CN109828020A - 一种金属裂纹检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属裂纹检测系统及方法，其中，该系统包括：谐振器、天线、网络分析仪和计算机终端；谐振器设置于带有裂纹的金属样本上；天线与谐振器相对；天线、网络分析仪和计算机终端依次通信连接；其中，天线用于向谐振器发射信号，网络分析仪用于测量天线接收到的反射信号的S11参数，计算机终端用于根据S11参数确定谐振器的谐振频率，进而确定金属样本的裂纹深度。由于本发明通过谐振器和天线去检测金属的裂纹深度，不需要电子线路，整个系统结构精简，操作方便，可工作于极端工业环境。
Description
技术领域
本发明涉及金属构件检测领域，尤其涉及一种金属裂纹检测系统及方法。
背景技术
金属构件是目前各领域设备上广泛应用的材料。因其使用时间长，且长期暴露在露天环境并处于频繁的应力及腐蚀作用中，裂纹产生是金属构件不可避免的情况。
因此，对金属的裂纹深度进行检测成为了重点研究问题。现有技术中，为了实现金属裂纹深度的无损检测，所使用的设备笨重尺寸较大，检测周期长且成本巨大。
发明内容
本发明实施例提供了一种金属裂纹检测系统及方法，用于解决传统金属裂纹深度的无损检测方法中，所使用的设备笨重尺寸较大，所造成的检测周期长且成本巨大的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种金属裂纹检测系统，包括：谐振器、天线、网络分析仪和计算机终端；
所述谐振器设置于带有裂纹的金属样本上；
所述天线与所述谐振器相对；
所述天线、所述网络分析仪和所述计算机终端依次通信连接；
其中，所述天线用于向所述谐振器发射信号，所述网络分析仪用于测量所述天线接收到的反射信号的S11参数，所述计算机终端用于根据所述S11参数确定所述谐振器的谐振频率，进而确定所述金属样本的所述裂纹深度。
优选地，所述天线的工作频带覆盖所述谐振器的谐振频率的预置偏移范围。
优选地，所述谐振器的工作模式为HEM11δ模式。
优选地，所述谐振器为圆柱形。
优选地，所述金属样本的所述裂纹与所述谐振器的直径重合，且所述天线的极化方向与所述裂纹的走向正交。
优选地，所述谐振器的高度的取值范围为8mm～10mm，所述谐振器的直径的取值范围为22mm～26mm。
优选地，所述谐振器为陶瓷材料。
优选地，所述谐振器的相对介电常数的取值范围为85～93，所述谐振器的损耗角正切的取值范围为0.00005～0.00008。
根据本发明的另一方面，提供一种金属裂纹检测方法，通过如以上所述的金属裂纹检测系统实现，其特征在于，包括：
S1：确定所述谐振器下方的待测金属样本的第一裂纹深度；
S2：通过网络分析仪控制天线向谐振器发射信号；
S3：通过所述网络分析仪测量所述天线接收到的反射信号的S11参数；
S4：通过计算机终端根据所述S11参数确定所述谐振器的第一谐振频率；
S5：替换新的所述待测金属样本，并重新执行S1至S5，直至得到预置组数的所述第一裂纹深度和所述第一谐振频率；
S6：通过计算机终端确定所述第一裂纹深度与所述第一谐振频率之间的关系；
S7：获取目标金属样本，将所述目标金属样本替换所述待测金属样本，并执行步骤S2至S5，得到第二谐振频率；
S8：根据所述第二谐振频率在所述第一裂纹深度与所述第一谐振频率之间的关系中确定所述目标金属样本的第二裂纹深度。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供了一种金属裂纹检测系统及方法，其中，该系统包括：谐振器、天线、网络分析仪和计算机终端；谐振器设置于带有裂纹的金属样本上；天线与谐振器相对；天线、网络分析仪和计算机终端依次通信连接；其中，天线用于向谐振器发射信号，网络分析仪用于测量天线接收到的反射信号的S11参数，计算机终端用于根据S11参数确定谐振器的谐振频率，进而确定金属样本的裂纹深度。由于本发明通过谐振器和天线去检测金属的裂纹深度，不需要电子线路，整个系统结构精简，操作方便，可工作于极端工业环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种金属裂纹检测系统的一个实施例的结构示意图；
图2为谐振器在裂纹上时，天线的S11参数变化图；
图3为谐振器的谐振频率与裂纹深度的关系图；
图4为本发明提供的一种金属裂纹检测系统的一个实施例的另一结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种金属裂纹检测系统及方法，用于解决传统金属裂纹深度的无损检测方法中，所使用的设备笨重尺寸较大，所造成的检测周期长且成本巨大的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供的一种金属裂纹检测系统的一个实施例，包括：谐振器1、天线2、网络分析仪3和计算机终端4；
谐振器1设置于带有裂纹的金属样本5上，通常可以将二者紧密贴合；
天线2与谐振器1相对；
天线2、网络分析仪3和计算机终端4依次通信连接；
其中，天线2用于向谐振器1发射信号，网络分析仪3用于测量天线接收到的反射信号的S11参数，计算机终端4用于根据S11参数确定谐振器1的谐振频率，进而确定金属样本5的裂纹深度。由于本发明通过谐振器和天线去检测金属的裂纹深度，不需要电子线路，整个系统结构精简，操作方便，可工作于极端工业环境。
以下将对本发明提供的一种金属裂纹检测系统的工作流程进行介绍：
(1)确定谐振器下方的待测金属样本的裂纹深度，如先以不带有裂纹的待测金属样本作为第一个测试样本，即d＝0mm；
(2)通过网络分析仪控制天线向谐振器发射信号；
(3)通过网络分析仪测量天线接收到的反射信号的S11参数；
(4)通过计算机终端获取网络分析仪中的S11参数，然后根据S11参数确定谐振器的谐振频率，如图2所示，由于当前的测试样本的裂纹深度为d＝0mm，即d＝0mm的曲线，可以确定该曲线上右侧的低谷点对应的频率为谐振器的谐振频率；
(5)替换新的待测金属样本，即将d＝0mm的待测样本替换为d＝1mm的待测样本，然后重新执行(1)至(5)，直至得到预置组数的裂纹深度和谐振频率，即d＝0、1、2、3、4、5mm…对应的谐振器的谐振频率；
(6)在上述多组裂纹深度和谐振频率中，通过计算机终端确定裂纹深度与谐振频率之间的关系，如图3所示；
(7)获取实际环境要检测的目标金属样本，将目标金属样本替换待测金属样本，并执行步骤(2)至(5)，得到目标金属样本对应的谐振频率；
(8)根据目标金属样本对应的谐振频率，在图3的关系中确定目标金属样本的裂纹深度。
更进一步地，天线2(可以选择线极化天线)的工作频带覆盖谐振器1的谐振频率的预置偏移范围。可以理解的是，由于需要先确定金属的裂纹深度与谐振器的谐振频率之间的关系，通常谐振器的谐振频率会随着裂纹深度的改变而发生变化，因此，天线2的工作频带需要覆盖谐振器1的谐振频率的预置偏移范围，需要说明的是，预置偏移范围可以提前设置，即在确定金属的裂纹深度与谐振器的谐振频率之间的关系的过程中，预置偏移范围需要不小于谐振频率的最小值与最大值的差值。
更进一步地，谐振器1为圆柱形，且谐振器1的工作模式为HEM11δ模式。由于谐振器1的工作模式确定，在该工作模式下，谐振器1的初始谐振频率的计算公式为：
其中c0为光速，εr为介质谐振器1的相对介电常数，r和h分别为圆柱形谐振器的半径和高度。需要说明的是，可以根据用户所需裂纹深度的精确度确定谐振器的初始谐振频率(通常可以确定为1.3GHz左右)，一旦初始谐振频率确定，进而可以选择适宜的谐振器参数即高度、半径和相对介电常数。
更进一步地，为了使得谐振器在两组不同裂纹深度上的谐振频率点之间的区别足够明显，通常可以将金属样本的裂纹与谐振器1的直径重合，且天线2的极化方向与裂纹的走向正交，如图4所示，天线2的馈电口21与网络分析仪3连接，用于接收网络分析仪3发送的信号，进而将信号发送出去。
更进一步地，通常谐振器1可以为陶瓷材料。且由于上述谐振器1的初始谐振频率确定，通常谐振器1的高度的取值范围为8mm～10mm，谐振器1的直径的取值范围为22mm～26mm，谐振器1的相对介电常数的取值范围为85～93，谐振器1的损耗角正切的取值范围为0.00005～0.00008。在上述选择范围中，最优方案可以为半径r＝12mm，高度h＝9mm的柱体，选用的材料为介电常数为90的陶瓷材料所制作的谐振器。
本发明原理是通过利用介质谐振器在谐振点谐振吸收功率，影响检测天线接收反射信号的能量，因此通过观察检测天线的S参数变化，即可确定谐振器谐振频率。当介质谐振器位于不同尺寸裂纹上方时，谐振点会改变，通过观察谐振器谐振频率，可以求出裂纹的深度。另外，因为本方法只需要将介质谐振器置于裂纹表面，实现了无损检测目的。再有，介质谐振器工作在模式，有效克服环境金属环境干扰；还有，介质谐振器采取的是高介电常数材料，保持了较高的增益，使用低损耗角正切材料，减少带宽，增加检测的灵敏度。同时，由于不需要电子线路，介质谐振器可工作于恶劣环境下(如高温)。因此本发明具有无损性，简易性及精确性。
以上是对本发明提供的一种金属裂纹检测系统的结构和连接关系进行的详细说明，以下将对本发明提供的一种金属裂纹检测方法进行说明，本发明提供的一种金属裂纹检测方法的一个实施例，包括：
501、确定谐振器下方的待测金属样本的第一裂纹深度；
502、通过网络分析仪控制天线向谐振器发射信号；
503、通过网络分析仪测量天线接收到的反射信号的S11参数；
504、通过计算机终端根据S11参数确定谐振器的第一谐振频率；
505、替换新的待测金属样本，并重新执行501至505，直至得到预置组数的第一裂纹深度和第一谐振频率；
506、通过计算机终端确定第一裂纹深度与第一谐振频率之间的关系；
507、获取目标金属样本，将目标金属样本替换待测金属样本，并执行步骤502至505，得到第二谐振频率；
508、根据第二谐振频率在第一裂纹深度与第一谐振频率之间的关系中确定目标金属样本的第二裂纹深度。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种金属裂纹检测系统，其特征在于，包括：谐振器、天线、网络分析仪和计算机终端；
所述谐振器设置于带有裂纹的金属样本上；
所述天线与所述谐振器相对；
所述天线、所述网络分析仪和所述计算机终端依次通信连接；
其中，所述天线用于向所述谐振器发射信号，所述网络分析仪用于测量所述天线接收到的反射信号的S11参数，所述计算机终端用于根据所述S11参数确定所述谐振器的谐振频率，进而确定所述金属样本的所述裂纹深度。
2.根据权利要求1所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述天线的工作频带覆盖所述谐振器的谐振频率的预置偏移范围。
3.根据权利要求2所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述谐振器的工作模式为HEM11δ模式。
4.根据权利要求3所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述谐振器为圆柱形。
5.根据权利要求4所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述金属样本的所述裂纹与所述谐振器的直径重合，且所述天线的极化方向与所述裂纹的走向正交。
6.根据权利要求5所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述谐振器的高度的取值范围为8mm～10mm，所述谐振器的直径的取值范围为22mm～26mm。
7.根据权利要求6所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述谐振器为陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的金属裂纹检测系统，其特征在于，所述谐振器的相对介电常数的取值范围为85～93，所述谐振器的损耗角正切的取值范围为0.00005～0.00008。
9.一种金属裂纹检测方法，通过如权利要求1至8任意一项所述的金属裂纹检测系统实现，其特征在于，包括：
S1：确定所述谐振器下方的待测金属样本的第一裂纹深度；
S2：通过网络分析仪控制天线向谐振器发射信号；
S3：通过所述网络分析仪测量所述天线接收到的反射信号的S11参数；
S4：通过计算机终端根据所述S11参数确定所述谐振器的第一谐振频率；
S5：替换新的所述待测金属样本，并重新执行S1至S5，直至得到预置组数的所述第一裂纹深度和所述第一谐振频率；
S6：通过计算机终端确定所述第一裂纹深度与所述第一谐振频率之间的关系；
S7：获取目标金属样本，将所述目标金属样本替换所述待测金属样本，并执行步骤S2至S5，得到第二谐振频率；
S8：根据所述第二谐振频率在所述第一裂纹深度与所述第一谐振频率之间的关系中确定所述目标金属样本的第二裂纹深度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190531 |