Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0094

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0094
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева"
Название доклада
Разработка методов и метрологического обеспечения экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов
Докладчик
Скворцов Борис Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели проекта:
Разработка метода экспресс-диагностики электромагнитных параметров углеродных наноматериалов методом импульсного зондирования контролируемых объектов и его метрологическое обеспечение.
Задачи проекта:
1. Теоретические исследования процессов распространения и обработки зондирующих сигналов для реализации метода бесконтактной диагностики наноматериалов.
2. Разработка программы и методики проведения экспериментальных исследований наноматериалов на экспериментальном образце установки экспресс диагностики.
3. Создание математической модели обработки измерительной информации при экспресс диагностике наноматериалов. Разработка функции преобразования измерительной процедуры.
4. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец установки экспресс диагностики наноматериалов.
5. Изготовление экспериментального образца установки экспресс диагностики параметров наноматериалов.
6. Разработка и реализация метрологического обеспечения метода экспресс диагностики параметров наноматериалов.
7. Проведение экспериментальных исследований наноматериалов по разработанной программе на изготовленном экспериментальном образце установки экспресс диагностики.
8. Разработка инструкции по эксплуатации для экспериментального образца установки экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов.
9. Разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме «Создание опытного образца прибора экспресс контроля электромагнитных параметров наноматериалов».
Актуальность и новизна исследования
Наноматериалы широко используются в радиотехнике для создания радиопоглощающих покрытий, в частности для разработки комплекса методов снижения заметности летательных аппаратов и наземной военной техники, в радиолокационном, инфракрасном и других областях спектра (Стелс - технологии). Значительного поглощения радиоволн можно добиться только в сантиметровом диапазоне, и гораздо хуже в дециметровом. Свойства поглощения и отражения радиоволн зависят от электромагнитных свойств материала покрытия – проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемостей, которые необходимо оперативно контролировать как в процессе отработки технологии производства, так и в режимах оценки качества готовых покрытий.
Современные методы контроля электромагнитных параметров носят разрозненный характер, когда исследуются отдельно электрические (проводимость, диэлектрическая проницаемость) и магнитные (магнитная проницаемость) свойства исследуются на разных установках, требуют принципиально разных конструкций измерительных устройств. В современной теории нет единой математической модели, комплексно описывающей электродинамические параметры наноматериалов в их взаимосвязи, что тормозит данное направление технологического развития.
Новизна предлагаемых исследований состоит в том, что они основаны на оригинальных теоретических и экспериментальных работах творческого коллектива, связанных с поиском прямых взаимосвязей между электромагнитными параметрами материалов, а также с исследованием процессов распространения электромагнитных импульсных сигналов в различных следах.
Описание исследования

Сущность метода, позволяющего бесконтактно измерять такие электромагнитные параметры исследуемого образца как проводимость (σ), а также диэлектрическую (ε) и магнитную (μ) проницаемости, иллюстрируется рисунком 1.

μ, σ, ε – электродинамические параметры соответствующей среды, θ1 – угол падения, Ф – электромагнитный  поток в соответствующей среде,    zИ , zП, R1, R2 – конструкционные параметры , 1 – контролируемая среда, 2 – граница раздела сред, 3 – излучатель, 4 – приёмник, 5-генератор, 6- устройство обработки;  р(0,t), р(R1 ,t) , р1(R1 ,t) ,  р2(R,t) – зондирующий импульс на разных стадиях распространения
Рисунок 1 – Иллюстрация к способу бесконтактных измерений электромагнитных параметров материалов (схема измерительной процедуры)

Излучатель 3, находящийся в среде с известными электромагнитными параметрами μ1, σ1, ε1 (как правило это газовая среда), формирует направленный импульсный электромагнитный сигнал р(0,t), падающий на материал 1 с контролируемыми электромагнитными параметрами μх, σх , εх  под углом θ1. Отражённый от поверхности сигнал p2(R,t) ,попадающий в приёмник 4 несёт в себе информацию об искомых электромагнитных параметрах μх, σх , εх .

Общий принцип измерения состоит в том, что бы измерить амплитуду и фазу отражённого сигнала на разных частотах, составить систему нелинейных уравнений, по которой вычислить искомые значения электромагнитных параметров отражающей среды.

                                                                                                                      (1)

где A(ωi), φ(ωi) – конкретные числовые значения относительной амплитуды и фазы отраженного сигнала на частоте ωi, i=1,…n.

                                                                                                  (2)                                                                                                                (3)

Коэффициент отражения зависит угла падения и от волнового сопротивления контактирующих сред, является комплексной величиной и  определяется по формуле.

                                                          (4)

где Z1, Z2 – комплексные волновые сопротивления контактирующих сред, определяемые по формуле (3).

                                                                                                            (5)

 ,                                                                                                (6)

,                                                                                                                                         (7)

,                                                                                                                               (8)

,                                                                                                                     (9)

, - модуль спектра зондирующего импульса;

 - фаза спектра зондирующего импульса;                                                                                       (10)

μ, σ ,ε , – электромагнитные параметры среды зондирования;

θ1, R – угол падения и путь электромагнитного сигнала от источника до приёмника (конструкционные параметры);

ωi – частота, на которой берётся отсчёт комплексного частотного спектра отражённого импульса;

A(ωi), φ(ωi) – отсчёты амплитуды и фазы частотного спектра отраженного импульса (данные измерительной процедуры).

Было проведено численное моделирование. Начальные параметры: зондирующий импульс – меандр длительностью 10-8 сек, амплитудой 1.0. Конструкционные параметры: R1 = R2 = 0.1 м,  θ1=100. Среда распространения зондирующего импульса – воздух: μотн= 1.00053, εотн =1.00027, σ = 10-18 [1/Oм۰м]. Результаты моделирования приведены на рисунке 2. При проводимостях σ> 102 1/Ом·м изменения диэлектрической и магнитной проницаемостей практически не влияют на амплитудные и фазовые составляющие спектра отражённого сигнала. Изменения диэлектрической и магнитной проницаемостей существенно влияют на  амплитуду и фазу спектра отражённого сигнала при проводимостях σ < 10-2 . Наиболее трудные для измерения электромагнитных параметров являются диапазоны проводимостей, 10-2 <σ < 102 1/Ом·м, при которых нет однозначного соответствия между электромагнитными параметрами и составляющими спектра отражённого сигнала.

Рисунок 2 – Зависимость фазы и амплитуды спектра отраженного сигнала от электрической проводимости при различных диэлектрических и магнитных

Влияние электромагнитных параметров подложки устраняется следующим способом. Электромагнитным сигналом  одновременно сканируется подложка с нанесенным на неё образцом и чистая подложка. Данные об амплитуде и фазе отраженных от них сигналов вместе с зондирующим импульсом поступают в вычислительное устройство, которое позволяет вычислить на сколько изменилась амплитуда и фаза зондирующего сигнала после отражения от образца исключая влияние  электромагнитных параметров подложки.

Разработана программа, которая управляет процессом измерения, оперативно  проводит вычисления по разработанной математической модели, визуализирует и протоколирует результаты, реализует процедуру калибровки. С использованием данной программы проводилось численное моделирование процедуры контроля, связанное с расчётом амплитуды и фазы отражённого сигнала при известных электромагнитных параметрах и решением обратной задачи — поиском электромагнитных параметров при известных параметрах отражённого сигнала, что подтвердило корректность математического описания.

Рисунок 3 – Окно программы

Результаты исследования

1.Проведены теоретические исследования распространения электромагнитных сигналов в неоднородных средах.

2. Создана математическая модель процедуры измерения и обработки информации, реализованные на ЭВМ.

3. Исследовано изменение комплексного коэффициента отражения сигнала, варьирующегося в пределах G = 0.02 ÷ 0.2 в зависимости от электромагнитных параметров наноматериала.

4. Проведено моделирование основных схемотехнических и конструкционных решений в пакетах программ.

5. Разработана программа, управляющая процессом измерения, калибровки и обработки результатов.

6.Разработана эскизная конструкторская документация, изготовлен экспериментальный образец установки экспресс-диагностики электромагнитных параметров наноматериалов.

7.Проведен расчет электромагнитной совместимости приборов экспресс-диагностики электромагнитных параметров наноматериалов, который показал, что при выходной мощности генератора 10мВт имеющегося экранирования измерительного оборудования достаточно, чтобы приборы не создавали друг другу помех.

8.Изготовлены экспериментальные образцы наноматериалов, нанесенные на диэлектрическую подложку размером 100х100 мм.

9.Проведена модернизация экспериментального образца установки экспресс-диагностики по результатам испытаний.

10. Разработана лабораторная технологическая инструкция экспресс-диагностики электромагнитных параметров наноматериалов.

11. Разработаны технические требования и предложения по производству и эксплуатации продукции, разработан проект технического задания на проведение ОКР.

Полученные результаты соответствуют Техническому заданию на выполнение ПНИ.

Практическая значимость исследования
Результаты работ могут быть применимы для оперативной экспресс- диагностики электромагнитных параметров наноматериалов на предприятиях микроэлектроники, оборонного комплекса, приборостроительных и электромеханических заводах. Математические модели, методики и конструкторская документация могут быть использованы в НИИ, в высших учебных заведениях и научно- исследовательских университетах.