CN104964990A - 一种过孔开口环谐振器加载的金属表面缺陷检测波导探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过孔开口环谐振器(VSRR)加载的金属表面缺陷检测波导探头，属于无损检测技术领域；包括一个矩形波导以及固定于其上的一块介质板，所述介质板与矩形波导相连接的面渡有一层金属层；所述介质板与波导口相对应的区域范围内设置一个穿过所述介质板的VSRR；所述VSRR由两个并列的、穿过印刷电路板的、开口方向相反的金属开口环组成；金属开口环由穿过所述介质板上过孔的空心金属管和长、短金属条连接而成；其工作方法为：用探头扫描被测金属表面，利用矢量网络分析仪(VNA)测量金属表面存在缺陷时的谐振频率的变化。对比现有技术，本发明探头可以确定缺陷的尺寸、深度和方向；具有结构简单、快速方便、无损检测、灵敏度高、空间分辨率高等优点。

Description

一种过孔开口环谐振器加载的金属表面缺陷检测波导探头

技术领域：

本发明涉及一种金属表面缺陷检测波导探头，特别涉及一种过孔开口环谐振器(VSRR)加载的金属表面缺陷检测波导探头，属于无损检测技术领域，具体属于金属表面缺陷检测技术领域。

背景技术：

飞机、飞船等飞行器的外部金属构件(如机身、机翼等)通常工作在极为恶劣的环境下。其外表面的完整性常常受到金属疲劳或者表面锈蚀等因素的威胁。这些微小的结构缺陷往往会酿成巨大的航空航天事故。然而传统的光学、超声波等检测手段却对这些隐藏在金属表面涂覆层之下的危险诱因束手无策。与此相比，微波近场检测技术却具有可穿透表面涂层、灵密度高等优势，完全可以胜任金属部件的表面缺陷检测。利用不加载开口环谐振器的矩形波导只能检测到宽度为0.672倍波长的窄缝。

发明内容:

本发明的目的是为解决现有无损检测技术无法检测涂覆层之下的金属表面缺陷的问题，提出一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头。

本发明的思想是根据金属表面缺陷会引起VSRR谐振频率的变化的特性，利用矢量网络分析仪测量反射系数，得到探头扫描不同金属表面时谐振频率的变化，从而检测出金属表面缺陷。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，包括一个矩形波导，波导前端为波导口和法兰，其特征在于，还包括一块带VSRR的介质板，介质板固定在法兰上；其与法兰接触的区域镀有一层导电性能良好的金属。

所述VSRR结构由两个并列的、穿过介质板的、开口方向相反的金属开口环组成。

所述金属开口环由两条穿过介质板的金属化过孔、一条与矩形波导窄边平行的长金属条、两条与矩形波导窄边平行的短金属条连接而成，两条短金属条之间形成一个缺口。

所述介质板与法兰固定连接后，VSRR结构位于介质板上与波导口相对应的区域范围内，以使沿波导口发出的磁场分量能够作为VSRR的激励场，激励VSRR产生谐振。

所述VSRR结构由印刷电路板工艺实现。

实现原理

所述矩形波导的作用是定向传输电磁波；在波导口，垂直于VSRR环面的磁场分量作为VSRR的激励场，激励VSRR产生谐振；在谐振时，VSRR增强了探头底部VSRR小开口附近的磁场并随之建立一个微小的震源区域，这个震源区域略大于VSRR的缺口；当探头遇到与波导口宽边平行的缺陷时，低于金属表面的低洼处有一部分的等效电流，使得被测金属表面的等效电流环发生扭曲，这将引起通过VSRR的磁通量产生明显变化，从而引起VSRR的谐振频率的变化，VSRR的谐振频率可以利用矢量网络分析仪测量反射系数得到。该机理使得VSRR大大地增强了探头检测的灵敏度和分辨率。

有益效果

对比现有金属表面无损缺陷检测技术，本发明波导探头具有结构简单、使用快速方便、不损坏被检测物体、能够检测隐藏在涂层下的金属表面缺陷、灵敏度高、空间分辨率高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头结构示意图；

图2是本发明实施例过孔开口环谐振器(VSRR)结构示意图；

图3是本发明实施例介质板结构示意图；

图4是本发明实施例探头检测金属表面结构示意图。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案、优点更加清晰，下面将结合附图对本发明做进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示为一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，包括：

一个矩形波导，一块带VSRR的介质板；在矩形波导上，平行矩形波导口延伸出的一块金属叫做法兰，法兰是矩形波导的一部分；所述介质板与法兰固定连接；如图3所示，在介质板上，与波导法兰接触的区域，镀上一层导电性能良好的金属，如铜。如图2所示，所述VSRR由两个并列的、穿过介质板的、开口方向相反的矩形金属开口环组成；金属开口环由两条穿过介质板的金属化过孔、一条与矩形波导窄边平行的长金属条、两条与矩形波导窄边平行的短金属条连接而成，两条短金属条形成一个缺口；所述VSRR的结构和形状可以依据其实现原理以及波导形状做调整或重新设计，可以是矩形开口环、圆形开口环等形状。

所述介质板与法兰固定连接后，VSRR结构位于介质板上与波导口相对应的区域范围内，以使沿波导口发出的磁场分量能够作为VSRR的激励场，激励VSRR产生谐振。鉴于所述波导上的法兰一般为正方形或矩形，因此，为使本实施例中VSRR结构便于位于波导口正下方，使介质板大小与法兰大小相同，两个金属开口环两侧据介质板边沿的距离相同。

为便于VSRR结构制作，所述VSRR结构可以通过印刷电路板工艺实现。

下面说明应用本发明实施一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头进行金属表面缺陷检测的方法。

实施例2

如图4所示，将本发明所述波导探头固定在测试架上不动，波导另一端通过波导同轴转换器连接矢量网络分析仪(VNA)，被测金属固定在一个可一维移动的平台上，金属板与波导探头之间的距离为d。利用VNA测量反射系数，获得探头扫描不同表面金属板表面时VSRR谐振频率的变化。VSRR加载的波导探头即可以检测到金属表面涂层下的窄缝，也可以检测到金属表面涂层下的圆形小凹陷；具有结构简单、快速方便、无损检测、灵敏度高、空间分辨率高等优点。

实验结果：

实施例1所述波导探头参数如下：介质板上金属化过孔的内外半径分别为r_in＝0.1mm,r_out＝0.2mm，长、短金属条的宽度和厚度分别为w₀＝0.4mm,t₀＝0.034mm，矩形金属开口环的宽度为2mm，两个环相距1mm，谐振环上金属条的开口为s＝0.2mm；介质板的尺寸为33.3mm×33.3mm，厚度为1.524mm，材料是Rogers4003，Rogers4003的相对介电常数为3.38，介质损耗角正切为0.0027；所用波导为WR-62矩形波导，其工作频段为12.4-18GHz，WR-62矩形波导口尺寸为宽边15.799mm，窄边为7.899mm；探头工作频率为14.52GHz。

所述加载VSRR的波导探头能够检测到金属表面涂层下宽度为0.1mm的窄缝，约为波长的0.048倍，相较于不加载VSRR的波导探头，灵敏度增加了14倍；所述加载VSRR的波导探头还能能够检测到金属表面涂层下半径为1mm的小凹陷；所述加载VSRR的波导探头能够分辨出金属表面涂层下两条平行于波导口宽边，宽0.1mm，深2mm，间距1mm的窄缝，表明本发明提出的波导探头具有很高的切向分辨率。

从上述技术方案可以看出，本发明的一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头。利用矢量网络分析仪测量反射系数，获得探头扫描不同表面金属板表面时VSRR谐振频率的变化情况，从而检测出金属表面是否有缺陷。所述探头具有结构简单、使用快速方便、无损检测、能够检测隐藏在涂层下的金属表面缺陷、灵敏度高、空间分辨率高等优点。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，包括一个矩形波导，波导前端为波导口和法兰，其特征在于：还包括一块带VSRR结构的介质板，介质板固定在法兰上；其与法兰接触的区域镀有一层导电性能良好的金属。

2.根据权利要求1所述的一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，其特征在于：所述VSRR结构由两个并列的、穿过介质板的、开口方向相反的金属开口环组成。

3.根据权利要求2所述的一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，其特征在于：所述金属开口环由两条穿过介质板的金属化过孔、一条与矩形波导窄边平行的长金属条、两条与矩形波导窄边平行的短金属条连接而成，两条短金属条之间形成一个缺口。

4.根据权利要求2所述的一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，其特征在于：所述VSRR结构由印刷电路板工艺实现。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种VSRR加载的金属表面缺陷检测波导探头，其特征在于：所述介质板与所述法兰固定连接后，VSRR结构位于所述介质板上与波导口相对应的区域范围内，以使沿波导口发出的磁场分量能够作为VSRR的激励场，激励VSRR产生谐振。