CN102706901A - 一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法，该装置包括置于外壳内的数据采集及处理系统，和数据采集及处理系统发射端相连的微波发射器，置于微波发射器下方且和其相连接的导向器，设在导向器下方的微波接收器高度调节器，微波接收器置于微波接收器高度调节器之上且和数据采集及处理系统的探测端相连接，多个腐蚀程度指示灯和数据采集及处理系统相连接并置于外壳外部；其方法通过比较功率损耗值来判别被检测对象是否发生腐蚀及腐蚀程度，首先对不同腐蚀程度的试样建立其腐蚀等级与微波功率损耗值之间关系，利用该关系实现对腐蚀程度进行评估。本发明装置及方法简单，能够实现对带防护层体系金属结构的腐蚀程度及分布情况的无损检测。
Description
技术领域
本发明涉及材料和结构腐蚀的无损检测技术领域，具体涉及一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法。
背景技术
铝、镁、钢、铜等金属及其合金材料广泛应用于机械制造业以及航空工业当中。例如，铝合金是飞机桁架，大梁，机体内部的框架、加强肋、腹板、接头件及部分蒙皮的主要材料，为了防止腐蚀，通常在其表面喷涂一定厚度的保护涂层；但是，在长期使用过程中，由于初始设计、制造缺陷和使用环境条件等因素影响金属结构腐蚀将不可避免。特别是在涂层材料出现轻微破损情况下，将发生如点蚀、腐蚀凹坑和缝隙腐蚀，而表观完好。因此，有必要对金属结构腐蚀等进行快速无损评估以便采取相应的维护措施，特别是在出现腐蚀的早期，发现难以目测检查的隐藏腐蚀等结构损伤具有重要意义。
目前，对金属结构的腐蚀程度的评估是根据腐蚀形貌检测并按照一定的标准来评定腐蚀等级、腐蚀损伤程度以及由剩余强度/剩余寿命规定的允许损伤值。目视法是常用的直观检测方法，需要去除表面防护层观察，该方法是有损的检测方法，同时其评估结果只能大致反映金属的腐蚀程度。而以无损检测方法如超声，涡流和热成像等手段存在操作复杂、易破坏涂层结构、或敏感度不高等缺点，鉴于目前检测防护层下金属结构隐藏腐蚀的无损检测方法尚不完善，本发明提出一种利用微波快速无损检测防护层下金属结构腐蚀的方法及相关装置，该方法具有先进性和重要工程应用价值。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目在于提供一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法，该装置及方法能够实现对带防护层体系金属结构的腐蚀程度及分布情况的无损检测，具有装置和操作方法简单且不破坏防护层结构的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置，包括置于外壳2内的数据采集及处理系统3，和数据采集及处理系统3发射端相连接的微波发射器4，置于微波发射器4下方且和其相连接的导向器10，设置在导向器10下方且置于外壳2底部的微波接收器高度调节器12，微波接收器6置于微波接收器高度调节器12之上且和数据采集及处理系统3的探测端相连接，多个腐蚀程度指示灯5和数据采集及处理系统3相连接并置于外壳2外部。
还包括设置在外壳2外部的和数据采集及处理系统3相连接的扩展接口1。
所述多个腐蚀程度指示灯5为五盏。
所述腐蚀程度指示灯5为LED指示灯。
一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34或中国航标HB5455对特定检测对象在腐蚀环境一下制作不同腐蚀等级的试样；
步骤2：利用所述装置对不同腐蚀等级的试样测量微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值；具体测量方法为：将所述装置置于被检测对象表面，通过微波接收器高度调节器12调节微波接收器6与被检测对象表面之间距离，数据采集及处理系统3控制微波发射器4发射3～50GHz频率微波信号，并经过导向器10进入防护层，在被测对象表面产生反射，通过微波接收器6检测回波信号，并得到回波信号的相应电流/电压信号；数据采集及处理系统3对该信号计算出回波信号的功率损耗值P；
步骤3：重复步骤1和2，建立特定检测对象在腐蚀环境二下的不同腐蚀等级的微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值P；
步骤4：重复步骤1-3数次，建立特定检测对象在不同腐蚀环境下的微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值P；
步骤5：把步骤4检测的功率损耗值P转化为相应的腐蚀程度指示灯显示。
所述功率损耗值P等级为：如果P=1.0，则没有功率损耗，没有腐蚀事件发生，对应为腐蚀程度指示灯5为（1）号至（5）号均为绿色，而P<1.0则表示有腐蚀事件发生；进一步地，根据P数值把被测对象的腐蚀状态定为五种等级；即P在[0.0～0.2),[0.2～0.4),[0.4～0.6),[0.6～0.8)和[0.8～1.0)分别对应五种等级，五种等级分别对应于腐蚀程度指示灯5由绿色变为红色的盏数：腐蚀程度指示灯5从（1）号至（5）号全部由绿色变为红色对应P在[0.0～0.2)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（4）号由绿色变为红色对应P在[0.2～0.4)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（3）号由绿色变为红色对应P在[0.4～0.6)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（2）号由绿色变为红色对应P在[0.6～0.8)区间；腐蚀程度指示灯5的（1）号由绿色变为红色对应P在[0.8～1.0)区间。
本发明装置及方法的设计原理为：
材料的微波特性可分成4大类：（1）良导体材料如铜、铅和银等，其介质损耗系数（tanδ）极小，主要是反射微波，如同镜面反射光一样；（2）绝缘材料如玻璃和陶瓷等材料，微波可穿透并部分反射，吸收功率极小，甚至没有；（3）电介质材料含复合材料，介于金属相绝缘体之间的电介质材料不仅可反射微波或被微波穿透，同时也有吸收微波的性能，该类介质不同程度地吸收微波能量并转换成热量；（4）磁性化合物如钢材的腐蚀产物四氧化三铁，对微波的反应与电介质材料类似。由于本检测系统采用的微波发射功率一般在几毫瓦到几百毫瓦之间，此时对不同材料微波的升温效应均可忽略。
金属结构的表面防护涂层材料的厚度一般为几十微米，对频率范围在3～50GHz微波是全透过的，因此，微波发射功率和接收功率基本相同，即无功率损耗。另一方面，涂层下的金属材料在腐蚀环境中是一个缓慢的电化学腐蚀过程，发生电化学反应形成相应的氧化物、硫化物、卤化物或氯化物等无机盐产物（非金属材料），其相对介电常数一般在几十到几百之间，均都远大于防护层材料的相对介电常数（εr～2）。相对介电常数大时，反射率就小，吸收率大，反之亦然。腐蚀产物的质量及分布决定了腐蚀的程度，利用防护层、金属基体与腐蚀产物对微波辐射响应的显著差异实现对防护层下金属结构腐蚀等的检测。
由于本发明采用微波对带防护层体系金属结构的腐蚀程度及分布情况的进行检测，因此实现了不破坏防护层结构的无损检测且具有装置和操作方法简单的特点。
附图说明
附图为本发明装置剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如附图所示，本发明一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置，包括置于外壳2内的数据采集及处理系统3，和数据采集及处理系统3发射端相连接的微波发射器4，置于微波发射器4下方且和其相连接的导向器10，设置在导向器10下方且置于外壳2底部的微波接收器高度调节器12，微波接收器6置于微波接收器高度调节器12之上且和数据采集及处理系统3的探测端相连接，多个腐蚀程度指示灯5和数据采集及处理系统3相连接并置于外壳2外部，11为电源。
优选的，本发明装置还包括设置在外壳2外部的和数据采集及处理系统3相连接的扩展接口1，可根据需要实现数据采集及处理系统3与上位机进行电气连接、通信以及数据传输；如果要确定腐蚀产物的面积、深度和产物的谱特征，需要把微波腐蚀检测装置的数据采集系统作为上位机的一种扩展设备，对微波功率损耗法腐蚀检测的数据进行记录，并作相应处理。
优选的，所述多个腐蚀程度指示灯5为五盏。
优选的，所述腐蚀程度指示灯5为LED指示灯。
本发明一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34或中国航标HB5455对特定检测对象在腐蚀环境一下制作不同腐蚀等级的试样；
步骤2：利用所述装置对不同腐蚀等级的试样测量微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值；具体测量方法为：将所述装置置于被检测对象表面，通过微波接收器高度调节器12可对微波接收器6与被检测对象表面之间距离实现0.5mm至15mm之间连续可调，数据采集及处理系统3控制微波发射器4发射3～50GHz频率微波信号9，并经过导向器10进入防护层7，在被测对象表面产生反射，通过微波接收器6检测回波信号，并得到回波信号的相应电流/电压信号；数据采集及处理系统3对该信号计算出回波信号的功率损耗比值P；
步骤3：重复步骤1和2，建立特定检测对象在腐蚀环境二下的不同腐蚀等级的微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值；
步骤4：重复步骤1-3数次，建立特定检测对象在不同腐蚀环境下的微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值；
步骤5：把步骤4检测的功率损耗值P转化为相应的腐蚀程度指示灯显示。
所述功率损耗值P等级为：如果P=1.0，则没有功率损耗，没有腐蚀事件发生，对应为腐蚀程度指示灯5为（1）号至（5）号均为绿色，而P<1.0则表示有腐蚀事件发生；进一步地，根据P数值把被测对象的腐蚀状态定为5种等级；即P在[0.0～0.2),[0.2～0.4),[0.4～0.6),[0.6～0.8)和[0.8～1.0)分别对应五种等级，五种等级分别对应于腐蚀程度指示灯5由绿色变为红色的盏数：腐蚀程度指示灯5从（1）号至（5）号全部由绿色变为红色对应P在[0.0～0.2)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（4）号由绿色变为红色对应P在[0.2～0.4)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（3）号由绿色变为红色对应P在[0.4～0.6)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（2）号由绿色变为红色对应P在[0.6～0.8)区间；腐蚀程度指示灯5的（1）号由绿色变为红色对应P在[0.8～1.0)区间。
实施例1：
按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34和航标HB5455，通过盐雾实验方法制作“未出现腐蚀（N）”、“点蚀（P）”和“剥蚀（EA，EB，EC，ED）”等6个腐蚀等级的LY12CZ铝合金试样。根据该标准对上述不同腐蚀等级的具体描述如下：(1)N--表面允许变色，但没有点蚀和剥蚀的迹象；(2)P--点蚀，不连续的腐蚀点，在点的边缘可能有轻微的鼓起；(3)EA--表面有少量鼓泡裂开，呈薄片或粉末，有轻微的剥层；(4)EB--表面有明显的分层并扩展到金属内部；(5)EC--剥蚀扩展到较深的金属内部；(6)ED--剥蚀发展到比EC更深的金属内部，并有大量金属层剥落。
利用本发明装置及方法对6种不同腐蚀等级的试样测量功率损耗比值以及腐蚀程度指示灯显示的腐蚀评定结果如表1所示：
表1
实施例2：
通过盐雾实验方法制作“未出现腐蚀（N）”、“点蚀（P）”和“剥蚀（EA，EB，EC，ED）”等6个腐蚀等级的AZ91D镁合金试样。根据该标准对上述不同腐蚀等级的具体描述如下：(1)N--表面允许变色，但没有点蚀和剥蚀的迹象；(2)P--点蚀，不连续的腐蚀点，在点的边缘可能有轻微的鼓起；(3)EA--表面有少量鼓泡裂开，呈薄片或粉末，有轻微的剥层；(4)EB--表面有明显的分层并扩展到金属内部；(5)EC--剥蚀扩展到较深的金属内部；(6)ED--剥蚀发展到比EC更深的金属内部，并有大量金属层剥落。
利用上述装置对6种不同腐蚀等级的试样测量功率损耗比值以及指示灯显示的腐蚀评定结果如表2所示：
表2
Claims (6)
1.一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的装置，其特征在于：包括置于外壳（2）内的数据采集及处理系统（3），和数据采集及处理系统（3）发射端相连接的微波发射器（4），置于微波发射器（4）下方且和其相连接的导向器（10），设置在导向器（10）下方且置于外壳（2）底部的微波接收器高度调节器（12），微波接收器（6）置于微波接收器高度调节器（12）之上且和数据采集及处理系统（3）的探测端相连接，多个腐蚀程度指示灯（5）和数据采集及处理系统（3）相连接并置于外壳（2）外部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括设置在外壳（2）外部的和数据采集及处理系统（3）相连接的扩展接口（1）。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述多个腐蚀程度指示灯（5）为五盏。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述腐蚀程度指示灯（5）为LED指示灯。
5.一种微波无损检测防护层下金属结构腐蚀的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34或中国航标HB5455对特定检测对象在腐蚀环境一下制作不同腐蚀等级的试样；
步骤2：利用权利要求1所述装置对不同腐蚀等级的试样测量微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值；具体测量方法为：将权利要求1所述装置置于被检测对象表面，通过微波接收器高度调节器（12）调节微波接收器（6）与被检测对象表面之间距离，数据采集及处理系统（3）控制微波发射器（4）发射3～50GHz频率微波信号，并经过导向器（10）进入防护层，在被测对象表面产生反射，通过微波接收器（6）检测回波信号，并得到回波信号的相应电流/电压信号；数据采集及处理系统（3）对该信号计算出回波信号的功率损耗值P；
步骤3：重复步骤1和2，建立特定检测对象在腐蚀环境二下的不同腐蚀等级的微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值P；
步骤4：重复步骤1-3数次，建立特定检测对象在不同腐蚀环境下的微波接收功率和发射功率的比值即功率损耗值P等级；
步骤5：把步骤4检测的功率损耗值P转化为相应的腐蚀程度指示灯显示。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述功率损耗值P等级为：如果P=1.0，则没有功率损耗，没有腐蚀事件发生，对应为腐蚀程度指示灯5为（1）号至（5）号均为绿色，而P<1.0则表示有腐蚀事件发生；进一步地，根据P数值把被测对象的腐蚀状态定为5种等级；即P在[0.0～0.2),[0.2～0.4),[0.4～0.6),[0.6～0.8)和[0.8～1.0)分别对应五种等级，五种等级分别对应于腐蚀程度指示灯5由绿色变为红色的盏数：腐蚀程度指示灯5从（1）号至（5）号全部由绿色变为红色对应P在[0.0～0.2)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（4）号由绿色变为红色对应P在[0.2～0.4)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（3）号由绿色变为红色对应P在[0.4～0.6)区间；腐蚀程度指示灯5从（1）号至（2）号由绿色变为红色对应P在[0.6～0.8)区间；腐蚀程度指示灯5的（1）号由绿色变为红色对应P在[0.8～1.0)区间。
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