微波检测技术及应用[摘要] 系统地介绍了微波无损检测的原理和微波无损检测技术在工程中的应用，指出了目前微波无损检测技术在应用中存在的问题，给出了今后研究工作的方向。

[关键字] 微波无损检测；复合材料；层间脱粘；裂纹裂缝缺陷；气孔缺陷。

Abstract: The principle and engineering uses of the microwave nondestracture testing technique are represented systematically in the paper.The problem of the microwave nondestracture testing technique is discussed.A future research work direction is given.Key words: microwave nondestracture testing; compound material; coming unglued between medium; cracks on metal surface; air bubbles in material.1.引言微波无损检测技术是随着微波测量技术的发展和对非金属复合材料的检测要求而产生的。

自60年代以来，随着非金属复合材料在工程中的广泛应用，传统的利用超声波、红外线、激光和X射线来检测这些复合材料中的裂纹、裂缝、气孔、粘扣等缺陷时遇到困难。

其主要原因是: 超声波在复合材料中衰减很大，光波不能穿透不透明的复合材料; X 射线检测平面缺陷时，由于射线的能量变化很小，导致底片对比度低，这在检测分层媒质的脱粘，层与层的错动时受到限制。

而微波对非金属复合材料具有较好的穿透性，适合于作为检测复合材料的射线。

另一方面，微波网络分析仪的可测频率越来越高，不仅可测反射波和散射波的振幅，而且可测波的相位变化。

这使微波测量在非金属复合材料的质量检测中得到广泛应用。

并且在其它领域，如压力容器表面的裂纹和裂缝，石油管道中的裂纹、裂缝和阻塞的检测中得到广泛应用。

美国军方于60 年代首先将微波无损检测技术用于检测大型固体火箭发动机内固体推进剂深处的气孔缺陷，检测发动机烧蚀喷管内衬的脱粘，和检测航天飞机的绝热陶瓷的质量。

以后逐步应用于检测一些非金属复合材料薄片和薄膜的厚度，检测塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶等材料中的缺陷和材料的质量。

据报道，频率为35GHz的微波照射到被测样品上，应用反射法波测量塑料薄片的厚度，其精度可达0.125mm。

将频率为9.6GHz 微波对含有缺陷的环氧树脂样品扫描，应用散射波法可探测到f1.02mm—f5.8mm的空气气泡。

利用微波穿透法通过对微波能量变化的检测，可测得材料密度为0.02mg / cm3的变化。

我国也是军方于1969 年开始将微波无损检测技术用于检测火箭发动机的脱粘和玻璃钢壳体的质量问题，检测雷达罩的厚度，以后各大油田将该技术用于检测玻璃钢抽油杆中的缺陷，化工领域将该技术用于检测环氧树脂的固化度，检测压力容器表面的裂缝和裂纹。

目前，微波无损检测技术又用于检测桥梁和大型建筑混凝土的质量和解决一些新领域中的检测问题。

2.微波检测技术原理及特点2.1 微波检测原理微波是指波长范围在1mm——100mm的电磁波。

微波属于电磁波，由于其频率很高，所以不少人们也叫微波为高频电磁波。

微波的波段夹在超短波与红外线的波段之间，它也属于无线电波中波长最小的波段，频谱范围是300MHz至3000GHz。

微波可以分为三个波段:首先第一波段是分米波、其次是厘米波、接着是毫米波。

微波的本质都为电磁波，所以被广泛应用于工业，医学，科学等领域。

为了避免它们之间的相互影响与干扰，将波段划分为如下波段。

表1照射到被测物体上，通过分析反射波和透射波的振幅和相位的变化，波的模式的变化，通过对散射波的分析，从而了解被测样品中的裂纹、裂缝、气孔等缺陷，分层媒质的脱粘，夹杂等的位置和尺寸，复合材料内部密度的不均匀程度的技术。

2.2 微波检测技术的特点①其波长范围是从1.0mm ——1.0m ，所以可供不同领域的工作选用，因此我们可以用不同频率来测被测物体；②在烟雾灰尘水汽化学以及高低温的环境下对所检测的信号传播的影响特小；③这种微波检测技术所需要的时间周期短，反应灵敏；④这种检测方法测量的信号是电信号，不需要进行非电量的转换，从而缩短了传感器与处理器间的接口所需要的时间；⑤微波对人体没有比较明显辐射危害，也没有对公众有损健康的问题。

2.3 微波检测技术的缺点①利用这种检测方法在进行参数检测时，易受温度、气压、取样位置的影响，需要考虑补偿措施；②微波检测仪表的零点漂移和标定问题没有给予很好的解决。

图1 3.微波检测主要方法3.1 微波穿透法微波穿透法检测系统又称传输检测系统，具体如上图所示。

在上图中的等幅连续波是微波信号源产生的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。

在实验开始时，为了避免过载而损坏系统中的指示器，首当其冲探要把它的灵敏度设置为最小值。

如果系统阻抗不均匀，可采用阻抗过渡办法得到匹配。

从幅度、相位的变化信息中我们可以提取有效信息来反映材料内部状况，继而我们就可进行材料物理和化学变化的测定。

从接收喇叭探头上获得的微波信号，我们可以直接和微波信号源的信号比较它们两者幅度与相位。

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 '+'=-' （1）t V t V t V ωϕωϕϕωsin )`sin (cos )`cos ()`cos(+=- （2） 在以上两式中, ϕsin V '为正交分量有时也称90º相移分量；而ϕcos V '为同相分量。

微波穿透法又称传输法，大体可分为三种，分别为：点频连续波法、扫频连续波法与脉冲调制法。

a.点频连续波穿透法微波发生器的频率是非常稳定的，而且也是是窄带的；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，并且相互干扰很小。

用穿透法检测玻璃钢和某些非金属材料的瑕疵，也主要是观察接收微波波束相位或幅度的变化情况。

我们可采通过介质透镜来改善微波辐射波束，用以保证波束横截面窄小，从而使分辨率有效的提高。

b.扫频连续波穿透法某些微波相互作用的频率是特别敏感的，在这时，它们的材料性质的发生改变时，谐振频率也会随着发生改变。

在我们应用的频带的范围里，响应应该是频率的函数。

频率被预先编程能自动变化的扫频频率微波发生器取代了点频微波发生器，现在使用的电子自动扫频可以一倍频程或更宽的频带工作。

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。

矢量网络分析仪则提供了宽带的幅度和相位。

c.脉冲调制穿透法在检测波当中，穿透传输波能实现相位的测量，但是这只是相对于参考波所言。

当测量传输时间时，就需要用到脉冲调制技术。

为有效的了调制脉冲，微波发生器内应该有选通和关闭的功能。

在接收器内部，相位比器被峰值检测器所代替。

所以，接收器的输出相对于发出的脉冲有一定时间的延迟。

扫频频率测量给出了群延迟信息。

矢量网络分析仪的在时域特征方面也可以有效地选用。

3.2微波反射法依据被测物料的对微波能量有反射作用，微波反射法检测的是被物体反射回来的波的能量的数值。

由反射回来的电磁波能量的数值再和发射时微波能量数值的对比得出数值。

微波反射法检测时，设备装置时要求收发传感器的轴线要与物件表面的法线相同。

根据使用的微波器件不同，有点频连续波反射法，扫频连续波反射法，调频波反射法，时域（频域）反射法等。

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。

图2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2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。

当和地面为九十度或近于九十度入射时，工作良好。

双天线反射系统图3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。

在被检测物件的表面，则应该遵守边界条件。

从第一表面反射的微波不能反应出被测样件物体内部不均匀性的任何信息。

而内部反射的不连续波在表面折射时，它们最终表和面反射波叠加。

当在被检物体背面渡层导电金属层时，微波会从此金属表面反射经过被检物体表面两次，它也和表面反射波叠加，我们这些反射波中提取我们所需要被检物体的内部信息。

3.3微波散射法一般散射计安装收、发传感器，可按接收信号强弱调整角度，也可互相垂直。

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。

此外，由于采用散射法检测，探头不加调节，所接收到气孔位置的微波信号会下降，必须通过实验调整微波的接收和发射探头角度，使与试件表面法线形成最佳夹角。

散射法的有关计算:对导电金属球，若远场散射截面为σ，则反向散射截面()0σ，按下式计算：()622490⎪⎭⎫ ⎝⎛=λππλσa （3）正向散射截面()πσ为()62249⎪⎭⎫ ⎝⎛=λππλπσa （4）由式（3）、（4）可知，反向散射比正向散射大约大一个数量级。

对低耗介质球，反向散射截面()0σ计算公式如下：()6222210⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=λπεεεεπλσa r r （5）若在介质材料内部有球状气泡，则r ε=1，按式（5）可求出反向散射截面，并且这种散射显然要比金属球产生的散射小。

3.4微波干涉法用驻波测量线（又称开槽线）测量驻波的幅度和相位的变化，信号源频率范围12.4——18kGHz ，收发两用探头非接触地对着试件表面，被检测材料如有物理或化学变化，例如玻璃纤维增强塑料内玻璃纤维与树脂比例的改变，以及该复合材料厚度的改变，就会分别发出不同的改变信号。

这样检测分层时，试件表面不规律，就会影响到扫描检测，经过改进之后，就可以从反射波变化“看到”材料内部第二层的脱粘，由此可见，此方法对非金属胶接件的检查是很有用的。