微波检测主要方法.docx
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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点频连续波反射法扫频连续波反射法 频率调制波反射法脉冲调制波反射法时域反射法微波法;反射法魔,单探头双探头散射法一反向散射法点频驻波法 干涉法 频率塑料板f2反射信号,I i频率差!f2(b)*时间f2f时间f 延迟时间.!,时间wwwvwwm(c)图9.8微波频域反射测量法示意图(拙金属反射板时反射计装置及发射信波波形(梢金属反射板时射计计曩置及接信信号波形(c)塑料板时反射计装置及其信号波形图9.9微波调频
2、(FM)反射计及其影响曲线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90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(3)工作在适当反射的入 射角。这时反射天
3、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。而来自内部的不连续或边界的较远的反射,当在表面折射时,它们 最终加在表面反射波上。如果受检部件背面有一层导电金属,微波从该金属面反射通过材料 两次,它也加在表面反射波上,提供有关材料内部的信息。1. 点频连续波反射微波信号从天线入射到材料,同一天线检测反射信号中同相和90相移两分量。实际上 往往只利用反射信号的幅度。双天线反
4、射技术(图9.10(b)亦能用在点频上。但它有两个 局限:首先,缺陷的深度不能被测定;其次,材料的频率响应不能被测定。因此,扫频技术 得到了更多的应用。2、扫频连续波反射材料与微波的相互作用对频率敏感。反射波以频率为函数,在扫频的情况下,通常采用 矢量网络分析仪的反射信号幅度。如果反射信号在非线性元件中与入射信号混合产生差分信号,用扫频技术就能测量深 度,即不仅可以测定内部反射体的存在,而且也能测定深度。当然,深度也能利用时间域反 射在矢量网络分析器上测量。此外,利用频率的慢扫描鉴别材料的几个小间隔的特殊层。四分之一波长偶数倍的反射 大于四分之一波长奇数倍的反射。通过识别反射信号特定频率辨认该
5、层所占空间是四分之一 波长的偶数整数倍或是奇数整数倍。例如,采用同样的效应,用以减小来自以介电层覆盖的 透镜的反射。三、微波散射法图9.11为微波散射法检测系统。一般散射计安装收、发传感器,可按接收信号强弱调 整角度,也可互相垂直。如图用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波,再用检波器接收信 号,确定工件散射特性,以判断内部缺陷。若将材料内部气孔当作散射源,可根据微波工作 波长来确定其最小尺寸,即气孔半径。 1/k = X/2兀。若工件为蜂窝夹层结构,要发现半 径o=1.3mm的气孔,所用微波散射计的频率应高于35GHz,即工作波长应小于8.6mm才有 可能。转动台图9.11(a)装置图图9.1
6、1 (b)方框图图9.11微波散射法检测系统假如散射源是一个金属球或者介质球,在瑞利区,即波长较半径大得多时,则有a M ;若使用频率为100千兆赫,能够检测飞船外壳防热陶瓷片内部夹杂半径小于70 5兀微米,可见灵敏度相当高。此外,由于采用散射法检测,探头不加调节,所接收到气孔部位 的微波信号会下降,必须通过实验调整微波的接收和发射探头角度,使与试件表面法线形成 最佳夹角。对导电金属球,若远场散射截面为获则反向散射截面。(0),按下式计算:(0)9(2兀a丫I人J(9-3)(Ti) 9 (2兀a)6以J(9-4)由式(9-3)、(9-4)可知,反向散射比正向散射大约大一个数量级。对低耗介质球,
7、反向散射截面。(0)计算公式:b(0 )人2兀(9-5)若在介质材料内部有球状气泡,则=1, r按式(9-5)可求出反向散射截面,并且这种散射显然要比金属球产生的散射小。四、微波干涉法(一)驻波干涉驻波干涉法检测系统如图9.12所示。图9.12驻波干涉法检测系统框图用驻波测量线(又称开槽线)测量驻波的幅度和相位的变化,信号源频率范围12.418 千兆赫,收发两用探头非接触地对着试件表面,被检测材料如有物理或化学变化,例如玻璃 纤维增强塑料内玻璃纤维与树脂比例的改变,以及该复合材料厚度的改变,就会分别发出不 同的改变信号。这样检测分层时,试件表面不规律,就会影响到扫描检测,经过改进之后, 就可以
8、从反射波变化“看到”材料内部第二层的脱粘,由此可见,这种方法对于非金属胶接 件的检测是很有用的。驻波的获得是由相同频率的两波在相反方向行进中相互干涉,结果是在空间形成驻波。 如果有一小天线置于空间的固定点,一稳定幅度和频率的电压即被测到。将天线移到其他位 置,将给出相同频率的稳幅电压。电压幅度图是沿纯驻波的位置(距离)的函数,见图9.13。一个天线用来产生入射波, 该入射波能与反射波干涉产生驻波。另一天线或探头用于沿驻波测量。如图9.10 (b)所示双天线系统既可用以形成驻波又能测量微波驻波。接收天线必1.050. 应响器测检0X/4入/23灯4入波长(入)须不受入射波干扰。单天 线通过循环电
9、路馈入也可 用来分别传输入射波与反 射波。图9.13电磁波幅度(检测器响应)与沿驻波距离曲线微波是相干波,它会产生干涉现象,产生驻波的条件是入射波和反射波频率相同, 方向相反。其特点是各点幅度为一定值,且呈现周期性的大小变化,相邻最大值(或最小值) 之间的距离等于1/2波长。如果入射波遇到良导体金属板,则发生全反射,这时合成波的波峰值是入射波和反射波波值之和,称为纯驻波。反射平面处形成芦的波节,H的波峰。它 们波节相距为1/4波长。这样金属表面反射系数为一1,即在界面上反射波与入射波幅度相 等,方向相反。当金属反射体长条形长度为半波长的整数倍时,反射性能最佳。如果入射波 碰到象塑料之类介质,除
10、一部分反射外,其余部分变成透射波,遇到不连续界面,又会被反 射,其量与波阻抗有关。由于缺陷大小不同,材料厚度不同,微波驻波波形发生移动,出现 不同的幅度和相位。空间的驻波图可以用来解释相邻介质的介质性能。当传输线终端接有复 阻抗负载即| 1时,同时存在着行波和驻波,这是最一般的行驻波状态。由于|1,反射波幅度小于入射波幅度,故合成波波腹不为入射波幅度的两倍,波节不为零。在波导内场强E随X而周期变化,连续地经过最大值和最小值,相邻的最大点和最小点间相隔四分之 一波导波长。如果已知驻波图的形状和位置,则可算出相应的反射系数的模数和相角。假设 由负载算起的最近的最小点距离是dmin= x-xmin,
11、则任意点反射系数的相角8= 2pdmin-K。当相移为4的介质置于波导中输出端短路时,在测量线上驻波最小点反射系数相角8 = pd = 2兀。式中,d和d分别为介质相角8和妒时的驻波最小刻度值。驻波比S等于场强幅度最大值和最小值之比,由S =min1 +r求得反射系数1 国的模p或反射系数可从求入射波场强与反射 波场强的比值得出。图9.14画出I r I值大小不同但 相位相同的驻波分布曲线的形状。 由此可见,驻波场强分布图形一般 不是正弦曲线,只有当I r 1=1,即全反射时,E的分布才具有正半图9.14不同IE值的驻波曲线形状周正弦曲线的形状。驻波最小点附近的变化一般要比在最大点附近尖锐。微
12、波驻波法主要被用来进行厚度的精密测量和分层缺陷检查。(二)微波全息1. 同轴全息微波全息技术也属于干涉检测范畴,这是一种与光学全息照相术相结合的方法。利用微 波能透过不透光介质的特性,可以摄取被检测物的微波全息图象。微波全息是在微波波段根 据波的干涉和衍射原理应用“波前再现”的成象技术。由于经过物体的波前包含着物体的信 息,因而完整地记录和保存波前(即把波的幅度和相位都保存下来)就能把物体的信息记录 和保存下来,波前再现就是恢复原物体的全部信息。单波束微波全息术是把微波源所产生的 微波能量,通过喇叭天线,向着物体所在的方向辐射出去,成为单一的波束。在记录平面处, 存在着二次波和一次波的干涉电场
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