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r

ελ/）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42

mm ，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3

mm 。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