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微波检测技术及应用
微波检测技术及应用
[摘要]系统地介绍了微波无损检测的原理和微波无损检测技术在工程中的应用,指出了目前微波无损检测技术在应用中存在的问题,给出了今后研究工作的方向。
[关键字]微波无损检测;复合材料;层间脱粘;裂纹裂缝缺陷;气孔缺陷。
Abstract:
Theprincipleandengineeringusesofthemicrowavenondestracturetestingtechniquearerepresentedsystematicallyinthepaper.Theproblemofthemicrowavenondestracturetestingtechniqueisdiscussed.Afutureresearchworkdirectionisgiven.
Keywords:
microwavenondestracturetesting;compoundmaterial;comingungluedbetweenmedium;cracksonmetalsurface;airbubblesinmaterial.
1.引言
微波无损检测技术是随着微波测量技术的发展和对非金属复合材料的检测要求而产生的。
自60年代以来,随着非金属复合材料在工程中的广泛应用,传统的利用超声波、红外线、激光和X射线来检测这些复合材料中的裂纹、裂缝、气孔、粘扣等缺陷时遇到困难。
其主要原因是:
超声波在复合材料中衰减很大,光波不能穿透不透明的复合材料;X射线检测平面缺陷时,由于射线的能量变化很小,导致底片对比度低,这在检测分层媒质的脱粘,层与层的错动时受到限制。
而微波对非金属复合材料具有较好的穿透性,适合于作为检测复合材料的射线。
另一方面,微波网络分析仪的可测频率越来越高,不仅可测反射波和散射波的振幅,而且可测波的相位变化。
这使微波测量在非金属复合材料的质量检测中得到广泛应用。
并且在其它领域,如压力容器表面的裂纹和裂缝,石油管道中的裂纹、裂缝和阻塞的检测中得到广泛应用。
美国军方于60年代首先将微波无损检测技术用于检测大型固体火箭发动机内固体推进剂深处的气孔缺陷,检测发动机烧蚀喷管内衬的脱粘,和检测航天飞机的绝热陶瓷的质量。
以后逐步应用于检测一些非金属复合材料薄片和薄膜的厚度,检测塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶等材料中的缺陷和材料的质量。
据报道,频率为35GHz的微波照射到被测样品上,应用反射法波测量塑料薄片的厚度,其精度可达0.125mm。
将频率为9.6GHz微波对含有缺陷的环氧树脂样品扫描,应用散射波法可探测到f1.02mm—f5.8mm的空气气泡。
利用微波穿透法通过对微波能量变化的检测,可测得材料密度为0.02mg/cm3的变化。
我国也是军方于1969年开始将微波无损检测技术用于检测火箭发动机的脱粘和玻璃钢壳体的质量问题,检测雷达罩的厚度,以后各大油田将该技术用于检测玻璃钢抽油杆中的缺陷,化工领域将该技术用于检测环氧树脂的固化度,检测压力容器表面的裂缝和裂纹。
目前,微波无损检测技术又用于检测桥梁和大型建筑混凝土的质量和解决一些新领域中的检测问题。
2.微波检测技术原理及特点
2.1微波检测原理
微波是指波长范围在1mm——100mm的电磁波。
微波属于电磁波,由于其频率很高,所以不少人们也叫微波为高频电磁波。
微波的波段夹在超短波与红外线的波段之间,它也属于无线电波中波长最小的波段,频谱范围是300MHz至3000GHz。
微波可以分为三个波段:
首先第一波段是分米波、其次是厘米波、接着是毫米波。
微波的本质都为电磁波,所以被广泛应用于工业,医学,科学等领域。
为了避免它们之间的相互影响与干扰,将波段划分为如下波段。
表1
频率范围/MHz
波段
中心波长/mm
常用主频率/MHz
波长/mm
890~940
L
330
915±25
328
2400~2500
S
122
2450±50
122
5725~5875
C
52
5820±55
52
22000~22250
K
14
22125±125
14
微波无损检测技术是将在330MHz~3300GHz中某段频率的电磁波照射到被测物体上,通过分析反射波和透射波的振幅和相位的变化,波的模式的变化,通过对散射波的分析,从而了解被测样品中的裂纹、裂缝、气孔等缺陷,分层媒质的脱粘,夹杂等的位置和尺寸,复合材料内部密度的不均匀程度的技术。
2.2微波检测技术的特点
①其波长范围是从1.0mm——1.0m,所以可供不同领域的工作选用,因此我们可以用不同频率来测被测物体;
②在烟雾灰尘水汽化学以及高低温的环境下对所检测的信号传播的影响特小;
③这种微波检测技术所需要的时间周期短,反应灵敏;
④这种检测方法测量的信号是电信号,不需要进行非电量的转换,从而缩短了传感器与处理器间的接口所需要的时间;
⑤微波对人体没有比较明显辐射危害,也没有对公众有损健康的问题。
2.3微波检测技术的缺点
①利用这种检测方法在进行参数检测时,易受温度、气压、取样位置的影响,需要考虑补偿措施;
②微波检测仪表的零点漂移和标定问题没有给予很好的解决。
图1
3.微波检测主要方法
3.1微波穿透法
微波穿透法检测系统又称传输检测系统,具体如上图所示。
在上图中的等幅连续波是微波信号源产生的扫频波和脉冲调制波。
当被测材料对微波有吸收时,比如含有水分,透射波随传输距离增大而衰减。
在实验开始时,为了避免过载而损坏系统中的指示器,首当其冲要把它的灵敏度设置为最小值。
如果系统阻抗不均匀,可采用阻抗过渡办法得到匹配。
从幅度、相位的变化信息中我们可以提取有效信息来反映材料内部状况,继而我们就可进行材料物理和化学变化的测定。
从接收喇叭探头上获得的微波信号,我们可以直接和微波信号源的信号比较它们两者幅度与相位。
在此参考信号取
,则接收信号
(1)
(2)
在以上两式中,
为正交分量有时也称90º相移分量;而
为同相分量。
微波穿透法又称传输法,大体可分为三种,分别为:
点频连续波法、扫频连续波法与脉冲调制法。
a.点频连续波穿透法
微波发生器的频率是非常稳定的,而且也是是窄带的;或者是所要求的频带宽度内材料性质随频率改变非常小,从而对频率并非特别敏感。
点频连续波传输的两种分量同相和90º相移都能检测,并且相互干扰很小。
用穿透法检测玻璃钢和某些非金属材料的瑕疵,也主要是观察接收微波波束相位或幅度的变化情况。
我们可采通过介质透镜来改善微波辐射波束,用以保证波束横截面窄小,从而使分辨率有效的提高。
b.扫频连续波穿透法
某些微波相互作用的频率是特别敏感的,在这时,它们的材料性质的发生改变时,谐振频率也会随着发生改变。
在我们应用的频带的范围里,响应应该是频率的函数。
频率被预先编程能自动变化的扫频频率微波发生器取代了点频微波发生器,现在使用的电子自动扫频可以一倍频程或更宽的频带工作。
低噪声、高增益、宽带放大器还能测定通过具有很高衰减材料的穿透传输信号。
已有从100kHz到4GHz或10MHz到40GHz的多倍程发生器。
矢量网络分析仪则提供了宽带的幅度和相位。
c.脉冲调制穿透法
在检测波当中,穿透传输波能实现相位的测量,但是这只是相对于参考波所言。
当测量传输时间时,就需要用到脉冲调制技术。
为有效的了调制脉冲,微波发生器内应该有选通和关闭的功能。
在接收器内部,相位比器被峰值检测器所代替。
所以,接收器的输出相对于发出的脉冲有一定时间的延迟。
扫频频率测量给出了群延迟信息。
矢量网络分析仪的在时域特征方面也可以有效地选用。
3.2微波反射法
依据被测物料的对微波能量有反射作用,微波反射法检测的是被物体反射回来的波的能量的数值。
由反射回来的电磁波能量的数值再和发射时微波能量数值的对比得出数值。
微波反射法检测时,设备装置时要求收发传感器的轴线要与物件表面的法线相同。
根据使用的微波器件不同,有点频连续波反射法,扫频连续波反射法,调频波反射法,时域(频域)反射法等。
反射的深度可用脉冲调制入射波进行测定。
当反射的时间延迟脉冲与入射脉冲在时间上进行比较且微波在材料中的速度已知时,就能测定反射位置的深度。
在频率与时间域两种调制中,反射体的特征可以根据反射信号的强度测定。
反射法有两种形式:
单天线与双天线系统。
单天线系统,入射和反射波均沿着微波发生器和天线间的波导传输,如图2所示。
相位检测器的设置用于比较相对于入射相位的反射波相位。
这就给出了两个输出信号,即在反射波中分别正比于同相和90º移相的分量。
当和地面为九十度或近于九十度入射时,工作良好。
双天线反射系统图3工作在适当反射的入射角。
这时反射天线设备与用于穿透测量的是相同的。
但在穿透测量中,反射波没有被利用。
在被检测物件的表面,则应该遵守边界条件。
从第一表面反射的微波不能反应出被测样件物体内部不均匀性的任何信息。
而内部反射的不连续波在表面折射时,它们最终表和面反射波叠加。
当在被检物体背面渡层导电金属层时,微波会从此金属表面反射经过被检物体表面两次,它也和表面反射波叠加,我们这些反射波中提取我们所需要被检物体的内部信息。
3.3微波散射法
一般散射计安装收、发传感器,可按接收信号强弱调整角度,也可互相垂直。
假如散射源是一个金属球或者介质球,在瑞利区,即波长较半径大得多时,则有
;若使用频率为100千兆赫,能够检测飞船外壳防热陶瓷片内部夹杂半径小于70微米,可见灵敏度相当高。
此外,由于采用散射法检测,探头不加调节,所接收到气孔位置的微波信号会下降,必须通过实验调整微波的接收和发射探头角度,使与试件表面法线形成最佳夹角。
散射法的有关计算:
对导电金属球,若远场散射截面为σ,则反向散射截面
,按下式计算:
(3)正向散射截面
为
(4)由式(3)、(4)可知,反向散射比正向散射大约大一个数量级。
对低耗介质球,反向散射截面
计算公式如下:
(5)若在介质材料内部有球状气泡,则
=1,按式(5)可求出反向散射截面,并且这种散射显然要比金属球产生的散射小。
3.4微波干涉法
用驻波测量线(又称开槽线)测量驻波的幅度和相位的变化,信号源频率范围12.4——18kGHz,收发两用探头非接触地对着试件表面,被检测材料如有物理或化学变化,例如玻璃纤维增强塑料内玻璃纤维与树脂比例的改变,以及该复合材料厚度的改变,就会分别发出不同的改变信号。
这样检测分层时,试件表面不规律,就会影响到扫描检测,经过改进之后,就可以从反射波变化“看到”材料内部第二层的脱粘,由此可见,此方法对非金属胶接件的检查是很有用的。
驻波的获得是由相同频率的两波在相反方向行进中相互干涉,结果是在空间形成驻波。
如果有一小天线置于空间的固定点,一稳定幅度和频率的电压即被测到。
将天线移到其他位置,将给出相同频率的稳幅电压。
电压幅度图是沿纯驻波的位置(距离)的函数。
微波是相干波,它会产生干涉现象,产生驻波的条件是入射波和反射波频率相同,方向相反。
其特点是各点幅度为一定值,且呈现周期性的大小变化,相邻最大值(或最小值)之间的距离等于1/2波长。
如果入射波遇到良导体金属板,则发生全反射,这时合成波的波峰值是入射波和反射波波值之和,称为纯驻波。
反射平面呈现
的波节和
的波峰。
它们波节相距为1/4波长。
这样金属表层的反射系数为—1,即在界面上反射波与入射波幅度相等,方向相反。
当金属反射体长条形长度为半波长的n倍时(n为整数),反射性能最佳。
如果入射波碰到像塑料之类介质,除一部分反射外,其余部分变成透射波,遇到不连续界面,又会被反射,其量与波阻抗有关。
由于缺陷大小不同,材料厚度不同,微波驻波波形发生移动,出现不同的幅度和相位。
空间的驻波图可以用来解释相邻介质的介质性能。
在传输线的终端接有复阻抗负载即
时,同时存在着行波和驻波,这是最一般的行驻波状态。
由于
,反射波幅度小于入射波幅度,故合成波波腹不为入射波幅度的两倍,波节不为零。
在波导内场强
随X而周期变化,连续地经过最大值和最小值,相邻的最大点和最小点间相隔四分之一波导波长。
如果已知驻波图的形状和位置,则可算出相应的反射系数的模数和相角。
假设由负载算起的最近的最小点距离是
,则任意点反射系数的相角
。
当相移为
的介质置于波导中输出端短路时,在测量线上驻波最小点反射系数相角
。
式中,
分别为介质相角
时的驻波最小值。
驻波比S等于场强幅度最大值和最小值之比,由
求得反射系数的模
或
反射系数可从求入射波场强与反射波场强的比值得出。
微波驻波法主要被用来进行厚度的精密测量和分层缺陷检查。
3.5微波涡流法
用入射的极化波和微波电桥或模式转换系统来测定散射与相位信号,可以探知金属材测近表面裂缝。
尤其用涡流测量小曲率半径的孔和区域。
慢波装置除了最后一匝短路以外,类似于螺旋天线或螺旋TWT。
这一短路匝形成一短路空间传输线而没有屏蔽。
在这一检测装置中,它的长度和直径是可以调节的,螺旋置于孔内,当最后一匝未短路时,它形成螺旋谐振器;或者当螺旋被短路时形成一螺旋的延迟线。
当采用螺旋天线时,幅度和相位信息可由测量与腐蚀敏感的表面阻抗获得。
多个并联的螺旋探头可以测量多个孔的大小。
慢波螺旋可以制成柔性的,以适应工件特定的构形,便于测量小曲率半径的区域,在工件表面扫查。
再通过标定将表面阻抗与被检表面的腐蚀建立相应关系。
在任何情况下,微波信号传送不是用螺旋形导线就是用圆形或矩形截面的空心管,前者在螺旋的内部和外部均很灵敏;后者通过管内的孔或槽也能使其对表面阻抗灵敏。
所以,为了满足飞机不同形状部件表面阻抗测量的需要,可以使用许多不同配置的涡流方法进行有效监测。
4.微波检测技术的研究方向与发展趋势
4.1微波无损检测的理论研究方向
进一步研究微波在非均匀介质中的传播和在非均匀介质中的散射规律是十分有价值的。
在非均匀介质中,如果得到散射波相位和振幅对位置和媒质的非均匀性的关系,则就建立了对该种非均匀媒质的断层扫描关系,也就是得到了该种非均匀媒质的断层扫描算法。
比如我们建立了人体对微波的散射波相位和振幅对位置和人体结构的关系,则我们就得到了微波人体断层扫描算法;如果我们得到了桥梁等大型建筑对微波的散射关系,则我们就可以对这些大型建筑进行微波断层扫描;反过来,如果对大地进行微波断层扫描,将接收到的散射波,根据相似理论,然后进行小模型分析,可以分析出在微波断层扫描范围内的每个区域中的矿藏分布。
建立非均匀介质对多微波源的散射理论。
无论是金属表面上的裂纹、裂缝检测还是非均匀介质中的缺陷的检测,如果在不同位置设置多个频率不同的微波源,且这些源的相对位置是已知的,则在确定的坐标系中,可建立非均匀介质缺陷对多微波源的散射关系。
其中,散射波的相位包含散射源的位置关系,同时,微波从各不同方向照射到缺陷上,可避免由缺陷形状引起的漏检。
对于管道和压力容器内表面上长裂纹、裂缝,目前所用的传播波法和反射波法不能确定其缺陷的位置,只能确定是否存在缺陷。
解决问题的办法为先用调制波作为传播波,可通过检测缺陷对调制波的反射来确定缺陷的位置。
调制波理论不仅可以从理论上解决管道内表壁上缺陷的位置问题,而且可解决非均匀介质中缺陷的位置和大金属平面表面上的缺陷的位置问题。
4.2微波无损检测的实验研究方向
关于微波的传播、反射和散射理论,目前只能对一些规则边界条件进行求解。
在实际问题中,大多数缺陷的形状是不规则的,不可能求出其解析表达式,只能通过实验的方法来求出其关系。
(1)对媒质的非均匀性检测,无论是用反射波法还是散射波法,由于缺陷对微波的反射和散射与其本身的形状、尺寸、取向有关,而且与波的频率也有关。
在实际工程中,材料的性质主要取决于材料不均匀的程度,因此,可通过检测散射波的功率来实现。
在实测中,应采集从不同入射角度、在不同频率下的反射波功率和散射波功率。
(2)一般说来,频率越高,检测的精度也越高。
但对脱粘检测来说,该结论不成立。
由于散射波相位与频率具有周期关系,当检测频率太高时,可能散射波的相移反而较小,用相敏法测脱粘时,应用扫频源寻找一个最佳频点。
4.3无损检测成像技术
微波检测技术使分米分辨本领的非接触成像技术变成了可能。
也具有高分辨微波成像技术的应用能力,在当今社会生活中已经被人们验证。
弗莱姆·鲁瑟尔公司是美国专门从事雷达断层成像测量技术的公司,在实验过程时检测到一个半英寸高、面积为10平方英寸的纤维玻璃板上的一个50mm直径的小孔洞,即使在这个小孔里浸满了液体,也能被检测的到。
英国ERA工程部利用微波检测技术也完成了对地下管道和电缆定位的表面穿透雷达系统等方面的研究。
这种技术用以探测地下非导体材料物体的方法已经被世人所认可。
4.4用于寻找和救护方面
微波检测技术的另一个很关键的应用是:
在寻找在被地震、山体滑坡或者房屋倒塌等自然灾害等现象后检测寻找被物体掩埋的生命物体。
微波对较弱小的运动以及能表征生命物体存在的呼吸等的信息都特别的敏感,我们也可以通过微波检测技术探测到被物体掩埋的失去意识的生命。
将中间馈入了同轴线的微波双锥形天线插入固体后,周围的有生命的物体将此天线发出的电磁波反射回来,而有表征生命的呼吸运动能使反射波的频率发生0.1Hz——0.3Hz的变化。
除此之外,具有生命生物的肠胃以及消化系统的蠕动也能使反射波的频率发生0.7Hz——3.0Hz的变化。
由接收天线可以直接接收到反射回来的微波。
据法国自然和工程探险国家安全部的研究表明,频率在0.5——1.0GHz(1000Hz)范围内的探测装置可以有效地探测到表征生命存在的呼吸运动。
4.5新型微波车辆感知器
在我国的交通管理系统中,微波车辆感知器是被设置在道路上的,利用前方汽车反射回来的波来确定前方汽车距离本车的距离,再根据多普勒效应的频移特性来确定本部装有感知器的汽车的前进速度,并将感知器接收到的数据传递给当地交通管理系统,系统经过分析与合理的疏导最终统计出数据。
图4
上图装置是微波车辆感知器的装置,分别是由微波收发器和控制器两大部分组成。
微波收发器一般是安装在离地面5m——6m高度的地方,控制器则被安装在支柱上。
收发器天线向地面发射扩散的波束为70度,它对地面发射的主波束与行驶在中心线上的车辆相对应,而旁波束则与中心线两旁的车辆相对应。
4.6测量水分的微波传感器
自然界的所有物质中,不含有水分的物质基本上为数不多。
换言之,存在于世间的各种物质都含有水分。
为了测量某种物质的含水量,如空气,粮食等等需要监测水分的物质,怎样检测其中的水分含量的多少,始终是人们非常关注的一个话题.目前,测量粉末中的含水量,一般普遍都采用烘干法。
但是这种方法所测量结果的误差比较大,很难达到预期的要求,并且测量周期较长,对于某些遇热容易分解生成水分子的物质就不可能比较精确地测量出这种物质中水分的含量。
经过几代人们的不懈的研究与努力,终究发现微波对水的衰减大,从而用微波检测法来测量物质中所含水量,是一个很不错的方法。
5.小结
微波检测作为常规无损检测方法的补充,它适用于检测增强塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶、木材以及各种复合材料等,也适用于检测各种胶接结构和蜂窝结构件中的分层、脱粘、金属加工工件表面粗糙度、裂纹等。
随着很多无损检测工程师及技术人员对微波检测能力及局限性的精通,微波检测的使用必将不断增加,微波检测技术有着广阔的发展前景。
参考文献
[1]刘贵民马丽丽.无损检测技术.北京:
国防工业出版社,2006,346-352
[2]周在杞周克印.微波检测技术.北京:
化学工业出版社,2007
[3]沈玉娣曹军义.现代无损检测技术.西安,西安交通大学,2012,303-317
[4]张俊哲.无损检测技术及其应用.北京:
科学出版社,1993,363-369
[5]夏纪真.无损检测导论.广州:
中山大学出版社,2010,66-68
[6]任吉林林俊明.电磁无损检测.北京:
科学出版社,2008,432-501
[7]李喜孟.无损检测.北京:
机械工业出版社,2011,120-124
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