一种金属板件表面缺陷检测和定位的微波检测探头及方法与流程

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种适用于金属板件表面缺陷高效检测和定位的微波检测探头和相应的缺陷定位方法。

背景技术：

金属板件广泛应用于人类的生产生活当中，尤其是在一些核心和关键的机械结构中。飞机机身是缺陷经常发生的地方。从早期检测角度来看，对早期金属板件表面的缺陷检测是很有必要的。常规的涡流检测方法需要逐点扫描，对人力和财力都有很高的要求，代价极大。其他无损检测方法，如漏磁法，红外热成像法等效率低下，超声检测需要耦合介质比较麻烦。微波检测具有不接触检测物体，穿透介电材料等特性。这使得微波在金属板件表面缺陷检测上具有独特的优势。

虽然学者们早在20世纪70年代就开始了微波检测的研究。但是直到近年，才出现使用带金属法兰的矩形波导进行近场检测的研究。最近，掀起了一阵采用开放式同轴传感器微波探头检测裂纹的研究热潮，这种探头灵敏度极高，甚至能检测出闭合裂纹。研究者不仅将其应用到近场检测金属板件表面缺陷，还将其应用到远场管道裂纹、管壁减薄、微生物识别的检测、定位和定量评估中。将管道看作圆形波导管，向圆形波导管中发射微波信号，圆形波导管内壁表面存在电流。当管道出现缺陷，缺陷阻碍波导管内壁表面电流流动，波导管内壁电流的变化引起管道内的电磁波的变化，探头接收到的电磁波信号携有与缺陷有关的信息。由于微波可以在波导管中传输很长一段距离，且衰减较少。故上述方法能够大范围地检测金属管道内表面缺陷。

技术实现要素：

为了提高微波检测金属板件的效率，本发明提出了一种金属板件表面缺陷检测和定位的微波检测探头及方法，利用该微波检测探头可以实现金属板件表面缺陷的检测和定位，鉴于国内对微波检测金属板件表面缺陷方法尚不完善，本发明提出微波检测探头具很强的实用性和较高的工程应用价值。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属板件表面缺陷检测和定位的微波检测探头，包括底边相等为l、高度为h、无底面的长方体金属盒型的金属罩1，其中0<h≤l，，固定在探头金属罩1相邻两侧面的两只相同的射频同轴连接器，分别为x方向对应的第一射频同轴连接器T和y方向对应的第二射频同轴连接器D。

所述探头金属罩1是由电导率不小于4.10×10⁷S/m的金属材料制作。

所述探头金属罩1内壁上镀金或银。

在探头金属罩1相邻的两个l×h侧面中心分别固定两个相同的射频同轴连接器。

所述第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器D是母转公连接器，公头在探头金属罩1内侧，母头在探头金属罩1外侧，用于连接同轴线电缆。

所述微波检测探头一次性检测金属板件区域为l×l。

探头上金属罩的设计使得在检测时，微波信号集中在微波检测探头和待测金属板件组成的矩形波导管中传播，提高了检测效率和灵敏度。

所述的微波检测探头进行金属板件表面缺陷检测和定位的方法，具体步骤如下：

1)搭建实验系统，微波矢量网络分析仪和同轴线电缆一端连接，同轴线电缆另一端与第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器D连接；微波检测探头固定在探头支架上，探头支架能够在x、y、z三个方向移动；为了消除仪器对测量结果的影响，测量前需要对仪器进行电校准，保证微波检测探头上的两只射频同轴连接器公头为零基准面；在标准金属板件上，对微波检测探头进行群速度校准；

2)移动探头支架到位置(X,Y)，检测区域为[X‐l/2,X+l/2]×[Y‐l/2,Y+l/2]；在z方向上移动探头支架，将微波检测探头紧贴在金属板件表面，这样探头金属罩1和待测金属板件构成矩形波导管；

3)微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第一射频同轴连接器T给微波检测探头提供微波信号，使微波在探头中沿x方向传播，微波矢量网络分析仪在第一射频同轴连接器T中检测反射的微波信号；

4)通过反傅立叶变换，计算得出时域信号；若时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前不存在明显的反射波峰，移动探头到下一个检测位置，重复步骤2)‐4)，继续金属板件表面缺陷的检测，直至完成全部待检测区域的检测；若在微波终端反射峰T_end时刻前存在明显的反射波峰，采用校准后的群速度确定缺陷的相对横坐标x_r；

5)微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第二射频同轴连接器D给微波检测探头提供微波信号，使微波在探头中沿y方向传播，在第二射频同轴连接器D中检测反射的微波信号；

6)通过反傅立叶变换，计算得出时域信号；观察时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前的显著波峰，通过这个显著波峰时刻确定缺陷的相对纵坐标y_r；

7)采用公式x＝X+x_r‐l/2,y＝Y+y_r‐l/2计算，最终确定缺陷在被测金属板面上位置。

检测时，针对检测缺陷的方向选择合适的主导模式微波，其中，TE波主导模式微波检测平行于微波传输方向的缺陷灵敏度高，TM波主导模式微波检测垂直于微波传输方向的缺陷灵敏度高。

根据微波检测探头的尺寸和主导模式微波、检测灵敏度确定检测波的频率范围，通过微波矢量网络分析仪控制检测波的频率范围。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明设计的微波检测探头利用金属罩将微波全部限制在金属罩和待测金属板件组成的矩形波导管中，使微波在矩形波导管中传播。微波在金属罩和待测金属板件组成的矩形波导管传输时，微波在矩形波导管腔中传播，矩形波导管内壁表面存在电流，这样检测到的微波信号携带有与金属板件表面缺陷有关的信息。与传统微波检测金属的探头相比，如同轴探头、带金属法兰的矩形波导探头、带金属法兰的开放式同轴线传感器探头，这种封闭式探头将微波的传播全部集中在了高电导率金属罩和待测金属板件组成的矩形波导管中，提高了检测效率和灵敏度。该微波检测探头结构简单，检测对象广，检测便捷，检测效率高，检测精度高。微波检测探头对金属板件的检测时，只要让微波检测探头紧贴在金属板件需要检测区域的表面，就可以进行缺陷检测。该微波检测探头可以对任意形状的无孔洞的平面金属板件的表面缺陷检测和定位。检测时，只需要保持待检测金属板件表面清洁，将微波检测探头紧贴在金属板件上，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和同轴射频连接器发射和接收信号，即可实现对金属板件表面缺陷的检测和定位。采用这种新型的微波检测探头检测，一次性检测平面金属板件区域面积是l×l。检测时，微波集中在微波检测探头和待测金属板件组成的矩形波导管中传播，具有较高的检测效率和灵敏度。

附图说明

图1为微波检测探头的立体图。

图2为微波检测探头的主视剖视图。

图3为微波检测探头的左视剖视图。

图4为微波检测探头俯视剖视图。

图5为微波检测探头前侧面前视图。

图6为微波检测探头前侧面后视图。

图7为微波检测探头右侧面右视图。

图8为微波检测探头右侧面左视图。

图9为自主设计的微波检测探头对金属板件表面缺陷检测和定位示意图。

图10为微波检测探头在金属板件表面移动检测缺陷的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

微波检测探头的设计和检测方法：

如图1‐8所示，本发明设计的在电导率不小于4.10×10⁷S/m金属材料制作的金属罩1(金属罩1的形状是底边相等无底面的长方体金属盒型)相邻的两个l×h侧面上固定两只射频同轴连接器的一种新型的微波检测探头。探头金属罩1由电导率不小于4.10×10⁷S/m的金属材料制作，由于微波在波导管传输时，微波在波导管中传播，波导管内壁表面存在电流，与波导管本体材料基本无关，可在探头金属罩1内壁上镀金或银，这样减少微波传输过程中的损耗。内壁镀金或银金属罩的形状是底边相等无底面的长方体金属盒型，金属罩长l、宽l、高h(0<h≤l)。在金属罩1相邻的两个l×h侧面中心分别固定两个相同的射频同轴连接器，分别为第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器D。这两只射频同轴连接器是母转公连接器，它们的公头在探头金属罩1内侧，母头在探头金属罩1外侧。

搭建实验系统，如图9所示，本发明设计的微波检测探头应用的实验系统由微波矢量网络分析仪4、第一同轴线电缆2、第二同轴线电缆3、微波检测探头和探头支架组成。微波矢量网络分析仪4和第一同轴线电缆2一端连接，第一同轴线电缆2另一端与金属罩1上的第一射频同轴连接器T连接，同时，微波矢量网络分析仪4和第二同轴线电缆3一端连接，第二同轴线电缆3另一端与金属罩1上的第一射频同轴连接器D连接。金属板件的长L、宽W、高H。微波检测探头固定在探头支架上，探头支架可以在x、y、z三个方向移动。检测金属板件时，如图10所示，移动探头支架到(X,Y),待检测区域为[X‐l/2,X+l/2]×[Y‐l/2,Y+l/2]。在z方向上移动探头支架，将微波检测探头紧贴在金属板件表面，这样金属罩和待测金属板件构成矩形波导管。

微波矢量网络分析仪通过同轴电缆和射频同轴连接器(T或者D)分别给微波检测探头中提供微波信号，使微波在探头中沿特定方向传播：当微波矢量网络分析仪通过同轴电缆和第一射频同轴连接器T给微波检测探头提供微波信号时，微波在探头中沿着x方向传播；当微波矢量网络分析仪通过同轴电缆和第二射频同轴连接器D给微波检测探头提供微波信号时，微波在探头中沿着y方向传播。第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器D的公头在探头内部，使探头内微波的传播更集中。同时，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的同一射频同轴连接器检测反射波信号。当金属板件存在缺陷时，阻碍波导管内壁表面电流的流动。波导管内壁表面电流的变化引起波导腔中传输的微波的变化，微波矢量网络分析仪在射频同轴连接器中检测到的反射波信号携有与缺陷位置有关的信息。通过反傅立叶变换，计算得出时域信号。观察时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前是否存在的显著波峰。若存在这样的显著波峰，通过这个显著波峰时刻确定缺陷的位置。

针对检测的裂纹方向选择相应的主导模式微波，TE波主导模式微波检测平行于微波传输方向的缺陷灵敏度高；TM波主导模式微波检测垂直于微波传输方向的缺陷灵敏度高。根据微波检测探头的尺寸和主导模式微波、检测灵敏度(与缺陷尺寸的数量级有关)确定检测波的频率范围。根据公式确定微波的截止频率，其中c是真空中的光速，a,b是矩形波导的长边和短边，m,n是不全为零的自然数。

具体检测时，首先，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第一射频同轴连接器T给探头提供信号，使微波在探头内沿着x方向传播。同时，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第一射频同轴连接器T检测反射的微波信号。通过反傅立叶变换，计算得出时域信号。观察时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前是否存在的显著波峰。若存在这样的显著波峰，通过这个显著波峰时刻确定缺陷的相对横坐标。否则，移动探头支架到下一个检测位置，继续检测，直至完成全部待检测区域的检测。其次，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第二射频同轴连接器D给微波检测探头提供微波信号，使微波在探头中沿着y方向传播。同时，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第二射频同轴连接器D检测反射的微波信号，通过反傅立叶变换，计算得出时域信号。观察时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前的显著波峰，通过这个显著波峰时刻确定缺陷的相对纵坐标。

1)如图1‐8，设计制作微波检测探头，主要包括高电导率探头金属罩1，以及分别固定在探头金属罩1相邻的两个l×h侧面中心上的两只射频同轴连接器，分别为第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器D。

2)在金属板件上制作多处缺陷。

3)实验系统主要由微波矢量网络分析仪，同轴线电缆，微波检测探头，和探头支架组成。搭建实验系统，如图9，微波矢量网络分析仪4第一同轴线电缆2一端连接，第一同轴线电缆2另一端与金属罩1上的第一射频同轴连接器T连接，同时，微波矢量网络分析仪4和第二同轴线电缆3一端连接，第二同轴线电缆3另一端与金属罩1上的第一射频同轴连接器D连接。微波检测探头固定在探头支架上，探头支架可以在x、y、z三个方向上移动。

4)为了消除仪器对测量结果的影响，测量前需要对仪器进行电校准，保证微波检测探头上的两只射频同轴连接器公头为零基准面。

5)在标准金属板件上，对微波检测探头进行群速度校准。

6)在待检测金属板件区域移动探头支架，检测缺陷，确定缺陷位置。

检测缺陷和缺陷定位的具体步骤如下：

1)移动探头支架到位置(X,Y)，检测区域为[X‐l/2,X+l/2]×[Y‐l/2,Y+l/2]。在z方向上移动探头支架，将微波检测探头紧贴在金属板件表面。

2)微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第一射频同轴连接器T给微波检测探头提供信号，使微波在探头中沿着x方向传播。微波矢量网络分析仪在第一射频同轴连接器T中检测反射的微波信号。

3)通过反傅立叶变换，计算得出时域信号。若时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前不存在明显的反射波峰，移动探头到下一个检测位置，重复步骤1)‐3)，继续金属板件表面缺陷的检测，直至完成全部待检测区域的检测。若在矩形波导管终端反射峰T_end时刻前存在明显的反射波峰，采用校准后的群速度确定缺陷的相对横坐标x_r。

4)微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和微波检测探头上的第二射频同轴连接器D向微波检测探头提供微波信号，使微波在探头中沿着y方向传播。微波矢量网络分析仪在第二射频同轴连接器D中检测反射的微波信号。

5)通过反傅立叶变换，计算得出时域信号。观察时域信号在矩形波导管终端产生的反射峰T_end时刻前的显著波峰，通过这个显著波峰时刻确定缺陷的相对纵坐标y_r。

6)采用公式x＝X+x_r‐l/2,y＝Y+y_r‐l/2计算，最终确定缺陷在被测金属板面上位置。