毕业论文-微波检测技术及应用.doc

微波检测技术及应用微波检测技术及应用 华北科技学院机电工程系 河北 三河 065201 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 The principle and engineering uses of the microwave nondestracture testing technique are represented systematically in the paper The problem of the microwave nondestracture testing technique is discussed A future research work direction is given Key words microwave nondestracture testing compound material coming unglued between medium cracks on metal surface air bubbles in material 1 引言引言 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 微波检测技术微波检测技术原理及特点原理及特点 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 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 频率范围 MHz波段中心波长 mm常用主频率 MHz波长 mm 890 940L330915 25328 2400 2500S1222450 50122 5725 5875C525820 5552 22000 22250K1422125 12514 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 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 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 这种微波检测技术所需要的时间周期短 反应灵敏 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 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 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 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 3 微波检测主要方法微波检测主要方法 3 1 微波穿透法 微波信号源 检波器隔离器 衰减器 指示器 20dB 定向耦 合器 检波器 指示器 试件 发射探头接收探头 微波信号源 试件 相位比较器 发射探 头 接收探 头 90 相移 输出 同相 输出 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tV cos 0 号 tVtVtV sinsincoscoscos 1 tVtVtV sin sin cos cos cos 2 在以上两式中 为正交分量有时也称 90 相移分量 而 sin V 为同相分量 cos V 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 90 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 图 2 微波发生器 相位检测器 被检件 同相输出90 相移输出 天线 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 90 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 5 a 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 图 3 微波发生器 相位检测器 被检件 传输天线 接收天线 同相输出90 相移输出 散射法的有关计算 对导电金属球 若远场散射截面为 则反向 散射截面 按下式计算 0 6 2 2 4 90 a 3 正向散射截面为 6 2 2 4 9 a 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 0 6 2 2 2 2 10 a r r 5 若在介质材料内部有球状气泡 则 1 按式 5 可求出反向 r 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 E 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 H 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1 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1 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 E 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 minmin xxd 则任意点反射系数的相角 当相移为的介质置于波导 min 2 d 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 g dd d 2dd 和 和 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 1 1 min max E E S S S 1 1 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 4 微波检测技术的微波检测技术的研究方向与发展趋势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