CN108169249A - 一种微波交指结构无损检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明所述微波交指结构无损检测探头，包括超小A型接头、正面刻蚀有微波交指结构的印刷电路板，所述微波交指结构由上半交指和下半交指构成，上半交指和下半交指均由一个半圆弧形边缘和若干向半圆弧内部延伸出的竖条形组成，上半交指和下半交指以半圆弧形相对的方式布置，两个半圆边缘上的竖条形在两个半圆边缘围成的平面内交叉间隔分布，形成整体外形为圆形的微波交指结构，所述印刷电路板的背面刻蚀有正方形金属铜层，超小A型接头安装在印刷电路板背面的金属铜层上，其内导体与印刷电路板正面的其中一半交指连通，外导体焊接在金属铜层上，与印刷电路板正面的另一半交指连通。该探头同时具备操作简单、功能完整、检测精度高等优点。

Description

一种微波交指结构无损检测探头

技术领域

本发明属微波无损检测技术领域，特别涉及金属表面无损微波检测探头。

背景技术

微波无损检测技术通过对金属表面裂缝的精确测量，成为确保金属工件正常工作的重要手段，在航天飞行器零部件、雷达天线罩及金属桥梁等金属材质部件质量检测领域得到了广泛的应用。微波无损检测技术发展于上世纪六十年代，开始应用于金属表面裂缝的检测当中。早期的微波无损检测探头广泛采用矩形波导作为探头，其检测精度受工作频率所影响，频率越高，分辨率越大，而高频的微波检测系统价格高昂。目前，按检测探头的种类的不同可以将金属表面裂缝微波检测探头分为矩形波导探头及其变形结构、同轴探头、滤波器探头及其变形结构等。现有微波检测探头大多利用检测探头散射参数的幅值或频率偏移实现检测，具有操作简单、检测速度快、检测精度高的特点，但这些特点并不在某一种探头上体现，各种探头具备各自的特点同时也存在某一方面的不足，却无法把所有优点聚集在同一款探头上。如矩形波导探头检测功能丰富但检测灵敏度较低，加载互补谐振环结构的微带滤波器探头利用频率偏移的变化能进行高灵敏度的测量但功能相对单一。另一方面，由于单频点的散射参数的幅度检测比频率偏移检测相对简单得多。因此，设计一款功能丰富，检测灵敏度高的单频点幅度检测探头对微波金属表面裂缝检测具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微波交指结构无损检测探头，以获得一种同时具备操作简单、功能完整、检测精度高等优势的金属表面无损微波检测探头。

本发明所述微波交指结构无损检测探头，包括超小A型接头、正面刻蚀有微波交指结构的印刷电路板，所述微波交指结构由上半交指和下半交指构成，上半交指和下半交指均由一个半圆弧形边缘和若干向半圆弧内部延伸出的竖条形组成，上半交指和下半交指以半圆弧形相对的方式布置，两个半圆边缘上的竖条形在两个半圆边缘围成的平面内交叉间隔分布，形成整体外形为圆形的微波交指结构，且上半交指和下半交指彼此独立，所述印刷电路板的背面刻蚀有正方形金属铜层，所述超小A型接头安装在印刷电路板背面的金属铜层上，其内导体与印刷电路板正面的其中一半交指电连通，外导体焊接在金属铜层上，与印刷电路板正面的另一半交指电连通。

上述技术方案中，进一步优化的，所述微波交指结构(的图案)左右对称。

上述技术方案中，进一步优化的，上半交指和下半交指在整个圆形微波交指结构直径方向上分别设置两个相对的竖条形(两个竖条形在同一直径上)，其中上半交指的该竖条形过圆形微波交指结构的圆心。

上述技术方案中，进一步优化的，印刷电路板背面金属铜层中心与正面圆形微波交指结构的圆心相对，且在中心处预留出空白区域，在空白区域设置有一个覆盖了金属层的第一金属化过孔，该过孔在印刷电路板正面与通过圆心的竖条形电连通，供超小A型接头的内导体插入与印刷电路板正面的上半交指连通。

上述技术方案中，进一步优化的，印刷电路板背面金属铜层区域内设置有一个覆盖了金属层的且与金属铜层电连通的第二金属化过孔，该过孔在印刷电路板正面与下半交指连通(第二金属过孔连通背面金属铜层与正面下半交指)，使得焊接在金属铜层上的超小A型接头的外导体与印刷电路板正面的下半交指电连通。

上述技术方案中，进一步优化的，金属化过孔位于下半交指的圆形微波交指结构直径上的竖条形上。

上述技术方案中，所述印刷电路板选用双面PCB铜箔(覆铜)厚度为35um(1.4mil)，具体可选用罗杰斯RC4003(刻蚀后的交指结构为铜层)。所述交质结构、正方形金属铜层(中心空白区域)通过本领域常规刻蚀方法刻蚀得到。所述超小A型接头通过市场购买得到。

本发明所述检测探头使用时，超小A型探头与网络分析与连接，同时连接好电脑接收监测数据，交织结构所在的电路板正面用于测量，正对着待测件，平行于金属表面进行扫描检测待测件，达到确定裂缝位置，检测裂缝宽度和深度的功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述检测探头检测操作简单，基于该探头设计的检测系统，操作简单，无须添加覆盖涂层，探头结构尺寸小，适合狭窄空间的测量。

2、本发明所述检测探头通过交指结构将电磁能量聚集在交指区域，只对交指检测区域的结构变化敏感，抗干扰能力强，外部矩形轮廓为圆形实现了检测裂缝角度的功能。

3、本发明所述检测探头检测灵敏度高，能通过反射幅度检测分辨出0.1mm的不同深度的裂缝，同时对不同角度的裂缝也具有较灵敏的检测能力。

4、本发明所述检测探头检测功能丰富，能对金属表面裂缝的有无能进行有效的定性测量，同时能对裂缝一定范围的角度、宽度和深度进行有效的定量测量。

附图说明

图1为本发明所述微波交指结构无损检测探头的立体结构示意图；

图2为本发明所述微波交指结构无损检测探头的俯视图；

图3为本发明所述微波交指结构无损检测探头的侧视图；

图4为本发明所述微波交指结构无损检测探头的印刷电路板正面交指结构图案；

图5为本发明所述微波交指结构无损检测探头的印刷电路板背面图案；

图6本发明所述微波交指结构无损检测探头的工作状态图；

图7为实施例中检测探头的工作特性(工作频段)验证图(a为探头在自由空间的反射参数；b为探头检测无缝金属板时的反射参数)；

图8为对有无裂缝的金属板进行检测的结果，(a)探头检测金属表面有无裂缝时反射参数的变化；(b)探头检测无裂缝金属时探头的表面电场；(c)探头检测有裂缝金属时探头的表面电场。

图9为裂缝角度θ的检测，(a)对裂缝的不同角度检测的反射参数；(b)裂缝不同角度在同一频率下的反射幅度；

图10为裂缝深度d的检测结果，(a)对裂缝的不同深度检测的反射参数；(b)裂缝不同深度在同一频率下的反射幅度；

图11对裂缝宽度w的检测结果。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明所述微波交指结构无损检测探头作进一步说明。

实施例

本实施例中所述微波交指结构无损检测探头如图1-5所示，由超小A型接头(SMA)1、正面刻蚀有微波交指结构3的印刷电路板2，所述微波交指结构由上半交指3-1和下半交指3-2构成，上半交指和下半交指均由一个半圆弧形边缘和若干向半圆弧内部延伸出的竖条形组成，上半交指和下半交指以半圆弧形相对的方式布置，两个半圆边缘上的竖条形在两个半圆边缘围成的平面内交叉间隔分布，形成整体外形为圆形的微波交指结构，且上半交指和下半交指彼此独立，所述微波交指结构左右对称。上半交指和下半交指在整个圆形微波交指结构直径方向上分别设置两个相对的竖条形，其中上半交指的该竖条形过圆形微波交指结构的圆心。印刷电路板背面金属铜层中心与正面圆形微波交指结构的圆心相对，且在中心处预留出空白区域，在空白区域设置有一个覆盖了金属层的第一金属化过孔4，该过孔在印刷电路板正面与通过圆心的竖条形电连通，供超小A型接头的内导体插入与印刷电路板正面的上半交指连通。所述印刷电路板的背面刻蚀有正方形金属铜层，所述超小A型接头安装在印刷电路板背面的金属铜层6上。印刷电路板背面金属铜层区域内设置有一个覆盖了金属层的且与金属铜层电连通的第二金属化过孔5，第二金属化过孔位于下半交指的圆形微波交指结构直径上的竖条形上。该过孔在印刷电路板正面与下半交指连通，使得超小A型接头的外导体与印刷电路板正面的下半交指电连通。

微波交指结构的各尺寸(交指长宽及圆内外径的大小)均对反射参数及电场分布有较大影响，在构建一个左右对称的交指结构的基础上，通过对各参数的调整优化最终确定尺寸如下：印刷电路板长宽为12.8mm*12mm厚度为0.813mm；圆形交指外圆半径为5.2mm，内圆半径为4.6mm，上、下半交指间隔为0.2mm，中间各布置7根交指，每根宽度均为0.4mm，位于直径上的上半交指长为5.2mm，下半交指长为2.4mm；其余3对交指为左右对称结构，长依次为7.6mm,7.6mm,6.2mm；中心金属化过孔(第一金属化过孔)半径为0.4mm，另一个(第二金属化过孔)金属化过孔半径为0.127mm，均为覆铜通孔。印刷电路板背面是一个8mm*8mm的正方形覆铜区域，中心留出半径为2mm的空白区域(供设置中心金属化过孔)，背部的处理是为了方便超小A型接头的焊接。采用该尺寸得到了一个谐振在13.9GHz左右的探头，为验证其工作特性，同时检测了探头在自由空间的反射参数(如图7所示)。

使用方法：该探头的使用状态如图6所示，检测探头通过固定架固定在待测金属件的正上方，探头和待测件的间距为h，待测件的裂缝深度和宽度分别为d和w，裂缝相对探头的偏移角度为θ(裂缝在同一水平面上相对于探头交指结构圆直径上的竖条形的不同角度)。圆形交指探头通过超小A型接头连接网络分析仪，检测裂缝深度和宽度时候，待测件放置在一个可移动的x-y平台上，平台移动步长为0.01mm。通过调节平台螺旋调节待测件与探头的相对位置，从而实现探头对待测件的扫描。检测裂缝相对探头的偏移角度为θ时候，待测件固定，使探头正对着裂缝中心。电脑收集得到探头扫描待测件的反射参数，并做出处理。

首先进行探头是否有效工作的验证：在上述探头尺寸下该尺寸得到了一个谐振在13.9GHz左右的探头(如图7(b)所示)，为验证其工作特性，同时检测了探头在自由空间的反射参数(如图7(a)所示)。说明该探头可有效工作。

有无裂缝的金属板进行检测：通过对有无裂缝的金属板进行检测的结果(如图8(a)所示)进行观察，可以很轻易发现对该探头对有无裂缝检测时的反射参数具有较大的差别，由此可以认定其有对裂缝有无可进行有效的定性检测；并在HFSS仿真软件中进行仿真，对探头检测有无裂缝的模型分别进行计算，得到的探头表面电场的变化(如图8(b)和8(c)所示)，在有无裂缝时探头表面的电场分布变化也比较明显。

对裂缝角度θ的检测：为确定裂缝的角度，使用该探头对同一裂缝的不同角度进行测量，检测结果如图9所示。由图9(a)中可以看出对于不同裂缝角度的检测结果具有明显差别，同时反射幅值的变化具有一定的规律性，随着裂缝角度的从小变大，反射幅值发生相反的变化，在此基础上对频率进行选优，选取区分度最大的所在频率，可以看到裂缝不同角度在最优频率下的反射幅度的变化特性如图9(b)所示，可以通过图9(b)的对应关系曲线对未知裂缝的角度进行测定(有效测量范围为0-90°，相对误差为8％)。

对裂缝深度d的检测：为确定裂缝的深度，使用该探头对同一宽度裂缝的不同深度进行测量，检测结果如图10所示。由图10(a)中可以看出对于不同裂缝深度的检测结果具有明显的差别，同时反射幅值的变化具有一定的规律性，随着裂缝深度的从小变大，反射幅值发生相同的变化，在此基础上对频率进行选优，选取区分度最大的所在频率，可以看到裂缝不同角度在最优频率下的反射幅度的变化特性如图10(b)所示，可以通过图10(b)的对应关系曲线对未知裂缝的深度进行测定(有效测量范围为0-2mm，相对误差为10％)。

对裂缝宽度w的检测：为确定裂缝的宽度，使用该探头对不同宽度的裂缝进行扫描测量，移动步长为0.01mm,检测结果如图11所示。探头对于宽为4mm深为0.4mm的裂缝进行扫描检测，扫描后的结果如图11所示，扫描结果呈对称分布，探头在接触到裂缝时出现第一次急剧变化，而在中间的两次剧烈变化的波谷间距正好等于裂缝的宽度。同时，对不同裂缝宽度的裂缝分别进行扫描检测，结果如图下表所示，可以看出该探头的扫描检测结果对裂缝宽度大于1.8mm的裂缝能进行有效的检测(相对误差小于11.1％)。

对不同宽度裂缝的扫描检测结果：

Claims (6)

1.一种微波交指结构无损检测探头，其特征在于包括超小A型接头(1)、正面刻蚀有微波交指结构(3)的印刷电路板(2)，所述微波交指结构由上半交指(3-1)和下半交指(3-2)构成，上半交指和下半交指均由一个半圆弧形边缘和若干向半圆弧内部延伸出的竖条形组成，上半交指和下半交指以半圆弧形相对的方式布置，两个半圆边缘上的竖条形在两个半圆边缘围成的平面内交叉间隔分布，形成整体外形为圆形的微波交指结构，且上半交指和下半交指彼此独立，所述印刷电路板的背面刻蚀有正方形金属铜层(6)，所述超小A型接头安装在印刷电路板背面的金属铜层上，其内导体与印刷电路板正面的其中一半交指电连通，外导体焊接在金属铜层上，与印刷电路板正面的另一半交指电连通。

2.根据权利要求1所述微波交指结构无损检测探头，其特征在于所述微波交指结构左右对称。

3.根据权利要求1或2所述微波交指结构无损检测探头，其特征在于上半交指和下半交指在整个圆形微波交指结构直径方向上分别设置两个相对的竖条形，其中上半交指的该竖条形过圆形微波交指结构的圆心。

4.根据权利要求3所述微波交指结构无损检测探头，其特征在于印刷电路板背面金属铜层中心与正面圆形微波交指结构的圆心相对，且在中心处预留出空白区域，在空白区域设置有一个覆盖了金属层的第一金属化过孔(4)，该过孔在印刷电路板正面与通过圆心的竖条形电连通，供超小A型接头的内导体插入与印刷电路板正面的上半交指连通。

5.根据权利要求4所述微波交指结构无损检测探头，其特征在于印刷电路板背面金属铜层区域内设置有一个覆盖了金属层且与金属铜层电连通的第二金属化过孔(5)，该过孔在印刷电路板正面与下半交指电连通，使得焊接在金属铜层上的超小A型接头的外导体与印刷电路板正面的下半交指电连通。

6.根据权利要求5所述微波交指结构无损检测探头，其特征在于所述金属化过孔位于下半交指的圆形微波交指结构直径上的竖条形上。