导波简介知识讲解
第八章导波
现在我们用分离变量法首先解(8-2-2a)。令
Ex = Ex ( x, y, z ) = X ( x )Y ( y ) Z ( z )
如同 7-2 节，我们有
d2 X + k x2 X = 0 2 dx d 2Y 2 + ky Y =0 dy 2 d2 Z + k z2 Z = 0 dz 2
式中 k x2 + k y2 + k z2 = k 2 。由于电磁波沿正 z 轴方向传播，且波导管四壁为理想导体， 上 面微分方程的解的形式为：
y y=b
o
x x=a
z
图 8-2-1 宽为a、高为 b 的矩形波导管
8-2-1 场分布 在我们这里的讨论中，我们假定波导管的四壁为理想导体，其中的介质为理想 介质(σ = 0, ρf = 0)，电磁波沿 z 轴方向传播。波导管中，电磁场的解属于时变电磁场 边值问题。因此，方程(7-1-3)成为：
∇2 E + k 2 E = 0 ∇i E = 0
∂Ex ∂E y ∂Ez ∂Ez + + = =0 ∂x ∂y ∂z ∂z
将其写成一般形式
∂En =0 ∂n
(8-1-2)
பைடு நூலகம்
式中 n 为理想导体表面法向方向。此式说明，电场法向分量的法向偏导数为零。式 (8-2-1)和(8-2-2)即为理想导体的边界条件。
2
第八章 导行电磁波
8-2 矩形波导
矩形波导管是一个宽 a 高为 b，a ≥ b，的中空矩形金属导管。一般我们取矩 形波导管横断面为平面，如图 8-2-1 所示。
1
事实上，双导线(或平行板)、同轴线、矩形波导、园波导、带状线、微带线、介质 波导都属于导波系统。一般我们又将其归为传输线。 双导线是由两根具有一定半径的导线构成；平行板传输线是由两平行金属板构成； 同轴线是由外包金属和一根导线同轴构成，其间充有介质 (也可不充)； 矩形波导管是 一矩形金属管；园波导是一金属园管；带状线是由三条平行金属板构成； 微带线由金 属底板、介质层和金属带构成；介质波导是一介质棍(如常见的光纤)。这些传输线因特 性不同而用于不同场合。例如双导线适合于传输 100 Mz 以下的电磁波，而光纤用于传 输光波。
高频导波技术介绍及应用
高频导波技术介绍及应用高频导波技术是一种用于高频电磁波传输的技术，通过在导体中传输电磁信号，将信号从一个地方传送到另一个地方。
它在现代通信、雷达、无线电广播和无线电频谱管理等领域中得到广泛应用。
高频导波技术包括微波导和光纤传输两种形式。
微波导是一种用金属材料制成的管道或导波结构，常用于高频通信和雷达系统中。
光纤传输则是利用光纤的全内反射原理，将光信号通过光纤传输，广泛应用于通信、数据传输等领域。
高频导波技术具有以下几个特点：1. 高带宽：高频导波技术可以传输更高频率的电磁波，因此可以实现更高的数据传输速率。
2. 低信号衰减：相比于传统的导线传输，高频导波技术在电磁波传输中的信号衰减更低，能够在较长距离内传输清晰的信号。
3. 抗干扰性强：高频导波技术具有抗干扰性强的特点，能够在复杂的电磁环境中稳定传输信号。
4. 体积小、重量轻：高频导波技术的器件相对较小且重量轻，方便集成在各种设备中应用。
高频导波技术在通信、雷达和无线电广播等领域中有广泛的应用。
以下是几个典型的应用：1. 高速通信：高频导波技术被广泛应用于高速通信领域，例如无线通信、卫星通信和雷达系统等。
比如，在移动通信领域，微波导和光纤传输技术被用于实现高速无线数据传输，提供更快的网络连接和更稳定的信号传输。
2. 数据中心：在现代的数据中心中，高频导波技术被广泛用于电信主干网络和数据传输链路。
光纤传输技术可以实现高速、高容量的数据传输，提供更大的数据带宽和更快的响应速度。
3. 卫星通信：卫星通信系统中，高频导波技术被用于卫星发射和接收站之间的数据传输。
微波导和光纤传输技术能够稳定传输卫星信号，实现卫星通信的长距离传输。
4. 无线电频谱管理：高频导波技术在无线电频谱管理中起到了关键的作用。
通过使用高频导波技术，可以有效地管理和分配无线电频谱资源，提高频谱利用率和管理效率。
在工业、科研和医疗领域中，高频导波技术也有广泛的应用。
比如在工业领域，高频导波技术被用于无线传感器网络、工业自动化控制系统等；在科研领域，高频导波技术被用于天文观测、粒子加速器等；在医疗领域，高频导波技术被用于医学影像诊断、微波治疗等。
导行波知识点总结
导行波知识点总结导行波有许多重要的特性，对于理解和应用电磁波技术有着重要的意义。
本文将从导行波的基本原理、传播特性、数学描述、应用领域等方面进行综合性的介绍和总结。
一、导行波的基本原理导行波的产生源自于麦克斯韦方程组以及导体内外电磁场的耦合作用。
在导体中，电场和磁场会相互作用，这种相互作用会在导体中形成一种波动模式，即导行波。
导行波的产生可以通过沿导体传播的电磁波传播模式来描述。
在导体中，电场和磁场会随着时间和空间的变化而变化，从而形成了一个在导体中传播的波动。
二、导行波的传播特性导行波具有许多独特的传播特性，这些特性对于导行波的理解和应用有着重要的意义。
1. 波长和频率导行波的波长和频率与自由空间中的电磁波是不同的。
在导体中，导行波的波长和频率会受到导体的电导率、磁导率、介质常数等因素的影响，因此在不同的导体中，导行波的波长和频率也会有所不同。
2. 衰减和色散由于导体的电导率、磁导率等因素的存在，导行波在传播过程中会发生衰减和色散。
衰减是指导行波在传播过程中能量的逐渐损失，色散是指不同频率的导行波在传播过程中会有不同的传播速度。
这些特性会对导行波的应用产生影响。
3. 反射和折射与自由空间中的电磁波不同，导行波在与导体表面或界面接触时会发生反射和折射。
这些现象会导致在导体中形成不同的波模式，从而产生一些特殊的传播特性。
三、导行波的数学描述导行波的数学描述是对导行波传播特性的理论分析，可以通过麦克斯韦方程组和导体中的电磁场的耦合作用来进行描述。
在数学上，导行波的传播特性可以通过电磁场的波动模式来描述，这些描述可以通过波动方程、麦克斯韦方程组等方程来进行表达，从而对导行波的传播特性进行分析和理解。
四、导行波的应用领域在实际的工程技术应用中，导行波有着广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：1. 通信系统导行波可以用来传输信号、数据或能量，因此在通信系统中有着重要的应用。
例如，在传统的电力线载波通信系统中，导行波可以用来在电力线上传输信号和数据。
超声导波简介
超声导波技术超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术（又称长距离超声遥探法）主要用于在线管道检测，包括低碳钢、奥氏体不锈钢、二重不锈钢等材料的无缝管、纵焊管、螺旋焊管。
可应用于油气管网（如天燃气管道、炼油厂火焰加热器中的垂直管路、带岩棉保温介质和漆层的架空液化气管道）及石油化工厂中的管网（如无保温层的输送CO与H合成类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路），码头管线、管区的连接管网，海上石油管网/导管，水下管道、电厂管网，结构管系，穿路/过堤管道、复杂或抬高管网，保温层下管道（例如带有保温层的氨水管道）、带有套管的管道，以及带有保护层的管道。
超声导波检测技术能检出管道内外部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等缺陷。
最新的利用磁致伸缩换能器的超声导波检测已能应用于非铁磁性材料和非金属材料，除了管道检测还能用于棒材、钢索、电缆以及板盘件的检测。
超声导波检测的优点是能传播长距离而衰减很小，在一个位置固定脉冲回波列阵就可一次性对管壁进行长距离大范围的100%快速检测（100%覆盖管道壁厚），检测过程简单，不需要耦合剂，工作温度可达到零下40摄氏度到938摄氏度的高温范围，只需要剥离一小块防腐层以放置探头环即可进行检测，特别是对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测更具有独特的优势。
下图示出管道腐蚀的常规检测与长距离超声导波检测的方法原理示意图。
常规差评声波检测是在经过表面清理的管道外面逐点扫查或抽检进行超声测厚，而超声导波检测是以探头环位置发射低频导波沿管线向远处传播，甚至在保温层下面传播，一次就能在一定范围内100%覆盖长距离的管壁进行测量，反射回波经探头被仪器接收，并以此评价管道的腐蚀状况，架设在一个探头位置的探头列阵可向两侧长距离的发射导波和接收回波信号，从而可对探头套环两侧的长距离管壁作100%的检测，从而达到更长的检测距离，目前已经能用应用于直径1.5~80英寸的管道现场检测，理想状态下可以沿管壁单方向传播最长达200米。
导行电磁波!
cTE10 2a cTE 01 2b cTE 20 a
对于一般的波导，选取a2b
cTE 01 cTE 20
传输特点 kc2 k 2 k z2
k 2 fc kz k 1 f jk
fc 1 , f fc 1, f
4，由于m 及 n 为多值，因此场结构均具有多种模式。 m 及
n 的每一种组合构成一种模式，以TMmn表示。 例如 TM11表示 m = 1, n = 1 的场结构，具有这种场结构的波称为TM11波。
5，数值大的
模。
m 及 n 模式称为高次模，数值小的称为低次
矩形波导中TM波的最低模式是TM11波。Dominant mode
k k k
2 c 2
2 z
说明：
1、均匀导波系统中，可用两个纵向场分量Ez和Hz表示其余的 横向场分量Ex、Ey、Hx、Hy。 2、对于正弦电磁波，其满足的波动方程为亥姆霍兹方程，即
Ek E 0
2 2
H k H 0
2 2
两个纵向场分量Ez和Hz可由亥姆霍兹方程及边界条件确定。
二. 矩形波导中电磁波的传播特性
截止传播常数kc 和截止频率 fc
kc2 k 2 k z2 k z2 k 2 kc2
kc 称为截止传播常数
Cutoff frequency
k kc 时 k z 0
2 2
Cutoff Propagation constant
2 2 kc2 k x2 k y kc mπ kx a nπ ky b kc 1 fc 2π 2
方程的通解 (Solution of equation) 采用分离变量法 (Method of separation of variables)
导波检测
高频导波检测介绍一、检测原理导波是超声波的一类特殊应用，主要利用波长与声波角度、工件厚度的特殊关系，由多个不同类型的波组成波群，此波群中包括爬波、纵波、横波等，以及各波形在工件表面反射时相互转换所产生的变型波。
爬波系超声波以纵波临界角入射时所产生的一种波式，或称之为沿着次表面行进的纵波，不受表面污垢或耦合剂的影响。
单就爬波而言，无法满足无应力表面之边界条件，换言之，必同时存在其它的波式始能满足边界条件，因此当爬波前进时，会连续泄漏能量转换为横波，此称为头波。
图1 探头在临界角时所产生的爬波和头波示意图，由限定尺寸的探头所产生。
(C)为爬波，(H)为头波，(P)为纵波，(S)为横波由图1可以看到，导波波群中包括有爬波、头波、纵波、横波等多种型式的波形，由于头波和爬波的伴生关系，二者在工件内部共同存在。
由发射探头所送出之声波脉冲引起爬波之生成，爬波遂沿着表面前进，同时沿途泄漏出能量转换成头波；接收端接收到一连串的脉冲信号。
图2 导波信号中所包含的信号如图2所示，第一个信号系由原始爬波直接到达接收端，紧接着的信号是头波经过一个跨距后续以爬波的形式到达接收端，接下来是头波经过两个跨距后续以爬波的形式到达接收端，依序得到各个信号；对于信号群前面部份出现较密集的现象所提出的解释是，因探头除了产生爬波之外，亦含有其它的波型式，这些波型式复合在爬波的信号之中。
第一次爬波/头波叠加在一起仍一般相当微弱，然而显得大的波大多是直接到达接收探头，在信号的前半部分第一次爬波/头波与第一次少数头波/爬波叠加，信号的峰值比较紧密(图2)。
由于头波是非扩散的波阵面，因此头波传播时衰减比较小在信号的后半部分的显示信号比较高。
因此对于远距离检测时，主要利用头波型式对缺陷进行识别，且由于头波路径具有一定的角度，因此对工件表面裂纹、腐蚀等缺陷都有比较好的检测效果。
导波信号在工件中也会存在衰减，主要受距离、表面形状、材料晶粒度的影响较大，其受距离影响与普通超声波原理类似，由于波束的扩散会损失部分声能量，波群中的各波形之间的转换也会损失部分能量；其次，由于波群中的一些波的信号多次在工件表面反射，工件表面的耦合状况和平整度也会损失部分声能量；第三，材料晶粒也会由于漫反射而损失部分声能量。
导波检测技术介绍
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导波检测的优越性
1. 只要在管道上某一段部位（约0.5米长）安 装探头卡环，便可对卡环两侧各数十米长度 的管道进行100%的快速检测。
2. 可以检测空中和水下管道而无需在空中或水 下作业 。
3. 可以检测被保温或绝热材料包覆的管道，除 安放探头的位置外，无需破坏包覆层。
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检测设备与检测软件
导波检测设备主要由计算机处理单元、导波 收发装置、探头组模块三大部分及其它辅助 工具组成。
计算机 处理单元
便携式PC (笔记本电脑)
导波收发装置
导波检测仪
探头组模块
卡环及探头
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以下为导波卡环
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导波检测的实际应用
导波检测的应用目的是对管道进行100%的快速 检测，发现管道截面上的金属缺损。但导波检测 不能对缺陷准确定位、定量、定性，因此对于导 波检测发现的异常部位还需辅以常规检测。
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在导波检测图上，一般有以下几种特征反射波： 焊缝； 法兰； 焊接件(支撑、接管等)； 腐蚀坑； 其它缺陷(损伤、裂纹等)。 通过对导波检测图中各种反射波的识别，来判定
-10.0
0.0
10.0
20.0
Distance (m)
管道腐蚀与导波检测扫查图
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在一张导波检测扫查图上涉及到的缺陷信息主要 有以下几点：
1. 缺陷的性质，扫查图的波形特征包括焊缝、支撑、 缺陷、腐蚀、端面以及其它焊接附件等
2. 缺陷的大小，在图中以ECL来表示； 3. 缺陷的位置及集中程度等。 导波检测的原理和方法均不同于常规检测方法，
导波课件
3.6 有限电导率平面的反射
对有耗介质进行研究所得的理论也可以应用在有限电导率平面上的反射
对于微波波段所用的金属，导电电流远大于位移 电流，因此金属内磁场的旋度方程可表示如下：
于是传播常数就变为：
令平行偏振波以 入射角射于金属板上，如左上图所示，金属的电常数假定 为 。用上节的分析方法，可以得到沿u方向，金属的波阻抗为：
当 逼近无限大时， 逼近于零，金属相当于理想的短路，同时衰减常数逼近于无 限大，因此对理想导体而言，电磁场不能透入金属内，而只存在于金属的表面上。
高频条件下或者理想导体表面， 导体中的电流绝大部分集中在导 体的表面上，这种现象成为趋肤 效应，在无线电装置中，完成电 磁屏蔽作用的屏蔽罩就是根据这 一效应设计的。趋肤效应还可被 用于金属表面的热处理。
对于m=1,处在特殊入射角时，介质片的厚度等于介质内所量得的半波长。 对于平行偏振入射波的分析可用上述类似方法，介质阻抗需换成平行偏振波的归一化波阻抗。 平行偏振波的电场和磁场可利用1.7节中巴俾涅原理的变换所得到。 从而得到平行偏振波归一化波阻抗和空气交界面的反射系数：
对于某个 值， 等于1，反射系数变为零，令这个特殊的值为 ，即得到布儒斯特角， 当入射角为这个角时，波发生全透射。但是需要注意，垂直偏振波没有相似的全透射现象。
用波导纳的特殊意义，引入传输线的等效电压和电流，把单轴 各向异性介质面等效成传输线电路求解，从而得到无反射的布儒 斯特角条件。
各场可从赫兹势求得，当z=0交界面上正切 分量连续时，得到各场分量的表达式如下：
满足
3.8 铁氧体媒质内的横电磁波
铁氧体的定义及性质： 铁氧体是由以三价铁离子作为主要正离子成分的若干种氧化物组 成的并呈现亚铁磁性或反铁磁性的金属氧化物材料。铁氧体的电阻率 比金属、合金磁性材料大得多，有较高的介电性能（5到25之间），相 对导磁率达几千。铁氧体有硬磁、软磁、矩磁、旋磁和压磁五类，生 产过程和外观类似陶瓷，因而也称为磁性瓷。 铁氧体的磁性主要是由组成原子的电子自旋引起的磁矩所致。通常 电子磁矩是由电子的自旋磁矩和轨道磁矩组成，而电子的轨道磁矩远 大于电子的自旋磁矩，所以只考虑自旋磁矩对铁氧体磁性的影响。 铁氧体在微波频率具有磁导率的张量性质、铁磁共振性质、法拉第 旋转效应（不可互易的效应）、高功率现象等性质。铁磁体的一系列 性质使其适合于制作高频电磁器件，例如隔离器、环形器、移相器、 倍频器、变压器滤波器天线等的磁芯等等，应用十分广泛。
高等电磁理论-导波理论
关键参数与特性
关键参数
描述导波特性的关键参数包括频率、波长、相速度、群速度、衰减常数、相位常数等。这些参数决定 了导波的传输性能和应用范围。
特性
导波具有多种特性，如色散特性（不同频率分量传播速度不同）、损耗特性（传播过程中能量逐渐衰 减）、非线性特性（在高功率下产生非线性效应）等。这些特性对导波的应用和性能优化具有重要意 义。
06
总结与展望
高等电磁理论-导波理论总结
电磁波传播特性
深入研究了电磁波在不同介质中 的传播特性，包括反射、折射、 衍射等现象，为电磁波的精确控 制提供了理论基础。
导波结构分析
详细分析了各种导波结构的传输 特性，如微带线、共面波导、槽 线等，为微波电路和天线设计提 供了重要指导。
数值计算方法
介绍了多种数值计算方法在导波 理论中的应用，如有限元法、时 域有限差分法等，为复杂电磁问 题的求解提供了有效手段。
边界条件
确定传输线两端或中间连 接处的电压和电流关系， 是求解非均匀传输线方程 的关键。
方程求解
通过数值计算或解析方法 求解非均匀传输线方程， 得到电磁波在非均匀传输 线上的传播特性。
数值分析方法
有限差分法
将连续的非均匀传输线离散化，通过差分方程近似求解非均匀传 输线方程。
有限元法
将非均匀传输线划分为有限个单元，在每个单元内建立近似函数， 通过变分原理求解非均匀传输线方程。
分析方法
微波网络分析可采用解析法、数值法和图解 法等方法。其中，解析法适用于简单网络的 分析，数值法（如矩量法、有限元法等）适 用于复杂网络的分析，图解法则通过绘制网
络的图形表示来进行分析。
典型微波器件设计原理
要点一
微波器件类型
导波检测文档
导波检测导波检测是一种用来识别和分析导波的技术，导波是指电磁波或声波在介质中沿着特定路径传播的现象。
在许多应用中，导波是一种非常重要的现象，因此准确地检测和分析导波对于理解和应用导波现象至关重要。
导波的定义和特点导波是指在某种介质中传播的波动，与在真空中自由传播的波动不同。
在介质中，由于介质的性质和形状，波动沿着特定的路径进行传播，这些路径被称为导波路径。
导波路径可以是平面、圆柱、光纤等不同的形状。
导波的特点包括：1.引导效应：导波的存在可以使波束在介质中传播，从而避免波束的扩散。
2.分离模式：根据导波的形状和介质的性质，可以有不同的导波模式，例如TE模式和TM模式。
3.反射和折射：导波在传播过程中会遇到介质的边界，从而发生反射和折射。
4.衍射和干涉：导波在遇到障碍物或交汇处时，会发生衍射和干涉现象。
导波检测的方法导波检测是通过不同的技术和方法来识别和分析导波现象。
下面介绍一些常用的导波检测方法：1. 光纤传感器光纤传感器是一种利用光纤作为传感器的载体来检测导波的方法。
光纤传感器可以根据导波路径的变化来测量或检测介质中的物理量，例如温度、压力、形变等。
光纤传感器的工作原理是利用光的传输特性。
当光波传播在光纤中时，波导效应使得光波只能沿着特定的路径传播。
当介质参数发生变化时，例如温度升高或形变产生，导波路径会发生变化，从而影响光波的传播速度和损耗。
通过测量光波的属性变化，可以获得导波的信息。
2. 音频检测在声波导波中，也可以使用声音传感器来检测导波。
声波导波检测可以用于声学传感、非破坏检测和结构健康监测等领域中。
音频检测的原理是利用声音波动在介质中的传播。
当声波传播在介质中时，由于介质的性质和形状的不同，声波沿着特定的路径传播，从而形成导波。
通过测量声波的特性和传播路径，可以获得导波的相关信息。
3. 电磁波检测电磁波检测是利用电磁波传播的特性来检测导波的方法。
电磁波检测可以用于电磁场传感、雷达测量、电磁波干涉等领域。
导波简介
50.0
60.0
案例 1: 长程筛检
检测结果
• 检测范围在每个方向可达70米 • 管道替换发生在特征结构+F8，检测结果显 示替换应该从+F5位置开始。
• 管道接地处检测信号符合预期：随频率增高 信号强度降低，显示这些位置没有发生腐蚀。
• 这是一个典型的快速、长程检测实例。
案例 ２: 跨路管道
被检测管道
导波应用的核心技术
• 单一模式的激发 • 传播方向的控制 • 来自对称和非对称结构特征的反射信号的区别
我们采用两种模式的导波
扭曲波
(管道的扭曲)
纵向波
(对管道进行压缩和伸展)
内空的管道
扭曲模式
纵向模式
内载液体的管道
扭曲波
纵向波
两种模式的操作区别
扭曲模式
• 液体内容物影响小 • 需要两排传感器进行测量 • 对纵向较深的裂缝和横截面 积损失灵敏度高 • 可以在较宽频率范围内使用 • 可以将探测环安装在离法兰 很近位置进行测试 • 难以发现小口径管道上纵向 焊接的支撑物上的缺陷
当结构特征 位于圆周上
强 度 比
0 0 50 100 1
当结构特征 在圆周上
较小范围内
红=黑
均匀分布时
圆周程度 (%)
红 << 黑
应用领域
• 快速，完全覆盖整个管道的筛查 • 特别在难于接近的管道检测中具有明显的 成本优势
– – – – 集管架 隔离层下的腐蚀检测 带套管的穿路管道 穿墙管道
• 可以检测裂缝和金属损失 (大于横截面积 2%)
英国导波技术有限公司wavemaker导波技术基础导波是沿着而不是透过被测结构进行传播管壁成为超声波的向导引导其沿着管道纵向传播下去transducerstructureregionstructureinspectedtransducerstructureregionstructureinspectedconventionalguidedwaves常规超声检测导波检测被检测的区域被检测的区域传感器传感器从一个特征点的反射例如腐蚀当导波遇到管道横截面的改变会向传感器发射一个反射信号tr传感器常规超声检测与导波技术的对比在高频范围对小缺陷敏感即使在低频范围也对小缺陷敏感快速筛选检查导波技术发展过程导波在1999年导波技术的专利所有人创建了英国导波技术有限公司并销售了40余套测试仪器第三代技术问世于2005年相关产品在世界范围内销售来自对称和非对称结构特征的反射信号的区别导波应用的核心技术我们采用两种模式的导波扭曲波管道的扭曲纵向波对管道进行压缩和伸展内空的管道扭曲模式纵向模式内载液体的管道扭曲波纵向波两种模式的操作区别扭曲模式纵向模式对纵向较深的裂缝和横截面积损失灵敏度高可以将探测环安装在离法兰很近位置进行测试难以发现小口径管道上纵向焊接的支撑物上的缺陷对管道上横截面积的损失灵敏度很高探测环必须安放在离法兰一米外位置上使用易于发现小口径管道上纵向焊接的支撑物上的缺陷系统组成固定探测环所有探测环都带有可被软件识别的唯一的系列码可在温度高达120c的管道上进行检测传感器内置弹簧紧密固定于管道上探测环周围需要清理3英寸表面柔韧探测环应用于636口径的管道探测环可以并联在一起用来检测更大口径的管道所有探测环都带有可被软件识别的唯一的系列码用打气筒对探测环充气25psi传感器组件可在不同探测环之间进行快速更换少于30分钟探测环周围需要清理2英寸表面更高温度管道可在某些预处理条件下进行操作wavemakerg3系统高输出高信噪比良好的信号过滤可保证仪器在恶劣环境下工作采用多通道探测环保证测试快速进行并可进行不同测试环的多种组合仪器本身具有独立测试能力和多种诊断参照保证操作人员的高效快速检测waveprotm软件独立研发并受专利保护的操作系统内含有英国帝国大学开发的dispersetm软件
第六讲 导波理论基础
∂2 ∇ 2 = ∇t2 + ∂ Z2
且
以Ez为例：
2 t
∂ 2 [ E ( x, y ) Z ( z )] 2 ∇ [ E ( x, y ) Z ( z )] + + k [ E ( x, y ) Z ( z )] = 0 2 ∂z ∇t2 E ( x, y ) 1 ∂ 2 Z ( z) + + k2 = 0 E ( x, y ) Z ( z) ∂ z 2
双导体系统中的TEM波
h I ( z) ˆ z× t iet ds = jωε ∫ etV ( z )iet ds ∫ ∂z s s z × ∂ etV ( z ) ih ds = − jωµ h I ( z )ih ds ˆ t t ∫t ∫ ∂z s s
ˆ ˆ ∫∫ z × h ie ds = − ∫∫ e × h ⋅ zds = −1
单导体波导的求解
E(x,y)的解由截面的边界条件决定，需要进行具体的讨论 Z(z)的解：
1 ∂ 2 Z ( z) 2 Z ( z ) = C1e −γ z + C2 eγ z =γ 2 Z ( z) ∂ z 仍然是由入射波和反射波构成。入射和反射 波的幅度由z轴上的始端或终端条件决定。
对H(x,y)的分析可以得到类似的结果，若仅传输入射
Maxwell方程
由z分量计算其他分量
单导体波导的求解
2、分量求解：
可分离变量： 假定Ez(或Hz)可分离变量：
∇ 2 Ez + k 2 Ez = 0 2 ∇ Hz + k 2Hz = 0
E z = E ( x, y ) Z ( z ) H z = H ( x, y )W ( z )
2、波导波长-相波长
无损检测之超声导波
•当介质中有多于一个的界面存在时，就会形成一些 具有一定厚度的“层”。位于层中的超声波将要经 受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波 形转换，并且波与波之间会发生复杂的干涉。若一 个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截，从 而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限 延伸的弹性平板。位于板内的纵波、横波将会在两 个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方 向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播。这 样的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中 传播的超声波即所谓的板波。板波是超声无损检测 中最常用的一种导波形式，由20世纪初究无限大板 中正弦波问题而得名。除此之外，圆柱壳、棒及层 状的弹性体都是典型的波导。其共同特性是由两个 或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸 〔如壁厚、直径等)到问题中来。在波导中传播的超 声波称为超声导波，在圆柱和圆柱壳中传播的导波 称为柱面导波。
Pits Scatter Sound Wave
Attenuation
Wave Propagation
Thinning Speeds Up the Wave
Transit Time Change
除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。
随后，各种类型的反射波和透射波及界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关，不依赖于波动
试验验证
超声导波的激发
To M sS Instrum ent Thin Ferrom agnetic Strip
C oil
Can be
used on
PLATES
AXUS
Or PIPES
AXUS
Can be in PLATES
Or
EMAT
超声导波简介
超声导波技术超声导波（Ultrasonic Guided Wave）检测技术（又称长距离超声遥探法）主要用于在线管道检测，包括低碳钢、奥氏体不锈钢、二重不锈钢等材料的无缝管、纵焊管、螺旋焊管。
可应用于油气管网（如天燃气管道、炼油厂火焰加热器中的垂直管路、带岩棉保温介质和漆层的架空液化气管道）及石油化工厂中的管网（如无保温层的输送CO与H合成类的淤浆管道、石油化工厂的交叉管路），码头管线、管区的连接管网，海上石油管网/导管，水下管道、电厂管网，结构管系，穿路/过堤管道、复杂或抬高管网，保温层下管道（例如带有保温层的氨水管道）、带有套管的管道，以及带有保护层的管道。
超声导波检测技术能检出管道内外部腐蚀或冲蚀、环向裂纹、焊缝错边、焊接缺陷、疲劳裂纹等缺陷。
最新的利用磁致伸缩换能器的超声导波检测已能应用于非铁磁性材料和非金属材料，除了管道检测还能用于棒材、钢索、电缆以及板盘件的检测。
超声导波检测的优点是能传播长距离而衰减很小，在一个位置固定脉冲回波列阵就可一次性对管壁进行长距离大范围的100%快速检测（100%覆盖管道壁厚），检测过程简单，不需要耦合剂，工作温度可达到零下40摄氏度到938摄氏度的高温范围，只需要剥离一小块防腐层以放置探头环即可进行检测，特别是对于地下埋管不开挖状态下的长距离检测更具有独特的优势。
下图示出管道腐蚀的常规检测与长距离超声导波检测的方法原理示意图。
常规差评声波检测是在经过表面清理的管道外面逐点扫查或抽检进行超声测厚，而超声导波检测是以探头环位置发射低频导波沿管线向远处传播，甚至在保温层下面传播，一次就能在一定范围内100%覆盖长距离的管壁进行测量，反射回波经探头被仪器接收，并以此评价管道的腐蚀状况，架设在一个探头位置的探头列阵可向两侧长距离的发射导波和接收回波信号，从而可对探头套环两侧的长距离管壁作100%的检测，从而达到更长的检测距离，目前已经能用应用于直径1.5~80英寸的管道现场检测，理想状态下可以沿管壁单方向传播最长达200米。
导波系统的名词解释
导波系统的名词解释导波系统是一种基于导波原理的通信系统，广泛应用于无线电，微波和光波通信领域。
导波系统通过引导电磁波沿特定的路径传输信息，使得信号能够以较低的损耗和较高的带宽传播。
在导波系统中，导波结构扮演着关键的角色，它可以是导线、光纤、波导等不同形式的介质。
一、导波结构在导波系统中，导波结构是指由一种材料或多种材料组成的特定形状，用于引导电磁波的传播。
它可以分为传统导线导波结构和光纤或波导等光学导波结构。
1. 传统导线导波结构传统导线导波结构是一种利用金属导线来传输电磁波的方法，常见的有同轴电缆、双线和平衡线等。
这些结构通过电磁波在导线内部传播的方式来传输信号，具有较小的传输损耗和较高的可靠性。
2. 光学导波结构光学导波结构是一种利用光纤或波导来传输光信号的方法。
光纤是一种通过光的全反射原理将光信号沿光纤传输的结构。
波导是一种通过调控其折射率分布使光信号在波导中传输的结构。
这些结构具有较大的带宽和较低的传输损耗，是现代通信系统中重要的组成部分。
二、导波模式导波模式是指在导波结构中，电磁波所具有的不同传播模式。
通过不同的导波模式，导波系统可以同时传输多个信号或者提供不同频率的传输。
导波模式可以分为纵向模式和横向模式。
纵向模式是指电磁波沿导波结构的传播方向为主传播方向，而横向模式是指电磁波在垂直于传播方向的平面上的传播行为。
在导波系统中，纵向模式可以是电磁波沿传播方向传输的基模，也可以是其他模式，如高次模。
横向模式则可以是电磁波垂直于传播方向的某个方向传输的模式。
三、导波器件导波器件是在导波系统中用于管理和控制导波结构中信号传输的元件。
常见的导波器件包括射频滤波器、功分器、耦合器、光纤光栅、光解复用器等。
这些器件根据导波原理的不同，可以对信号进行选择性的延迟、分配、耦合和滤波，从而实现不同的功能，如信号调制、信号放大、信号复用等。
导波器件可以是被动器件，也可以是有源器件。
被动器件是指不进行能量转换和放大的器件，如光纤光栅、射频滤波器等。
第七章 导行电磁波(2) 波导
因为无源，电与磁几乎对称。
二、规则波导的一般解
波导的一般解采用纵向分量法，其流图如下
出发点 无源区中
H jE E jH E 0 H 0
其它分量用
Maxwell 方程
波动方程 2 2 Ek E 0 2 2 H k H 0
2、矩形波导的求解
矩形波导的求解是典型的微分方程法，其流图如下
出发点 无源区中
H jE E jH E 0 H 0
Maxwell 方程
波动方程 2 2 Ek E 0 2 2 H k H 0
向的，而磁场则具有纵向分量。
(c) 横磁波（TM波）or 电波(E波) ：磁场是纯横向
的，而电场则具有纵向分量。
一、导行波的概念
TEM波、TE波及TM波的电场方向及磁场方向与传播方向的关系
如下图示。
E E E
es
H TEM波 H
es
H TM波
es
TE波
可以证明，能够建立静电场的导波系统必然能够传输TEM波。 根据麦克斯韦方程也可说明金属波导不能传输TEM波 (见矩形波导部分)。
可以得到波动方程
2 E k E 0 2 2 H k H 0
2
Байду номын сангаас
其中： k
2
2
称为介质波数
二、规则波导的一般解
2. 纵向分量方程
2 Ez k 2 Ez 0 2 H z k 2 H z 0
假定Ez(或Hz)可分离变量，也即
第七章（2） 波导 导行电磁波
微波技术基础导波的分类及各类导波的特性_版16样版
1.3 实现方法
2. 等效的Drude介质模型或Lorentz介质模型
2 ( ) 0 1 pe ( iΓe ) 2 ( ) 0 1 pm ( iΓm )
2 2 2 2 pm m ( j ) Γ ( j ) 0 m pm eff ( ) 1 2 2 2 m ( j )2 Γm ( j ) m 0 jΓm 0
19
特点:是相速大于平面波速，即大于该媒质中的光速，而群 速则小于该媒质中的光速，同时导波波长大于空间波长。这 是一种快波。 2 2 ② k kc ,临界状态 0 沿z方向没有波的传播过程，k称为临界（截止）波数。
c
kc
fc
kc 2
2 c kc
临界（截止）波长
复习
1. k、γ、kc代表的物理意义及三者之间的关系。 2. 简述金属柱面波导中，导波的三种状态？
sfsf
1
1.3 导波的分类及各类导波的特性
1.3.1 导波的分类
导波的类型是指满足无限长匀直导波系统横截面边界条件， 能独立存在的导波形式。 按导波有无纵向场分量可以分为两大类： 横电磁波（TEM波）→ Ez=Hz=0
sfsf 6
三TE波、TM波的特性分析
(2)群速
群速即信号传播速度，用 vg表示。它是指 ω略有不同 的两个或两个以上的正弦平面波，在传播中叠加所产生的 拍频传播速度，即波群的传播速度。之所以这样定义它， 是因为电磁波要传送信号，必须对它进行调制。信号的传 播速度应当是调制波中能反映信号的成分，例如调幅波波 群(或波包)的传播速度。 由两个频率相差甚微，从而相位常数也相差甚微的等 幅波叠加而成的波。设 j ( ) t z (1.63a) E1 Em e
第8章 导行电磁波
第8章导行电磁波§8.1 均匀波导的一般特性一、导波系统与导行波模式1、导波系统导波系统：在微波系统中，把电磁波能量从一处传送到另一处的装置称为导波系统。
常用的导波系统可分为以下三类：波导管：由单根封闭的柱形导体空管构成，电磁波在管内传播，简称为波导，如图4—1(a)所示的矩形波导。
传输线：由两根或两根以上平行导体构成，通常工作在其主模(TEM)或准横电磁波，故称TEM波传输线，如图4—1(b)所示的平行双线和同轴线。
表面波波导：由单根介质或敷介质层的导体构成，电磁波沿其表面传播，如图4—1(c)所示的微带线。
2、导波模式麦克斯韦方程组在特定边界条件下的一解称为电磁波的一种模式。
（1）TEM波：在电磁波的传播方向没有电场和磁场分量，称为横电磁波。
（2）TM 波：在电磁波的传播方向没有磁场分量，称为横磁波，或E 波。
（3）TE 波：在电磁波的传播方向没有电场分量，称为横电波，或M 波。
二、 导波系统的研究方法对导波系统的讨论可采用“场”和“路”的两种分析方法。
1、场分析方法(1)由麦克斯韦方程组得到导波系统内电磁场各分量间的关系。
(2)由波动方程及相应的边界条件求出导波系统内的电磁场分布。
(3)由得到的场分布可讨论导波系统内电磁波的传播特性。
2、“路”分析法在一定的条件下，以上“场”问题中的电场、磁场可用“路”问题中的电压、电流等效，这时： (1)引入分布参数，得到等效电路。
(2)利用基尔霍夫定律求出电压、电流。
(3)讨论传播特点。
三、 导波系统的场结构处理方法：由亥姆霍兹方程求出电磁场的纵向分量z z H E ,，则电磁场的横向分量y x y x H H E E ,,,可通过纵向分量求出。
1、均匀导波系统的假设(1)波导的横截面沿z 方向是均匀的，电磁波沿z 方向传播。
(2)波导壁由理想导体构成，即∞=σ。
(3)波导内填充的媒质为各向同性理想介质，即0=σ。
(4)所讨论的波导区域内没有源分布，即0,0==Jρ。
阐述光纤导波原理的应用
阐述光纤导波原理的应用一、光纤导波原理简介光纤导波原理是指光在光纤中传输时，利用光的全反射现象在光纤内部多次发生反射，从而沿光纤传输的现象。
光纤导波原理是光纤通信和光纤传感等应用的基础，通过这种原理，可以将光信号在光纤中传输到目标位置，并实现信号的传输和处理。
二、光纤导波原理的应用领域光纤导波原理在许多领域都有广泛的应用，以下是一些典型的应用领域：1. 光纤通信光纤通信是光纤导波原理最重要的应用之一。
光纤可以将光信号进行稳定和高速传输，光纤通信系统已经成为主流的通信方式。
它具有带宽大、传输距离远、抗干扰性好等优点，被广泛应用于电话、宽带网络、数据中心等领域。
2. 光纤传感光纤导波原理在光纤传感领域也有广泛的应用。
利用光纤的高灵敏度和光纤传输的特性，可以实现对温度、压力、位移等物理量的测量。
光纤传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、不受电磁干扰等特点，在石油、航空、医药等领域有着重要的应用。
3. 光纤激光器光纤激光器是利用光纤导波原理制造的激光器。
光纤激光器具有体积小、功率高、光束质量好等优点，被广泛应用于科研、医学、工业等领域。
光纤激光器的应用范围很广，例如激光切割、激光焊接、激光医疗等。
4. 光纤传输系统在一些特殊环境下，传统的电缆传输方式受到限制，而光纤传输系统具有免疫干扰、安全可靠等特点，广泛应用于军事、航空航天、能源等领域。
光纤传输系统通过光纤导波原理实现数据的传输，可以有效地解决传输距离远、抗干扰性要求高的问题。
三、光纤导波原理的关键技术光纤导波原理的应用离不开一些关键技术的支持，以下是一些光纤导波原理的关键技术：1. 多模光纤和单模光纤多模光纤和单模光纤是光纤传输中最常用的两种光纤类型。
多模光纤可以传输多个模式的光信号，而单模光纤只能传输一个模式的光信号。
多模光纤适用于短距离传输，而单模光纤适用于长距离传输和高容量通信。
2. 光纤连接技术光纤连接技术是保证光纤传输效果的关键技术之一。
光纤连接技术包括光纤连接器、插件件等，能够确保光纤连接的稳定性和可靠性。
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• 第三代技术问世于2005 年，相关产品在世 界范围内销售
导波应用的核心技术
• 单一模式的激发 • 传播方向的控制 • 来自对称和非对称结构特征的反射信号的区别
我们采用两种模式的导波
扭曲波
(管道的扭曲)
纵向波
(对管道进行压缩和伸展)
内空的管道
扭曲模式
轴对称性
用黑色和红色显示
• 黑色曲线代表轴对称反射波 • 红色曲线代表非轴对称反射波
一个非对称
一个对称的焊缝
的缺陷
-F-F43
-F2
-F1
+F1 +F2 +F3 +F4
3.0
Amp (mV)
2.0
1.0
-10.0
-5.0
0.0
Distance (m)
5.0
#12403
红线和黑线的比例 依赖于特征结构的圆周程度
导波简介
导波是沿着，而不是透过， 被测结构进行传播
T传ran感s du器ce r
常C规on超ven声tio检nal测
Structure
Reg被ion检of s测truc的ture区in域spected
T传ran感s du器ce r
G导uid波ed检wa测ves
Structure
R被egi检on o测f st的ruc区ture域inspected
很高 • 仅能在较窄的频率范围内使用 • 探测环必须安放在离法兰一米外
位置上使用
• 易于发现小口径管道上纵向焊接 的支撑物上的缺陷
系统组成
固定探测环
• 应用于2”-8”口径的管道
• 所有探测环都带有可被软件 识别的唯一的系列码
• 可在温度高达120ºC的管道 上进行检测
• 传感器内置弹簧，紧密固定 于管道上
• 探测环周围需要清理3英寸 表面
柔韧探测环
• 应用于6”-36” 口径的管道
• 探测环可以并联在一起用来检测更 大口径的管道
• 所有探测环都带有可被软件识别的 唯一的系列码
• 可在温度达70ºC的管道上进行检测*
• 用打气筒对探测环充气(25 p.s.i) ， 使传感器接触到管道表面
• 传感器组件可在不同探测环之间进 行快速更换 (少于30分钟)
– 即使在低频范围也对 小缺陷敏感
– 点检测
– 快速筛选检查
导波技术发展过程
导波
• 导波技术用于无损检测始于20-30年前 • 1987年英国帝国大学开始研究导波技术 • 第一代技术于1998年获得商业应用许可 • 1998-2000年进行第二代技术的开发 • 在1999年导波技术的专利所有人创建了英
• 传播范围是有限的
Amp (mV)
0.6
0.4
0.2
0.0 0.0
-F1
-F2
-F3
-F4
-F5
5.0
10.0
15.0
20.0
Distance (m)
距离强度校正曲线（ DAC ）
• 在数据图上DAC曲线用虚线表示 • DAC 曲线给出某种大小的特征结构相对
反射强度 • 多达4种不同DAC 曲线可被显示
当结构特征
1
位于圆周上 强
度
较小范围内 比
红=黑
0 00
圆周程度 (%)
红 << 黑
应用领域
• 快速，完全覆盖整个管道的筛查 • 特别在难于接近的管道检测中具有明显的
成本优势
– 集管架 – 隔离层下的腐蚀检测 – 带套管的穿路管道 – 穿墙管道
• 可以检测裂缝和金属损失 (大于横截面积 2%)
集管架
通常支管架都是易于检测的， 可与获得很长的检测范围。
隔离层防护的管道
测试过程中仅需 要去除小部分的 隔离材料
带有套管的穿路管道
被剥去涂层的套管
测试仅仅需要从入 地、出地口进行
管道发生严重腐蚀的部分
穿墙管道
测试仅仅需要 从入墙口进行
高架管线
测试仅需要有限的 接近，能减少搭制 脚手架的需要
采用Wavemaker管道筛检系统 进行管道探测
管道横截面积上的任何变化 都会产生导波的反射
• 信号强度取决于横截面积的变化
灰色区域表示横截面积
例如
入射波 (100% 能量)
反射波
(20% 能量)
前行波
(80% 能量)
使信号强度衰减的因素
• 远距离特征结构的反射强度会比近距离特征结 构的反射信号小
管壁成为超声波的向导，引导 其沿着管道纵向传播下去
从一个特征点的反射
(例如腐蚀)
T 传ra n 感sd 器u ce r
S tru ctu re
当导波遇到管道横截面的改变， 会向传感器发射一个反射信号
常规超声检测与导波技术的对比
• 常规超声检测
• 导波技术
– 高频
– 低频
– 波长短
– 波长长
– 在高频范围对小缺陷 敏感
• 探测环周围需要清理2英寸表面
*更高温度管道可在某些预处理条件下进行操作
Wavemaker G3系统
• 高输出、高信噪比、良好 的信号过滤，可保证仪器在 恶劣环境下工作
• 采用多通道探测环保证测 试快速进行，并可进行不同 测试环的多种组合
• 仪器本身具有独立测试能 力和多种诊断参照，保证操 作人员的高效、快速检测
检测能力
• 在测试范围内，管道能够被100%检测 • 提供特征结构的位置和相对尺寸的信息 • 可以在不停工情况下进行在线检测 • 对管道上任何位置缺陷都具有相同的灵敏度
( 法兰, 焊缝, 警戒线, 噪音线 )
结构特征的分类: 对称还是非对称?
对称反射
• 在传播过程中导波是对称的 • 当遇到一个对称的特征结构时，将产生
一个对称的反射波
管道
对称反射
非对称反射
• 非对称结构特征的反射信号
– 将产生一些非对称反射波 – 这被称作 ‘模式转换’ 信号 – 在测试结果中可被检测，并用红色表示
WaveproTM 软件
• 独立研发并受专利保护的操作系统，内含有英 国帝国大学开发的DisperseTM 软件。 • 可在任何装有Windows®系统的微机上操作， 使用鼠标的指向和点击功能
• 操作系统自动识别和存储操作人员、测试设置 、探测环和仪器等信息，内含GPS可记录测试 的精确位置
• 在数据解读上提供强有力的分析工具
纵向模式
内载液体的管道
扭曲波
纵向波
两种模式的操作区别
扭曲模式
• 液体内容物影响小 • 需要两排传感器进行测量 • 对纵向较深的裂缝和横截面
积损失灵敏度高 • 可以在较宽频率范围内使用 • 可以将探测环安装在离法兰
很近位置进行测试
• 难以发现小口径管道上纵向 焊接的支撑物上的缺陷
纵向模式
• 在装满液体的管道上难以使用 • 需要四排传感器进行测量 • 对管道上横截面积的损失灵敏度