针对非金属和复合材料内部缺陷的微波无损检测解决方案
针对非金属和复合材料内部缺陷的微波无损检测解决方案
1 引言
随着科技的发展，无损检测技术和设备已经变得越来越普遍。这种技术可以帮助我们检测物品的缺陷和损坏，而不需要对物品进行损坏性的测试。其中，基于微波技术的无损检测技术可以在不破坏物品的情况下检测物品是否存在问题，其正成为无损检测领域的一个研究热点。
2 什么是微波
微波是一种电磁波，它的波长很短且频率很高，其频率范围大约为300MHz～300GHz，相应的波长为1m～1mm，可划分为分米波、厘米波和毫米波。当波长远小于工件尺寸时，微波的特点与几何光学相似；当波长和工件尺寸有相同的数量级时，微波又有与声学相近的特性。与无线电波相比，具有频率高、频带宽、信息容量大、波长短、能穿透电离层和方向性好等特点。
图1 微波频段
3 微波无损检测简述
微波无损检测（Microwave Non-destructiveTesting,MWNDT）是指利用微波和被检材料的互相作用，对被检材料进行检测和评估的一类无损检测技术。微波与材料的相互作用差异很大，对于玻璃、塑料和瓷器等非极性电介质，微波几乎全穿透而不被吸收；对于水和食物等极性电介质，微波会被吸收而使这些材料产生热；而对金属等导电材料，微波会被发射。
3.1 适用范围
微波无损检测是一种利用微波特性对材料进行无损检测的方法。微波无损检测是不能穿透金属或导电性能较好的复合材料，如碳纤维增强塑料等，由于趋肤效应，它不适于检测这些材料的内部缺陷，而是适用于非金属（或复合材料）内部缺陷检测和金属表面缺陷的检测。
图2 示意图
微波可以透过介质并且受介电常数、损耗角正切和材料形状、尺寸的影响，如有不连续处就会引起局部反射、透射、散射、折射等物理特性的改变。通过测量微波信号基本参数(如幅度衰减、相移量或频率等)的改变量来检测被测件内部缺陷，或测定其它非电量，以此分析评价被测件质量和结构的完整性。
微波在金属表面基本被全反射，当金属表面出现裂纹时，由于耦合效应会使传感器谐振频率发生变化；而金属表面锈蚀形成的氧化物经微波照射会形成一种非线性信号，通过对参数或信号的分析可以判定其表面状态。
3.2 优势及特点
微波无损检测与传统声学、超声、X光等检测技术不同，微波无损检测以微波为媒介，不仅可以对非金属材料内部的变化进行检测，并且对材料的密度、均匀性等各项参数的变化都有一定的表征能力。同时还可通过反射系数等参数对金属表面进行检测，并且具有很高的灵敏度。
1) 测试覆盖面广，可针对非金属复合材料、陶瓷涂层、金属表面、食品、生物医疗、动植物等对象进行检测
2) 工作频率宽，可根据不同被测对象种类匹配对应检测频率，对材料密度、均匀性、不同介质界面的微观缺陷（裂纹、分层、脱粘）等有较高的检测能力；
3) 检测灵敏度高，对金属材料呈现强反射特性，；
4) 对非金属材料穿透能力强，其衰减系数比传统声学、超声等小，能有效穿透污垢、灰层、电介质涂层、油漆等；
5) 非接触式检测，能快速、连续、实时的监测，不需耦合剂，避免了耦合剂对材料的污染；
6) 无电离辐射，检测更安全；
7) 发射信号功率小，不会对照射物产生电磁损伤；
8) 环境适应性强，受温度、空气状况等环境因素影响较小，在烟雾、粉尘、化学气氛及高低温环境中均能应用。
3.3 应用领域
基于微波的无损检测技术的应用范围非常广泛。
l 可用于管道运输、船舶、航天、航空、装备、汽车、轨道桥梁和建筑物等基础设施的可靠性和安全性检查。
l 可用于医学诊断中，无损检测人体组织、癌症等疾病。
l 可用于食品安全中，无损检测食品的营养价值和质量。
l 可用于工业生产中，无损检测焊接缺陷、裂纹、氧化、腐蚀和磨损等质量问题，从而确保产品的可靠性和安全性。以及检测生产线上设备运转状况，及早检测设备故障并进行维护。
l 可用于文物保护中，无损检测非金属文物内部以及金属表面缺陷，便于及时修缮和保护
图3 应用领域
3.4 典型场景
l 航空航天复合材料零部件内部缺陷
l 核能陶瓷复合材料零部件内部缺陷
l 汽车复合材料零部件内部缺陷
l 输油复合材料管道内部缺陷
l 引擎金属材料零部件裂纹
l 炮管金属材料零部件裂纹
l 大型机械金属材料零部件裂纹
l 高炉金属材料零部件裂纹
l 机械设备金属材料零部件裂纹
l 铁轨裂纹
l 输油管道油渍下锈蚀
l 装备舱内涂层下锈蚀
l 精密制造设备涂层下锈蚀
l 轨道桥梁配件涂层下锈蚀
l 车漆下锈蚀
l 化工储罐涂层下锈蚀
图4 典型场景
4 微波无损检测基本方法
微波无损检测方法主要有穿透法、反射法、散涉法、干涉法、涡流法以及层析法等。
表 1微波无损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、蒸馏、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 |
5 解决方案--非金属和复合材料内部缺陷微波无损检测设备
5.1 背景
非金属和复合材料广泛应用于多个领域，但在生产、加工和使用过程中容易受到各种因素影响而产生损伤和缺陷，未能及时检测和修复这些问题将威胁材料性能和安全性，甚至危及工程结构的安全。微波能够穿透介质材料这一特性被利用来检测大多数非金属和复合材料内部的缺陷，和其他无损检测技术相比，如超声波在复合材料中衰减很大，光波不能穿透不透明的复合材料；X射线检测平面缺陷时，由于射线的能量变化很小，导致底片对比度低，这在检测分层媒质的脱粘，层与层的错动时受到限制。而微波对非金属和复合材料具有较好的穿透性，适合于作为检测复合材料的射线。
所以提出了一种用于检测非金属材料内部缺陷的微波无损检测设备，利用微波入射到被测目标时，微波所具有物理性质和被测目标的电磁性质会互相影响，从而通过测量微波特性参数的变化来反映被测目标本身的表面和近表面的健康状况。
5.2 概述
成都菲斯洛克电子技术有限公司和河南德朗智能科技有限公司联合开发了PLMNT01型非金属和复合材料内部缺陷微波无损检测设备。
该设备拟采用超宽带微波频率，频率覆盖范围10MHz～20GHz，通过配置不同的发射频率对不同材料被测目标进行检测。微波无损检测系统主要包含近场探头、检测主机、上位机（选件）、平面扫描架（选件）以及电源适配器等组成。本设备具备定性检测和定量检测两种工作模式。定性检测模式：该模式下，仅需要对被检测目标进行定性检测，即对材料或零部件局部异常/存在缺陷区域进行声音或视频报警指示。定量检测模式：该模式下，需结合平面扫描架（选件），通过将近场探头固定到平面扫描架上，通过驱动平面扫描架实现A-Scan、B-Scan、C-Scan三种扫描模式下的成像功能。
图5 总体组成
根据检测功能规划，设备各功能单元功能规划如下：
1) 近场探头
近场探头采用模块化设计形式，系统包括多个近场探头，频率覆盖10MHz～20GHz，可针对不同的测试场景进行更换。
2) 检测主机
检测主机主要分为信号发射单元、信号接收单元和处理单元，主要用于10MHz～20GHz频率信号的输出与接收，可根据上位机指令进行输出频率、功率配置。
3) 上位机（选件）
上位机为主控单元，运行上位机软件，接收检测主机的检测数据，及进行数据处理、成像和缺陷标识。
4) 平面扫描架（选件）
为二维扫描平台，可对一定面积的被测目标进行区域扫描。
5) 电源适配器
电源适配器将AC 220V电转换为检测主机所需直流电压。
5.3 性能参数
1) 具有沿壁厚方向分层成像的功能；
2) 支持时域分析和频域分析模式，分析模式可切换；
3) 工作频率：10MHz～20GHz，可扩展至40GHz，可配置不同的点频或多频输出；
4) 扫描类型：点频、扫频频率；
5) 每点测量时间：200us；
6) 测量点数：2～100001；
7) 频率精度：±2.5×10-6；
8) 频率分辨率：50Hz；
9) 测量带宽：10Hz-200kHz；
10)天线频散半角：40°；
11)天线频率响应范围：6GHz；
12)最大输出功率：30dBm；
13)扫描范围：0.25～300mm；
14)扫描速度：5mm/s-150mm/s可设置；
15)扫描模式：A-Scan（点分析）、B-Scan（Y轴方向分析）、C-Scan（X轴方向分析）。
5.4 部分测试情况
5.4.1测试场景
公司根据自研的天线探头、单端口矢网、平面扫描架以及上位机（带成像分析软件），再配合被测件搭建了相应测试环境。
图6 测试场景
5.4.2测试效果
5.4.2.1 矩阵面扫描+背面矩形凹陷
5.4.2.1.1 被测件1
图7 背面凹陷被测件
5.4.2.1.2 成像效果
图8 矩阵面扫描+背面矩形凹陷成像效果
5.4.2.2 矩阵面扫描+背面矩阵凹陷+金属垫片
5.4.2.2.1 被测件2
图9 背面矩阵凹陷+金属垫片被测件
5.4.2.2.2 成像效果
图10 矩阵面扫描+背面矩阵凹陷+金属垫片成像效果
5.4.2.3 矩阵面扫描+背面两金属垫片
5.4.2.3.1 被测件3
图11 背面两金属垫片被测件
5.4.2.3.2 成像效果
图12 矩阵面扫描+背面两金属垫片成像效果
5.4.2.4 矩形面扫描+背面网线和细铁丝
5.4.2.4.1 被测件4
图13 背面网线和细铁丝被测件
5.4.2.4.2 成像效果
图14 矩形面扫描+背面网线和细铁丝成像效果
6 基于该解决方案的成熟货架产品
序号 | 名称 | 型号/版本 | 主要参数/描述 |
1 | 介质棒天线 | PL-JZBTX(T)-1 | 1) 极化方式：线极化 2) 增益：≥5dBi 3) 波束宽度：≤±40° 4) 接口：波导 5) 尺寸：91mm×30mm×30mm |
2 | 单端口矢量网络分析仪 | PLVNA-1P-20 | 1) 工作频率：10MHz～20GHz 2) 每点测试时间：200us/点 3) 测试点数：2～100001点 4) 频率精度：±2.5×10-6 5) 频率分辨率：50Hz 6) 测试带宽：10Hz～100kHz 7) 电缆损耗测试范围：≥30dB 8) 反射系数测试精度：±0.5dB/±5°（-15dB～0dB），±1.5dB/±10°（-25dB～-15dB），±5.5dB/±30°（-35dB～-25dB） 9) 迹线噪声：≤0.010dBrms（IFBW=3kHz） 10) 温度稳定性：≤0.05dB/℃ 11) 有效方向性：≥35dB 12) 有效源匹配：≥30dB 13) 有效反射跟踪：±0.5dB 14) 测试功率精度：±1.5dB（-40dBm～0dBm） |
3 | 二维扫描架 | PL2DSF-03M | 1) 扫描范围：0.25～300mm 2) 扫描速度：5mm/s-150mm/s可设置 |
4 | 成像分析软件 | V1.0 | 支持二次开发 |
图15 PL-JZBTX(T)-1型介质棒天线
图16 PLVNA-1P-20型单端口矢量网络分析仪
图17 PL2DSF-03M型二维扫描架