MIKROTALASNA ISPITIVANJA
Admir Ćivić
Rezime
Mikrotalasno ispitivanje je jedna od metoda ispitivanja
proizvoda bez razaranja. Mikrotalasno ispitivanje koristi
mikrotalase koji su dio elektromagnetnog spektra. Ovi talasi su
poznati i pod imenom radarski talasi. Područje mikrotalasnog
ispitivanja obuhvata talasne dužine od 1 mm do 10 m, odnosno
frekvencije od 300 MHz do 325 GHz. Danas su mikrotalasi zastupljeni
u mnogim područjima, kao što su:mikrotalasna pećnica, mobilna
telefonija, komunikacionim satelitima, radarima i dr.
Ključne riječi:
· Mikrotalas
· Transmisija
· Mjerenja
· Diskontinuitet
· Tehnika
· Frekvencija
Uvod
Korištenje mikrotalasa za ocjenjivanje osobina materijala i
diskontinuiteta u materijalu je počeo s procjenom koncentracije
vlage kod dielektričnih materijala. Mikrotalasi odgovarajuće
talasne dužine su pronašli od jako apsorbovanih i rasutih molekula
vode. Interakcija mikrotalasa elektromagnetne energije sa
materijalom uključuje učinak materijala na električnim i magnetnim
poljima koja čine elektromagnetni val, to je interakcija
električnih i magnetnih polja sa provodnosti, dielektričnom
konstantom i permeabilnosti materijala.
Mikrotalasi se ponašaju poput svjetlosnih talasa, putuju u
ravnim linijama prije nego se odbiju, prelome, skrenu ili se raspu.
Zato što mikrotalasi imaju talasnu dužinu od do puta veću nego
svijetlosni talasi. Mikrotalasi se odbijaju također od unutrašnjih
granica i interakcijom sa molekulima koje čine materijal.
Miktrotalasne tehnike se takodjer koriste za otkrivanje
nedostataka struktura u vlaknima i laminarnim kompozitnim
materijalima, vlaknima i laminarnima kompozitnim materijalima.
Prednosti ove metode u odnosu na ostale metode:
· Širikopojasni frkventni odziv
· Učinkovita spojka kroz zrak od antene do materijala
· Nije problem kontaminacija materijala izazvana spojkom
· Mikrotalasi se lako propagiraju kroz zrak
· Što se tiče informacije o amplitudi i faze reprodukcijskog
mikrotalasa je lako dobiti
· Nema fizičkog kontakta koji je poreban između uređaja za
mjerenje i materijala za mjerenje, stoga površina mora biti
ispitana brzo bez kontakta
· Površina mora biti skenirana u trakama pomicanjem površine ili
skeniranje površine sa antenama
· Nema promjena izazvanih u materijalu, stoga mjerenje je bez
razaranja
· Kompletan mikrotalasni sistem mora biti napravljen od čvrstih
komponenata, tako da bude mal, izdržljiv i pouzdan
· Mikrotalasi se mogu koristiti za lociranje i dimenzionisanje
pukotina u materijalu, ako se slijedimo razmatranja:
1. Dubina pora frekvencije je veoma mala ( nekoliko
mikrometara), i najosjetljivija pukotina je otkrivena kada prođe
kroz površinu
2. Kada puktina nije u površini, pozicija pukotine je označena
otkrivanjem najvećih napona u površini pravo oko podpovršinske
pukotine
3. I na kraju otkrivanje mikrotalasne pukotine je veoma
osjetljivo do otvaranja pukotine i korištene frekvencije. Najveće
frekvencije su potrebne za male pukotine.
Nedostaci ove metode u odnosu na ostale:
· Korištenje mikrotalasa je u nekim slučajevima dozvoljeno od
njihove nesposobnosti da prodru duboko u provodnike ili metale,
· Drugo ograničenje niže frekvencije mikrotalasa je njihova
relativno niska snaga za rješavanje lokalizovanih nedostataka,
· Ako se koristi prijemna antena praktične veličine,nedostatak
je efektivna dimenzija je znatno manja od talasne dužine
mikrotalasa nemogu biti kompletno riješen,
· Kratke tasne dužine za koje današnji mikrotalasni aparati
postoje su reda od 1 mm.
Fizički principi mikrotalasa
U slobodnom prostoru elektromagnetni talasi su transverzalni, to
je oscilovanje električnog i magnetng polja njihovog sadržaja su
transverzalni do smijera talasnog puta. Relativni smijerovi ova dva
polja i propagacije talasa su šematski prikazani na slici 1:
Slika 1
Slika 1. Relativni smijerovi električnog polja intenziteta (E),
magnetno polje intenziteta (H), smijer propagacije (z) za linearnu
polarizaciju, ravan elektromagnetne dužine
Kao dužina puta, duž ose x, električno i magnetno polje
intenziteta na proizvoljnoj fiksnoj lokaciji u varirajućoj veličini
u prostoru. Partikularni primjer propagacije elektromagnetne dužine
je linearno polarizovana, sinusoidualno varira, ravan
elektromagnetne dužine je prikazana na slici 2:
Slika 2
Slika 2. Dijagram linearne polarizacije, različitih sinusoida,
ravan elektromagnetne propagacije u praznom prostoru λ, talaasna
dužina, z smijer talasne propagacije, E amplituda električnog
polja, H amplituda magnetnog polja.
Obijanje i prelamanje
Zakoni odbijanja i prelamanja mikrotalasa na interfejsu između
različitih medija, elektromagnetne osobine su u suštini iste kao
kod odbijanja i prelamanja vidljive svijetlosti. Ugao prelamanja je
izražen preko Snell-ovog zakona:
n2 sinϕ = n1 sinθ
gdje su i , odnosno, ineksi prelamanja dva medija, θ je ugao
padanja, ϕ je ugao prelamanja.
Amplitude odbijenih i prenošenih dužina su date kao:
Emax, reflected = [(n2 - n1)/(n1 + n2)] Emax, incident
Emax, transmitted = [2n1/(n1 + n2)] Emax, transmitted
Slika 3
Slika 3. Predstavnik odbijanja linearne polarizacije ravni
elektromagnetne dužine na dielektričnom interfejsu sa električnim
poljem paralelnim ili okomitim na ravan kosine,a) dužina ulasna
dielektrika, b)dužina izlaska dielektrika.
Apsorpcija i disperzija mikrotalasa
Mikrotalasi također utiču na tok njihove propagacije kroz
homogene nemetalne materijale,prvenstveno putem interakcije
električnog polja sa dielektričnim osobinama nemetalnih materijala.
Količina i rasipanje električnog polja energije polarizacije i
kondukcije ponašanja materijala su osnovni faktori ispod
značaja.
Polarizacija i kondukcija su sabrani rezultati molekulama
punjenog nosača pomjeren u nemetalnom materijalu. Polarizacija
obuhvata akciju graničnih punjenja u formi permanentnih ili
indukovanih dipolova. Polarizacija i kondukcija još utječu na
upijanje i rasipanje energije električnog polja.
Stojeći talasi
Ineterferencija uslova obično preovladava kada su mikrotalasi
korišteni za ispitivanje bez razaranja zato što su talasne dužine i
brzine uključene, korištena koherentna priroda mikrotalasa, velika
providnost većine nemetalnih materijala, i činjenica da čvrstoća
nemetalnih materijala je unutra nekoliko talasnih dužina. Poznat
stojeći talas je obično talas rezultovan kalupom ispitivanja bez
razaranja. Stojeći talas slika (4) je proizveden kada dva talasa
neke frekvencije se propagiraju naspram smijerova i interferencije
sa svakim drugim. Rezulatat je formacija potpunog polja čije
maksimalne i minimalne tačke prestaju u fiksnoj ili stojećoj
poziciji. Obe komponente dužina su još uvijek pokretne i jedini
rezultatni model talasa je fiksan. Primjer talasa za formiranje
stalnih talasa je predaja koherentnog talasa normalna na
površinu.
Slika 4
Slika 4. Model stojećeg talasa formiran interferencijom okolnog
talasa i odbijenog talasa.
Rasipanje mikrotalasa
Nehomogeno odbijanje mokrotalasa je proces nazvan kao rasipanje.
Rasipanje se općenito koristi da opiše talas interakcijom sa malim
česticama ili nehomogenosti. Pojam odbijanja je općenito koristi da
opiše talas sa površinama da se uveliko usporedi sa talasnim
dužinama. Kada površina nije ravna srazmjerna je skali sa talasnom
dužinom korištenih mikrotalasa, odbijeni talas nije primjer
jednostavnog talasa, ali je u suštini kompozitni od nekih dužina
različitih relativnih amplituda, faza, i smijera propagacije.
Efekat je najveći kada je talasna dužina uporediva sa dimenzijama
nepravilnosti. Ispod ovih okolnosti, radijacija je rečena kao
rasuta. Karakteristika rasipanja metalnih sfera ima različite mjere
okolnosti talasnih dužina nevažnih radijacijskih mikrotalasa je
prikazana na slici 5:
Slika 5
Slika 5. Rasipanje mikrotalasa metalnih sfera različitih
veličina.
Poprečni presjek rasipanja je proporcionalan amplitudi rasipnih
talasa u smijeru nazad izvora nevažnog talasa.
Matematički, dielektrična konstanta i faktor gubitka su izraženi
u kombinovanoj formi:
= - j
Gdje je kompleksna dielektrična konstanta, dielektrična
konstanta, j e fazni operator, je faktor gubitka. Prethodna
jednačina pokazuje da je dielektrična konstanta 90° van faze sa
pogledom na faktor gubitka. Tangenta gubitka je jednaka mjeri .
Dielektrične osobine nemetalnih materijala često utiču na druge
osobine materijala industrijskih važnih. Veličina korelacije zavisi
od frekvencije elektromagnetnog talasa, i osjetljiva mjerenja mogu
često biti pravljena sa mikrotalasima.
Specijalne tehnike mikrotalasnog ispitivanja
Tehnika transmisije:
· Kontinuirani talas fiksne frekvencije
· Kontinuirani talas promjenljive frekvencije
· Impulsno modulirani talas
Tehnika odbijanja:
1. sa jednom antenom
2. sa dvije antene
· Kontinuirani talas fiksne frekvencije
· Kontinuirani talas promjenljive frekvencije
· Impulsno modulirani talas
Stojeći talasi fiksne frekvencije
Rasipni talasi fiksne frekvencije
Mikrotalasna holografija
Mikrotalasna impednsa površine
Mikrotalasna detekcija napona korozije
Tehnika transmisije Osnovne komponente tehnike transmisije su su
šematski prikazane na slici 6. Mikrotalasni generator napaja obe
transmisijske antene i fazno osjetljiv detektor (ili komparator).
Transmisijska antena prizvodi elektromagnetni talas na nevažnu
površinu kontrolisanog materijala. Na površini nevažni talas je
odvojen u odbijeni talas i tansmisijski ili prelomljeni talas.
Transmisijski talas ide kroz materijal na prijemnu antenu. Svaki
transmisijski talas nece proci kroz drugu površinu materijala zato
što će neki biti odbijeni na drugu površinu. Mikrotalasni signal od
prijemne antene može biti upoređen u amplitudi i fazi sa direktno
uzetim referentnim signalom od mikrotalasnog generatora.
Slika 6
Slika 6. Dijagram osovnih komponenti tehnike transmisije
korištene za mikrotalasno ispitivanje
Kontinuirani talas fiksne frekvencije
U ovoj tehnici frekvencija mikrotalasnog generatora je
konstantna. Korištena je ili kada je band frekvencije potreban za
poželjnu interakciju koja je veoma ograničena, ili kada je band
frekvencije tako širok da promjene osobina materijala sa
frekvencijom su veoma male i prema tome ne naročito osjetljive
frekvencije. Kontinuirani talas fiksne frekvencije tehnike
transmisije je samo jedna od transmisijskih tehnika u kojoj obe
komponente mogu biti otkrivene sa malom obostranom
frekvencijom.
Kontinuirani talas promjenljive frekvencije
Neke interakcije mikrotalasa su frekventno osjetljive u njihovom
rezonantnom frekventnom pomaku sa promjenama u osobinama
materijala. Za ostale odzive kao funkcija frekvencije iznad prave
širine opsega koja može biti korištena. Kontinuirani talas
promjenljive frekvencije tehnika transmisije nabavlja za mjerenje
transmisije iznad selektovanog ranga frekvencije. Mikrotalasni
generator fiksne frekvencije prikazan na slici 6 je zamijenjen da
generatorom promjenljive frekvencije, čija je frekvencija
programirana automatski. Sa postojećim generatorima opseg
frekvencije jednog oktava ili više može biti elektronički
promjenljiv ( od 1 do 2 GHz, na primjer.)
Impulsno modulirani talas
Iako faza mjerenja može biti napravljena od transmisijskog
talasa, on je jedino relativan referentni talas. Ovdje nema
jednostavne metode za označavanje partikularnog sinusa tjemena
talasa do druge mjere vremena transmisije.
Tehnike odbijanja Imamo dvije vrste tehnika odbijanja: s jednom
antenom i s dvije antene. Sistem sa jednom antenom u kojem nevažni
i odbijeni talasi prenešeni putem talasa između generatora
mikrotalasa i antene, je šematski prikazano na slici 7. Fazni
detektor je postavljen tako da upoređuje fazu odbijenog talasa sa
nevažnim talasom. Ovo daje dva izlazna signala tako da su odnosno
proporcionalni u fazi i i kvadratu komponenti u odbijenom
talasu.
Slika 7
Slika 7. Jedne antene i dvije antene sistema odbijanja
korištenog za mikrotalasno ispitivanje
Dupla antena sistema odbijanja (slika 7b) funkcioniše na nekom
uglu kosine za koji je prilično odbijen. Poređenje slike 7b sa
slikom 6. pokazuje da dupla antena opreme odbijanja je u suštini
ista korištena za transmisijska mjerenja. U tehnici transmisije,
odbijeni talas se ne koristi. U tehnici odbijanja transmitovani
talas se uobičajeno ne koristi izuzev kao referenca.
Granični uslovi moraju biti kompletni sa površinom materijala.
Prema tome odbijeni talas, u principu, ima istu informaciju oko
obima osobina mikrotalasa materijala kao prelomni talas. Kako god
odbijeni talas od prve površine nema neku informaciju oko
nehomogenih osobina materijala unutar kojeg je testiran.
Kontinuirani talas fiksne frekvencije
Jednostavni mikrotalasni reflektometar je baziran na fiksnoj
frekvenciji tehnike. Signal mikrotalasa je nevažan na materijalu od
antene; odbijeni signal je postavljen od iste antene. Obe
komponente u fazi i kvadratnoj fazi odbijenog talasa mogu biti
određene. U praksi mnoge tehnike koriste jedino amplitudu odbijenog
talasa. Dupla antena odbijenog talasa (slika 7b) može također
koristiti fiksnu frekvenciju. Kontinuirani talas fiksne frekvencije
ima dvije granice: prva, dno pukotine ne može biti određeno, i
druga, karakteristika frekvencije ne može biti određena. Za ove
razloge, radna frekvencija može biti više korisna.
Kontinuirani talas radne frekvencije
Kada je interakcija između materijala i mikrotalasa frekventno
osjetljiva, ekran odbijanja kao funkcija frekvncije može biti
koristan. Zato što osjetljiva faza detekcije iznad širokog ranga
frekvencije je različita, jedino amplituda odbijenog signala se
obično koristi kao izlaz u tehnici radne frekvencije.
Impulsno modulirani talas
Dno odbijanja, u principu, može također biti određeno od pulsa
modulacije nevažnog talasa. Kada je vremensko-povratni odbijeni
puls upoređen u vremenu sa nevažnim pulsom i kada je poznata brzina
talasa u materijalu, dno od strane odbijanja može biti određeno. U
obe frekvencije i vremenu domena modulacije, priroda reflektora je
određena zateznom čvrstoćom odbijenog signala.
Tehnika stojećeg talasa
Stojeći talas je podržan od konstruktivne interferncije dva
talasa iste frekvencije puta u naspramnim smijerovima. Rezultat je
stojeći talas u prostoru. Ako je mala antena postavljena kao fiksna
tačka u prostoru napon konstantne amplitude i frekvencije je
detektovan. Pomjeranje antene na drugu lokaciju daje napon
različite konstantne amplitude sa istom frekvencijom. Grafik
amplitude napona kao funkcija pozicije duž stojećeg talasa je
prikazana na slici 8. Jednom antenom je potrebno proizvesti nevažan
talas, koji može interakcijom sa odbijenim talasom proizvesti
stojeći talas. Drugom antenom je potrebno naptaviti mjerenja duž
stojećeg talasa. Na taj način, dupla antena sistema je prikazana na
slici 7b. koja može koristiti obe radnje i mjerenje mikrotalasa
stojećeg talasa. Prijemna antena se nesmije miješati sa nevažnim
talasom.
Slika 8
Slika 8. Relacija elektromagnetnog talasa distanse duž stojećeg
talasa.
Tehnika rasipanja
Sistem duple antene dijagrama na slici 7b. mora biti korišten za
rasipna mjerenja zato što rasuti uglovi ili ponovo zračeni talasi
mogu biti iznad prostornog ugla. Mjera svih rasipnih zračenja,
poptuna sfera oko ozračenog objekta ili materijal treba biti
skeniran i grafički detektovani signal kao funkcija pozicije.
Mikrotalasna holografija
Kada dva elektromagnetna talasa (slika 2) okupiraju istu
površinu, rezultujući elektromagnetni talaas je vektor njihovog
zbira. Ako dva talasa imaju isti izvor, oni će imati istu
frekvenciju, ili će se dodati ili oduzeti kao vektori saglasni
njihovim relativnim fazama uglova. Ova dodavanja ili oduzimanja će
prouzrokovati interferentni oblik, koji je ravan dobivene
interferencije mjesta gdje se oni dodaju i mjesta gdje se oni
oduzimaju.
Kada su elektromagnetni talasi u infracrvenoj kroz
ultraljubičsti nivo frekvencije i kada je fotografski film ili
ploča korišten na ravan interferncije, hologram je proizveden na
film. Ovaj hologram je slika oblika interferencije. Kada
svijetlosni laser prođe kroz hologram, rezultat je trodimnzionalna
projekcija objekta od kojeg je hologram napravljen. Projektovana
slika se ovdje ponaša kadkada nazvana hologram.
Za elektromagnetne talase mikrotalasne frekvencije (300 MHz do
300 GHz) detektor interferencije, umjesto početka fotografskog
filma, mikrotalas prijemne antene napaja prijemnik u kojem je pik
amplitude prijemnog signala detektovan. Ovo daje napon
proprcionalan veličinu sume vektora odbijenog talasa od objekta i
referentnog signala izvedenog direktno od izvora nevažnog talasa
ozračenog objekta.
Slika 9
Slika 9. Mikrotalasna holografija sa lokalno proizvedenim
referentnim talasom.
Zaključak
Mikrotalasno ispitivanje je jedna od rasprostranjenijih metoda
ispitivanja bez razaranja, ovom metodom možemo ispitivati različite
materijale, što je jedna prednost ove metode. Možemo je kristiti za
mjerenje debljine materijala, otkrivanje diskontinuiteta,
otkrivanja površinskih pukotina, itd. Ova metoda je veoma
zastupljena u današnjem periodu, ali također razvijanjem novih
tehnologija će se koristiti i u budućnosti.
Literatura
[1] http://www.ndt-ed.org/index_flash.html
[2] Nondestructive evaluation and quality control
[3] www.am.unze.ba/ip
