一種過孔開口環(huán)諧振器加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，特別涉及一種過孔開口環(huán)諧振器(VSRR)加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于金屬表面缺陷檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]飛機(jī)、飛船等飛行器的外部金屬構(gòu)件(如機(jī)身、機(jī)翼等)通常工作在極為惡劣的環(huán)境下。其外表面的完整性常常受到金屬疲勞或者表面銹蝕等因素的威脅。這些微小的結(jié)構(gòu)缺陷往往會(huì)釀成巨大的航空航天事故。然而傳統(tǒng)的光學(xué)、超聲波等檢測(cè)手段卻對(duì)這些隱藏在金屬表面涂覆層之下的危險(xiǎn)誘因束手無策。與此相比，微波近場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)卻具有可穿透表面涂層、靈密度高等優(yōu)勢(shì)，完全可以勝任金屬部件的表面缺陷檢測(cè)。利用不加載開口環(huán)諧振器的矩形波導(dǎo)只能檢測(cè)到寬度為0.672倍波長(zhǎng)的窄縫。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有無損檢測(cè)技術(shù)無法檢測(cè)涂覆層之下的金屬表面缺陷的問題，提出一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭。
[0004]本發(fā)明的思想是根據(jù)金屬表面缺陷會(huì)引起VSRR諧振頻率的變化的特性，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量反射系數(shù)，得到探頭掃描不同金屬表面時(shí)諧振頻率的變化，從而檢測(cè)出金屬表面缺陷。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，包括一個(gè)矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)前端為波導(dǎo)口和法蘭，其特征在于，還包括一塊帶VSRR的介質(zhì)板，介質(zhì)板固定在法蘭上；其與法蘭接觸的區(qū)域鍍有一層導(dǎo)電性能良好的金屬。
[0007]所述VSRR結(jié)構(gòu)由兩個(gè)并列的、穿過介質(zhì)板的、開口方向相反的金屬開口環(huán)組成。
[0008]所述金屬開口環(huán)由兩條穿過介質(zhì)板的金屬化過孔、一條與矩形波導(dǎo)窄邊平行的長(zhǎng)金屬條、兩條與矩形波導(dǎo)窄邊平行的短金屬條連接而成，兩條短金屬條之間形成一個(gè)缺口。
[0009]所述介質(zhì)板與法蘭固定連接后，VSRR結(jié)構(gòu)位于介質(zhì)板上與波導(dǎo)口相對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍內(nèi)，以使沿波導(dǎo)口發(fā)出的磁場(chǎng)分量能夠作為VSRR的激勵(lì)場(chǎng)，激勵(lì)VSRR產(chǎn)生諧振。
[0010]所述VSRR結(jié)構(gòu)由印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)。
[0011]實(shí)現(xiàn)原理
[0012]所述矩形波導(dǎo)的作用是定向傳輸電磁波；在波導(dǎo)口，垂直于VSRR環(huán)面的磁場(chǎng)分量作為VSRR的激勵(lì)場(chǎng)，激勵(lì)VSRR產(chǎn)生諧振；在諧振時(shí)，VSRR增強(qiáng)了探頭底部VSRR小開口附近的磁場(chǎng)并隨之建立一個(gè)微小的震源區(qū)域，這個(gè)震源區(qū)域略大于VSRR的缺口 ；當(dāng)探頭遇到與波導(dǎo)口寬邊平行的缺陷時(shí)，低于金屬表面的低洼處有一部分的等效電流，使得被測(cè)金屬表面的等效電流環(huán)發(fā)生扭曲，這將引起通過VSRR的磁通量產(chǎn)生明顯變化，從而引起VSRR的諧振頻率的變化，VSRR的諧振頻率可以利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量反射系數(shù)得到。該機(jī)理使得VSRR大大地增強(qiáng)了探頭檢測(cè)的靈敏度和分辨率。
[0013]有益效果
[0014]對(duì)比現(xiàn)有金屬表面無損缺陷檢測(cè)技術(shù)，本發(fā)明波導(dǎo)探頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用快速方便、不損壞被檢測(cè)物體、能夠檢測(cè)隱藏在涂層下的金屬表面缺陷、靈敏度高、空間分辨率尚等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例過孔開口環(huán)諧振器(VSRR)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例介質(zhì)板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例探頭檢測(cè)金屬表面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使發(fā)明的目的、技術(shù)方案、優(yōu)點(diǎn)更加清晰，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0020]實(shí)施例1
[0021]如圖1所不為一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，包括:
[0022]一個(gè)矩形波導(dǎo)，一塊帶VSRR的介質(zhì)板；在矩形波導(dǎo)上，平行矩形波導(dǎo)口延伸出的一塊金屬叫做法蘭，法蘭是矩形波導(dǎo)的一部分；所述介質(zhì)板與法蘭固定連接；如圖3所示，在介質(zhì)板上，與波導(dǎo)法蘭接觸的區(qū)域，鍍上一層導(dǎo)電性能良好的金屬，如銅。如圖2所示，所述VSRR由兩個(gè)并列的、穿過介質(zhì)板的、開口方向相反的矩形金屬開口環(huán)組成；金屬開口環(huán)由兩條穿過介質(zhì)板的金屬化過孔、一條與矩形波導(dǎo)窄邊平行的長(zhǎng)金屬條、兩條與矩形波導(dǎo)窄邊平行的短金屬條連接而成，兩條短金屬條形成一個(gè)缺口 ；所述VSRR的結(jié)構(gòu)和形狀可以依據(jù)其實(shí)現(xiàn)原理以及波導(dǎo)形狀做調(diào)整或重新設(shè)計(jì)，可以是矩形開口環(huán)、圓形開口環(huán)等形狀。
[0023]所述介質(zhì)板與法蘭固定連接后，VSRR結(jié)構(gòu)位于介質(zhì)板上與波導(dǎo)口相對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍內(nèi)，以使沿波導(dǎo)口發(fā)出的磁場(chǎng)分量能夠作為VSRR的激勵(lì)場(chǎng)，激勵(lì)VSRR產(chǎn)生諧振。鑒于所述波導(dǎo)上的法蘭一般為正方形或矩形，因此，為使本實(shí)施例中VSRR結(jié)構(gòu)便于位于波導(dǎo)口正下方，使介質(zhì)板大小與法蘭大小相同，兩個(gè)金屬開口環(huán)兩側(cè)據(jù)介質(zhì)板邊沿的距離相同。
[0024]為便于VSRR結(jié)構(gòu)制作，所述VSRR結(jié)構(gòu)可以通過印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)。
[0025]下面說明應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭進(jìn)行金屬表面缺陷檢測(cè)的方法。
[0026]實(shí)施例2
[0027]如圖4所示，將本發(fā)明所述波導(dǎo)探頭固定在測(cè)試架上不動(dòng)，波導(dǎo)另一端通過波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換器連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，被測(cè)金屬固定在一個(gè)可一維移動(dòng)的平臺(tái)上，金屬板與波導(dǎo)探頭之間的距離為d。利用VNA測(cè)量反射系數(shù)，獲得探頭掃描不同表面金屬板表面時(shí)VSRR諧振頻率的變化。VSRR加載的波導(dǎo)探頭即可以檢測(cè)到金屬表面涂層下的窄縫，也可以檢測(cè)到金屬表面涂層下的圓形小凹陷；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快速方便、無損檢測(cè)、靈敏度高、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0028]實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
[0029]實(shí)施例1所述波導(dǎo)探頭參數(shù)如下:介質(zhì)板上金屬化過孔的內(nèi)外半徑分別為rin=0.lmm, rout= 0.2mm，長(zhǎng)、短金屬條的寬度和厚度分別為w 0= 0.4mm, 10= 0.034mm,矩形金屬開口環(huán)的寬度為2mm，兩個(gè)環(huán)相距1mm，諧振環(huán)上金屬條的開口為s = 0.2mm ;介質(zhì)板的尺寸為33.3mmX 33.3mm,厚度為1.524mm,材料是Rogers4003，Rogers4003的相對(duì)介電常數(shù)為3.38，介質(zhì)損耗角正切為0.0027 ;所用波導(dǎo)為WR-62矩形波導(dǎo)，其工作頻段為12.4_18GHz，WR-62矩形波導(dǎo)口尺寸為寬邊15.799mm，窄邊為7.899mm ;探頭工作頻率為14.52GHz。
[0030]所述加載VSRR的波導(dǎo)探頭能夠檢測(cè)到金屬表面涂層下寬度為0.1mm的窄縫，約為波長(zhǎng)的0.048倍，相較于不加載VSRR的波導(dǎo)探頭，靈敏度增加了 14倍；所述加載VSRR的波導(dǎo)探頭還能能夠檢測(cè)到金屬表面涂層下半徑為Imm的小凹陷；所述加載VSRR的波導(dǎo)探頭能夠分辨出金屬表面涂層下兩條平行于波導(dǎo)口寬邊，寬0.1mm，深2mm，間距Imm的窄縫，表明本發(fā)明提出的波導(dǎo)探頭具有很高的切向分辨率。
[0031]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量反射系數(shù)，獲得探頭掃描不同表面金屬板表面時(shí)VSRR諧振頻率的變化情況，從而檢測(cè)出金屬表面是否有缺陷。所述探頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用快速方便、無損檢測(cè)、能夠檢測(cè)隱藏在涂層下的金屬表面缺陷、靈敏度高、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0032]以上所述的具體描述，對(duì)發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，包括一個(gè)矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)前端為波導(dǎo)口和法蘭，其特征在于:還包括一塊帶VSRR結(jié)構(gòu)的介質(zhì)板，介質(zhì)板固定在法蘭上；其與法蘭接觸的區(qū)域鍍有一層導(dǎo)電性能良好的金屬。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，其特征在于:所述VSRR結(jié)構(gòu)由兩個(gè)并列的、穿過介質(zhì)板的、開口方向相反的金屬開口環(huán)組成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，其特征在于:所述金屬開口環(huán)由兩條穿過介質(zhì)板的金屬化過孔、一條與矩形波導(dǎo)窄邊平行的長(zhǎng)金屬條、兩條與矩形波導(dǎo)窄邊平行的短金屬條連接而成，兩條短金屬條之間形成一個(gè)缺口。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，其特征在于:所述VSRR結(jié)構(gòu)由印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的一種VSRR加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，其特征在于:所述介質(zhì)板與所述法蘭固定連接后，VSRR結(jié)構(gòu)位于所述介質(zhì)板上與波導(dǎo)口相對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍內(nèi)，以使沿波導(dǎo)口發(fā)出的磁場(chǎng)分量能夠作為VSRR的激勵(lì)場(chǎng)，激勵(lì)VSRR產(chǎn)生諧振。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種過孔開口環(huán)諧振器(VSRR)加載的金屬表面缺陷檢測(cè)波導(dǎo)探頭，屬于無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域；包括一個(gè)矩形波導(dǎo)以及固定于其上的一塊介質(zhì)板，所述介質(zhì)板與矩形波導(dǎo)相連接的面渡有一層金屬層；所述介質(zhì)板與波導(dǎo)口相對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)穿過所述介質(zhì)板的VSRR；所述VSRR由兩個(gè)并列的、穿過印刷電路板的、開口方向相反的金屬開口環(huán)組成；金屬開口環(huán)由穿過所述介質(zhì)板上過孔的空心金屬管和長(zhǎng)、短金屬條連接而成；其工作方法為：用探頭掃描被測(cè)金屬表面，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)量金屬表面存在缺陷時(shí)的諧振頻率的變化。對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明探頭可以確定缺陷的尺寸、深度和方向；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、快速方便、無損檢測(cè)、靈敏度高、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】G01N22/02
【公開號(hào)】CN104964990
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510300785
【發(fā)明人】胡冰, 蔡利花, 孫厚軍, 陳重
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請(qǐng)日】2015年6月3日