一种用于评估木材内部缺陷的开口谐振器探头

肖辉 杨晓庆

摘 要 微波无损检测技术，它能够快速、连续地检测木材内部缺陷。常见的设备有雷达和喇叭天线。然而，由于这些设备精度低、价格高，在实际工程中的应用受到严重限制。所以，本文提出了一种将开口谐振器（SRR）直接耦合到微带线末端的微波检测探头，以便更准确地分析木材内部缺陷。该探头结构紧凑，重量轻，价格便宜，分辨率高。结果表明，利用探头的S21曲线可以高精度地分析木材内部缺陷宽度，且在不同含水率的情况下此探头的检测误差小于10%。

关键词 微波无损检测 微波近场探头 开口谐振器 含水率

中图分类号：TH878文献标识码：A

0引言

木材作为一种重要的生产生活资料，其内部缺陷往往被人忽略而导致一些安全事故的发生。随着微波无损检测技术（MNDT）的迅速发展，这种检测技术被广泛应用于非金属材料的缺陷检测，因为微波可以穿透大部分非金属材料，因此，MNDT可以用来检测非金属材料的内部缺陷。一些常见的微波设备，如雷达和喇叭天线，在木材检测中发挥着重要作用。但由于其精度低、成本高、体积大，在工程环境中的应用受到限制。为了克服上述问题并准确检测内部缺陷区域。K.Khalid设计出了一款微波反射传感器并成功地检测出了隐藏在木材表面2厘米以下的缺陷。b.Lutz使用一个开放矩形波导和一个近场波导用来评估木材样品的内部缺陷区域，并取得了较好的结果。为了获得可靠、准确的木材内部缺陷信息，本文提出了一种加载有SRR结构的微波近场探头，它具有体积小、重量轻、分辨率高等特点。当探头在工作于谐振频点时，SRR结构会积累大量的电磁能量，使微波探头对样品的内部缺陷变化更为敏感，从而提高探头的灵敏度和检测精度。

1传感器设计

传统的木材内部缺陷检测系统（如雷达和喇叭天线）工作频率高，结构复杂，加工成本高，使其在实际工程中很难得到运用。本文提出了一种结构简单、加工成本低、SRR结构的微波近场探头，并利用CST微波工作室（CST）建立了一个仿真模型，为了得到更加真实的仿真结果，我们根据实际测试所得的介电常數、含水量和密度为CST材料库建立了新材料，而不是使用CST材料库中的自带的原始材料。图1（a）展示的是探头示意图（a譩=16 mm？2 mm）和包含缺陷深度为d，宽度为w的木材样品。此外，通过仿真分析，可以容易得到该微波探头的谐振频点为9 GHz。在仿真过程中，该微波探针能够快速、准确地找到缺陷边界，并通过S21曲线的频率偏移来显示缺陷边界。

在实验时，把含有缺陷的木材样品放在探头正下方并固定在X-Y移动平台上。在扫描过程中，微波探头始终保持着0.1 mm的步长距离朝着同一个方向移动，以确保探头与木材样品之间的相对移动。当木材样品没有内部缺陷时，向量网络分析仪（VNA）中的S21曲线的幅值基本保持不变。相反，在存在缺陷的情况下，可以观察到S21曲线发生明显的变化。在仿真时，我们模拟了不同参数下的SSR电场分布。最后发现，当L=2.8 mm，W=0.36 mm，R=0.22 mm，G=0.09 mm时，探头的电场分布具有较好的集中度和较高的电场值，如图1（b）所示。

本文中所提出的设计结构与其他的结构不同，此结构使用SRR直接耦合到微带线末端，而不是间接耦合，从仿真的结果发现直接耦合式结构有更多的优点，与间接耦合式结构相比，它有更强电场值，如图2所示：

同时，这种直接耦合式结构的探头对被测对象的介电常数变化更为敏感，如图3所示，当被测对象的介电常数变化时，直接耦合的 f比间接耦合的 f变化更为明显，即可以表明直接耦合式结构的微波探头具有更高的检测灵敏度。

图3：介电常数变化与 f（ f=fWithfWithOut）的关系，其中fWith是加载测试对象时探头的谐振频率，fWithOut是没有加载测试对象时探头的谐振频率

2实验与分析

我们利用所建立的微波无损检测系统对不同含水率木材的不同尺寸缺陷进行了检测，实验系统如图4所示，它是由网络矢量分析仪（VNA）、微波近场探头、水平仪、X-Y移位平台装置和木材样品构成。

在实验中，分别使用缺陷宽度为14、16和18mm，缺陷深度为3、5和7mm的木材作为样品，并得到了S21值与缺陷尺寸之间的关系。如下图5所示：

根据实验测试结果，计算出了实际宽度和测量宽度之间的相对误差，如表格1所示。从表格中可知，实验结果相对误差均小于10%，表明该微波探头能够有效地、准确地检测木材内部缺陷，且对于内部缺陷尺寸较大的木材，检测结果更加精确。此外，从图5（b）检测的结果可以看出，当缺陷深度增大时，S21曲线的波谷值在减小。

为了检测不同含水率的木材内部缺陷，实验中选取了含水率分别为10%、30%和50%的样品进行了测试。实验结果如图6所示，实验测量所得到的缺陷宽度非常接近实际宽度（实际宽度=18mm），最大误差小于3%。从上述的结果分析表明，将SRR结构直接耦合到微带线末端的探头适用于检测不同含水率木材内部缺陷。

3结论

此文章中提出了一种将SRR结构直接与微带线末端耦合的微波探头。通过对大量实验数据的分析，得到了S21曲线与缺陷信息之间的关系，实现了对不同宽度缺陷的检测。通过实际宽度和实测宽度的对比，验证了探头的测量精度。此外，实验中还验证了微波探头用于检测含水量分别为10%、30%和50%的木材内部缺陷的能力，实验结果表明，在不同含水率下，通过对S21曲线的分析仍能准确得出木材内部缺陷的宽度信息，并且测量宽度与实际宽度的最大相对误差小于10%，证明了这种微波探头对于木材内部缺陷检测是准确有效的。

参考文献

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