一种基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测装置及方法

1.本发明涉及微波及检测技术领域，更具体地，涉及一种基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测装置及方法。


背景技术：

2.金属材料是目前各领域设备上广泛应用的材料。金属零部件在长时间的使用过程中，会受到高负荷、腐蚀、高温高压等环境的影响，会造成金属零部件表面产生裂纹等问题，如果不能及时对金属裂纹进行有效的检测以及采取有效的补救措施，会降低各设备的稳定性和安全性，导致各设备不能正常工作，甚至导致安全事故的发生。因此，对这些工作设备进行有效的检测显得尤为重要。
3.公开号为cn112683930a(公开日为2021
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20)提出一种用于金属裂纹的检测装置和方法，其中装置包括：矩形波导、网络分析仪和计算机终端；矩形波导的两端分别通过同轴电缆与网络分析仪连接；网络分析仪外接至计算机终端；矩形波导的底壁为开放状态，矩形波导放置于具有裂纹的待测金属上，且矩形波导的行波传输方向与裂纹相互垂直；矩形波导用于：产生行波；网络分析仪用于：采集矩形波导的s21参数；计算机终端用于：根据s21参数计算得到矩形波导的陷波频率，并根据陷波频率表征待测金属的裂纹特征。
4.然而，该装置采用的矩形波导为由金属材料(铜、铝等)制成的，内部填充空气或介质的金属波导，工作在te
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工作模式，该装置存在灵敏度较低、受环境的影响较大，不能应用于高温高湿等复杂环境等问题。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术所述的灵敏度低和应用环境受限的缺陷，提供一种基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测装置及方法。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.第一个方面，本发明提出一种基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测装置，包括共面集成镜像介质波导、网络分析仪和上位机；所述共面集成镜像介质波导的两端与所述网络分析仪连接，所述网络分析仪外接所述上位机；所述共面集成镜像介质波导包括基片集成非辐射介质波导、基片集成镜像介质波导；所述基片集成非辐射介质波导和所述基片集成镜像介质波导之间设置有过渡带；所述共面集成镜像介质波导产生行波；所述基片集成镜像介质波导用于裂纹感知，其工作在模式。
8.将共面集成镜像介质波导放置于具有裂纹的待测金属上，共面集成镜像介质波导产生行波；行波的传输方向与待测金属的裂纹相互垂直；行波经所述基片集成镜像介质波导、过渡带传输至所述基片集成非辐射介质波导后输入所述网络分析仪中完成行波的采集；网络分析仪采集行波，计算行波的正向传输系数；上位机根据行波的正向传输系数计算得到共面集成镜像介质波导的陷波频率，并根据陷波频率获取待测金属的裂纹剖面特征，得到裂纹检测结果。
9.优选地，所述基片集成非辐射介质波导的工作模式为te
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模式，所述对裂纹进行监测的部分为基片集成镜像介质波导，其工作模式为模式。
10.优选地，所述共面集成镜像介质波导还包括介质基板。
11.优选地，所述共面集成镜像介质波导在介质基板上进行周期性开槽。
12.优选地，所述共面集成镜像介质波导采用的介质包括陶瓷介质。
13.优选地，所述陶瓷介质的介电常数为10～30。
14.优选地，所述陶瓷介质的损耗角的正切值为0.001～0.003。
15.优选地，所述共面集成镜像介质波导底壁为开放状态。
16.第二个方面，本发明还提出一种基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测方法，应用于上述任一方案所述的基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测装置，包括以下步骤：
17.s1：将共面集成镜像介质波导放置于具有裂纹的待测金属上，共面集成镜像介质波导产生行波；
18.s2：网络分析仪采集行波，计算行波的正向传输系数；
19.s3：上位机根据行波的正向传输系数计算得到共面集成镜像介质波导的陷波频率，并根据陷波频率获取待测金属的裂纹剖面特征。
20.优选地，所述行波的传输方向与待测金属的裂纹相互垂直。
21.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：采用由基片集成非辐射介质波导、基片集成镜像介质波导和过渡带组成的共面集成镜像介质波导，利用过渡带将基片集成非辐射介质波导的te
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工作模式转换为基片集成镜像介质波导的的工作模式，使共面集成镜像介质波导产生行波，计算出共面集成镜像介质波导对裂纹的检测灵敏度高的陷波频率，提升了裂纹检测装置的检测灵敏度。另外，共面集成镜像介质波导由基片集成非辐射介质波导和用于裂纹感知的基片集成镜像介质波导构成，可以用于检测不同的、复杂的环境和区域。
附图说明
22.图1为实施例1中基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测装置的结构示意图。
23.图2为实施例1中待测金属板与共面集成镜像介质波导的立体图。
24.图3为实施例1中待测金属板与共面集成镜像介质波导的侧视图。
25.图4为实施例1中裂纹的示意图。
26.图5为实施例2中第一种情况的正向传输系数的曲线图。
27.图6为实施例2中第二种情况的正向传输系数的曲线图。
28.图7为实施例2中共面集成镜像介质波导的陷波频率与裂纹深度的关系图。
29.图8为实施例3中基于共面集成镜像介质波导的裂纹检测方法的流程图。
30.其中，1
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共面集成镜像介质波导，101
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基片集成镜像介质波导，102
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基片集成非辐射介质波导，103
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过渡带，2
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网络分析仪，3
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上位机，4
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周期性槽位，5
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待测金属，6
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裂纹。
具体实施方式
31.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
32.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
33.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
34.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
35.实施例1
36.请参阅图1
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图3，本实施例提出一种基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测装置，包括共面集成镜像介质波导1、网络分析仪2和上位机3；所述共面集成镜像介质波导1的两端分别通过同轴电缆与所述网络分析仪2连接，所述网络分析仪2外接所述上位机3。
37.本实施例中，共面集成镜像介质波导1，中间具有介质带，由基片集成非辐射介质波导102和基片集成镜像介质波导101组成，两边打孔，是一种开放结构的波导。
38.本实施例中，基片集成非辐射介质波导102的工作模式为te
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模式，基片集成镜像介质波导101的工作模式为模式。
39.本实施例中，共面集成镜像介质波导1在介质基板上进行周期性开槽，设置有周期性槽位4，周期性均匀开槽的等效为低介电常数的介质，开槽边长利用中心介质带和两侧开槽区域的介电常数差，限制电磁波在中心介质带上传输。如图2所示，方形开槽的边长为1.3mm，周期间隔为1.5mm。在基片集成非辐射介质波导102和基片集成镜像介质波导101之间设置有一个过渡带103，过渡带103的长sl为4.2mm，宽sw为2.5mm。利用过渡带103，可以使基片集成非辐射介质波导102的te
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工作模式转换成基片集成镜像介质波导的工作模式。
40.本实施例中，共面集成镜像介质波导产生行波，模式又称为基片集成镜像介质波导101中的主模式，该模式在介质带进行传输的过程中，能够在高频下保持比较好的传输效果，能输出共面集成镜像介质波导1最重要的波形。
41.本实施例中，共面集成镜像介质波导1采用的介质包括陶瓷介质。陶瓷介质的介电常数为10～30，陶瓷介质的损耗角的正切值为0.001～0.003。
42.本实施例中，共面集成镜像介质波导1底壁为开放状态，即共面集成镜像介质波导1与待测金属接触的一面开口
43.在具体实施过程中，将底壁为开放状态的共面集成镜像介质波导1放置于具有裂纹6的待测金属上，共面集成镜像介质波导1产生行波；行波的传输方向与待测金属的裂纹6相互垂直；行波经所述基片集成镜像介质波导101、过渡带103传输至所述基片集成非辐射介质波导102后输入所述网络分析仪2中完成行波的采集；网络分析仪2采集行波，计算行波的正向传输系数；上位机3根据行波的正向传输系数计算得到共面集成镜像介质波导1的陷波频率，并根据陷波频率获取待测金属的裂纹6剖面特征，得到裂纹6检测结果。
44.实施例2
45.请参阅图3
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图4，本实施例提供一种具体应用例及实验分析，应用于实施1提出的基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测装置。
46.本实施例中，将共面集成镜像介质波导1的长度(x轴方向)设置为82mm，宽度(y轴方向)为2mm，其中与网络分析仪2连接的两端长度均为1mm。共面集成镜像介质波导1加载的
介质材料为介电常数为11.2的陶瓷介质，陶瓷介质的损耗角的正切值为0.0023。待测金属的尺寸设置为120mm
×
30mm
×
5mm(x轴方向/y轴方向/z轴方向)，裂纹6设置在待测金属表面，d表示裂纹6深度,w表示裂纹6宽度，p表示共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置的偏离量。
47.本实施例将裂纹6宽度w设置为1.0mm。
48.本实施例设定第一种情况，即共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量较小的情况，p为0～3mm。如图3所示，图3为第一种情况中，正向传输系数随裂纹6深度以及共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量的变化而改变的曲线图，裂纹6深度d以0.4mm的步长从0.4mm变化到1.2mm，共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量p以1mm的步长从0mm变化到3mm。
49.本实施例设定第二种情况，即共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量较大的情况，p为0～30mm。如图4所示，图4为第二种情况中，正向传输系数随裂纹6深度以及共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量的变化而改变的曲线图，裂纹6深度d以0.4mm的步长从0.4mm变化到1.2mm，共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量以10mm的步长从0mm变化到30mm。
50.如图5所示，共面集成镜像介质波导1的陷波频率与裂纹6深度的关系图。从图5中可以看出，在一定裂纹6深度下，共面集成镜像介质波导1的陷波频率限定在某个范围内。
51.共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量p为0～3mm，当裂纹6深度d分别为0.4mm时，陷波频率在34.898ghz左右；当裂纹6深度d分别为0.8mm时，陷波频率范围在31.430ghz左右；当裂纹6深度d分别为1.2mm时，陷波频率范围在28.323ghz左右，可见在不同裂纹6深度下，共面集成镜像介质波导1的陷波频率范围不重叠。在裂纹6深度变化过程中，裂纹6剖面从0.40mm2变化到1.20mm2，检测灵敏度达到8.294ghz/mm2。
52.共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量p为0～30mm，当裂纹6深度d分别为0.4mm时，陷波频率在34.885ghz左右；当裂纹6深度d分别为0.8mm时，陷波频率范围为30.929ghz；当裂纹6深度d分别为1.2mm时，陷波频率范围在28.285ghz左右，可见在不同裂纹6深度下，共面集成镜像介质波导1的陷波频率范围不重叠。在裂纹6深度变化过程中，裂纹6剖面从0.40mm2变化到1.20mm2，检测灵敏度达到8.205ghz/mm2。
53.从以上两种情况可以看出，基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测装置对裂纹6的检测灵敏度高，并且不会受到共面集成镜像介质波导1中心与裂纹6位置偏离量变化的影响，平均检测灵敏度达到8.235ghz/mm254.实施例3
55.请参阅图6，本实施例提出一种基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测方法，应用于实施例1提出的一种基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测装置，具体包括以下步骤：
56.s1：将共面集成镜像介质波导1放置于具有裂纹6的待测金属上，共面集成镜像介质波导1产生行波；行波的传输方向与待测金属的裂纹6相互垂直；
57.s2：网络分析仪2采集行波，计算行波的正向传输系数；
58.s3：上位机3根据行波的正向传输系数计算得到共面集成镜像介质波导1的陷波频率，并根据陷波频率获取待测金属的裂纹6剖面特征。
59.实施例4
60.本实施例还提出一种检测设备，与实施例1提出的一种基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测装置配套使用，其包括处理器和存储器。
61.所述存储器用于存储代码，存储器存储的代码包括使用实施例2提出的基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测方法的程序执行代码；存储器还将所述程序执行代码传输到处理器。
62.所述处理器根据所述程序执行代码中的指令，执行实施例2提出的基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测方法，使实施例1中提出的一种基于共面集成镜像介质波导1的裂纹6检测装置开始工作。
63.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
64.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。