微波检测主要方法

第九章 微波检测主要方法第一节 微波检测方法分类微波检测方法分主动式和被动式两种，后者包括辐射计检测方法。

主动式微波法如下：()⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧法衍射法穿透法反射法计算机辅助断层成像—层析法微波涡流法扫频干涉法多频全息法点频驻波法干涉法反向散射法—散射法时域反射法脉冲调制波反射法频率调制波反射法扫频连续波反射法点频连续波反射法—双探头单探头魔定向耦合器法反射法脉冲调制波穿透法扫频连续波穿透法点频连续波穿透法穿透法微波法CT CT CT CT T各类微波检测方法如表。

该表对各种物理现象和用途进行了比较。

辐射计方法在被动式检测中具有广泛的应用。

在主动式检测中，特别是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，并将它与滤波（核）函数卷积，再进行反投影，用计算机重建图像的方法，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。

这是今后重点发展的方向。

表各类微波检测方法的物理现象和用途图为常用微波传感器布置。

材料发射器接收器(d)正交放置散射法(c)收发分置反射法第二节 微波检测主要方法一、微波穿透法（一）系统微波穿透（或称传输）法检测系统如图（a ）所示。

微波信号源用来产生等幅连续波，扫频波和脉冲调制波。

当被测材料对微波有吸收时，比如含有水分，透射波随传输距离增大而衰减。

在检测前，应把系统中指示器灵敏度放在最小位置，以免过载而损坏。

如果系统阻抗不均匀，可采用阻抗过渡办法得到匹配。

根据幅度、相位的变化反映材料内部状况这一特点，就可进行材料物理和化学变化的测定。

从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波信号源的信号比较幅度和相位。

如图（b ）所示。

在此参考信号取t V ωcos 0，则接收信号()()()t V t V t V ωϕωϕϕωsin sin cos cos cos '+'=-'式中, ϕsin V '为正交分量（也称90o 相移分量）；ϕcos V '为同相分量。

（二）分类穿透法（传输法）有三种：点频连续波法、扫频连续波法、脉冲调制波法。

1．点频连续波穿透法微波发生器的频率是稳定的，且是窄带的；或者是所要求的频带宽度内材料性质随频率改变非常小，从而对频率并非特别敏感。

点频连续波传输的两种分量（同相和90o 相移）都能检测，且相互干扰很小。

用穿透法检测玻璃钢或非金属胶接件缺陷，也主要是监视接收微波束相位或幅度的变化。

为改善微波辐射波束，可采用介质透镜，以保证波束横截面窄小，提高分辨率。

下面举三个实例说明：（1）甲基丙烯酸甲酯材料 在厚度36毫米的平板试样中，平行于表面钻5个直径为2毫米（相应于材料内波长rελ/）的直孔，它们距表面分别为5、10、15、20、25mm （电场强度矢量方向平行于钻孔方向），扫描试样检测结果如图所示。

曲线下凹部分就是缺陷信号。

实线表示收发探头都用开口波导的结果；虚线表示接收用开口波导，发射用喇叭加透镜的结果。

随着小孔到接收探头距离的减小，缺陷信号幅度增大，曲线宽度减小（曲线更加尖锐）。

对位于中间的小孔，曲线宽度减小，旁瓣数增加。

（2）聚氯乙烯材料 在平板试样中刻有不同宽度b 和深度t 的矩形槽，其截面积bt为42mm ，如图所示。

图中实线和虚线的意义同（1）所述，比较两者可以发现当槽宽b ≥6mm 时，缺陷信号幅度大小与缺陷深度大小成正比。

（3）聚氯乙烯材料 在平板试样中钻不同直径和深度的圆孔，其容积等于3mm 。

平底孔中心轴与微波波束轴线平行。

图平底孔的直径对缺陷信号的宽度影响较小，在~2.2mm 整个范围内孔深与缺陷信号幅度也成比例。

图 钻孔信号比较距离(mm)信号幅度 (μV )发射接收图为另一种微波穿透法检测系统。

0 50 100距离(mm)图相同截面的矩形槽信号曲线(聚氯乙烯板厚22毫米)信号幅度(μV )0 50 100 150 200距离(mm)图相同容积平底孔信号曲线(聚氯乙烯板厚22毫米)信号幅度(μV )（a）一般方式（b）魔T方式图另一种微波穿透法检测系统2．扫频连续波穿透法某些微波相互作用的频率是敏感的，在这时它们的谐振频率随材料性质的改变而改变。

在必须应用的实际频带的范围内，响应为频率的函数。

点频微波发生器代之以其频率被预先编程能自动变化的扫频频率微波发生器，现行电子自动扫频可以一倍频程或更宽的频带（例如1~2GHz）工作。

低噪声、高增益、宽带放大器还能测定通过具有很高衰减材料的穿透传输信号。

已有从100kHz 到4GHz 或10MHz 到40GHz 的多倍程发生器。

矢量网络分析器提供了宽带的幅度和相位。

3．脉冲调制穿透法穿透传输波能实现相位测量，但只相对参考波而言。

当要求测量传输时间时，就要应用脉冲调制技术。

为调制脉冲，在微波发生器内应有选通或关闭功能。

在接收器内的相敏检测器（相位比较器）通常被峰值检测器所取代。

因此，接收器输出由相对于发送脉冲有一定时间延迟的若干脉冲组成。

扫频频率测量给出了群延迟信息。

矢量网络的分析时间域特征也可以有效地应用。

二、微波反射法（一）点频连续波反射法微波反射法要求收发传感器轴线与工件(a)单路定向耦合反射计试件图点频连续波反射法方框图根据信号源和所使用的微波器件不同，有定向耦合器反射计，单、双喇叭反射计，调频反射计（扫频反射计）及时域反射计等之分，图（b）为双路定向耦合反射计系统框图。

反射计的信号源产生的微波信号通过波导进入测量系统，采用铁氧体隔离器作去耦衰减器，防止反射波进入信号源影响其输出功率与频率的稳定。

可变衰减器用来调节输出功率的大小，使指示器有适度的指示。

定向耦合器从主传输系统中按一定比例分出部分功率，也就是对入射波和反射波分别进行取样。

检波器用来检测微波信号。

利用晶体二极管的非线性进行检波，将微波信号转换为直流或低频信号，用一般仪器指示。

图（d ）是双喇叭反射计系统方框图（魔T 桥路反射计）。

魔T 的臂E 接信号源，1、2臂分别接衰减器、相移器和喇叭天线。

如果1、2两臂的负载阻抗相等，则其所引起的反射系数也相等，在这个条件下魔T 的H 臂无输出，表示电桥平衡。

如果用喇叭探头扫描检测，恰好碰到试件内的缺陷，则两个反射系数不相等，电桥失去平衡，指示器指示不为零。

对相移器的基本要求是微波通过时的相移可以调节，但不产生衰减。

在该系统中，若使用连续波信号源，用图形记录检测结果；信号是扫频波，则用示波器记录和观察结果。

在用微波检测夹层材料时，由于试件内夹层之层厚d 为四分之一波长奇数倍，即()n m d 4/120λ-=时，式中n 为折射率，m 为正整数，分层间反射波相互抵消。

因此，在采用反射法检测时也要精心选择微波频率，防止发生“相位改变π层间反射波消失”的现象。

图为微波频域反射测量法示意图。

反射计喇叭至被检材料部件之间的距离d （空气）可用下式表示：()s c f d d 2/∆=（9-1）式中, df ∆为从频谱分析仪或频率计读取的差（拍）频，Hz ；C 为微波在空气中的传播速度，m/s ；s 为微波源扫频速率，Hz/s 。

()PB P f f s //12=-=（9-2）式中, P 为从频率1f 扫到频率2f 所需的时间，s ；B 为带宽，Hz 。

频谱分析仪频率 fd 正比于d幅度(c)频谱分析显示（二）微波调频反射计图为微波调频反射计极其响应曲线。

)(b)频率图示))图微波频域反射测量法示意图ff塑料板f（a）金属反射时反射计装置及发射信号波形；（b）金属反射时反射计装置及接收信号波形；反射的深度可用脉冲调制入射波进行测定。

当反射的时间延迟脉冲与入射脉冲在时间上进行比较且微波在材料中的速度已知时，就能测定反射位置的深度。

在频率与时间域两种调制中，反射体的特征可以根据反射信号的强度测定。

（三）相位检测系统反射法有两种形式：单天线与双天线系统。

单天线系统，入射和反射波均沿着微波发生器和天线间的波导传输，如图（a）所示。

相位检测器的设置用于比较相对于入射相位的反射波相位。

这就给出了两个输出信号，即在反射波中分别正比于同相和90o移相的分量。

当垂直或近于垂直入射时，工作良好。

双天线反射系统（图（b））工作在适当反射的入射角。

这时反射天线设备与用于穿透测量的是相同的。

但在穿透测量中，反射波没有被利用。

(a) 单天线反射系统(b) 双天线反射系统图用于微波测量的单天线和双天线反射系统图在材料表面，边界条件必需遵守。

从第一表面反射的微波并不包含有关被测样件内部材料不均匀性的任何信息。

而来自内部的不连续或边界的较远的反射，当在表面折射时，它们最终加在表面反射波上。

如果受检部件背面有一层导电金属，微波从该金属面反射通过材料两次，它也加在表面反射波上，提供有关材料内部的信息。

1．点频连续波反射微波信号从天线入射到材料，同一天线检测反射信号中同相和90o相移两分量。

实际上往往只利用反射信号的幅度。

双天线反射技术（图（b））亦能用在点频上。

但它有两个局限：首先，缺陷的深度不能被测定；其次，材料的频率响应不能被测定。

因此，扫频技术得到了更多的应用。

2、扫频连续波反射材料与微波的相互作用对频率敏感。

反射波以频率为函数，在扫频的情况下，通常采用矢量网络分析仪的反射信号幅度。

如果反射信号在非线性元件中与入射信号混合产生差分信号，用扫频技术就能测量深度，即不仅可以测定内部反射体的存在，而且也能测定深度。

当然，深度也能利用时间域反射在矢量网络分析器上测量。

此外，利用频率的慢扫描鉴别材料的几个小间隔的特殊层。

四分之一波长偶数倍的反射大于四分之一波长奇数倍的反射。

通过识别反射信号特定频率辨认该层所占空间是四分之一波长的偶数整数倍或是奇数整数倍。

例如，采用同样的效应，用以减小来自以介电层覆盖的透镜的反射。

三、微波散射法图为微波散射法检测系统。

一般散射计安装收、发传感器，可按接收信号强弱调整角度，也可互相垂直。

如图用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波，再用检波器接收信号，确定工件散射特性，以判断内部缺陷。

若将材料内部气孔当作散射源，可根据微波工作波长来确定其最小尺寸，即气孔半径πλ2/≈ka。

若工件为蜂窝/1=夹层结构，要发现半径a=1.3mm的气孔，所用微波散射计的频率应高于35GHz，即工作波长应小于8.6mm才有可能。

图 微波散射法检测系统 假如散射源是一个金属球或者介质球，在瑞利区，即波长较半径大得多时，则有πλ5<a ；若使用频率为100千兆赫，能够检测飞船外壳防热陶瓷片内部夹杂半径小于70微米，可见灵敏度相当高。