專利名稱：金屬表面缺陷微波無損檢測裝置及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬缺陷檢測裝置及其檢測方法，尤其是包括微波掃頻儀、“T”型管、定向耦合器、波導(dǎo)探頭、短路活塞和微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置及其檢測方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有金屬表面缺陷無損檢測的方法為滲透法(PT)、磁粉法(MT)、渦流法(ET)等， 但在一些檢測工況下存在很大的局限性。如，滲透法和磁粉法均是直接接觸檢測，對被測金屬為非金屬覆蓋或者包裹的情況下，無法進行檢測。而滲透法難以確定其缺陷的實際深度，且存在滲透劑對環(huán)境的污染問題；磁粉法只適用于鐵磁性材料的微米級裂紋，操作繁瑣——在檢測之前需要對工件進行清潔處理，之后要進行必要的退磁處理。非接觸渦流法通過測定線阻抗的變化，判斷被測試件有無缺陷，難以判斷其缺陷的種類、位置和形狀，需要輔以其他無損檢測方法進行定位和定性。渦流檢測儀的頻率較低，穿透性差，對有非金屬覆蓋層下的金屬表面缺陷檢出率低，甚至檢測不出。另外，在進行檢測時必須是在無外界干擾的情況下對金屬表面進行檢測，不能夠?qū)崟r在線監(jiān)測，也不能對檢測結(jié)果進行記錄、分析、處理和存檔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置及其檢測方法，以實現(xiàn)金屬表面缺陷微波無損檢測的在線非接觸式檢測。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置，包括設(shè)置一“T”型管通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與微波掃頻儀信號傳接；以及
所述“T”型管是一主波導(dǎo)與第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)垂直構(gòu)成的“T”型微波通道管結(jié)構(gòu)， 且第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)分別與定向耦合器相應(yīng)的輸入端連接，在主波導(dǎo)接收信號時，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號；以及
所述定向耦合器是在其第一端口和第二端口分別設(shè)置有波導(dǎo)探頭和短路活塞，波導(dǎo)探頭的對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢測端B ；短路活塞的對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考端A。在上述檢測裝置的技術(shù)方案中，所述波導(dǎo)探頭的微波信號頻率與微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的微波信號頻率相應(yīng)；所述短路活塞是在四分之一波長內(nèi)往復(fù)位移；所述微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是與微波掃頻儀的頻率相應(yīng)，且將數(shù)據(jù)輸于計算機。一種用于上述金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，該方法在通過非金屬檢測金屬的表面缺陷時，將波導(dǎo)探頭垂直貼近被測金屬或非金屬表面，對被測金屬或非金屬表面進行掃描，微波掃描儀產(chǎn)生的掃描信號饋入一個“T”型管中分成大小、相位相等的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)，再將第一波導(dǎo)信號饋給定向耦合器相應(yīng)輸入端的波導(dǎo)探頭反射，反射信號饋入到微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢測口 A ；再將第二波導(dǎo)信號饋給定向耦合器相應(yīng)輸入端的短路活塞反射，反射信號饋入網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考口 B，與檢測信號比較反射點的電壓變化率和相位，判斷被測金屬的表面缺陷尺寸。在上述檢測方法的技術(shù)方案中，所述非金屬是具有微波穿透特征的非金屬材料， 本發(fā)明中是泡沫保溫材料、復(fù)合硅酸鹽保溫材料、硅酸鈣絕熱保溫材料和纖維保溫材料中的一種；
所述被測金屬是黑色金屬和有色金屬，其中的黑色金屬是鐵、錳、鉻及其合金中的一種；其中的有色金屬是銅、鋁、金、銀、鎂、鉛、鋅和鉬中的一種。一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置及其檢測方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)了對金屬表面的缺陷進行定位檢測和缺陷的尺寸測定；也能夠在一定距離透過非金屬覆蓋材料對金屬表面進行缺陷的直接檢測，而無需耦合劑；而且也能夠?qū)z測的位置結(jié)果和測定的缺陷尺寸結(jié)果進行記錄、分析、處理和存檔，實現(xiàn)自動化檢測。


圖1是本發(fā)明微波無損檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明金屬表面裂紋診斷測定特征信號圖。圖3是本發(fā)明金屬裂紋尖端位置測定特征信號圖。圖4是本發(fā)明金屬表面裂紋寬度測定曲線圖。圖5是本發(fā)明金屬表面裂紋深度測定曲線圖。圖中1 微波掃頻儀；2 :“T”型管；3 定向耦合器；4 波導(dǎo)探頭；5 非金屬；6 金屬；7 短路活塞；8 微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；9 計算機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作出進一步的詳細說明。
具體實施方式
1
實施本發(fā)明所述的一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置，包括設(shè)置一個“Τ”型管2通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器以及同軸線接入微波掃頻儀1中，其中
所述的“Τ”型管2的結(jié)構(gòu)是包括一根長臂、一橫臂，橫臂的中部與長臂垂直固為一體并與長臂相通。在本發(fā)明中，所述的“Τ”型管2是一主波導(dǎo)與第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)垂直構(gòu)成的“Τ”型微波通道管結(jié)構(gòu)，且第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)分別與定向耦合器3相應(yīng)的輸入端信號傳遞，在主波導(dǎo)接收信號時，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號。所述的定向耦合器3是在其第一端口與第二端口分別設(shè)置有波導(dǎo)探頭4和短路活塞7，波導(dǎo)探頭4的對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的檢測端B ；短路活塞7的對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的參考端Α。在具體實施時，所述的波導(dǎo)探頭4的微波信號頻率應(yīng)當與微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8 輸出的微波信號頻率相應(yīng)；所述的短路活塞7是在四分之一波長內(nèi)往復(fù)位移運動；所述微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8是與微波掃頻儀1的頻率相應(yīng)，且將數(shù)據(jù)輸于計算機9中進行記錄、分析、處理和存檔，實現(xiàn)自動化檢測。在本發(fā)明中，如圖1，將“Τ”型管2的輸入端由波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器和同軸線接入微波掃頻儀1的信號輸出端，再將“τ”型管2的另一側(cè)的兩個端口分別接入定向耦合器3的輸入端口。在定向耦合器3的兩個檢測端口中，其中，上端接入波導(dǎo)探頭4，下端接入短路活塞 7;在定向耦合器3對應(yīng)的另一側(cè)的兩個輸出端口中，其中，與波導(dǎo)探頭4對應(yīng)的一端用同軸線接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的檢測口 B，與短路活塞7對應(yīng)的一端由同軸線接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的參考口 A，最后將微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的數(shù)據(jù)輸入至計算機9。在掃描缺陷時，將波導(dǎo)探頭4直接接觸被測金屬6或垂直對準覆蓋非金屬5的被測金屬6表面進行缺陷的掃描，同時調(diào)整下臂的可移動式短路活塞7，使其與上臂的測試端信號具有相同的狀態(tài)，然后對其被測金屬6表面進行逐點掃描。
具體實施方式
2
實施本發(fā)明所述的一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法
如圖1，一種用于本發(fā)明所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，該檢測方法是將微波掃頻儀1產(chǎn)生的掃頻微波信號，饋入一個“T”型管，“T”型管再將微波輸入信號分成大小、相位相等的第一信號和第二信 號，并分別饋給定向耦合器3相應(yīng)的輸入端，在主波導(dǎo)接收信號時，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號；其中，第一波導(dǎo)信號饋給第一終端開口的矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)終端開口設(shè)置有波導(dǎo)探頭4，與被測金屬表面之間的間隙，在一定范圍內(nèi)可以等效成為一個電長度相當?shù)摹⒈粶y金屬表面短路的均勻波導(dǎo)短路器， 即“等效短路器”。入射信號終止于被測金屬表面，入射信號與反射信號疊加形成駐波。裂紋進入波導(dǎo)口時，駐波發(fā)生位置變化，“等效短路器”使得測點的反射系數(shù)相角與電長度成線性關(guān)系，而電長度隨被測金屬6表面缺陷而變化。反射回的信號被耦合至定向耦合器3， 最后饋到微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的檢測口 B ；第二波導(dǎo)被短路活塞7反射，其反射信號饋入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的參考口 A，與測試信號的相位和大小進行比較；由微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8測得的相角和幅值信息，經(jīng)過一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器送入計算機9監(jiān)控。當有金屬表面存在裂紋時，將產(chǎn)生高次模，同時波導(dǎo)中反射波特性也將改變，通過微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8 對比檢測口 B和參考口 A的特征信號的變化，實現(xiàn)對金屬表面缺陷的定位檢測和尺寸測定。在上述金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法中，由于本發(fā)明采用微波無損檢測裝置，所以非金屬5是具有微波穿透特征的非金屬材料，如，泡沫保溫材料、復(fù)合硅酸鹽保溫材料、硅酸鈣絕熱保溫材料以及纖維保溫材料等等。在檢測時，利用本發(fā)明微波無損檢測裝置能夠?qū)饘僦械暮谏饘俸陀猩饘龠M行檢測，如，黑色金屬中的鐵、錳、鉻以及其鐵、錳、鉻的合金進行檢測；也能夠?qū)τ猩饘僦械你~、鋁、金、銀、鎂、鉛、鋅和鉬，以及其銅、鋁、金、銀、鎂、鉛、鋅和鉬的合金進行檢測，通過對金屬表面缺陷微波無損檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬表面的缺陷進行定位檢測和缺陷的尺寸測定，特別是被測金屬表面包裹有具有微波穿透性的非金屬材料時，也能夠根據(jù)微波的穿透性，在一定距離內(nèi)透過非金屬覆蓋材料對金屬表面進行缺陷的直接檢測?；谏鲜霰景l(fā)明一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置以及檢測方法的具體實施方式
所檢測的結(jié)果如圖2 圖5的曲線說明如下
如圖2和圖3的檢測實例中，利用微波技術(shù)檢測裂紋尖端特征信號可精確確定裂紋尖端位置及裂紋長度。圖2顯示了以這種方式在f=24GHz時檢測到寬度為w=0. 28mm，深度分別為dl=l. 49mm, d2=0. 96mm的兩條裂紋歸一化的特征信號。當用終端開口的波導(dǎo)掃描沒有裂紋的容器金屬表面時，被檢測容器金屬表面形成一個短路電路，而當有裂紋存在時，將產(chǎn)生高次模，同時波導(dǎo)中反射波特性也將改變。
如圖3為矩形波導(dǎo)，以光柵方式沿容器金屬表面裂紋方向掃描裂紋尖端位置的特征信號。橫坐標表示掃描距離，縱坐標表示檢測電壓的變化率，a表示波導(dǎo)口的寬度尺寸。 圖示表明裂紋尖端的相對位置，分別出現(xiàn)在波導(dǎo)的的兩個邊緣處。當裂紋完全落在波導(dǎo)口內(nèi)時，檢測電壓變化率相對保持一常數(shù)；當裂紋尖端開始進入波導(dǎo)口，電壓變化率突然減小，且隨著裂紋尖端在開口內(nèi)移動，電壓變化率持續(xù)減小；當裂紋尖端移到波導(dǎo)口的另一邊緣處，即裂紋尖端完全落在波導(dǎo)口外時，電壓變化率接近零，由此可確定出裂紋尖端的位置及裂紋長度。
如圖4和圖5所示的實施例中，利用微波技術(shù)可以進一步確定裂紋的寬度和深度。 如圖4給出了在K波段(18-26. 5GHz)，波導(dǎo)尺寸為a=10. 67mm, b=4. 32mm的矩形波導(dǎo)器檢測兩條裂紋寬度的特征信號曲線。圖中，橫坐標S表示波導(dǎo)口沿y方向掃描距離，縱坐標表示特征信號輸出電壓V (mv)，W表示裂紋檢測寬度，因此裂紋寬度W= δ -b。表面裂紋深度采用掃頻技術(shù)，調(diào)整不同頻率測量反射系數(shù)相位，可精確評估裂紋表面深度。圖5給出了一條寬度W=20 μ m的裂紋，在頻率f分別為IOOGHz，38GHz，24GHz下， 裂紋置于波導(dǎo)口中央，測得波導(dǎo)口處的反射系數(shù)相位與裂紋深度關(guān)系曲線，圖示橫坐標表示裂紋深度d (mm)，縱坐標表示反射系數(shù)相位Φ °。由實施例檢測曲線圖可知，對于裂紋寬度相同，而深度不同的裂紋，反射系數(shù)相位的突變發(fā)生在不同的頻率上。由此需要掃動測試頻率，直至出現(xiàn)反射系數(shù)相位的突變，取上述曲線的中部，評估裂紋深度，可獲得較高的測量精度。
權(quán)利要求
1.一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置，包括設(shè)置一 “τ”型管(2)通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與微波掃頻儀(1)信號傳接；以及，所述“Τ”型管(2)是一主波導(dǎo)與第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)垂直構(gòu)成的“Τ”型微波通道管結(jié)構(gòu)，且第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)分別與定向耦合器(3)相應(yīng)的輸入端信號傳接，在主波導(dǎo)接收信號時，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號；以及，所述定向耦合器(3)是在其第一端口和第二端口分別設(shè)置有波導(dǎo)探頭(4)和短路活塞(7)，波導(dǎo)探頭(4)的對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)的檢測端B; 短路活塞(7)的對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)的參考端Α。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置，所述波導(dǎo)探頭(4)的微波信號頻率與微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)輸出的微波信號頻率相應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置，所述短路活塞(7)是在四分之一波長內(nèi)往復(fù)位移。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置，所述微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)是與微波掃頻儀(1)的頻率相應(yīng)，且將數(shù)據(jù)輸于計算機(9)。
5.一種用于權(quán)利要求1所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，該方法在通過非金屬(5)檢測金屬(6)的表面缺陷時，將波導(dǎo)探頭(4)垂直貼近被測金屬(6)或非金屬(5)表面，對被測金屬(5)或非金屬(6)表面進行掃描，微波掃描儀(1)產(chǎn)生的掃描信號饋入一個“Τ”型管(2)中分成大小、相位相等的第一波導(dǎo)信號和第二波導(dǎo)信號，再將第一波導(dǎo)信號饋給定向耦合器(3)相應(yīng)輸入端的波導(dǎo)探頭(4)反射，反射信號饋入到微波網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)的檢測口 A ；再將第二波導(dǎo)信號饋給定向耦合器(3)相應(yīng)輸入端的短路活塞(7) 反射，反射信號饋入網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)的參考口 B，與檢測信號比較反射點的電壓變化率和相位，判斷被測金屬(6)的表面缺陷尺寸。
6.如權(quán)利要求5所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，所述非金屬(5) 是具有微波穿透特征的非金屬材料。
7.如權(quán)利要求6所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，所述具有微波穿透特征的非金屬材料是泡沫保溫材料、復(fù)合硅酸鹽保溫材料、硅酸鈣絕熱保溫材料和纖維保溫材料中的一種。
8.如權(quán)利要求5所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，所述被測金屬是黑色金屬和有色金屬。
9.如權(quán)利要求8所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，所述黑色金屬是鐵、錳、鉻及其合金中的一種。
10.如權(quán)利要求8所述的金屬表面缺陷微波無損檢測裝置的檢測方法，所述有色金屬是銅、鋁、金、銀、鎂、鉛、鋅和鉬中的一種。
全文摘要
一種金屬表面缺陷微波無損檢測裝置及其檢測方法是“T”型管通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器與微波掃頻儀信號傳接，且“T”型管的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)分別與定向耦合器相應(yīng)的輸入端連接，在主波導(dǎo)接收信號時，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號；定向耦合器是在第一端口和第二端口設(shè)置有波導(dǎo)探頭和短路活塞，波導(dǎo)探頭對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢測端B；短路活塞對應(yīng)端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器接入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考端A；檢測時，將波導(dǎo)探頭垂直貼近被測金屬或非金屬表面，對被測金屬或非金屬表面進行掃描。本發(fā)明實現(xiàn)了對金屬表面缺陷進行定位和定量的直接檢測，將檢測、記錄、分析、處理和存檔集于一起的自動化檢測。
文檔編號G01N22/02GK102253058SQ20111016930
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者何銀鳳, 姚遠, 李艷萍, 楊晨, 段滋華, 王世乾, 馬海桃 申請人:太原理工大學(xué)