微波检测主要方法.doc

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T定向耦合器法微波法反射法V邛探头双探头,「点频连续波反射法 扫频连续波反射法 V频率调制波反射法 脉冲调制波反射法 '时域反射法散射法一反向散射法『 点频驻波法干涉法J多频全息法扫频干涉法微波涡流法层析法一计算机辅助断层成像'反射CT法（CT以〈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最减、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、蒸熠、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（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 （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、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、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输出 输出（a） （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 V0 coscot ,则接收信号V cos t - = V cos ' cos t V sin ' sin t式中，V 'sin中为正交分量（也称 90o相移分量）；V 'cos甲为同相分量二）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 90o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 赤/J'r ）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 bt2为4mm，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b为mm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 15.7mm3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0.2~2.2mm整个范围内孔深与缺陷信号幅度也成比例图9.3钻孔信号比较度幅号信J〃0.50 —1 1 1 1 >—0 50 100 150 200 250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）图9.6为另一种微波穿透法检测系统调制器可变衰减器检波器接收喇叭隔离器频率计隔离器标准信号源介电试验材料①发射喇叭交流电压表（a） 一般方式检波器选通滤波器交流电压表（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1~2GHz）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 时间延退的若干脉冲组成 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9.7为点频连续波反射法方H标准信号源(a)单路定向耦合反射计(b)双路定向耦合反射计调制器 收、发喇叭分流器］ T 定向:合器 卜——标准信号源 可变衰减器i ~T终端器I (^)可变相移器魔 T ( 1800混合T接头)「隔离器| 检波器选通滤波器*■交流电压表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(c) 单喇叭魔T反射仪标准信号源可变衰减器1可变衰减器2可调(滑动)短路器魔 T(180混合T接)检波交流电压表收、发喇叭(d) 双喇叭魔T反射计图9.7点频连续波反射法方框图(e)相敏魔T反射计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为四分之一波长奇数倍，即d =(2m-iy0/4n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，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防止发生“相位改变兀层间反射波消失”的现象d (空气)可用下式表示:d = fd c/2s(9-1)式中，Md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/sos = (f2 — f1 y P = B/P (9-2)式中，P为从频率f〔扫到频率f2所需的时间，s； B为带宽，Hz带通滤波器频谱分析仪(c)频谱分析显示B=f2- fl (带宽)-*1 (起始频率)f2 (终止频率)(b )频率图示图9.8微波频域反射测量法示意图(二)微波调频反射计图9.9为微波调频反射计极其响应曲线反射板微波源检测器喇叭X〉频率微波源检测器喇叭频率反射板塑料板(a)(b)aj«b＞全属冽瞰厢岫脚鳌娜皱#械形(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 当反射的时间延退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：单大线与双天线系统。

单天线系统，入射和反射波均沿着微波发生 器和大线间的波导传输，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 90o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。