Куценко В П \ Скрипник Ю ОД Трегубов М Ф \ Шевченко К П, Яненко О П ^ ^ Казенне науково-виробниче підприємство «Кварсит» Мінпромполітики України вул Шмідта, 1, Костянтинівка, 85104, Донецька обл, Україна тел: +38 (06272) 20361, e-mail: kvarsit@kcnskifnet ^ Київський національний університет технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України вул Немировича-Данченка, 2, м Київ, 01011, Україна тел: +38 (044) 2562130, e-mail: autom@icomua

Анотація – Запропоновано спосіб радіометричного неруйнівного контролю складу і властивостей діелектричних матеріалів за рівнем їх радіотеплового електромагнітного випромінювання в діапазоні надвисоких і вкрай високих частот Розглянуто структура і алгоритм роботи радіометричної системи, що дозволяють забезпечити підвищення чутливості і ТОЧНОСТІ контролю енергетичного спектра слабких і вкрай слабких радіовипромінювань Розглянута радіометрична система може використовуватися в наукових дослідженнях і виробничої діяльності

I                                       Введення

Радіотепловое електромагнітне випромінювання характерно для всіх діелектричних матеріалів, температура яких відмінна від абсолютного нуля Воно несе в собі інформацію про склад, властивості, структуру та інших електрофізичних характеристиках діелектричних матеріалів [1] За рівнем потужності випромінювання на різних частотах при фіксованих значеннях температури можна контролювати зазначені параметри Тому в останні роки все більша увага приділяється радіометричним методам дослідження обєктів [2,3] Системи, побудовані за принципом радіометрів і працюючі в області надвисоких і вкрай високих частот, сьогодні вже застосовуються в різних напрямках науки і техніки для вимірювання дуже слабких сигналів, рівень яких співмірний, або нижче рівня власних шумів самої вимірювальної апаратури У той же час, через недостатню чутливість і точності радіометричної апаратури, вона не знайшла широкого використання в наукових дослідженнях і виробничої діяльності для контролю складу і властивостей матеріалів і готових виробів

II                              Основна частина

При вимірах потужності слабких радіовипромінювань, рівень яких менше власних шумів вимірювального приймача і антени [4], часто використовують метод порівняння НВЧ сигналу антени з шумами калиброванной навантаження і виділяють в узкополосном приймачі різницевий сигнал, пропорційний прийнятому радіовипромінюванню Це дозволяє виключити вплив власних шумів приймача

Проте нестабільність крутості перетворення самого приймача з вузькою смугою пропускання знижує точність вимірювання дисперсії прийнятого сигналу

Так само отримав поширення спосіб, що включає операції порівняння вихідного сигналу приймача з еталонним напругою шумового генератора, пропускання прийнятого випромінювання через Радіопрозрачні пластину з калібровані коефіцієнтом пропускання і визначення дисперсії радіовипромінювання за значенням дисперсії еталонного шуму [5]

Однак, відсутність стабільних генераторів еталонного шуму з рівномірною спектральною щільністю випромінювання в широкому діапазоні надвисоких частот не дозволяє забезпечити високу точність вимірювання енергетичного спектра слабких радіовипромінювань

Основною метою даної роботи є розробка структури радіометричного перетворювача, який шляхом використання оригінального алгоритму обробки інформації забезпечував би підвищення точності вимірювання потужності (енергетичного спектра) вкрай слабких радіовипромінювань в широкій смузі частот при вузькосмугової налаштуванні виборчого приймача

Для вирішення поставленого завдання авторами запропонована показана на рис 1 структура радіометричної системи контролю та розроблено алгоритм її роботи, наведений нижче

Рис 1 Функціональна схема радіометричного контролю

Fig 1 The Function chart ofthe radiometric control

Схема містить антену 1 (рупорних або АППЛ-каторную) та її електричний еквівалент 2 Антена через керований кодом атенюатор 3 зєднана з одним з входів СВЧ перемикача 4 До іншого входу СВЧ перекпючателя 4 підключений еквівалент антени 2 Вихід СВЧ перекпючателя зєднаний із сигнальним входом виборчого приймача 5, гетеродинний вхід якого зєднаний з керованим цифровим кодом генератором 6 Вихід виборчого приймача 5 зєднаний зі входом аналого-цифрового перетворювача 7 Цифровий вихід аналого-цифрового перетворювача 7 подкпючен до входу мікроЕОМ 8 До виходів мікроЕОМ підключені цифровий індикатор 9 і реєструючий пристрій (принтер) 10 Керуючі входи аттенюатора

3 і генератора 6 також подкпючени до виходів мікроЕОМ 8

Розроблений авторами алгоритм вимірювання енергетичного спектру слабких радіовипромінювань здійснюється за програмою, записаною в память мікроЕОМ, в такій послідовності

свч випромінювання від досліджуваного діелектричного обєкта приймається антеною 1 Власне випромінювання багатьох обєктів в діапазоні СВЧ дуже мало і носить шумовий характер Прийняті шумовий сигнал і власні шуми антени між собою некорреліровани Тому дисперсію вихідного сигналу антени можна представити у вигляді суми двох дисперсій:

де– Дисперсія вихідного сигналу антени 1 в

смузі прийому виборчого приймача 5

дисперсія прийнятого радіовипромінювання – дис

персия власних шумів антени

Електричний еквівалент антени 2 має опір і шуми, близькі опору і шумів антени 1 Тому дисперсію вихідного сигналу еквівалента 2 можна виразити через дисперсію сигналу антени:

де■ дисперсія шумів еквівалента антени

При зазначеному положенні СВЧ перемикача 4 сигнал від еквівалента антени 2 надійде на вхід виборчого приймача 5, частота настройки якого задається з мікроЕОМ кодом управління генератора 6 З урахуванням температурної і тимчасової нестабільності коефіцієнта посилення і власних шумів виборчого приймача 5 його вихідна постійна напруга можна представити у вигляді:

де S – номінальна крутизна перетворення виборчого приймача 5відноси

кові похибка перетворення через зміни чутливості виборчого приймача 5 (мультиплікативна складова похибки)

– Дисперсія власних шумів виборчого приймача 5, приведена до його входу абсолютна похибка перетворення від зсуву нуля виборчого приймача 5 (адитивна складова похибки)

Вихідна напруга приймача перетворюється в код jVj за допомогою аналого-цифрового перетворювача 7 і вводиться в память мікроЕОМ 8:

де g – одиниця молодшого розряду аналого-цифрового перетворювача

За командою мікроЕОМ 8 перемикач 4 переводиться в протилежне становище При цьому еквівалент антени відключається, а антена підключається до виборчого приймачу 5 через атенюатор 3 Рівень власних шумів виборчого приймача при цьому не змінюється завдяки рівності опорів антени і її еквівалента

Вихідна напруга приймача приймає значення:

де К – коефіцієнт передачі по потужності аттенюатора 3

У мікроЕОМ 8 вводиться нове значення коду напруги:

У мікроЕОМ 8 порівнюються коди і N2 і формується різницевий код:

Пої коефіцієнті передачі атенюатора 3 різницевий код:

У відповідності з виразом (2) маємо:

Як видно зі співвідношення (9), різницевий код не залежить від рівня шумів виборчого

приймача і його адитивної похибкиОднак різницевий код залежить від мультиплікативної похибки γ, яка у виборчому приймачі через нестабільність його чутливості велика Тому за атестованими шумамеквівалента антени не можна достовірно оцінити дисперсію прийнятого радіовипромінювання

Для підвищення точності вимірювання дисперсії змінюють код атенюатора 3 в напрямку

зменшення разностного коду (7) При досягненні нульового значення оазностного кола отримуємо:

де Kq – коефіцієнт передачі аттенюатора, відповідний нульовому разностному коду З урахуванням виразу (2) остаточно отримуємо:

У мікроЕОМ 8 з урахуванням частоти настройки приймача і його смуги пропускання на проміжній частоті обчислюється поточне значення спектральної щільності енергетичного спектра прийнятого випромінювання:

де– Частота настройки виборчого приймача 5– Смуга частот спектра радіовипромінювання,

яка виділяється виборчим приймачем 5 (смуга пропускання)

Програмним зміною коду настройки генератора 6 перебудовують частоту настройки приймача і отримують відповідні значення енергетичного спектру

На цифровий індикатор 9 виводяться поточні значення спектральної щільності енергетичного спектра, а на регистрирующем пристрої 10 записується вся характеристика в діапазоні частот від

Запропонований спосіб забезпечує вимірювання та реєстрацію енергетичного спектра слабких радіовипромінювань При цьому на результат вимірювання не

впливає аддитивная (At /) і мультиплікативна (χ)

складові похибки виборчого приймача Крім того, іскпючается вплив на результат

вимірювання власних шумів приймальної антени 1 та виборчого приймача 5

III                                  Висновок

Дослідження запропонованої авторами радіометричної системи показали, що у разі, коли антена і еквівалент знаходяться в однакових температурних умовах, досить просто стабілізуються і зрівнюються їх власні шуми Це дозволяє при флуктуаційна порозі чутливості приймача 10 ^ ^ .. 10 ^ ^ Вт / Гц і спектральної щільності шумової напруги резистивного еквівалента антени 10 ^ ^ Вт / Гц впевнено реєструвати енергетичний спектр власних радиоизлучений діелектричних матеріалів у діапазоні надвисоких і вкрай високих частот

Похибка вимірювання визначається в основному нестабільністю шумової напруги еквівалента антени У резистивном еквіваленті відносна похибка не перевищує ± 10% при часу усереднення результату вимірювання в межах

3 . 5 с, що здійснюється в аналого-цифровому перетворювачі інтегруючого типу Зменшення випадкових похибок досягається шляхом багаторазового повторення вимірювань (Більше 20) сигналів антени і її еквівалента і подальшому їх усередненні

IV                           Список літератури

[1] Скрипник Ю А, Яненко А Ф, Манойлов В П, Куценко В П, Гімпілевіч Ю Б Мікрохвильова радіометрія фізичних та біологічних обєктів – Житомир: Волинь», 2003 – 408 с

[2] Куценко В П, Трегубов Н Ф Неруйнівний радіометричний метод контролю щільності кварцової кераміки радіопрозорих термостійких обтекателей / / Матеріали 15-ої міжнародної конференції НВЧ-техніка та телекомунікаційні технології »(Крим-ко-2005) – Севастополь: Вебер, 2005 – С 834-835

[3] Головко Д Б, Скрипник Ю А, Яненко А Ф Надвисокочастотні методи і засоби вимірювання фізичних величин: Навчальний посібник – К: Лебідь, 2003 – С72 – 74

[4] Верник С М, Кушнір Ф В, Рудницький В Б Підвищення точності вимірювань в техніці звязку – М: Радіо і звязок, 1981-С 170-171

[5] деклараці / йній патент № 70229А (Украта), G01S13/00 Спос1б вім1рювання слабких рад10віпр0М1нювань / Скрипник Ю О, Шевченко К Л, Скрипник I Ю, Куценко В П – № 20031213093 Заявл 30122003 Опубл 15092004 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» Shmidts St, 1, Konstantinovka, Donetsk region, Ukraine Ph: +38(06272) 20361, e-mail: kvarsit@kcnskifnet ^Kiev national university of technologies and design Nemirovich-Danthcenko st, 2, Kiev, 01011, Ukraine

Ph: +38(044) 2562130, e-mail: autom@icomua

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р