СВЧ-способ обнаружения и оценки дефекта типа «отслоение» в защитных покрытиях вооружения, военной и специальной техники и устройство его реализации

Снижение радиолокационной заметности в настоящее время рассматривается как один из действенных путей повышения живучести и боевой эффективности вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) в целом и образцов авиационных комплексов (АК), в частности. Одним из распространенных и эффективных способов снижения радиолокационной заметности АК является применение радиопоглощающих материалов (РПМ) и покрытий (РПП). Наилучшие результаты по снижению радиолокационной заметности на основе РПМ и РПП достигаются при индивидуальном по элементам поверхности образца ВВСТ применении с заданными радиофизическими характеристиками от 34 до нескольких десятков различных РПМ и РПП и многочисленных конструкционных материалов [1, 2].

При проектировании АК для получения заданного уровня эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) РПМ и РПП имеют строго заданные параметры: переменную по профилю толщину, сложную структуру, с меняющимися значениями комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Реализовать в полной мере свойства современных покрытий возможно только при строгом соблюдении технологических режимов и допусков при их нанесении. Например, толщина слоя РПП, как правило, не должна отклоняться от заданной более чем на 0,05–0,1 мм [1]. Такие же жесткие ограничения накладываются и на допуск по значениям диэлектрической и магнитной проницаемостей РПП.

Задача обеспечения надежной адгезии РПП к обшивкам самолета, выполненным из различных материалов и подвергнутых разнообразной поверхностной обработке достаточно сложна. При недостаточной адгезии высокие внутренние напряжения приводят к отслоению, а при высокой адгезии – к растрескиванию РПП [1].

Кроме того, в ходе эксплуатации образцов АК, особенно в сложных условиях и при предельных механических и температурных нагрузках, неизбежны ситуации, когда в РПП будут возникать различные дефекты в виде отслоений, растрескиваний, сколов, царапин и т. п., что приводит увеличению эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) АК и снижению его боевых возможностей.

Вместе с тенденцией удорожания самолетов растут и требования к ресурсам и срокам службы всех систем и агрегатов. Это относится и к системам покрытий, используемым на самолетах, так как стоимость оснащения самолета этими системами достаточно высока.

Таким образом, основным условием обеспечения заданного уровня ЭПР АК является контроль и поддержание параметров РПМ и РПП в заданных пределах при его создании и в процессе эксплуатации.

Вместе с тем, существующие способы контроля не обеспечивают точное определение электрофизических параметров и надежное обнаружение дефектов РПМ и РПП, в том числе дефектов в виде отслоения (адгезии) покрытия. Большинство известных способов реализованы по принципу «на прохождение» электромагнитных волн через материал и не обеспечивают возможность измерения и контроля требуемого состава параметров РПП, нанесенных на металлические поверхности.

Все вышеприведенное определяет актуальность проведения исследований и разработок новых и повышение эффективности известных бесконтактных методов и устройств дефектоскопии широкого класса диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий.

Авторами разработан СВЧ-способ обнаружения неоднородностей диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытий на металле и оценки их относительной величины, заключающийся в создании над поверхностью диэлектрического или магнитодиэлектрического покрытия поля поверхностной медленной волны СВЧ-диапазона, измерении напряженности поля по всей поверхности материала в нормальной, относительно направления распространения волны плоскости, определении по величине затухания поля электрофизических параметров, а по степени отклонения коэффициента затухания поля от среднего значения – границы отслоения покрытия и величину его отслоения от подложки.

Суть данного метода заключается в следующем. С помощью устройства возбуждения 1 (рис. 1, а) создается электромагнитное поле поверхностных медленных волн, вдоль расположенного на электропроводящей металлической подложке 2, диэлектрического покрытия 3.

С помощью системы приёмных вибраторов 4 в начальной точке измерений ( x ₁, z ₁), расположенной на линии максимума диаграммы направленности (ДН), в дальней зоне (ДЗ) устройства возбуждения 1 медленной поверхностной волны, направленной вдоль оси Z , измеряется напряжённость поля Е поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления её распространения (в точке у ). Перемещая приемный вибратор на шаг А у , измеряется напряженность поля поверхностной волны в точке ( у + А у ).

После этого рассчитывается коэффициент нормального затухания а 1 из выражения:

E ⁽ У 1 )

а1 = а(У1 ) = ^ln           А ’

Ау  L E (У1+Ау )J где E (у1) и E (у1 + Ау) - напряжённости поля поверхностной волны в нормальной плоскости относительно направления распространения в разнесённых точках измерений (у1) и (у1 + Ау); Ау - расстояние (шаг) между точками измерений (по оси Y).

Рис. 1. СВЧ-способ обнаружения и оценки степени отслоения диэлектрического покрытия от металлической подложки

Подобным образом вычисляются все значения коэффициента затухания поля a j , где j g [1,^, n -1] - количество точек измерений в нормальной плоскости, и рассчитывается его среднее значение а _ср в точке измерений ( x 1 , z 1 ):

1 n - 1

• ^a ср = ^^^a j .                                                                                 ⁽²⁾

n j = 1

Одновременно для данной точки измерений производится расчет теоретического значение коэффициента затухания поля поверхностной медленной волны а Т без отслоения покрытия по известным значениям диэлектрической проницаемости е‘ и толщины покрытия b путем решения уравнения:

• k ' — k ² —^{a T} Atg 7 k ? — k 2 —a T b - 1 = 0,                                                  (3)

a T      e где aТ - теоретическое значение коэффициент нормального затухания поля поверхностной элек-

• й k = ² π –                   б                       k = ²π .

тромагнитной волны, k =    – волновое число свободного пространства; k = ε′ – волновое

λг                                                       λг число в слое покрытия; λг – длина волны генератора, ε′ – действительная часть диэлектриче ской проницаемости покрытия, b – толщина слоя покрытия.

Для расчета αТ используют известные значения ε′ и b, которые берутся из «технологиче ской» карты, составленной при нанесении РПП на металлическую поверхность.

В микропроцессорном устройстве (МПУ) запоминаются координаты точки ( x 1 , z 1 ) и значения

α и α ср Т

После произведенных вычислений делается шаг ∆ z в направлении максимума ДН и проводится аналогичный цикл измерений коэффициентов затуханий, расчетов среднего значения коэффициента затухания α _ср и его теоретического значения α _Т в точке ( x 1 , z 1 + ∆ z ), и так далее, в пределах заданных границ сканируемого покрытия по оси Z от начального z 1 до конечного z p (рис. 1, б).

Таким образом, производится сканирование всей поверхности в пределах заданных границ изменения, где k ∈ (1... p ) – количество точек измерений по оси z ; i ∈ (1... m ) – количество точек измерений по оси x .

После полного сканирования заданной области покрытия по массиву значений αср по всем дискретным точкам измерений производят обнаружение, оценку границ и количество неоднородностей Si в виде отслоений покрытия, где αср ≠ αТ и области без неоднородностей (без от- слоения покрытия), где αср = αТ .

В точках сканирования( xi, zk) в пределах границ неоднородностей, где αср ≠ αТ производит- ся количественное (численное) определение величины отслоения покрытия d от металлической подложки путем решения уравнения вида [3]:

th α d = ср

k ₁ ² - k ² -α _с²_р 1 α ср        ε′

tg J 1 ср

,

. 2     2     2 ε tg 1            ср k1 - k - αср

где d – величина отслоения покрытия от металлического основания.

В точках, где нет неоднородностей, величина отслоения принимается соответственно равной нулю d = 0 .

В микропроцессорном устройстве запоминаются значения величины отслоений покрытия d для каждой точки измерения ( x_i , z_k ) и формируется массив значений d .

По массиву значений d строится распределение отслоений покрытия по всей поверхности сканирования.

Рассмотренный способ реализуется в СВЧ-устройстве для обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле.

Структурная схема устройства показана на рис. 2, где обозначено: 1 – поглотитель затекающего тока; 2 – «крышка-преломитель»; 3 – круглый волновод; 4 – управляющий вентиль соответствующего n-рупора Рn; 5 – один из Рn рупоров; 6 – согласующий конус; 7 – верхняя «тарелка» апертуры с углом раскрыва θ popt обеспечивающим удовлетворительное согласование со свободным пространством; 8 – подстилающая металлическая поверхность; 9 – нанесенное покрытие; 10 – горизонтально ориентированные приемные вибраторы В'; 11 – вертикально ориентированные приемные вибраторы В; 12 – внутренний дефект покрытия (отслоение); 13 – генератор СВЧ с прямым цифровым синтезом; 14 и 15 – СВЧ-детекторы переменного тока Дет-1 и Дет-2; 16 и 17 – усилители постоянного тока УПТ1 и УПТn; 18 – персонально электронновычислительная машина; 19 и 20 – усилители постоянного тока УПТ-1 и УПТ-2; 21 – шаговый электродвигатель ШД-1, для перемещения приемных вибраторов В и В' по координате X; 22 – ша- говый электродвигатель ШД-2, для перемещения приемных вибраторов В и В' по координате Y; 23 – шаговый электродвигатель ШД-3, для перемещения приемных вибраторов В и В' по координате Z; 24 – аналогово-цифровой преобразователь АЦП-1; 25 – аналогово-цифровой преобразователь АЦП-2; 26 – дешифратор; 27, 28, 29 – контроллеры шаговых двигателей.

Рис. 2. СВЧ-устройство для обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле

Устройство для обнаружения и оценки неоднородностей в диэлектрических и магнитодиэлектрических покрытиях на металле работает в следующих режимах.

Алгоритм работы устройства в режиме обнаружения и оценки неоднородностей состоит в следующем. Перед началом сканирования в ПЭВМ задаются известные параметры исследуемого покрытия, а именно диэлектрическая проницаемости ε′ и толщины покрытия b , для расчета теоретического значения коэффициента затухания поля поверхностной медленной волны α _Т без отслоения покрытия.

С управляющего порта ПЭВМ производится подача цифрового кода на вход дешифратора для активизации его первого выхода. Сигнал с первого выхода дешифратора через усилитель постоянного тока 16 подается на управляющий вентиль рупора Р1, при этом он включается в работу.

С помощью вибратора возбуждения Е-волн производится последовательное возбуждение двух Е-волн поверхностной электромагнитной волны на длинах волн λ1 и λ2 , а с помощью вибратора возбуждения Н-волн производится возбуждение Н-волны на длине генератора λ3 в пределах излучающего сектора диаграммы направленности рупора Р1. С помощью системы приемных вибраторов 10 и 11 производится сканирование поверхности покрытия 9 по заданной траектории в пределах излучающего сектора диаграммы направленности рупора Р1 приводимых в действие с помощью системы из трех шаговых двигателей ШД-1, ШД-2 и ШД-3. Управляющие сигналы на шаговые двигатели ШД-1, ШД-2 и ШД-3 подаются с управляющего порта ПЭВМ через контроллеры шаговых электродвигателей КШД. Синхронно со сканированием поверхности покрытия вибраторами 10 и 11 переменный ток, наводимый в каждом из вибраторов и пропорциональный напряженности поля поверхностной волны, детектируется соответствующим детектором Дет-1 и Дет-2 и через усилители постоянного тока УПТ-1 и УПТ-2 поступает на аналоговоцифровые преобразователи АЦП-1 и АЦП-2, с которых цифровой код, пропорциональный на- пряженности поля поверхностной волны, поступает на вход ПЭВМ, где происходит запоминание значений напряженности поля поверхностной волны в каждой точке измерения.

Далее с управляющего порта ПЭВМ производится подача цифрового кода на вход дешифратора для активизации его второго выхода. Сигнал со второго выхода дешифратора через усилитель постоянного тока УПТ-2 подается на управляющий вентиль рупора Р₂, при этом он включается в работу и повторяется алгоритм работы рассмотренный выше, только для излучающего сектора рупора Р 2 .

Аналогично, переключением выходов дешифратора 26 с ПЭВМ, производится последовательное включение остальных n -рупоров Р₃…Р _n в пределах всей круговой апертуры. Алгоритм работы устройства для каждого из рупоров Р 3 …Р n аналогичен, рассмотренным выше.

После полного сканирования заданной области поверхности покрытия в ПЭВМ на основе полученного массива значений напряженностей поля поверхностной волны вычисляются среднее значения коэффициентов затухания поля поверхностной α _ср волны и производится сравнение измеренных значений α _ср с рассчитанными значениями α _Т .

В точках сканирования, где α _ср ≠ α _Т производится количественное определение величины отслоения покрытия d от металлической подложки и формируется массив отслоений d , по которому строится распределение отслоений покрытия по всей поверхности сканирования.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют повысить вероятность обнаружения неоднородностей, обеспечивает повышение точности определения степени отслоения покрытия от подложки и позволяет произвести количественное (численное) определение величины отслоения покрытия d от металлической подложки.