CN110462389A - 微波传感器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种腐蚀传感器(1)，其适于确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料中是否存在腐蚀。所述腐蚀传感器(1)包括微波收发器(2)，以及波导(3)，所述波导(3)可操作地耦合到微波收发器(2)。微波收发器(2)发射入射到所述至少一层涂层材料上的第一连续波微波信号，并且接收从所述至少一层涂层材料反射的第二连续波微波信号。第一和第二连续波信号被组合成具有指示材料中腐蚀的相位差的中间连续波微波信号。第一和第二连续波微波信号都是频率调制的连续波信号。还公开了感测腐蚀的方法，用于感测腐蚀的系统以及使用微波收发器来感测腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波传感器，其适于确定在其表面上具有至少一层涂层材料的资产中，通常为腐蚀的异常的存在。
背景技术
腐蚀监测在从微电子到石油和天然气管道的广泛的工业中是需要的。典型地，对腐蚀敏感的材料在暴露的表面上具有绝缘材料层，使得难以通过眼睛评估腐蚀水平。传统的监测方法包括一定程度的破坏性测试，例如喷砂以去除绝缘材料层，从而能够肉眼检查被腐蚀的材料。执行这样的破坏性测试需要检查区域所在的资产有一定量的停机时间，因此这种测试是一种从商业上没有吸引力的监视选项。对破坏性测试的改进是使用所谓的非破坏性测试，其中使用光、辐射或声音来原地检查绝缘材料层下面的腐蚀。相应的例子包括使用超声、白光干涉测量法、X射线分析和微波分析。
使用微波分析的无损检测的一个特定用途是在石油和天然气工业中作为腐蚀传感器，以确定管道中是否存在任何异常。管道用于在油田和气田周围和从油田和气田运输油、气或其混合物(例如转混)。典型地，这种管道具有多层结构，具有由直径在0.1m-1.2m范围内的管形成的芯和外包层或绝缘层。例如，通常的构造是使用钢管和基于聚合物的包层。然而，钢管易于腐蚀并且因此易于发生其它异常，例如点蚀、分层、金属损失和水进入，然而这被聚合物绝缘层隐藏而不可见。微波波长特别适合于检查这样的管道，因为即使当缺陷隐藏在管道结构内或在芯和包层之间时，微波波长也给出了缺陷的清楚指示。当使用微波分析来执行异常检测时，通常使用矢量网络分析器(vector network analyser,VNA)来生成和分析微波信号。VNA是相对昂贵且笨重的设备，因此不适合于需要便携式测试方法的情况。除了使用VNA的成本和相对不便之外，还需要大量的用户培训以能够充分利用VNA并因此充分利用微波分析方法。
在US6,940,295中公开了一种选项，用以改进这种情况并提供相对于感兴趣样本至少可移动的异常传感器。代替使用基于VNA的大的固定传感器，提供了固定平移装置，微波传感器借助于支撑组件安装在该固定平移装置上。平移装置则能够沿着感兴趣对象而移动微波传感器，并且如果使用垂直于第一平移装置定位的第二平移装置，则微波传感器可以扫描整个表面。通过测量入射微波信号和反射微波信号之间的能量差来发现存在于感兴趣材料中的任何缺陷。WO2008/051953还公开了一种安装在平移装置上的传感器，使得该传感器可以以固定的扫描距离跨感兴趣材料的表面移动。提供具有正交极化的两个入射微波信号。通过比较入射和反射的极化微波信号以确定相位差，来检测感兴趣的材料中的缺陷。尽管这样的传感器是非接触装置并且因此是非破坏性的，但是这两者都需要感兴趣材料相对于平移装置定位，因此不是真正便携的。
US6,674,292公开了这样的装置，其通过不安装在固定平移装置上而提供更大灵活性。US6,674,292公开了一种手持微波无损检测装置，其设置有滚轴以接触感兴趣材料的表面，并为微波传感器提供固定的扫描距离。通过分析入射和反射微波信号之间的能量差来检测感兴趣材料中的缺陷。同样，扫描距离是固定的，在这种情况下，通过在承载微波传感器的壳体上提供滚轴，使得虽然微波传感器是非破坏性的，但它不是非接触的。
因此，希望找到一种方式来提供对由在其表面上具有至少一层涂层材料的材料形成的结构内的异常(例如分层、水进入和腐蚀)的存在的简单、便携、非接触和无损测试。
发明内容
本发明旨在通过在第一方面提供一种微波传感器来解决这些问题，该微波传感器适于确定由材料系统形成的资产中异常的存在，所述材料系统包括在其表面上具有至少一层涂层材料的基底，所述基底包括：微波收发器；以及波导；所述波导可操作地耦合到所述微波收发器，其中所述微波收发器发射入射到所述至少一层涂层材料上的第一连续波微波信号，并且接收从所述至少一层涂层材料反射的第二连续波微波信号，其中所述第一和第二连续波信号被组合成具有指示所述材料系统中的异常的相位差的中间连续波微波信号，并且其中所述第一和第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
通过使用频率调制的连续波微波信号来产生指示材料中的异常的相位差，可以提供对由在其表面上具有至少一层涂层材料形成的结构内的腐蚀的存在的简单、便携、非接触和无损测试。
优选地，波导的尺寸和构造被制作为提供所述第一和第二连续波微波信号的可测量面积和分辨率。
波导可以是锥形的。优选地，锥体是基于方形的锥体。
传感器还可以包括对准模块。优选地，对准模块是激光对准模块。
传感器可以适于装配在手持单元内。
传感器可以在近场模式下操作。可替换地，传感器可以在远场模式下操作。
优选地，微波收发器产生宽带微波频谱。
所述至少一层涂层材料可以是绝缘材料。
所述涂层具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述基底具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述材料系统具有介于所述涂层与所述基底之间的界面，使得所述异常在所述涂层的表面处、所述基底的表面处和所述涂层与所述基底之间的所述界面处，或者在所述涂层或所述基底内。
所述异常可包括：分层、进水、腐蚀、材料缺陷、化学成分的局部变化、液体或气体。
在第二方面，本发明提供了频率调制的连续波微波收发器的使用，该频率调制的连续波微波收发器可操作地耦合到波导，来确定由在其表面上具有至少一层涂层材料的材料形成的资产中异常的存在。
在第三方面，本发明提供了一种确定资产中异常的存在的方法，所述资产由在其表面上具有至少一层涂层材料的材料形成，所述方法包括：发射入射到所述至少一层涂层材料上的第一连续波微波信号；接收从所述至少一层涂层材料反射的第二连续波微波信号；将所述第一连续波微波信号和所述第二连续波微波信号组合成具有指示所述材料系统中的异常的相位差的中间连续波微波信号；其中所述第一连续波微波信号和所述第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
该材料可以在其表面上具有两层或更多层涂层材料。
优选地，该材料是金属。在这种情况下，至少一层涂层材料可以是绝缘材料。
优选地，所述材料形成管道的一部分。
该方法还可以包括以近场模式发射所述第一连续波微波信号。可替换地，该方法还可以包括以远场模式发射所述第一连续波微波信号。
优选地，第一连续波微波信号形成宽带微波频谱的一部分。
在第四方面，本发明提供了一种用于确定资产的材料系统中异常的存在的系统，该资产的材料系统包括在其表面上具有至少一层涂层的基底；所述系统包括：微波收发器和波导，所述波导可操作地耦合到所述收发器，所述收发器适于发射第一连续波微波信号并接收第二连续波微波信号；控制器，所述控制器适于控制第一和第二连续波微波信号的发送和接收；处理器，所述处理器适于组合所述第一和第二连续波微波信号以产生具有指示异常存在的相位差的中间连续波微波信号；以及显示器，所述显示器适于显示所述中间连续波微波信号；其中所述第一和第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
优选地，所述波导的尺寸和构造被制作为提供所述第一和第二连续波微波信号的可测量面积和分辨率。
所述波导可以是锥形的。在这种情况下，优选地，锥体是基于方形的锥体。
所述系统还可以包括对准模块。优选地，所述对准模块是激光对准模块。
所述微波收发器、所述波导和所述控制板适于装配在手持单元内。
所述传感器可在近场模式下操作，使得在其表面上具有至少一层涂层的材料的样品被放置在所述波导内。替代性地，所述传感器可在远场模式下操作，使得在其表面上具有至少一层涂层的材料的样品被放置在所述波导外部。
优选地，所述微波收发器产生宽带微波频谱。
附图说明
现在将仅通过示例的方式并参考附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明实施例的腐蚀传感器的示意图；
图2是指示其功能性的收发器的框图；
图3是针对没有施加绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表；
图4a是针对施加有单层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表；
图4b是针对施加有两层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表；
图4c是针对施加有三层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表；
图4d是针对施加有四层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表；
图5a是针对基线(未腐蚀)样品和第一腐蚀样品的频率对时间的传感器迹线的图表；
图5b是针对基线(未腐蚀)样品和第二腐蚀样品的频率对时间的传感器迹线的图表；
图6a是根据本发明实施例的手持式腐蚀传感器的示意性侧视图；
图6b是根据本发明实施例的手持式腐蚀传感器的示意性剖面侧视图；以及
图7是根据本发明实施例的确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料中存在腐蚀的方法的流程图。
具体实施方式
本发明采用创建微波传感器的方法，所述微波传感器适于基于频率调制的连续波微波信号来确定资产的异常的存在，所述资产包括在其表面上具有至少一层涂层材料的材料。这种传感器包括微波收发器和波导。波导可操作地耦合到微波收发器，并且微波收发器发射第一频率调制的连续波微波信号。该信号入射到至少一层涂层材料上，并且收发器接收从至少一层涂层材料反射的第二频率调制连续波微波信号。第一和第二频率调制的连续波信号被组合为中间调制的连续波信号，该中间调制的连续波信号具有相位差，根据该相位差确定腐蚀的存在。异常可以包括分层、水进入、腐蚀、材料缺陷、化学组成的局部变化、液体或气体。该方法与现有技术的方法的不同之处在于使用频率调制信号来确定异常的存在，而不是反射微波的能量或正交极化微波信号之间的相位差。如下文更详细地讨论的，将频率调制的连续波微波能力集成到简单的便携式设备中使得能够在当前不能实现的环境和时间尺度内执行缺陷测试。
图1是根据本发明实施例的微波传感器的示意图。资产由感兴趣的材料形成，该材料包括在其表面上具有至少一层涂层材料的材料。微波传感器1包括微波收发器2和波导3。收发器2安装在控制板4上，控制板4又安装在支撑件5上。波导3通过耦合部段6可操作地耦合到收发器2，并用作第一频率调制连续波微波信号的谐振器，因为波导3的内部是谐振腔。在该实施例中，波导3是基于方形的锥体7的形式，锥体的顶端8耦合到收发器，并且底端9是开放的，以便接收感兴趣的材料的样本或者被放置成非常接近感兴趣的材料。波导3由介电材料形成。收发器2发射将要入射到感兴趣的材料上的第一频率调制的连续波微波信号，并接收从感兴趣的材料反射的第二频率调制的连续波微波信号。第一和第二连续波信号被组合以形成具有指示材料中腐蚀的相位差的中间连续波微波信号。第一和第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
波导3的尺寸和构造被制作为提供第一和第二频率调制的连续波微波信号的可测量面积和分辨率。锥形波导特别适用于本发明，其中基于方形的锥形是特别优选的。然而，可以使用能够产生和放大本发明起作用所需的驻波的任何形状的波导。术语“连续波微波信号”用于将从微波源连续发射的波与例如在雷达中使用的传统脉冲微波信号区分开。
收发器2的功能在图2中更详细地示出。图2是指示其功能性的收发器的框图。收发器2与传统的脉冲微波产生(例如在雷达中)的不同之处在于，电磁信号被连续地发送和接收，从而产生第一和第二频率调制的连续波微波信号。收发器2产生宽带微波频谱。第一频率调制的连续波微波信号的频率在跨越设定带宽的扫描中随时间变化。第一频率调制的连续波微波信号和第二频率调制的连续波微波信号之间的频率差通过混合这两个信号来确定，产生中间调制的连续波微波信号，该中间调制的连续波微波信号可以被询问以确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料中是否存在腐蚀。
用于表示第一频率调制的连续波微波信号的频率的时间演变的一种简单且频繁使用的函数是锯齿函数。当与第一频率调制的连续波微波信号相比时，由于微波传感器和感兴趣的材料之间的飞行时间，第二频率调制的连续波微波信号将经受时间延迟。这导致可被检测为低频范围中的信号的频率差。
在本发明中，所感兴趣的材料是固定的，第一频率调制连续波在其穿透到所感兴趣的材料表面上的涂层材料层中时减慢。一旦产生第一频率调制的连续波微波信号并将其馈送到波导3，则波导3用作谐振器，并且在由波导3形成的腔内建立驻波。第二频率调制连续波微波信号由从形成感兴趣的材料和其表面上的涂层的材料反射的信号形成。第一调频连续微波信号入射到涂层材料层上，被该层减慢，然后被下面的材料反射。在典型的应用中，涂层是绝缘材料层，例如介电材料，并且感兴趣的材料是金属、合金或纯金属。
图2是微波收发器2及其集成到更大系统中的示意性框图。该系统确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料中腐蚀的存在。收发器2包括发射器10和接收器11，发射器10和接收器11中的每一个耦合到波导3。此外，检测器12连接到接收器11，以能够检测第二频率调制的连续微波信号。控制器13连接到发射器10、接收器11和检测器12，并且被配置为在使用期间控制这些中的每一个。控制器13输出中间调制连续波信号，该中间调制连续波信号被路由到模数转换器(ADC)。在计算机14处应用单个处理算法，计算机14具有用于显示中间调制连续波信号、相位差和由用户确定的其它各种特征的显示器15，以及在计算机14处提供图形用户界面(GUI)。
在许多应用中，对谐振频率偏移、Q因子偏移和介电常数值的改变的精度有相对高的要求。第一频率调制的连续微波信号的频率以离散的频率步长在频率范围(有时称为扫描范围)上扫描，同时被连续发射。在每个频率处，确定第一频率调制的连续波微波信号和第二频率调制的连续波微波信号之间的相位差，每个步长处的频率保持足够长以允许第二频率调制的连续波微波信号在反射之后返回。
通过以步进方式扫描频率范围，并且对于每个频率检测第一频率调制的连续波微波信号和第二频率调制的连续波微波信号之间的相位差，可以确定波导3和涂层材料的表面之间的距离。该距离通常对应于第一频率调制连续波微波信号的几个完整周期加上周期的一部分，其中相位差仅提供关于周期的该部分的信息。因此，单一的频率测量不足以确定波导3和感兴趣的材料之间的距离。通过在不同频率下进行若干次相位差测量，可以确定完整周期的正确数目，并因此确定到感兴趣的材料的距离。然而，第一频率调制连续波微波信号具有一定的物理宽度，导致从感兴趣的材料和存在的任何其它微波反射器接收到许多反射。对于步进频率连续波距离测量，如上所述，确定发射的第一频率调制连续波微波信号和接收的第二频率调制连续波微波信号之间的相位差。相位检测器输出与相位差的余弦相关的值。
微波传感器1被放置在与在其表面上具有涂层材料层的材料(例如绝缘管(钢芯上的混凝土覆层))的样品相距D的地方。第一频率调制连续波微波信号具有GHz范围内的频率，并且从24GHz的开始频率以步进方式扫过1500MHz的频率范围。每一步为1MHz。第一频率调制的连续波微波信号被传输到波导3中，并且它被形成第二频率调制的连续波微波信号的感兴趣的材料反射。然后将第一频率调制的连续波微波信号的频率增加一个步长，并重复测量。这在第一频率调制的连续波微波信号的整个频率范围内继续，产生几个相位差值，每一个相位差值针对第一频率调制的连续波微波信号的每个频率。最后，波导3和样品之间的距离通过相位差值来确定。对介电常数或Q因子值的确定是基于频率范围的带宽和波导3与样本之间的距离的。
微波传感器1的输出对应于第一频率调制的连续波微波信号和第二频率调制的连续波微波信号之间的相位差的余弦，其由反射相位差给出。相位差将在+1和-1之间变化，对应于0和180°之间的相位值。典型地，该相位差对应于第一频率调制连续波微波信号的几个完整周期加上周期的一部分。
收发器2输出由下式描述的中间调制连续波信号S：
S/D＝2*BW/(c*T)
其中D是波导3和样品之间的距离，BW是第一频率调制的连续波微波信号的带宽，c是光速，T是第一频率调制的连续波微波信号扫过频率范围所花费的时间。
如果样品被放置在到波导3距离为D的地方，则第一和第二频率调制的连续波微波信号之间的时间差t为：
t＝2D/c
在任何实际系统中，频率都不能在一个方向上连续变化；因此，仅调制中的周期性是必要的。频率调制包括三角波形、锯齿波形、正弦波形、方波和其它合适的波形。当使用三角频率调制波形时，所得到的拍频是恒定的，除了在频率扫描中的回转区域处。第一频率调制连续波微波信号和第二频率调制连续波微波信号在混频器中相乘。使用低通滤波器滤除高频项，获得拍频fb。如果信号中不存在多普勒频移，则
fb＝tmf＝2R/(cmf)
其中t是完成贯穿频率范围的扫描所花费的时间，R是从波导3到样品的距离，c是光速，mf是第一频率调制的连续波微波信号的频率变化的斜率。
但是：
mf＝Δf/(1/(2fm))＝2fmΔf
其中fm是频率的调制速率，并且Δf是频率的最大偏差。因此：
fb＝(4RfmΔf)c
通常在频率调制的连续波系统中存在两个拍频，这是由于与微波信号穿透到样品中相关联的多普勒效应，以及由下式给出的散射效应：
f1＝(4RfmΔf)/c+fd
f2＝(4RfmΔf)/c-fd
其中fd是与多普勒频移相关联的频率。中间信号S的第一余弦项描述了大约两倍于载波频率的线性增加的频率调制信号(啁啾)，其中相移与延迟时间Td成比例。该项通常由低通滤波器(LPF)主动地滤除。第二余弦项描述固定频率处的差拍信号，其可通过相对于时间对瞬时相位项求微分来获得。拍频与目标距波导3的距离D成正比。因此，通过确定拍频，可以直接确定该距离D。拍频也可用于确定样品的介电性质。
例如，在管道上发生异常(例如腐蚀)的情况下，通过确定管道的金属芯和波导3之间的距离存在局部变化或者金属芯的介电性质存在局部变化，拍频的变化可以用于确定存在腐蚀的区域。由于系统对距离和材料成分的变化敏感，这可以通过诸如管道的金属芯上的混凝土包层的介电材料来实现。此外，由于具有和不具有腐蚀的区域之间的介电性质的差异，在中间信号中可以看到时间延迟。涂层可以具有彼此相对的第一表面和第二表面，基底具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且材料体系具有介于涂层与基底之间的界面。这意味着异常在涂层的表面处、基底的表面处和涂层与基底之间的界面处，或者在涂层或基底内。
为了确定进行这种测量的可重复性，最初使用根据本发明实施例的微波传感器来识别铜片表面中的缺陷。最初，在铜片的表面中产生缺陷，导致一系列圆形凹陷，所述圆形凹陷在铜片的表面中具有相等的表面积、一个凹陷具有浅的深度，一个凹陷具有中间深度中，一个凹陷具有深的深度。为了确定微波传感器的分辨率，改变凹陷的深度，从而可以检查最浅凹陷和最深凹陷之间的分辨率。
图3是针对没有施加绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表。轨迹A表示深度最浅的缺陷，轨迹B表示深度中等的缺陷，轨迹C表示深度最深的缺陷。迹线中存在明显的差异，这表明不仅传感器的测量是可重复的，而且传感器能够精确地检测距离。
图4a是针对施加有单层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表。单层的厚度约为5mm，并且由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)形成。图4b是针对施加有两层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表。两个层的厚度约为5mm并由PMMA形成。图4c是针对施加有三层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表。所有三个层的厚度都约为5mm，并且由PMMA形成。图4d是针对施加有四层绝缘层的铜片的表面中的三个缺陷的频率对时间的传感器迹线的图表。所有四个层的厚度约为5mm，并且由PMMA形成。比较图表表明，随着绝缘材料层厚度的增加，传感器感测缺陷基底所花费的时间增加。迹线的特征在所有图表中都是相似的，表明绝缘层的存在对传感器的功效几乎没有影响。
在该初始调查之后，进行进一步的测试以确定传感器在确定腐蚀存在方面的功效。通过在氯化铁溶液浴中蚀刻铜片来模拟初始腐蚀样品。图5a是显示基线(未腐蚀)样品和第一腐蚀样品的频率对时间的传感器迹线的图表。迹线D表示基线信号，迹线E表示来自腐蚀样品的信号。随时间的两个样本的峰值位置之间存在明显差异，但两个样本的信号强度相似。图5b是显示基线(未腐蚀)样品和第二腐蚀样品的频率对时间的传感器迹线的图表。迹线F表示基线信号，迹线G表示第二腐蚀样品的信号频率。可以看出，由于因腐蚀引起的样品电导率的变化，在信号响应中存在相位变化，并且迹线之间在时间上存在显著差异。
然后进行进一步的测试以审查微波传感器与高级腐蚀相关的功效。在蚀刻工艺期间，增加氯化铁蚀刻溶液的浓度和/或延长铜片保留在蚀刻剂中的时间和/或增大施加到铜片上的电流，都会造成铜片表面的大量点蚀。锈也可能形成，并且在锈下面可能有一些铜的损失。表面粗糙度也增加了。可以使用根据本发明的实施例的微波传感器来检测这些特征/伪影中的每一个。
微波传感器可以以远场模式操作。替代性地，微波传感器可以在近场模式下操作。当微波传感器在限定的截止频率以下被激励时产生近场模式，而当在截止频率以上被激励时产生远场模式。截止频率被定义为波导3的谐振频率。
在近场模式中，需要非常高的Q因子驻波图案。例如，对于近场操作，Q因子大于10并且理想地大于20是优选的。当这种情况发生时，不存在与环境(空气)的固有波阻抗匹配。相反，当与波导的谐振频率相比时，腐蚀传感器在截止频率以下操作，例如在TM模式下，从而在波导3内产生构成近场的倏逝波。在这种情况下，将样品引入波导3中。
在远场模式中，由于腐蚀传感器在截止频率以上操作，因此，激发波长的场超过电介质反射器表面地辐射。在这种情况下，样品与微波传感器的距离可以在0.1mm至100cm之间的范围内。当传感器以远场模式反射信号参数操作时，诸如第一连续波微波信号的后向散射(漫反射)、镜面反射、第一连续波微波信号和第二连续波微波信号之间的时间差以及第一连续波微波信号的后向散射或镜面反射的幅度可以被测量。
可以提供微波传感器的对准，例如提供对准模块以精确地将波导3与样品对准。如果微波传感器还包括对准模块，则其优选地是激光对准模块。
图6a是根据本发明实施例的手持式微波传感器的示意性侧视图，图6b是根据本发明实施例的手持式微波传感器的示意性剖视侧视图。在该实施例中，微波传感器适于装配在手持单元内。微波传感器16包括由两个主要部段形成的壳体17：方形锥体19形状的波导部分18和手柄部分20。手柄部分20容纳电源21，电源21在该示例中包括两个AA电池21a，21b。微波收发器22定位在壳体16内手柄部分20和波导部分18之间的接合处，并且与电源21电连接。壳体17由塑料材料形成，手柄部分20成形为配合在手的抓握内，容易抓握部分23a，23b设置在手柄部分的相对侧上。
从以上示例可以看出，可操作地耦合到波导的频率调制的连续波微波收发器可以用于确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料的异常的存在。
从以上示例可以看出，根据本发明的各种实施例的微波传感器可以用在异常检测的方法中。这在图7中进行了概述，图7是根据本发明的实施例的确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料中存在腐蚀的方法的流程图。在步骤100，发射第一连续波微波信号以入射在至少一层涂层材料上。在步骤120，接收从至少一层涂层材料反射的第二连续波微波信号。在步骤140，第一连续波微波信号和第二连续波微波信号被组合以形成具有指示材料中的腐蚀的相位差的中间连续波微波信号。如上所述，第一连续波微波信号和第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。该材料可以在其表面上具有两层或更多层涂层材料。优选地，该材料是金属，在这种情况下，至少一层涂层材料是电绝缘体。这种组合通常发生在管道中，例如石油或天然气管道。如上所述，该方法可涉及以近场模式或远场模式发射第一连续波微波信号。第一连续波微波信号形成宽带微波频谱的一部分。
上述微波传感器适合于在需要监视资产中的异常的许多应用中使用。异常可以包括材料缺陷、化学成分的局部变化、液体或气体中的至少一种。例如，微波传感器可用于检测与石油和天然气工业中的管道相关的点蚀、分层、金属损失和水进入；或用在其他工业中，例如使用或制造流体的以及流过管道的材料的纯度或质量是关键的的制造业；用在其中对存储容器的腐蚀的监测是主要挑战的核废料工业中；用在制造金属部件的以及表面污染可影响表面质量和/或部件质量的工业中。根据所附权利要求，这些和其它优点和实施例将是显而易见的。
Claims (32)
1.微波传感器，其适于确定由材料系统形成的资产中异常的存在，所述材料系统包括在其表面上具有至少一层涂层材料的基底，所述基底包括：
微波收发器；以及
波导；
所述波导可操作地耦合到所述微波收发器，其中所述微波收发器发射入射到所述至少一层涂层材料上的第一连续波微波信号，并且接收从所述至少一层涂层材料反射的第二连续波微波信号，其中所述第一和第二连续波信号被组合成具有指示所述材料系统中的异常的相位差的中间连续波微波信号，并且其中所述第一和第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
2.如权利要求1所述的微波传感器，其中所述波导的尺寸和构造被制作为提供所述第一和第二连续波微波信号的可测量面积和分辨率。
3.如权利要求1或2所述的微波传感器，其中所述波导是锥形的。
4.如权利要求3所述的微波传感器，其中所述锥体是基于方形的锥体。
5.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述微波传感器还包括对准模块。
6.如权利要求5所述的微波传感器，其中所述对准模块是激光对准模块。
7.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述传感器适于装配在手持单元内。
8.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述传感器可在近场模式下操作。
9.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述传感器可在远场模式下操作。
10.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述微波收发器产生宽带微波频谱。
11.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述至少一层涂层材料是绝缘材料。
12.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述涂层具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述基底具有彼此相对的第一表面和第二表面，并且所述材料系统具有介于所述涂层与所述基底之间的界面，使得所述异常在所述涂层的表面处、所述基底的表面处和所述涂层与所述基底之间的所述界面处，或者在所述涂层或所述基底内。
13.如前述任一项权利要求所述的微波传感器，其中所述异常包括：材料缺陷、化学成分的局部变化、液体或气体。
14.频率调制的连续波微波收发器的使用，该频率调制的连续波微波收发器可操作地耦合到波导，来确定在其表面上具有至少一层涂层材料的材料系统中异常的存在。
15.一种确定由材料系统形成的资产中异常的存在的方法，该材料系统包括在其表面上具有至少一层涂层材料的基底，该方法包括：
发射入射到所述至少一层涂层材料上的第一连续波微波信号；
接收从所述至少一层涂层材料反射的第二连续波微波信号；
将所述第一连续波微波信号和所述第二连续波微波信号组合成具有指示所述材料系统中的异常的相位差的中间连续波微波信号；其中
所述第一连续波微波信号和所述第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中所述材料在其表面上具有两层或更多层涂层材料。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述材料是金属。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述至少一层涂层材料是绝缘材料。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其中所述材料形成管道的一部分。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述方法还包括以近场模式发射所述第一连续波微波信号。
21.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中所述方法还包括以远场模式发射所述第一连续波微波信号。
22.如权利要求14至20中任一项所述的方法，其中所述第一连续波微波信号形成宽带微波频谱的一部分。
23.用于确定资产的材料系统中异常的存在的系统，所述资产的材料系统包括在其表面上具有至少一层涂层的基底；所述系统包括：
微波收发器和波导，所述波导可操作地耦合到所述收发器，所述收发器适于发射第一连续波微波信号并接收第二连续波微波信号；
控制器，所述控制器适于控制第一和第二连续波微波信号的发送和接收；
处理器，所述处理器适于组合所述第一和第二连续波微波信号以产生具有指示异常存在的相位差的中间连续波微波信号；以及
显示器，所述显示器适于显示所述中间连续波微波信号；其中
所述第一和第二连续波微波信号是频率调制的连续波信号。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述波导的尺寸和构造被制作为提供所述第一和第二连续波微波信号的可测量面积和分辨率。
25.如权利要求23或24所述的系统，其中所述波导是锥形的。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述锥体是基于方形的锥体。
27.如权利要求23至26中任一项所述的系统，所述系统还包括对准模块。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述对准模块是激光对准模块。
29.如权利要求23至28中任一项所述的系统，其中所述微波收发器、所述波导和所述控制板适于装配在手持单元内。
30.如权利要求23至29中任一项所述的系统，其中所述传感器可在近场模式下操作，使得包括在其表面上具有至少一层涂层的基底的材料系统的样品被放置在所述波导内。
31.如权利要求23至29中任一项所述的系统，其中所述传感器可在远场模式下操作，使得包括在其表面上具有至少一层涂层的基底的材料系统的样品被放置在所述波导外部。
32.如权利要求23至31中任一项所述的系统，其中所述微波收发器产生宽带微波频谱。
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