СВЧ устройства неразрушающего метода контроля

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена актуальность СВЧ неразрушающего метода контроля и особенности применения в авиационной промышленности. Рассмотрены физические принципы и основные методы применяемых устройств для СВЧ – неразрушающих методов контроля.  Делается обзор особенностей конструкций и схемотехники приборов СВЧ для неразрушающего контроля. Приводятся сведения стандартов и средств по безопасности эксплуатации СВЧ- техники.

ABSTRACT

In this article, the relevance of SHF non-destructive method of control is considered and features of the application in the aviation industry. The physical principles and basic methods of the applied devices for SHF - non-destructive methods of control are considered. A review is made of the structural features and circuitry of SHF devices for non-destructive control. Data of standards and means for safety of operation of SHF equipment are given.

Ключевые слова: СВЧ, неразрушающий метод контроля, авиационная промышленность, СВЧ толщиномер, излучение.

Keywords: SHF, non-destructive method of control, the aviation industry, SHF - thickness gauge, radiation.

История методов неразрушающего контроля исходит к глубокой древности, когда мастер брал в руки изготовленное подмастерьем изделие и пристально всматривался в него, тщательно фиксируя все нюансы изготовления, мысленно сверяя, то что он видел, с эталоном, который был известен досконально только ему. Да это были первые методы неразрушающего контроля – визуальный осмотр, который в дальнейшем стал одним из направлений оптического метода неразрушающего контроля.

Понадобились многие годы развития техники и технологий, были сделаны множество открытий, прежде чем в пятидесятых годах прошлого века появился радиоволновой метод неразрушающего контроля и как развитие – СВЧ метод. В настоящее время данный метод занял свою, достойную нишу среди методов неразрушающего контроля. Особенность данного метода – дистанционное зондирование структуры диэлектрического материала оказалось очень ценным для авиационной техники, где раньше других областей, искали возможность замены металлов материалами более легкими, но без потери прочности. Такими материалами оказались слоистые композиты, а также различные сотовые конструкции, в частности сотовые заполнители, благодаря которым достигалась высокая прочность конструкции, при очень малых массогабаритных показателях (рис. 1).

Рисунок 1. Пример сотовых конструкций, широко применяемые в авиастроении

Выяснилось также, что СВЧ-методы неразрушающего контроля обладают ещё и такими ценными качествами, как возможность контроля с большой скоростью (а значит возможно исследование больших площадей, при малых затратах времени), высокой разрешающей способностью (при длине волны λ = 1 мм, разрешающая возможность одиночного дефекта – 0,1 мм). Очень ценным качеством СВЧ методов является также возможность контроля изделия в динамике, т.е. во время его эксплуатации, чем не может похвастаться ни один из других методов неразрушающего контроля. Если добавить к этому простоту и надежность аппаратуры СВЧ-контроля, то можно ответственно сказать, что это ценнейший метод для авиастроения, значение которого будет только возрастать с ростом использования (рис.2).

Рисунок 2. Соотношение композитных материалов в конструкции лайнера МС-21

Таким образом, с большим применением СВЧ-методов неразрушающего контроля будет возрастать надежность и качество диагностики возможных дефектов таких ответственных узлов в конструкции воздушного судна, как несущие плоскости крыльев, киль, стабилизатор, рули и элероны и других, а значит, будет повышаться безопасность авиационной техники.

Физические принципы, которые положены в основу СВЧ-методов неразрушающего контроля, хорошо рассмотрены в работе [2], но необходимо ещё раз подчеркнуть, что они основаны на взаимодействии радиоволн диапазона СВЧ с диэлектрическим слоем, либо на отражении от проводящего слоя, что описывается также в ГОСТ на данный метод [1]. Результаты взаимодействия зависят от геометрической формы диэлектрического слоя, от вида материала, или материалов, входящих в этот слой, а также от состояния поверхности, например, от влажности. Часть энергии электромагнитной волны отражается от материала, часть проходит сквозь него и может отражаться от границы сред. Чем выше частота, а значит, меньше длина волны СВЧ-излучения, тем более принципы распространения электромагнитной волны становятся похожими на распространения света, а в оптике коэффициент преломления n определяется как соотношение скорости света в вакууме к скорости распространения в материале.

                                                                     (1)

где последний результирующий член –квадратный корень из произведения диэлектрической и магнитных относительных проницаемостей материала, в котором распространяется волна. Так как большинство диэлектриков имеет относительную магнитную проницаемость порядка единицы, то коэффициент преломления будет зависеть от диэлектрической проницаемости материала.

Для практического применения СВЧ-диапазона в неразрушающих методах контроля, необходимо заместить объект взаимодействие радиоволн со средой, на модель длинной линии с комплексным сопротивлением, которое уже можно оценивать не только качественно, но и количественно (2).

                                                                                   (2)

где μ_а – абсолютная магнитная, а ε_а – диэлектрическая проницаемость среды. Для идеального диэлектрика z вещественно и при ε_а = 1 равно 377 Ом.

Отношение тангенса диэлектрических потерь:

                                                                            (3)

Это отношение является важнейшим параметром диэлектриков. Здесь γ – удельная электрическая проводимость, ω – угловая частота.

При расчетах к идеальным диэлектрикам относят на частоте меньше, чем 9·10⁶ Гц при tgδ <0,01 – материал является диэлектриком. На частоте большей 9·10¹⁰ Гц tgδ > 100 – это проводник. В промежуточной области материал – несовершенный диэлектрик и характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью комплексным волновым сопротивлением:

                                                              (4)

                                                                                    (5)

Модуль комплексного сопротивления:

                                                                           (6)

а аргумент:

                                                                             (7)

Значения ε и tgδ для различных сухих материалов известны, либо легко могут быть получены экспериментально. Это в свою очередь может служить основой для расчета параметров СВЧ-установки для неразрушающих методов контроля.

Очень часто, СВЧ установки неразрушающего метода, являются толщиномерами, которые в зависимости от цели, конструируют с одной, или двумя антеннами, направленными под углом, к поверхности, либо работающих на просвет. Схема такой установки, которая работает по геометрическому принципу, изображена на рисунке 3.

На рисунке приняты следующие обозначения:

Рисунок 3. Схема толщиномера, построенного на геометрическом принципе

1 – передaющaя aнтеннa (излучaтель) с диэлектрическoй встaвкoй; 2 – приемнo-индикaтoрнaя aнтеннa с диэлектрическoй встaвкoй; 3 – сoглaсующaя диэлектрическaя плaстинa; 4 – кoнтрoлируемый слoй; 5 –мехaнизм перемещения приемнo-индикaтoрнoй aнтенны; 6 – oптическaя oсь пучкa, oтрaженнoгo oт зaдней пoверхнoсти слoя; 7 – тo же, нo oт передней пoверхнoсти без сoглaсующей плaстины; 8 – детектoрнaя секция; 9 – нaпрaвленный oтветвитель; 10 – генерaтoр СВЧ; 11 – усилитель НЧ; 12 – индикaтoр; 13 – истoчник питaния; 14 – мoдулятoр.

На рисунке 4 изображена диаграмма замера толщины листа полистирола. Схема демонстрирует, кстати, ещё одно важное свойство СВЧ-неразрушающего метода контроля – простоту схемных и конструктивных решений.

Рисунок 4. Диаграмма измерения толщины листа полистирола

Иногда, систему волноводов и антенн в СВЧ-технике, называют «канализирующими» системами, что можно также перефразировать как,системы, которые состоят из систем, которые представляют собой каналы распространения СВЧ-излучения, а это трубы (волноводы) и антенны, которые просты по своему устройству. При современных электронных приборах СВЧ (диоды, транзисторы, микросхемы), такие системы ещё более просты, т.к. по сути представляют собой одну, часто монолитную конструкцию (рис.5).

Рисунок 5. Конструкция антенны с детектором и электронным блоком обработки

Важнейшим мероприятием при работе с СВЧ-техникой, является получение знаний и навыков, по безопасности работы.

Современная наука уже выяснила, что опасность от СВЧ-излучения, хотя и может представлять опасность для организма человека, но не представляет такой опасности, как например опасность от радиоактивных установок по неразрушающим методам контроля. СВЧ- излучение не обладает ионизирующим свойством. Опасность – выделение тепла при поглощении тканями излучения СВЧ. Это может привести к помутнению хрусталика глаза, что может повлечь даже полную слепоту. Защита от СВЧ-облучения – применение экранирующих, либо поглощающих экранов и строгое соблюдение техники безопасности.

Список литературы:
1. ГOСТ 23480-79 Кoнтрoль нерaзрушaющий. Метoды рaдиoвoлнoвoгo видa. Oбщие требoвaния (с Изменениями N 1, 2)
2. Нерaзрушaющий кoнтрoль: Спрaвoчник: В 7 т. Пoд oбщ. ред. В.В. Клюевa.A.A. Кеткoвич, М.В. Филинoв. Кн. 3: Рaдиoвoлнoвoй кoнтрoль. /В.И. Мaтвеев. - М.: Мaшинoстрoение, 2004г.
3. Характеристики методов радиоволнового вида диагностики/ [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://poznayka.org/s21672t1.html
4. Черное крыло для МС-21/ [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: https://www.aex.ru/docs/3/2015/3/19/2205/