12 微波无损检测

1、第十二讲 微波无损检测 对应教材内容： 6.3 微波无损检测,微波无损检测,一、微波检测的基本原理与特点,(一)微波检测特点,微波是一种电磁波，它的波长很短且频率很高，其频率范围大约为300MHZ300GHz，相应的波长为1m一1mm。主要分成7个波段，并可划分为分米波、厘米波和毫米波。在微波无损检测中，常用x波段(82125GHz)和K波段(26540GHz)，个别的(如用于陶瓷材料的微波检测)已发展到w波段，频率从56100GHz。,当波长远小于工件尺寸时，微波的特点与几何光学相似；当波长和工件尺寸有相同的数量级时，微波又有与声学相近的特性。与无线电波相比，微波具有波长短、频率宽、方向性好

2、和贯穿介电材料能力强等特点。,在均匀各向同性介质内部传播的微波都是横波，其电场和磁场矢量都小于传播方向。微波的传播速度(相速)是介质的一种特性决定于介质的磁导率和介电常数。,微波检测的缺点是它不能穿透金属或导电性能较好的复合材料，如碳纤维增强塑料等。由于趋肤效应，它不适于检测这些材料的内部缺陷。微波检测还需要参考标准，并要求操作人员有比较熟练的技能。,(二)微波检测的基本原理,微波检测是通过研究微波反射、透射、衍射、干涉、腔体微扰等物理特性的变化，以及微波作用于被检测材料时的电磁特性介电常数的损耗正切角的相对变化，通过测量微波基本参数如微波幅度、频率、相位的变化来判断被测材料或物体内部是否存在

3、缺陷以及测定其它物理参数。,微波在介电材料内部传播时，微波场与介电材料分子相互作用，并发生电子极化、原子极化、方向极化和空间电荷极化等现象。这四种极化，决定介质的介电常数。介电常数越大，材料中存储的能量越多。介电常数和介电损耗的数值，决定材料对微波的反射、吸收和传输的量。微波在材料内部由于极化，则以热能形式损耗。,微波在导体表面上基本被全反射。利用金属全反射和导体表面介电常数反常，可以检测金属表面裂纹。在介电材料内，微波的传播会受到介电常数、损耗角的正切及工件形状、材料和尺寸的影响。 若工件内含有非气泡类缺陷，其介电常数不等于空气介电常数，也不等于材料的相对介电常数，而等于复合介电常数。微波可

4、以透过介质并且受介电常数、损耗角正切和材料形状、尺寸的影响，如有不连续处就会引起局部反射、透射、散射、腔体微扰等物理特性的改变。 通过测量微波信号基本参数(如幅度衰减、相移量或频率等)的改变量来检测检料或工件内部缺陷，或测定其它非电量，以此分析评价工件质量和结构的完整性。,微波物理特性中的腔体微扰是指谐振腔中遇到某些物体条件的微小变化，如腔内引入小体积的介质等.这些微小扰动将导致谐振腔某些参量(如谐振频率、品质因素等)相应的微小变化，称为“微扰”。根据“微扰”前后物理量的变化来计算腔体参量的改变，从而确定所测量厚度的变化及温度、线径、振动等数值.,采用测量材料和工件的复合介电常数来确定缺陷或非

5、电量及其大小，是微波检测的物理基础。因为对一般材料和工件来说，其介电常数为复合介电常数，既不等于该材料的相对介电常数，也不等于所含缺陷(空气等)的介电常数，而往往介于两者之间。,微波从表面透入到材料内部，功率随透入的距离以指数形式衰减。理论上把功率衰减到只有表面处的1e136的深度，称为穿透深度。,二、微波的检测方法,1穿透法,按入射波类型不同，穿透法可分为三种形式，即固定频率连续波、可变频率连续波和脉冲调制波。 发射和接收天线在试件的两边。从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波源的微波信号比较幅值和相位。 穿透法用于检测材料的厚度、密度和固化程度。这种检测方法的灵敏度较低。,2反射法,由

6、材料内部或背面反射的微波，是随材料内部或表面状态的变化而变化。主要有连续波反射法、脉冲反射法和调频波反射法等。 反射法检测要求收发传感器轴线与工件表面法线一致，它是利用不同介质的分界面上会有反射和折射现象来研究材料的介电性能。定向耦合器对传输线一个方向上传播的微波进行分离或取样，输出信号幅度与反射信号幅度成比例。 试样内部的分层和脱粘等缺陷，将增加总的反射信号。在扫描试件过程中，如微波碰到缺陷，所记录的信号将有幅度和相位的改变。,3散射法,散射法是通过测试回波强度变化来确定散射特性。检测时微波经有缺陷部位时被散射，因而使被接收到的微波信号比无缺陷部位要小，根据这些特性来判断工件内部是否存在缺陷

7、。 还有干涉法、微波全息技术和断层成像法等。,微波检测设备比较简单，操作方便，非接触式，便于自动化，尤其适用于生产流水线上的连续、快速测量和自动控制。,以评价材料结构完整性为主要用途的新型微波探伤仪，可用于检测玻璃钢的分层、脱粘、气孔、夹杂物和裂纹等。 由发射、接收和信号处理三部分组成，收发传感器共用一个喇叭天线。使用时调整探头对着参考标准，使检波器输出趋于零；当探头扫描到有分层部位时，反射波的幅度和相位随之改变，检波器有输出。 其中喇叭天线是微波检测中一种常用的微波传感器(即探头)，又称变换器。它能将非电量变换成电参量，然后再经微波电路转为幅度、相位、频率或其它变化量。,喇叭天线,微波可用于

8、金属和非金属板材和带材的厚度测量。由微波信号发生器产生的微波信号，其中一路经定向耦合器直接进入相位计,另一路经环形器到喇叭探头，投射到金属板并校反射再进入喇叭。然后经环形器到另一环形器至另一个喇叭投射到金属板另一侧面后反射来最后也进入相位计两路行程差取决于被测金属板的厚度。,用相位计测出两个波的相位差，即可确定厚度值。这种厚度计具有设备简单、测量范围大、精度高、测量时与被测工件的化学成分无关、响应时间短和成本低等优点。,三、微波检测技术的应用,用微波扫频反射计检测胶接结构件火箭用烧蚀喷管；检测玻璃纤维增强塑料与橡胶包覆层之间的缺陷；可用微波检测仪检查雷达天线罩、火箭发动机壳体等上件的内在质量，

9、特别适用于航空航天工业用的复合材料工件，这是因为复合材料的制造工艺还保证不了质量的完整性，因此必须采用多种方法进行检测，然后作出综合评价。,微波检测对固体火箭发动机很重要这是因为固体火箭发动机的燃烧室各胶接界面必须保证粘结良好，推进剂药柱内部不允许出现裂缝、气孔和疏松等严重缺陷，否则会增大燃烧面而影响正常燃烧。为了检测药柱裂缝，可采用专用的微波检测系统。此外，它还可用于检测推进剂和包覆层、包覆层和绝热层、绝热层和壳体之间的粘结质量，监视贮存、运输后的产品内部缺陷扩展的情况。,但微波检测不能用于金属壳体发动机，也不适用于大型固体火箭发动机，这是因为微波不能穿过金属材料。虽然如此，但是可以用微波检

10、测金属材料的表面裂纹，若金属表面有裂纹并且裂纹与电场极化方向相同，则反射波与裂纹深度和宽度有关。因此，可非接触地测定金属加工的工件表面租糙度和裂纹深度。,图614是用微波方法检测金属材料表面疲劳裂纹的一个例子。该技术采用开口波导进行金属表面传感。在无裂纹区域，金属表面可看作一个相对良好的短路负载，它不产生任何高阶模式。而在裂纹处则会产生高阶模式并且其横向电场分量可用于定性指示裂纹的存在与否。,工件和材料的厚度测量一般采用超声、射线等方法，检测成品厚度，显然，采用接触式检测很不适应，此时可采用微波测厚。 对用射线检测钢板厚度来说，一方面要有安全防护措施；另一方面钢板中的化学成分会影响其但是在热轧钢板和冷轧金属带材生产过程中，需要快速测