微波检测主要方法

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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:点频连续波穿透法穿透法 扫频连续波穿透法、脉冲调制波穿透法定向耦合器法反射法点频连续波反射法 扫频连续波反射法微波法 频率调制波反射法 脉冲调制波反射法 时域反射法散射法反向散射法点频驻波法 干涉法 多频全息法、扫频干涉法微波涡流法反射CT法层析法一计算机辅助断层成像（CT、法穿透CT法 衍射CT法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

2、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。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

3、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（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

4、 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。（a）单传感器反射方法（b）穿透方法接收器（c）收发分置反射法（d）正交放置散射法图9.1常用微波传感器布置图第二节微波检测主要方法一、微波穿透法（一

5、）系统微波穿透（或称传输）法检测系统如图9。l（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、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。（a）试件接收探头输出输出（b）图9.2微波穿透检测系统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V0coso t，则接收信号V cosCot 一申）=（V

6、 cos 申）cos ot +（V sin 申）sin ot式中，Vsin申为正交分量（也称90相移分量）；Vcos申为同相分量。（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

7、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（相应于材料内波长九）的直孔，它们距表面分别为5、10、1 5、20、25mm（电v r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。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4mm2,如图9。4所示。图中实线和虚线的意义同（1）所述，比较

8、两者可以发现当槽宽bmm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 mm 3.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整个范围内孔深与缺陷信号幅度也成比例。距离 (mm)-51 005010幅号信050100徐幅号信50101500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 ）距离 (mm)卄徐幅号信图9.5相同容积平底孔信号曲线（聚氯乙烯板厚22毫米）图 9.6 为另一种微波穿透法检测系统（a） 一般方式图 9 。6 另一种

9、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范围内,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。当要求测量传输时间时,就要应用脉 冲调制技术。为调制

10、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为点频检波器(a)单路定向耦合反射计(b)双路定向耦合反射计调制器 x分流器*定向耦合器*标准信号源可变衰减器1终端器可变相移器收、发喇叭试件魔 T (180混合T接头

11、)检波器选通滤波器试件(d)双喇叭魔T反射计*交流电压表(c)单喇叭魔T反射仪(e)相敏魔T反射计图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

12、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

13、 为四分之一波长奇数倍，即 d =(2m - lk0/4n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n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：d = Af (c / 2s)(9-1)d式中,Af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 ds;s 为微波源扫频速率， Hz/s。s = (f - f )/ P 二 B / P(9-2)21式中,频谱分析仪频率(c)频谱分析显示（二）微波调频反射计图9.9

14、为微波调频反射计极其响应曲线。微波源塑料板f2_fr反射信号频率差| 延迟时间r时间频率(a)(b)（金属反反射板时反射计及发及发射信号波形（b金属反射时反时反射计及接收信号波形波形（C）塑料板时反射计装置及其信号波形 图9.9微波调频（FM）反射计及其影响曲线(c)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。（三）相位检测系统反射法有两种形式: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9.10 （a）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9 0 移相的分量。 当垂直或近于垂直入射时，工作良好.双天线反射系统（图9 .10（b） ）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。同相输出90。相移输出(a) 单天线反射系统(b) 双天线反射系统图9。10用于微波测量的单天线和双天线反射系统图在材料表面，边界条件必需遵守.从第一表面反射的微波并不包含有关被测样件内部材 料不均匀性的任何信息。