединен со входом аналого- цифрового преобразователя 7. Цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 7 подкпючен к входу микроэвм 8. К выходам микроЭВМ подключены цифровой индикатор 9 и регистрирующее устройство (принтер) 10. Управляющие входы аттенюатора

3  и генератора 6 также подкпючены к выходам микроЭВМ 8.

Разработанный авторами алгоритм измерения энергетического спектра слабых радиоизлучений осуществляется по программе, записанной в память микроэвм, в следующей последовательности.

свч излучение от исследуемого диэлектрического объекта принимается антенной 1. Собственное излучение многих объектов в диапазоне СВЧ очень мало и носит шумовой характер. Принятые шумовой сигнал и собственные шумы антенны между собой некоррелированы. Потому дисперсию выходного сигнала антенны можно представить в виде суммы двух дисперсий:

где– дисперсия выходного сигнала антенны 1 в

полосе приема избирательного приемника 5;

дисперсия принятого радиоизлучения;-      дис

персия собственных шумов антенны.

Электрический эквивалент антенны 2 имеет сопротивление и шумы, близкие сопротивлению и шумам антенны 1. Потому дисперсию выходного сигнала эквивалента 2 можно выразить через дисперсию сигнала антенны:

где■ дисперсия шумов эквивалента антенны.

При указанном положении СВЧ переключателя 4 сигнал от эквивалента антенны 2 поступит на вход избирательного приемника 5, частота настройки которого задается с микроЭВМ кодом управления генератора 6. С учетом температурной и временной нестабильности коэффициента усиления и собственных шумов избирательного приемника 5 его выходное постоянное напряжение можно представить в виде:

где S – номинальная крутизна преобразования избирательного приемника 5;относи

тельная погрешность преобразования из-за изменения чувствительности избирательного приемника 5 (мультипликативная составляющая погрешности);

– дисперсия собственных шумов избирательного приемника 5, приведенная к его входу; абсолютная погрешность преобразования от смещения нуля избирательного приемника 5 (аддитивная составляющая погрешности).

Выходное напряжение приемника преобразовывается в код jVj с помощью аналого-цифрового преобразователя 7 и вводится в память микроЭВМ 8:

где g – единица младшего разряда аналого- цифрового преобразователя.

По команде микроЭВМ 8 переключатель 4 переводится в противоположное положение. При этом эквивалент антенны отключается, а антенна подключается к избирательному приемнику 5 через аттенюатор 3. Уровень собственных шумов избирательного приемника при этом не изменяется благодаря равенству сопротивлений антенны и ее эквивалента.

Выходное напряжение приемника принимает значение:

где К – коэффициент передачи по мощности аттенюатора 3.

В микроЭВМ 8 вводится новое значение кода напряжения:

В микроЭВМ 8 сравниваются коды и N2 и формируется разностный код:

Пои коэффициенте передачи аттенюатора 3 разностный код:

В соответствии с выражением (2) имеем:

Как видно из соотношения (9), разностный код . не зависит от уровня шумов избирательного

приемника и его аддитивной погрешностиОднако разностный код зависит от мультипликативной погрешности γ, которая в избирательном приемнике из-за нестабильности его чувствительности велика. Поэтому по аттестованным шумамэквивалента антенны нельзя достоверно оценить дисперсию принятого радиоизлучения

Для повышения точности измерения дисперсии изменяют код аттенюатора 3 в направлении

уменьшения разностного кода (7). При достижении нулевого значения оазностного кола получаем:

где Kq – коэффициент передачи аттенюатора, соответствующий нулевому разностному коду. С учетом выражения (2) окончательно получаем:

В микроЭВМ 8 с учетом частоты настройки приемника и его полосы пропускания на промежуточной частоте вычисляется текущее значение спектральной плотности энергетического спектра принятого излучения:

где– частота настройки избирательного приемника 5;–             полоса частот спектра радиоизлучения,

которая выделяется избирательным приемником 5 (полоса пропускания).

Программным изменением кода настройки генератора 6 перестраивают частоту настройки приемника и получают соответствующие значения энергетического спектра.

На цифровой индикатор 9 выводятся текущие значения спектральной плотности энергетического спектра, а на регистрирующем устройстве 10 записывается вся характеристика в диапазоне частот от

Предложенный способ обеспечивает измерение и регистрацию энергетического спектра слабых радиоизлучений. При этом на результат измерения не

влияет аддитивная (At/) и мультипликативная (χ)

составляющие погрешности избирательного приемника. Кроме того, искпючается влияние на результат

измерения собственных шумов приемной антенны 1 и избирательного приемника 5

III.                                  Заключение

Исследования предложенной авторами радиометрической системы показали, что в случае, когда антенна и эквивалент находятся в одинаковых температурных условиях, достаточно просто стабилизируются и уравниваются их собственные шумы. Это позволяет при флуктуационном пороге чувствительности приемника 10’^^…10’^^ Вт/Гц и спектральной плотности шумового напряжения резистивного эквивалента антенны 10’^^Вт/Гц уверенно регистрировать энергетический спектр собственных радиоизлучений диэлектрических материалов в диапазоне сверхвысоких и крайне высоких частот.

Погрешность измерения определяется в основном нестабильностью шумового напряжения эквивалента антенны. В резистивном эквиваленте относительная погрешность не превышает ±10 % при времени усреднения результата измерения в пределах

3.       ..5 с, что осуществляется в аналого-цифровом преобразователе интегрирующего типа. Уменьшение случайных погрешностей достигается путем многократного повторения измерений (больше 20) сигналов антенны и ее эквивалента и последующем их усреднении.

IV.                           Список литературы

[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.

[2] 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» (КрыМи- ко-2005). – Севастополь: „Вебер», 2005. – С. 834-835.

[3] Головко Д. Б., Скрипник Ю. А., Яненко А. Ф. Сверхвысокочастотные методы и средства измерения физических величин: Учебное пособие. – К.: Лебедь, 2003.- С.72 – 74.

[4] Верник С. М., Кушнир Ф. В., Рудницкий В. Б. Повышение точности измерений в технике связи. – М.: Радио и связь, 1981.-С. 170-171.

[5] Деклараи/йний патент № 70229А (Украта), G01S13/00. Спос1б вим1рювання слабких рад10випр0М1нювань/ Скрипник Ю. О., Шевченко К. Л., Скрипник I. Ю., Куценко В. П.- № 20031213093; Заявл. 30.12.2003; Опубл. 15.09.2004; Бюл. № 9.

RADIOMETRIC INSPECTION OF STRUCTURE AND PROPERTIES OF DIELECTRIC MATERIALS

Kutsenko V. P.\ Skripnik U. O.^, Tregubov M. F.\ Shevchenko K. L. Janenko O. P. ^

^State research-and-production enterprise «Kvarsit» Shmidt’s St., 1, Konstantinovka, Donetsk region, Ukraine Ph.: +38(06272) 20361, e-mail: kvarsit@kcn.skif.net ^Kiev national university of technologies and design Nemirovich-Danthcenko st., 2, Kiev, 01011, Ukraine

Ph.: +38(044) 2562130, e-mail: autom@i.com.ua

Abstract – The way of the radiometric nondestractive testing of structure and properties of dielectric materials on a level of their radiothermal electromagnetic radiation is offered. The structure and algorithm of the radiometric system operation are considered, allowing providing high sensitivity and accuracy of this testing. The analyzed radiometric system can be used for the specified purposes in scientific researches and in industrial activity.

I.                                         Introduction

The purpose of the given paper is to offer a way of the radiometric nondestructive testing of structure and properties of dielectric materials on a level of their radiothermal electromagnetic radiation, providing necessary accuracy of the testing.

II.                                        Main Part

Development of devices and ways of nondestructive radio- metric testing of structure and properties of dielectric materials and products from them on a level of their radiothermal electromagnetic radiation has the basic value as they presume to raise quality of the testing, having provided 100 % research of materials and products instead of selective, and to raise the economic benefit of production, having lowered the quantity of the destroyed products.

Experimental researches have shown, that the offered radiometric way of the testing at the threshold of the receiver sensitivity of 10 10-^^W/Gz and the spectral density of a square

noise voltage of a resistive equivalent of the aerial 10’^^W/Gz allows to register confidently a power spectrum of own radio emissions of materials. The error of measurement is defined basically by instability of noise voltage, and an antenna equivalent. In a resistive equivalent the relative error does not exceed ±10 % at time of averaging of measurement results within the limits of 3…5 s, that is carried out in the analog-digital converter of integrating type. Reduction of the casual errors is reached by repeated measurements (more than 20) of the aerial signals and its equivalent.

III.                                       Conclusion

Thus, unlike the analogues, the offered way of the radio- metric testing allows to exclude multiplicated and additive errors and to provide high accuracy of the testing.

Researches have shown that if the aerial and an equivalent are in identical temperature conditions, their own noise are simply enough stabilized and equalized. It allows at a threshold of the receiver sensitivity of 10-^^ 10’^^ W/Gz and spectral density of a square noise voltage of a resistive antenna equivalent of 10′ ‘^\NIGz confidently to register a power spectrum of own radio emissions of materials. The error of measurement is defined basically by instability of the noise voltage, an antenna equivalent.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты