金属表面缺陷微波检测技术

马海桃,杨 晨,段滋华

(太原理工大学化学化工学院,太原 030024)

1 微波检测系统

试验所用微波检测系统主要由矢量网络分析仪(信号源、数据分析和采集系统)、发射天线、接收天线等构成,如图1 所示。

图1 微波无损检测系统

微波检测试验主要利用了微波具有对金属材料的反射特性及对非金属材料的穿透特性。微波辐射到被检金属试件后,对反射回来的微波信号进行检测和分析。网络分析仪的信号源发射点频连续波,发射天线将信号按指定方向入射到试件表面时,会产生反射和折射,其反射波与试件的材料性质有关。而微波遇到金属时基本上全反射,能量损失较小,反射回来的微波被接收天线所接收,并输入到矢量网络分析仪。通过测取能体现反射波能量大小的特征参数(如幅值、插损值等)的变化,可以检测出试件有无材料不连续界面和介质的电磁参数。

2 微波检测信号分析

在研究微波对金属材料连续界面的反射特性试验中,选用规格为1 000 mm×1 000 mm×3 mm 的正方形钢板作为被检试件,钢板至发射及接收天线的距离为240 cm 。试验检测结果表明,插损值约为无金属板时的20 倍,接收天线所接收到的信号强度为无金属板时的170 倍;通过观察天线方向图,得出信号强度最小值所对应的相位出现很大偏移;同时得出接收信号强度与金属板上的辐射面积有关。

在研究微波对金属材料不连续界面-钢板间的预制裂缝的反射特性试验中,检测数据经过线性拟合,结果表明插损值与不连续界面尺寸成正比。图2 为多次检测结果的缺陷尺寸与插损变化关系线性拟合曲线。

图2 缺陷尺寸与插损变化关系图

为了有效地检测非金属材料对微波场的影响,在初步试验中将采用常见的非金属材料——木板,将其覆盖在钢板表面进行定距离的微波无损检测。经过多次检测钢板和覆盖木板后的钢板,插损变化情况见表1。由此可见,木板等非金属对微波信号影响相对于金属缺陷对微波信号影响较小。

表1 覆盖木板时的插损变化

3 结论

通过综合研究微波对非金属材料的穿透特性、对金属材料的反射特性及微波场与材料相互作用时产生各种极化现象,得出以下结论:

(1)利用微波对金属材料的反射特性,采用微波无损检测系统,通过检测反射波特征参数的变化,可以实现对金属材料表面缺陷的检测。

(2)利用微波对非金属材料的透射特性,透过非金属层,可实现对金属表面缺陷的非接触检测,从而能应用于埋地管道等一些在非金属掩盖下的金属表面缺陷的非开挖检测。