專利名稱：金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬缺陷檢測(cè)裝置及其檢測(cè)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(cè)裝置及其檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有金屬表面缺陷無損檢測(cè)的方法為滲透法(PT)、磁粉法(MT)、渦流法(ET)等， 但在一些檢測(cè)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(cè)，對(duì)被測(cè)金屬為非金屬覆蓋或者包裹的情況下，無法進(jìn)行檢測(cè)。而滲透法難以確定其缺陷的實(shí)際深度，且存在滲透劑對(duì)環(huán)境的污染問題；磁粉法只適用于鐵磁性材料的微米級(jí)裂紋，操作繁瑣——在檢測(cè)之前需要對(duì)工件進(jìn)行清潔處理，之后要進(jìn)行必要的退磁處理。非接觸渦流法通過測(cè)定線阻抗的變化，判斷被測(cè)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(cè)方法進(jìn)行定位和定性。渦流檢測(cè)儀的頻率較低，穿透性差，對(duì)有非金屬覆蓋層下的金屬表面缺陷檢出率低，甚至檢測(cè)不出。另外，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)必須是在無外界干擾的情況下對(duì)金屬表面進(jìn)行檢測(cè)，不能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)，也不能對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)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(cè)裝置及其檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)的在線非接觸式檢測(cè)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，一種金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)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(hào)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(hào)時(shí)，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號(hào)；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(duì)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(cè)端B ；短路活塞的對(duì)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(cè)裝置的技術(shù)方案中，所述波導(dǎo)探頭的微波信號(hào)頻率與微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出的微波信號(hào)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(jì)算機(jī)。一種用于上述金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法，該方法在通過非金屬檢測(cè)金屬的表面缺陷時(shí)，將波導(dǎo)探頭垂直貼近被測(cè)金屬或非金屬表面，對(duì)被測(cè)金屬或非金屬表面進(jìn)行掃描，微波掃描儀產(chǎn)生的掃描信號(hào)饋入一個(gè)“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(hào)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(hào)饋入到微波網(wǎng)絡(luò)分析儀的檢測(cè)口 A ；再將第二波導(dǎo)信號(hào)饋給定向耦合器相應(yīng)輸入端的短路活塞反射，反射信號(hào)饋入網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考口 B，與檢測(cè)信號(hào)比較反射點(diǎn)的電壓變化率和相位，判斷被測(cè)金屬的表面缺陷尺寸。在上述檢測(cè)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(cè)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(cè)裝置及其檢測(cè)方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬表面的缺陷進(jìn)行定位檢測(cè)和缺陷的尺寸測(cè)定；也能夠在一定距離透過非金屬覆蓋材料對(duì)金屬表面進(jìn)行缺陷的直接檢測(cè)，而無需耦合劑；而且也能夠?qū)z測(cè)的位置結(jié)果和測(cè)定的缺陷尺寸結(jié)果進(jìn)行記錄、分析、處理和存檔，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。


圖1是本發(fā)明微波無損檢測(cè)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(cè)定特征信號(hào)圖。圖3是本發(fā)明金屬裂紋尖端位置測(cè)定特征信號(hào)圖。圖4是本發(fā)明金屬表面裂紋寬度測(cè)定曲線圖。圖5是本發(fā)明金屬表面裂紋深度測(cè)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(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
1
實(shí)施本發(fā)明所述的一種金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)裝置，包括設(shè)置一個(gè)“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(hào)傳遞，在主波導(dǎo)接收信號(hào)時(shí)，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號(hào)。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(duì)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(cè)端B ；短路活塞7的對(duì)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(shí)施時(shí)，所述的波導(dǎo)探頭4的微波信號(hào)頻率應(yīng)當(dāng)與微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8 輸出的微波信號(hào)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(yùn)動(dòng)；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(jì)算機(jī)9中進(jìn)行記錄、分析、處理和存檔，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。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(hào)輸出端，再將“τ”型管2的另一側(cè)的兩個(gè)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(gè)檢測(cè)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(duì)應(yīng)的另一側(cè)的兩個(gè)輸出端口中，其中，與波導(dǎo)探頭4對(duì)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(cè)口 B，與短路活塞7對(duì)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(jì)算機(jī)9。在掃描缺陷時(shí)，將波導(dǎo)探頭4直接接觸被測(cè)金屬6或垂直對(duì)準(zhǔn)覆蓋非金屬5的被測(cè)金屬6表面進(jìn)行缺陷的掃描，同時(shí)調(diào)整下臂的可移動(dòng)式短路活塞7，使其與上臂的測(cè)試端信號(hào)具有相同的狀態(tài)，然后對(duì)其被測(cè)金屬6表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。
具體實(shí)施方式
2
實(shí)施本發(fā)明所述的一種金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)裝置的檢測(cè)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(cè)裝置的檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法是將微波掃頻儀1產(chǎn)生的掃頻微波信號(hào)，饋入一個(gè)“T”型管，“T”型管再將微波輸入信號(hào)分成大小、相位相等的第一信號(hào)和第二信 號(hào)，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(hào)時(shí)，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號(hào)；其中，第一波導(dǎo)信號(hào)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(cè)金屬表面之間的間隙，在一定范圍內(nèi)可以等效成為一個(gè)電長度相當(dāng)?shù)摹⒈粶y(cè)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(hào)終止于被測(cè)金屬表面，入射信號(hào)與反射信號(hào)疊加形成駐波。裂紋進(jìn)入波導(dǎo)口時(shí)，駐波發(fā)生位置變化，“等效短路器”使得測(cè)點(diǎn)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(cè)金屬6表面缺陷而變化。反射回的信號(hào)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(cè)口 B ；第二波導(dǎo)被短路活塞7反射，其反射信號(hào)饋入微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8的參考口 A，與測(cè)試信號(hào)的相位和大小進(jìn)行比較；由微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀8測(cè)得的相角和幅值信息，經(jīng)過一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器送入計(jì)算機(jī)9監(jiān)控。當(dāng)有金屬表面存在裂紋時(shí)，將產(chǎn)生高次模，同時(shí)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(duì)比檢測(cè)口 B和參考口 A的特征信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬表面缺陷的定位檢測(cè)和尺寸測(cè)定。在上述金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)裝置的檢測(cè)方法中，由于本發(fā)明采用微波無損檢測(cè)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(cè)時(shí)，利用本發(fā)明微波無損檢測(cè)裝置能夠?qū)饘僦械暮谏饘俸陀猩饘龠M(jìn)行檢測(cè)，如，黑色金屬中的鐵、錳、鉻以及其鐵、錳、鉻的合金進(jìn)行檢測(cè)；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(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金屬表面的缺陷進(jìn)行定位檢測(cè)和缺陷的尺寸測(cè)定，特別是被測(cè)金屬表面包裹有具有微波穿透性的非金屬材料時(shí)，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(duì)金屬表面進(jìn)行缺陷的直接檢測(cè)。基于上述本發(fā)明一種金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)裝置以及檢測(cè)方法的具體實(shí)施方式
所檢測(cè)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(cè)實(shí)例中，利用微波技術(shù)檢測(cè)裂紋尖端特征信號(hào)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(shí)檢測(cè)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(hào)。當(dāng)用終端開口的波導(dǎo)掃描沒有裂紋的容器金屬表面時(shí)，被檢測(cè)容器金屬表面形成一個(gè)短路電路，而當(dāng)有裂紋存在時(shí)，將產(chǎn)生高次模，同時(shí)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(hào)。橫坐標(biāo)表示掃描距離，縱坐標(biāo)表示檢測(cè)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(duì)位置，分別出現(xiàn)在波導(dǎo)的的兩個(gè)邊緣處。當(dāng)裂紋完全落在波導(dǎo)口內(nèi)時(shí)，檢測(cè)電壓變化率相對(duì)保持一常數(shù)；當(dāng)裂紋尖端開始進(jìn)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(dòng)，電壓變化率持續(xù)減??；當(dāng)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(shí)，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(shí)施例中，利用微波技術(shù)可以進(jìn)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(cè)兩條裂紋寬度的特征信號(hào)曲線。圖中，橫坐標(biāo)S表示波導(dǎo)口沿y方向掃描距離，縱坐標(biāo)表示特征信號(hào)輸出電壓V (mv)，W表示裂紋檢測(cè)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(cè)量反射系數(shù)相位，可精確評(píng)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(cè)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(biāo)表示裂紋深度d (mm)，縱坐標(biāo)表示反射系數(shù)相位Φ °。由實(shí)施例檢測(cè)曲線圖可知，對(duì)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(dòng)測(cè)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(píng)估裂紋深度，可獲得較高的測(cè)量精度。
權(quán)利要求
1.一種金屬表面缺陷微波無損檢測(cè)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(hào)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(hào)傳接，在主波導(dǎo)接收信號(hào)時(shí)，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號(hào)；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(duì)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(cè)端B; 短路活塞(7)的對(duì)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(cè)裝置，所述波導(dǎo)探頭(4)的微波信號(hào)頻率與微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)輸出的微波信號(hào)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(cè)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(cè)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(jì)算機(jī)(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(cè)裝置的檢測(cè)方法，該方法在通過非金屬(5)檢測(cè)金屬(6)的表面缺陷時(shí)，將波導(dǎo)探頭(4)垂直貼近被測(cè)金屬(6)或非金屬(5)表面，對(duì)被測(cè)金屬(5)或非金屬(6)表面進(jìn)行掃描，微波掃描儀(1)產(chǎn)生的掃描信號(hào)饋入一個(gè)“Τ”型管(2)中分成大小、相位相等的第一波導(dǎo)信號(hào)和第二波導(dǎo)信號(hào)，再將第一波導(dǎo)信號(hào)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(hào)饋入到微波網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)的檢測(cè)口 A ；再將第二波導(dǎo)信號(hào)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(hào)饋入網(wǎng)絡(luò)分析儀(8)的參考口 B，與檢測(cè)信號(hào)比較反射點(diǎn)的電壓變化率和相位，判斷被測(cè)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(cè)裝置的檢測(cè)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(cè)裝置的檢測(cè)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(cè)裝置的檢測(cè)方法，所述被測(cè)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(cè)裝置的檢測(cè)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(cè)裝置的檢測(cè)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(cè)裝置及其檢測(cè)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(hào)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(hào)時(shí)，第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)兩臂激起等幅同相的微波信號(hào)；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(duì)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(cè)端B；短路活塞對(duì)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(cè)時(shí)，將波導(dǎo)探頭垂直貼近被測(cè)金屬或非金屬表面，對(duì)被測(cè)金屬或非金屬表面進(jìn)行掃描。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行定位和定量的直接檢測(cè)，將檢測(cè)、記錄、分析、處理和存檔集于一起的自動(dòng)化檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N22/02GK102253058SQ20111016930
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)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(yuǎn), 李艷萍, 楊晨, 段滋華, 王世乾, 馬海桃 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)