《微波检测主要方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微波检测主要方法（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第九章 微波检测主要方法第一节 微波检测方法分类微波检测方法分主动式和被动式两种，后者包括辐射计检测方法。主动式微波法如下：各类微波检测方法如表9.1。该表对各种物理现象和用途进行了比较。辐射计方法在被动式检测中具有广泛的应用。在主动式检测中，特别是利用透射材料的微波在介质内部的衰减、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改变，测定多个方向的投影值，并将它与滤波（核）函数卷积，再进行反投影，用计算机重建图像的方法，检查非金属材料及其复合结构件断层剖面质量和加速器粒子束或等离子体的状态，用于射电天文，电磁探矿和地层分布测绘等。反映物体内不同部位的大小形态、成份及其变化过程。这是今后重点发展的方向。
2、 表9.1 各类微波检测方法的物理现象和用途方法物理现象用途穿透法在材料内传输的微波，依照材料内部状态和介质特性不同而相应发生透射、散射和部分反射等变化测厚、密度、湿度、介电常数、固化度、热老化度、化学成分、混合物含量、纤维含量、气孔含量、夹杂以及聚合、氧化、酯化、蒸馏、硫分的测量反射法由材料表面和内部反射的微波，其幅度、相位或频率随表面或内部状态（介质特性）而相应变化检测各类玻璃钢材料，宇航防热用铝基厚聚氨脂泡沫、胶接工件等的裂纹、脱粘、分层、气孔、夹杂、疏松；测定金属板材、带材表面的裂纹，划痕深度；测厚，测位移距离，方位以及测湿、测密度、测混合物含量 散射法贯穿材料的微波随材料内部散射中心
3、（气孔、夹杂、空洞）而随机地发生散射、检测气孔、夹杂、空洞、裂纹干涉法两个或两个以上微波波束同时以相同或相反方向传播，彼此产生干涉，监视驻波相位或幅度变化，或建立微波全息图象检测不连续性缺陷（如分层、脱粘、裂缝），图像显示涡流法利用入射极化波、微波电桥或模式转换系统，测定散射、相位信号，探知裂缝检测金属表面裂缝，其深度取决于频率和传播微波的模式层析法利用透射材料的微波在介质内部的衰减、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改变，测定多个方向的投影值，并将它与核函数卷积，再进行反投影，用计算机重建图像检查非金属材料及其复合结构件断层剖面质量和加速器粒子束或等离子体的状态，用于射电天文，电磁探矿和地层
4、分布测绘等。反映物体内不同部位的大小形态、成份及其变化过程图9.1为常用微波传感器布置。材才料收发器材料(a)单传感器反射方法发射器接收器材料(b)穿透方法图9.1常用微波传感器布置图材料发射器接收器(d)正交放置散射法接收器材料发射器(c)收发分置反射法qq第二节 微波检测主要方法 一、微波穿透法 （一）系统微波穿透（或称传输）法检测系统如图9.1（a）所示。微波信号源用来产生等幅连续波，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。在检测前，应把系统中指示器灵敏度放在最小位置，以免过载而损坏。如果系统阻抗不均匀，可采用阻抗过渡办法得到匹配。根据幅度
5、、相位的变化反映材料内部状况这一特点，就可进行材料物理和化学变化的测定。图9.2微波穿透检测系统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(a)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(b)从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波信号源的信号比较幅度和相位。如图9.2（b）所示。在此参考信号取，则接收信号式中,为正交分量（也称90相移分量）；为同相分量。 （二）分类 穿透法（传输法）有三种：点频连续波法、扫频连续波法、脉冲调制波法。 1点频连续波穿透法微波发生器的频率是稳定的，且是窄带的；或者是所要求的频带宽度内材料性质随频率改变
6、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，且相互干扰很小。用穿透法检测玻璃钢或非金属胶接件缺陷，也主要是监视接收微波束相位或幅度的变化。为改善微波辐射波束，可采用介质透镜，以保证波束横截面窄小，提高分辨率。下面举三个实例说明：（1）甲基丙烯酸甲酯材料 在厚度36毫米的平板试样中，平行于表面钻5个直径为2毫米（相应于材料内波长）的直孔，它们距表面分别为5、10、15、20、25mm（电场强度矢量方向平行于钻孔方向），扫描试样检测结果如图9.3所示。曲线下凹部分就是缺陷信号。实线表示收发探头都用开口波导的结果；虚线表示接收用开口波导，发射用喇叭加透镜的结果
7、。随着小孔到接收探头距离的减小，缺陷信号幅度增大，曲线宽度减小（曲线更加尖锐）。对位于中间的小孔，曲线宽度减小，旁瓣数增加。（2）聚氯乙烯材料 在平板试样中刻有不同宽度b和深度t 的矩形槽，其截面积bt为4，如图9.4所示。图中实线和虚线的意义同（1）所述，比较两者可以发现当槽宽b6mm时，缺陷信号幅度大小与缺陷深度大小成正比。 （3）聚氯乙烯材料 在平板试样中钻不同直径和深度的圆孔，其容积等于15.7。平底孔中心轴与微波波束轴线平行。图9.5平底孔的直径对缺陷信号的宽度影响较小，在0.22.2mm整个X围内孔深与缺陷信号幅度也成比例。图9.3 钻孔信号比较0 50 100 150 2001.
8、00.5距离(mm)信号幅度 (V)1.00.50erd发射接收1.00.500 50 100 1501.00.5距离(mm)图9.4相同截面的矩形槽信号曲线(聚氯乙烯板厚22毫米)信号幅度(V)1.00.500 50 100 150 200 2501.00.5距离(mm)图9.5相同容积平底孔信号曲线(聚氯乙烯板厚22毫米)信号幅度(V)图9.6为另一种微波穿透法检测系统。标准信号源调制器隔离器介电试验材料频率计可变衰减器检波器交流电压表接收喇叭发射喇叭隔离器（a）一般方式 终端器标准信号源隔离器可变移相器调制器发射喇叭检波器可变衰减器接收喇叭分流器隔离器交流电压表魔T（180混合T接头）隔
9、离器可变衰减器1介电材料选通滤波器（b）魔T方式图9.6另一种微波穿透法检测系统2扫频连续波穿透法某些微波相互作用的频率是敏感的，在这时它们的谐振频率随材料性质的改变而改变。在必须应用的实际频带的X围内，响应为频率的函数。点频微波发生器代之以其频率被预先编程能自动变化的扫频频率微波发生器，现行电子自动扫频可以一倍频程或更宽的频带（例如12GHz）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。矢量网络分析器提供了宽带的幅度和相位。3脉冲调制穿透法穿透传输波能实现相位测量，但只相对参考波而言。当要求测
10、量传输时间时，就要应用脉冲调制技术。为调制脉冲，在微波发生器内应有选通或关闭功能。在接收器内的相敏检测器（相位比较器）通常被峰值检测器所取代。因此，接收器输出由相对于发送脉冲有一定时间延迟的若干脉冲组成。扫频频率测量给出了群延迟信息。矢量网络的分析时间域特征也可以有效地应用。 二、微波反射法 （一）点频连续波反射法 (a)单路定向耦合反射计调制器试件隔离器频率计可变衰减器检波器交流电压表收发喇叭隔离器定向耦合器标准信号源微波信号源隔离器可变衰减器20dB定向耦合器直流电表检波器直流电表检波器喇叭天线(反射)(入射)试件(b)双路定向耦合反射计f终端器标准信号源调制器检波器可变相移器魔T（180
11、混合T接头）隔离器可变衰减器1定向耦合器试件收发喇叭(c)单喇叭魔T反射仪分流器选通滤波器交流电压表微波源隔离器衰减器相移器检波器试件示波器(用于扫频波)(d)双喇叭魔T反射计衰减器相移器1E H2图形记录仪(用于连续波)魔T(180混合T接头)试件标准信号源可调(滑动)短路器收、发喇叭交流电压表可变衰减器1可变衰减器2(e)相敏魔T反射计检波器微波反射法要求收发传感器轴线与工件表面法线一致。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。图9.7为点频连续波反射法方框图。图9.7 点频连续波反射法方框图根据信号源和所使用的微波器件不同，有定向
12、耦合器反射计，单、双喇叭反射计，调频反射计（扫频反射计）及时域反射计等之分，图9.7（b）为双路定向耦合反射计系统框图。 反射计的信号源产生的微波信号通过波导进入测量系统，采用铁氧体隔离器作去耦衰减器，防止反射波进入信号源影响其输出功率与频率的稳定。可变衰减器用来调节输出功率的大小，使指示器有适度的指示。定向耦合器从主传输系统中按一定比例分出部分功率，也就是对入射波和反射波分别进行取样。检波器用来检测微波信号。利用晶体二极管的非线性进行检波，将微波信号转换为直流或低频信号，用一般仪器指示。 图9.7（d）是双喇叭反射计系统方框图（魔T桥路反射计）。魔T的臂E接信号源，1、2臂分别接衰减器、相移
13、器和喇叭天线。如果1、2两臂的负载阻抗相等，则其所引起的反射系数也相等，在这个条件下魔T的H臂无输出，表示电桥平衡。如果用喇叭探头扫描检测，恰好碰到试件内的缺陷，则两个反射系数不相等，电桥失去平衡，指示器指示不为零。对相移器的基本要求是微波通过时的相移可以调节，但不产生衰减。在该系统中，若使用连续波信号源，用图形记录检测结果；信号是扫频波，则用示波器记录和观察结果。在用微波检测夹层材料时，由于试件内夹层之层厚d为四分之一波长奇数倍，即时，式中n为折射率，m为正整数，分层间反射波相互抵消。因此，在采用反射法检测时也要精心选择微波频率，防止发生“相位改变层间反射波消失”的现象。图9.8为微波频域反射测量法示意图。反射计喇叭至被检材料部件之间的距离d（空气）可用下式表示： （9-1）式中,为从频谱分析仪或频率计读取的差（拍）频，Hz；C为微波在空气中的传播速度，m/s；s 为微波源扫频速率，Hz/s。 （9-2）式中, P为从频率扫到频率所需的
