金属表面缺陷微波无损检测装置及其检测方法

摘要

一种金属表面缺陷微波无损检测装置及其检测方法是“T”型管通过波导同轴转换器与微波扫频仪信号传接，且“T”型管的第一波导和第二波导分别与定向耦合器相应的输入端连接，在主波导接收信号时，第一波导和第二波导两臂激起等幅同相的微波信号；定向耦合器是在第一端口和第二端口设置有波导探头和短路活塞，波导探头对应端通过波导同轴转换器接入微波矢量网络分析仪的检测端B；短路活塞对应端通过波导同轴转换器接入微波矢量网络分析仪的参考端A；检测时，将波导探头垂直贴近被测金属或非金属表面，对被测金属或非金属表面进行扫描。本发明实现了对金属表面缺陷进行定位和定量的直接检测，将检测、记录、分析、处理和存档集于一起的自动化检测。

权利要求

1.一种金属表面缺陷微波无损检测装置，包括设置一“T”型管（2）通过波导同轴转换器与微波扫频仪（1）信号传接；以及所述“T” 型管（2）是一主波导与第一波导和第二波导垂直构成的“T”型微波通道管结构，且第一波导和第二波导分别与定向耦合器（3）相应的输入端信号传接，在主波导接收信号时，第一波导和第二波导两臂激起等幅同相的微波信号；以及所述定向耦合器（3）是在其第一端口和第二端口分别设置有波导探头（4）和短路活塞（7），在定向耦合器（3）对应的另一侧的两个输出端口中，其中，与波导探头（4）对应的一端用同轴线接入微波矢量网络分析仪（8）的检测口B，与短路活塞（7）对应的一端由同轴线接入微波矢量网络分析仪（8）的参考口A。

2.如权利要求1所述的金属表面缺陷微波无损检测装置，所述波导探头（4）的微波信号频率与微波矢量网络分析仪（8）输出的微波信号频率相应。

3.如权利要求1所述的金属表面缺陷微波无损检测装置，所述短路活塞（7）是在四分之一波长内往复位移。

4.如权利要求1所述的金属表面缺陷微波无损检测装置，所述微波矢量网络分析仪（8）是与微波扫频仪（1）的频率相应，且将数据输于计算机（9）。

5.一种用于权利要求1所述的金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，该方法在通过具有微波穿透特征的非金属材料（5）检测金属（6）的表面缺陷时，将波导探头（4）垂直贴近被测金属（6）或具有微波穿透特征的非金属材料（5）表面，对被测金属（6）或具有微波穿透特征的非金属材料（5）表面进行扫描，微波扫描仪（1）产生的扫描信号馈入一个 “T”型管（2）中分成大小、相位相等的第一波导信号和第二波导信号， 再将第一波导信号馈给定向耦合器（3）相应输入端的波导探头（4）反射，反射信号馈入到微波网络分析仪（8）的检测口A；再将第二波导信号馈给定向耦合器（3）相应输入端的短路活塞（7）反射，反射信号馈入网络分析仪（8）的参考口B，与检测信号比较反射点的电压变化率和相位，判断被测金属（6）的表面缺陷尺寸。

6.如权利要求5所述的金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，所述具有微波穿透特征的非金属材料是泡沫保温材料、复合硅酸盐保温材料、硅酸钙绝热保温材料和纤维保温材料中的一种。

7.如权利要求5所述的金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，所述被测金属是黑色金属和有色金属。

8.如权利要求7所述的金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，所述黑色金属是铁、锰、铬及其合金中的一种。

9.如权利要求7所述的金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，所述有色金属是铜、铝、金、银、镁、铅、锌和铂中的一种。

说明书

金属表面缺陷微波无损检测装置及其检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属缺陷检测装置及其检测方法，尤其是包括微波扫频仪、“T”型管、定向耦合器、波导探头、短路活塞和微波矢量网络分析仪的一种金属表面缺陷微波无损检测装置及其检测方法。

背景技术

[0002] 现有金属表面缺陷无损检测的方法为渗透法（PT）、磁粉法(MT)、涡流法（ET）等，但在一些检测工况下存在很大的局限性。如，渗透法和磁粉法均是直接接触检测，对被测金属为非金属覆盖或者包裹的情况下，无法进行检测。而渗透法难以确定其缺陷的实际深度，且存在渗透剂对环境的污染问题；磁粉法只适用于铁磁性材料的微米级裂纹，操作繁琐——在检测之前需要对工件进行清洁处理，之后要进行必要的退磁处理。非接触涡流法通过测定线阻抗的变化，判断被测试件有无缺陷，难以判断其缺陷的种类、位置和形状，需要辅以其他无损检测方法进行定位和定性。涡流检测仪的频率较低，穿透性差，对有非金属覆盖层下的金属表面缺陷检出率低，甚至检测不出。另外，在进行检测时必须是在无外界干扰的情况下对金属表面进行检测，不能够实时在线监测，也不能对检测结果进行记录、分析、处理和存档。

发明内容

[0003] 本发明提供一种金属表面缺陷微波无损检测装置及其检测方法，以实现金属表面缺陷微波无损检测的在线非接触式检测。

[0004] 本发明是通过以下技术方案来实现的，一种金属表面缺陷微波无损检测装置，包括设置一“T”型管通过波导同轴转换器与微波扫频仪信号传接；以及

[0005] 所述“T” 型管是一主波导与第一波导和第二波导垂直构成的“T”型微波通道管结构，且第一波导和第二波导分别与定向耦合器相应的输入端连接，在主波导接收信号时，第一波导和第二波导两臂激起等幅同相的微波信号；以及

[0006] 所述定向耦合器是在其第一端口和第二端口分别设置有波导探头和短路活塞，波导探头的对应端通过波导同轴转换器接入微波矢量网络分析仪的检测端B；短路活塞的对应端通过波导同轴转换器接入微波矢量网络分析仪的参考端A。

[0007] 在上述检测装置的技术方案中，所述波导探头的微波信号频率与微波矢量网络分析仪输出的微波信号频率相应；所述短路活塞是在四分之一波长内往复位移；所述微波矢量网络分析仪是与微波扫频仪的频率相应，且将数据输于计算机。

[0008] 一种用于上述金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，该方法在通过非金属检测金属的表面缺陷时，将波导探头垂直贴近被测金属或非金属表面，对被测金属或非金属表面进行扫描，微波扫描仪产生的扫描信号馈入一个 “T”型管中分成大小、相位相等的第一波导和第二波导，再将第一波导信号馈给定向耦合器相应输入端的波导探头反射，反射信号馈入到微波网络分析仪的检测口A；再将第二波导信号馈给定向耦合器相应输入端的短路活塞反射，反射信号馈入网络分析仪的参考口B，与检测信号比较反射点的电压变化率和相位，判断被测金属的表面缺陷尺寸。

[0009] 在上述检测方法的技术方案中，所述非金属是具有微波穿透特征的非金属材料，本发明中是泡沫保温材料、复合硅酸盐保温材料、硅酸钙绝热保温材料和纤维保温材料中的一种；

[0010] 所述被测金属是黑色金属和有色金属，其中的黑色金属是铁、锰、铬及其合金中的一种；其中的有色金属是铜、铝、金、银、镁、铅、锌和铂中的一种。

[0011] 一种金属表面缺陷微波无损检测装置及其检测方法，与现有技术相比，本发明实现了对金属表面的缺陷进行定位检测和缺陷的尺寸测定；也能够在一定距离透过非金属覆盖材料对金属表面进行缺陷的直接检测，而无需耦合剂；而且也能够将检测的位置结果和测定的缺陷尺寸结果进行记录、分析、处理和存档，实现自动化检测。

附图说明

[0012] 图1是本发明微波无损检测装置的结构示意图。

[0013] 图2是本发明金属表面裂纹诊断测定特征信号图。

[0014] 图3是本发明金属裂纹尖端位置测定特征信号图。

[0015] 图4是本发明金属表面裂纹宽度测定曲线图。

[0016] 图5是本发明金属表面裂纹深度测定曲线图。

[0017] 图中：1：微波扫频仪；2：“T”型管；3：定向耦合器；4：波导探头；5：非金属；6：金属；7：短路活塞；8：微波矢量网络分析仪；9：计算机。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作出进一步的详细说明。

[0019] 具体实施方式1

[0020] 实施本发明所述的一种金属表面缺陷微波无损检测装置，包括设置一个“T”型管2通过波导同轴转换器以及同轴线接入微波扫频仪1中，其中：

[0021] 所述的“T” 型管2的结构是包括一根长臂、一横臂，横臂的中部与长臂垂直固为一体并与长臂相通。在本发明中，所述的“T” 型管2是一主波导与第一波导和第二波导垂直构成的“T”型微波通道管结构，且第一波导和第二波导分别与定向耦合器3相应的输入端信号传递，在主波导接收信号时，第一波导和第二波导两臂激起等幅同相的微波信号。

[0022] 所述的定向耦合器3是在其第一端口与第二端口分别设置有波导探头4和短路活塞7，波导探头4的对应端通过波导同轴转换器接入微波矢量网络分析仪8的检测端B；短路活塞7的对应端通过波导同轴转换器接入微波矢量网络分析仪8的参考端A。

[0023] 在具体实施时，所述的波导探头4的微波信号频率应当与微波矢量网络分析仪8输出的微波信号频率相应；所述的短路活塞7是在四分之一波长内往复位移运动；所述微波矢量网络分析仪8是与微波扫频仪1的频率相应，且将数据输于计算机9中进行记录、分析、处理和存档，实现自动化检测。

[0024] 在本发明中，如图1，将“T”型管2的输入端由波导同轴转换器和同轴线接入微波扫频仪1的信号输出端，再将“T”型管2的另一侧的两个端口分别接入定向耦合器3的输入端口。在定向耦合器3的两个检测端口中，其中，上端接入波导探头4，下端接入短路活塞7；在定向耦合器3对应的另一侧的两个输出端口中，其中，与波导探头4对应的一端用同轴线接入微波矢量网络分析仪8的检测口B，与短路活塞7对应的一端由同轴线接入微波矢量网络分析仪8的参考口A，最后将微波矢量网络分析仪8的数据输入至计算机9。在扫描缺陷时，将波导探头4直接接触被测金属6或垂直对准覆盖非金属5的被测金属6表面进行缺陷的扫描，同时调整下臂的可移动式短路活塞7，使其与上臂的测试端信号具有相同的状态，然后对其被测金属6表面进行逐点扫描。

[0025] 具体实施方式2

[0026] 实施本发明所述的一种金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法：

[0027] 如图1，一种用于本发明所述的金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法，该检测方法是将微波扫频仪1产生的扫频微波信号，馈入一个 “T”型管，“T”型管再将微波输入信号分成大小、相位相等的第一信号和第二信号，并分别馈给定向耦合器3相应的输入端，在主波导接收信号时，第一波导和第二波导两臂激起等幅同相的微波信号；其中，第一波导信号馈给第一终端开口的矩形波导，波导终端开口设置有波导探头4，与被测金属表面之间的间隙，在一定范围内可以等效成为一个电长度相当的、被测金属表面短路的均匀波导短路器，即“等效短路器”。入射信号终止于被测金属表面，入射信号与反射信号叠加形成驻波。裂纹进入波导口时，驻波发生位置变化，“等效短路器”使得测点的反射系数相角与电长度成线性关系，而电长度随被测金属6表面缺陷而变化。反射回的信号被耦合至定向耦合器3，最后馈到微波矢量网络分析仪8的检测口B；第二波导被短路活塞7反射，其反射信号馈入微波矢量网络分析仪8的参考口A，与测试信号的相位和大小进行比较；由微波矢量网络分析仪8测得的相角和幅值信息，经过一个模/数转换器送入计算机9监控。当有金属表面存在裂纹时，将产生高次模，同时波导中反射波特性也将改变，通过微波矢量网络分析仪8对比检测口B和参考口A的特征信号的变化，实现对金属表面缺陷的定位检测和尺寸测定。

[0028] 在上述金属表面缺陷微波无损检测装置的检测方法中，由于本发明采用微波无损检测装置，所以非金属5是具有微波穿透特征的非金属材料，如，泡沫保温材料、复合硅酸盐保温材料、硅酸钙绝热保温材料以及纤维保温材料等等。在检测时，利用本发明微波无损检测装置能够对金属中的黑色金属和有色金属进行检测，如，黑色金属中的铁、锰、铬以及其铁、锰、铬的合金进行检测；也能够对有色金属中的铜、铝、金、银、镁、铅、锌和铂，以及其铜、铝、金、银、镁、铅、锌和铂的合金进行检测，通过对金属表面缺陷微波无损检测，能够实现对金属表面的缺陷进行定位检测和缺陷的尺寸测定，特别是被测金属表面包裹有具有微波穿透性的非金属材料时，也能够根据微波的穿透性，在一定距离内透过非金属覆盖材料对金属表面进行缺陷的直接检测。

[0029] 基于上述本发明一种金属表面缺陷微波无损检测装置以及检测方法的具体实施方式所检测的结果如图2～图5的曲线说明如下：

[0030] 如图2和图3的检测实例中，利用微波技术检测裂纹尖端特征信号可精确确定裂纹尖端位置及裂纹长度。图2显示了以这种方式在f=24GHz时检测到宽度为w=0.28mm，深度分别为d1=1.49mm，d2=0.96mm的两条裂纹归一化的特征信号。当用终端开口的波导扫描没有裂纹的容器金属表面时，被检测容器金属表面形成一个短路电路，而当有裂纹存在时，将产生高次模，同时波导中反射波特性也将改变。

[0031] 如图3为矩形波导，以光栅方式沿容器金属表面裂纹方向扫描裂纹尖端位置的特征信号。横坐标表示扫描距离，纵坐标表示检测电压的变化率，a表示波导口的宽度尺寸。图示表明裂纹尖端的相对位置，分别出现在波导的的两个边缘处。当裂纹完全落在波导口内时，检测电压变化率相对保持一常数；当裂纹尖端开始进入波导口，电压变化率突然减小，且随着裂纹尖端在开口内移动，电压变化率持续减小；当裂纹尖端移到波导口的另一边缘处，即裂纹尖端完全落在波导口外时，电压变化率接近零，由此可确定出裂纹尖端的位置及裂纹长度。

[0032] 如图4和图5所示的实施例中，利用微波技术可以进一步确定裂纹的宽度和深度。如图4给出了在K波段（18-26.5GHz），波导尺寸为a=10.67mm，b=4.32mm的矩形波导器检测两条裂纹宽度的特征信号曲线。图中，横坐标δ表示波导口沿y方向扫描距离，纵坐标表示特征信号输出电压V（mv），W表示裂纹检测宽度，因此裂纹宽度W=δ-b。

[0033] 表面裂纹深度采用扫频技术，调整不同频率测量反射系数相位，可精确评估裂纹表面深度。图5给出了一条宽度W=20μm的裂纹，在频率f分别为100GHz，38GHz，24GHz下，裂纹置于波导口中央，测得波导口处的反射系数相位与裂纹深度关系曲线，图示横坐标表示裂纹深度d(mm)，纵坐标表示反射系数相位φ°。

[0034] 由实施例检测曲线图可知，对于裂纹宽度相同，而深度不同的裂纹，反射系数相位的突变发生在不同的频率上。由此需要扫动测试频率，直至出现反射系数相位的突变，取上述曲线的中部，评估裂纹深度，可获得较高的测量精度。