CN106645213A - 金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头及方法 - Google Patents

金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头及方法，属于无损检测技术领域；微波检测探头由无底面的长方体金属盒型金属罩和固定在金属罩一个窄边侧面上的两只射频同轴连接器组成；本发明方法原理是将微波检测探头和待测金属板件构成矩形波导管，当金属板件表面存在腐蚀缺陷时，波导体积变化，影响波导管内电场和磁场的分布，波导管中传输微波的变化，导致的共振频率变化，检测到的共振频率携带有与腐蚀缺陷腐蚀量有关的信息；检测时，微波在微波检测探头和待测金属板件组成的波导管中传播，提高了检测效率和灵敏度，同时填补了微波检测探头不能用于金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的空白。

Description

金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头及方法
技术领域
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腐蚀缺陷检测和评估的高效微波检测探头和相应的腐蚀缺陷腐蚀量定量评估方法。
背景技术
金属板件广泛应用于人类的生产生活当中，尤其是在一些重要的机械结构中起到核心和关键的作用。从早期检测角度来看，对早期金属板件表面的腐蚀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、检测效率高等特点。这使得微波在金属板件表面腐蚀缺陷检测上有独特的优势。
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检测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腐蚀缺陷，还将其应用到远场管道裂纹、管壁减薄、以及微生物识别的检测、定位和定量评估中。由于微波可以在波导管中传输很长一段距离，而只有很少的衰减。所以上述方法能够大范围地检测金属管道内表面各种缺陷。
发明内容
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腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头和相应的腐蚀缺陷腐蚀量定量评估方法，利用该微波检测探头可以实现对金属板件表面腐蚀缺陷腐蚀量的定量评估；鉴于国内对微波检测金属板件表面腐蚀缺陷检测、定量评估方法尚不完善，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：
一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，包括无底面的长方体金属盒型的金属罩1以及设置在金属罩1的一个窄边侧面上相同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R。
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。
所述金属罩1内壁上镀金或银。
所述两只射频同轴连接器在金属罩1的一个窄边侧面两短边中点的连线上，关于该窄边侧面的中心对称。
所述第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器R是母转公连接器，公头在微波检测探头的金属罩1内侧，母头在微波检测探头的金属罩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面积为lwaveguide×a的金属板件区域，其中lwaveguide为金属罩1的长度，a为金属罩1的宽度。
探头上金属罩的设计使得在在检测时，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，提高了检测效率和灵敏度。
所述的微波检测探头对金属板件表面腐蚀缺陷检测和定量评估的方法，具体步骤如下：
1)在n块金属板件上，制作腐蚀程度不同的腐蚀缺陷，检测并标定这n块金属板件的腐蚀量c1,c2,…,cn；
2)搭建实验系统，实验系统主要有微波矢量网络分析仪、同轴线电缆和微波检测探头，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R连接；
3)检测前，对实验系统进行电校准；
4)采用微波检测探头检测无腐蚀缺陷金属板件和n块腐蚀量不同的金属板件；检测时，将微波检测探头紧贴在金属板件上表面，微波矢量网络分析仪产生微波信号，通过微波矢量网络分析仪控制微波检测探头的扫频范围；微波矢量网络分析仪通过同轴线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，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器R检测微波信号；微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器R检测无腐蚀缺陷金属板件的共振频率f0和n块腐蚀程度不同的金属板件共振频率f1,f2,…,fn；
5)根据无腐蚀缺陷金属板件的共振频率f0和n块腐蚀程度不同的金属板件检测的共振频率f1,f2,…,fn，通过共振频移计算公式△f1＝f1‐f0，△f2＝f2‐f0，…，△fn＝fn‐f0，得到这些腐蚀量已知的金属板件的共振频移△f1,△f2,…,△fn；
6)通过这些共振频移△f1,△f2,…,△fn和腐蚀量c1,c2,…,cn拟合共振频移△f与腐蚀量c，得到共振频移△f与腐蚀量c的关系，函数c(△f)；
7)检测待测金属板件的共振频率ft，检测时，将微波检测探头紧贴在金属板件上；
8)根据公式△ft＝ft‐f0，计算待检测金属板件的共振频移△ft；
9)根据与参考金属板件的共振频移△ft和步骤6)的共振频移△f与腐蚀量c的关系，函数c(△f)，对金属板件表面腐蚀缺陷腐蚀量进行定量评估。
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腐蚀缺陷有关的信息。与传统微波检测金属探头相比，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限制于高电导率金属罩和待测金属板件表面组成的波导管中，提高了检测效率和灵敏度。该微波检测探头结构简单，检测便捷，检测效率高，检测精度高。微波检测探头对金属板件的腐蚀缺陷检测时，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，微波检测探头金属罩1覆盖腐蚀缺陷，且腐蚀缺陷全部在金属罩1的底面lwaveguide×a内，即可进行腐蚀缺陷检测。检测时，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第一射频同轴连接器T给微波就检测探头提供扫频信号，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器R检测信号，即可实现对金属板件表面腐蚀缺陷的定量评估。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lwaveguide×a。检测时，微波在微波检测探头和待测金属板件组成的波导管中传播，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为微波检测探头的俯视剖视图。
图4为微波检测探头a×b右侧面右视图。
图5为微波检测探头a×b右侧面左视图。
图6为微波检测探头对金属板件表面腐蚀缺陷检测示意图。
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。
如图1‐5所示，本发明一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，包括电导率不小于4.10×107S/m金属材料制作的金属罩1(无底面的长方体金属盒型)，以及金属罩1的右窄边侧面上的两只射频同轴连接器(第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器R)。金属罩是由电导率不小于4.10×107S/m的金属材料制作，由于微波在波导管传输时，微波在波导管腔中传播，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。镀金或银金属罩1是无底面的长方体金属盒，金属罩的长lwaveguide、宽a、高b。在金属罩a×b右侧面上，第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器R在金属罩a×b两短边中点的连线上，关于金属罩a×b右侧面的中心对称。第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器R都是母转公连接器，公头在探头内侧，母头在探头外侧。检测时，第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器R连接微波矢量网络分析仪，分别用于发射和检测信号。
搭建实验系统，实验系统主要有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和微波检测探头，如图6，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R连接。检测金属板件的长L、宽W、高H。检测时，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。
在检测原理方面，微波矢量网络分析仪通过同轴线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，使微波在探头内传播。同时，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器R检测微波信号。传输到微波检测探头内的行波在探头中有两种传输路径：一种是由第一射频同轴连接器T直接到第二射频同轴连接器R；另外一种是由第一射频同轴连接器T到波导的终端被反射回来再到第二射频同轴连接器R。当两种行波的传播路程之差为波长的整数倍时，发生共振，幅值最大处对应的频率称为共振频率。若金属板件表面存在腐蚀缺陷，则导致探头与被测金属板构成的波导管体积发生变化。与无腐蚀缺陷金属板件表面组成的波导管相比，这种情况下的波导管体积的变化，影响波导腔内电场和磁场的分布，进而导致共振频率发生变化。微波矢量网络分析仪4通过第二同轴线电缆3和第二射频同轴连接器R检测共振频率。通过微波矢量网络分析仪4将微波检测探头工作频率设置适当的扫频范围，根据共振频移对腐蚀缺陷的腐蚀量进行定量评估。
1)如图1‐5所示，制作微波检测探头，主要包括高电导率金属罩1(可在探头金属罩1内壁上镀金或银)和固定在金属罩的a×b右侧面上的两只射频同轴连接器(第一射频同轴连接器T和第二射频同轴连接器R)。
2)在n块金属板件上，制作腐蚀程度不同的腐蚀缺陷，检测并标定这n块金属板件的腐蚀量c1,c2,…,cn；
3)搭建实验系统，上面已描述，不在赘述；
4)检测前，对实验系统进行电校准；
5)采用微波检测探头检测无腐蚀缺陷金属板件和n块腐蚀量不同的金属板件；检测时，将微波检测探头紧贴在金属板件上表面，微波矢量网络分析仪产生微波信号，通过微波矢量网络分析仪控制微波检测探头的扫频范围；微波矢量网络分析仪通过同轴线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，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器R检测微波信号；微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器R检测无腐蚀缺陷金属板件的共振频率f0和n块腐蚀程度不同的金属板件检测的共振频率f1,f2,…,fn；
6)根据无腐蚀缺陷金属板件的共振频率f0和n块腐蚀程度不同的金属板件检测的共振频率f1,f2,…,fn，通过共振频移计算公式△f1＝f1‐f0，△f2＝f2‐f0，…，△fn＝fn‐f0，得到这些腐蚀量已知的金属板件的共振频移△f1,△f2,…,△fn；
7)通过这些共振频移△f1,△f2,…,△fn和腐蚀量c1,c2,…,cn拟合共振频移△f与腐蚀量c的关系，得到共振频移△f与腐蚀量c的关系，函数c(△f)；
8)检测待测金属板件的共振频率ft，检测时，将微波检测探头紧贴在金属板件上；
9)根据公式△ft＝ft‐f0，计算待检测金属板件的共振频移△ft；
10)根据与参考金属板件的共振频移△ft和步骤6)的共振频移△f与腐蚀量c的关系，函数c(△f)，对腐蚀缺陷腐蚀量进行定量评估。

Claims (8)

1.一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：包括长lwaveguide、宽a、高b无底面的长方体金属盒型的金属罩(1)以及设置在金属罩(1)的一个窄边侧面上的相同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(R)。
2.根据权利要求1所述的一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：所述金属罩(1)内壁上镀金或银。
4.根据权利要求1所述的一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：所述第一射频同轴连接器(T)和第二射频同轴连接器(R)在金属罩(1)的一个窄边侧面两短边中点的连线上，关于该窄边侧面的中心对称。
5.根据权利要求1所述的一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：所述第一射频同轴连接器(T)和第二射频同轴连接器(R)是母转公连接器，这两只射频同轴连接器的公头在检测探头的金属罩(1)内侧，母头在检测探头的金属罩(1)外侧，用于连接同轴线电缆。
6.根据权利要求1所述的一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：所述微波检测探头一次性检测面积为lwaveguide×a的金属板件区域，其中lwaveguide为金属罩(1)的长度，a为金属罩(1)的宽度。
7.根据权利要求1所述的一种金属板件表面腐蚀缺陷检测和评估的微波检测探头，其特征在于：探头上金属罩的设计使得在在检测时，微波在微波检测探头和待测金属板件组成的波导管中传播，提高了检测效率和灵敏度。
8.权利要求1至7任一项所述的微波检测探头对金属板件表面腐蚀缺陷检测和定量评估的方法，其特征在于：
检测腐蚀和腐蚀定量评估具体步骤如下：
1)在n块金属板件上，制作腐蚀程度不同的腐蚀缺陷，检测并标定这n块金属板件的腐蚀量c1,c2,…,cn；
2)搭建实验系统，实验系统主要有微波矢量网络分析仪、同轴线电缆和微波检测探头，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R连接；
3)检测前，对实验系统进行电校准；
4)采用微波检测探头检测无腐蚀缺陷金属板件和n块腐蚀量不同的金属板件；检测时，将微波检测探头紧贴在金属板件上表面，微波矢量网络分析仪产生微波信号，通过微波矢量网络分析仪控制微波检测探头的扫频范围；微波矢量网络分析仪通过同轴线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，微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器(R)检测微波信号；微波矢量网络分析仪通过同轴线电缆和第二射频同轴连接器(R)检测无腐蚀缺陷金属板件的共振频率f0和n块腐蚀程度不同的金属板件共振频率f1,f2,…,fn；
5)根据无腐蚀缺陷金属板件的共振频率f0和n块腐蚀程度不同的金属板件检测的共振频率f1,f2,…,fn，通过共振频移计算公式△f1＝f1-f0，△f2＝f2-f0，…，△fn＝fn-f0，得到这些腐蚀量已知的金属板件的共振频移△f1,△f2,…,△fn；
6)通过这些共振频移△f1,△f2,…,△fn和腐蚀量c1,c2,…,cn拟合共振频移△f与腐蚀量c，得到共振频移△f与腐蚀量c的关系，函数c(△f)；
7)检测待测金属板件的共振频率ft，检测时，将微波检测探头紧贴在金属板件上；
8)根据公式△ft＝ft-f0，计算待检测金属板件的共振频移△ft；
9)根据与参考金属板件的共振频移△ft和步骤6)的共振频移△f与腐蚀量c的关系，函数c(△f)，对腐蚀缺陷腐蚀量进行定量评估。
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