CN111638268B - 一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法及装置，其方法通过设置若干个介质谐振器在x轴方向上交错排列，可以使得对应同一裂纹的多个介质谐振器产生的磁场可以交错叠加，弥补电流较弱的位置，从而让电流分布交错均匀，以使得即使裂纹位置偏移也会准确地检测，从而减少误差，同时，也提高了对裂纹检测的敏感度；同时，通过先后检测无裂纹与已知裂纹深度的金属样板来确定介质谐振器阵列的实际敏感度，再去确定待测金属样板表面裂纹对应的谐振频率，根据实际敏感度与谐振频率偏移量，确定待测金属样板的裂纹深度，使得检测更加精确。
Description
技术领域
本申请涉及天线与传感技术领域，尤其涉及一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法及装置。
背景技术
在现代生活的多个重要领域中，金属应用广泛。为了检测金属产生的裂纹，需要对关键部位进行裂纹监测。通常使用的方法有：脉冲、红外等传统办法进行检测，但是传统检测技术的弊端是成本高、检测程序繁琐，而基于天线传感技术的检测成本低，检测程序简单。而提高检测灵敏度能提供裂纹更敏感的监测，但是，会使得谐振频率对裂纹与检测器偏差距离的变化也十分敏感，同时，裂纹深度的变化也会影响准确性，造成较大的误差。
发明内容
本申请提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法及装置，用于解决现有的检测技术成本高、易产生误差的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法，包括：
S1：基于三维坐标系，若干个介质谐振器在x轴方向依次交错排列，所述介质谐振器为半球型结构，所述介质谐振器的半径为r，相邻所述介质谐振器间隔距离均为r/2，相邻所述介质谐振器球心对应的y轴向量坐标差为±n×(r/2)(n＝1或2)，进而建立介质谐振器阵列；
S2：将所述介质谐振器阵列对应放置于第一金属样板的裂纹处，所述第一金属样板的已知裂纹深度为0，获取所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1；
S3：更换已知裂纹深度d(d>0)的第二金属样板，获取所述第二金属样板裂纹对应的谐振频率f2，基于所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1，进而确定所述第二金属样板裂纹对应的所述介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf12，根据所述第二金属样板裂纹对应的谐振频率的最大偏移量Δf12与所述第二金属样板的已知裂纹深度d的关系，确定所述介质谐振器阵列的敏感度；
S4：更换待检测金属样板，获取对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f3，基于所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1，进而确定所述待检测金属样板对应的所述介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13，根据所述待检测金属样板对应的所述介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13与所述介质谐振器阵列的敏感度的关系，确定所述待检测金属样板的裂纹深度。
优选地，所述步骤S2中获取所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1具体包括：通过收发天线向所述介质谐振器阵列发送激励波，并接收所述介质谐振器阵列相应的反射信号，基于所述反射信号中的反射参数计算对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1。
优选地，所述步骤S3中获取对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f2具体包括：通过所述收发天线向所述介质谐振器阵列发送激励波，并接收所述介质谐振器阵列相应的反射信号，基于所述反射信号中的反射参数计算对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f2。
另一方面，本发明还提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，应用上述的介质谐振器阵列，包括：收发天线与数据处理模块；
所述介质谐振器阵列设置于金属样板的裂纹处；
所述收发天线设于相对所述介质谐振器阵列的预设范围内，所述收发天线用于向所述介质谐振器阵列发送信号，并接收反射信号；
所述数据处理模块与所述收发天线通信连接，用于根据所述收发天线接收的反射信号检测对应的反射参数从而确定所述介质谐振器阵列的谐振频率，进而确定所述金属样板的裂纹深度。
优选地，所述收发天线采用喇叭天线。
优选地，所述收发天线位于所述介质谐振器阵列上方。
优选地，所述数据处理模块包括网分仪与PC终端，所述网分仪与所述PC终端通信连接；
所述网分仪用于检测所述收发天线接收的反射信号中的反射参数；
所述PC终端用于根据所述反射参数确定所述介质谐振器阵列的谐振频率，进而确定所述金属样板的裂纹深度。
优选地，所述介质谐振器阵列中的介质谐振器采用介电常数为85-95的陶瓷材料。
优选地，所述介质谐振器的损耗角正切为0.002-0.005。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本发明实施例一方面提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法，通过设置若干个介质谐振器在x轴方向上交错排列，可以使得对应同一裂纹的多个介质谐振器产生的磁场可以交错叠加，弥补电流较弱的位置，从而让电流分布交错均匀，以使得即使裂纹位置偏移也会准确地检测，从而减少误差，同时，也提高了对裂纹检测的敏感度；
同时，通过先后检测无裂纹与已知裂纹深度的金属样板来确定介质谐振器阵列的实际敏感度，再去确定待测金属样板对应的谐振频率，根据实际敏感度与谐振频率，从而确定待测金属样板的裂纹深度，使得检测更加精确。
本发明实施例另一方面提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，其不仅通过介质谐振器阵列交错排列使得检测减少误差，同时，通过设置收发天线与介质谐振器阵列通信连接，使得检测更加灵活，扩大应用范围。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的立体结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的侧视结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的无裂纹情况下的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
图5为本申请一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的裂纹深度为1mm情况下的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
图6为本申请一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的裂纹深度为2mm情况下的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
图7为本申请一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法的裂纹深度为3mm情况下的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
为了方便理解，请参考图1，本实施例一提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法，包括：
S1：基于三维坐标系，若干个介质谐振器在x轴方向依次交错排列，介质谐振器为半球型结构，介质谐振器的半径为r，相邻介质谐振器间隔距离均为r/2，相邻介质谐振器球心对应的y轴向量坐标差为±n×(r/2)(n＝1或2)，进而建立介质谐振器阵列；
需要说明的是，半球型结构的介质谐振器由于结构特性，可以将磁场集中在金属样板表面，使得可以增强金属样板表面的电流，从而可以提高对金属样板裂纹检测的灵敏度。
S2：将介质谐振器阵列对应放置于第一金属样板的裂纹处，第一金属样板的已知裂纹深度为0，获取第一金属样板对应的介质谐振器阵列的谐振频率f1；
S3：更换已知裂纹深度d(d>0)的第二金属样板，获取第二金属样板裂纹对应的谐振频率f2，基于第一金属样板对应的介质谐振器阵列的谐振频率f1，进而确定第二金属样板裂纹对应的介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf12，根据第二金属样板裂纹对应的谐振频率的最大偏移量Δf12与第二金属样板的已知裂纹深度d的关系，确定介质谐振器阵列的敏感度；
需要说明的是，谐振频率的最大偏移量＝谐振频率-初始谐振频率，而在步骤S2中是通过无裂纹的金属样板来获取对应的介质谐振器阵列的谐振频率f1，因此，谐振频率f1为初始谐振频率；
同时，谐振器的最大敏感度(单位：MHz/mm)＝最深裂纹的谐振频率偏移量/对应裂纹深度。
S4：更换待检测金属样板，获取对应的介质谐振器阵列的谐振频率f3，基于第一金属样板对应的介质谐振器阵列的谐振频率f1，进而确定待检测金属样板对应的介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13，根据待检测金属样板对应的介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13与介质谐振器阵列的敏感度的关系，确定待检测金属样板的裂纹深度。
需要说明的是，本实施例中所提到的金属样板裂纹均为纵向裂纹或纵向规则裂纹；
同时，待检测金属样板的裂纹深度＝待检测金属样板对应的介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13/介质谐振器阵列的敏感度。
进一步地，步骤S2中获取第一金属样板对应的介质谐振器阵列的谐振频率f1具体包括：通过收发天线向介质谐振器阵列发送激励波，并接收介质谐振器阵列相应的反射信号，基于反射信号中的反射参数计算对应的介质谐振器阵列的谐振频率f1。
可以理解的是，通过收发天线与介质谐振器无线通信连接，而收发天线可以通过工作人员手动设定向介质谐振器阵列发送激励波，当介质谐振器接收到激励波后，使得谐振腔中的能量增大，灵敏度越高；而通过其无线通信连接可以远距离测量，适应多种环境，如核电设备或高温环境等，增加了检测工作范围。
进一步地，步骤S3中获取对应的介质谐振器阵列的谐振频率f2具体包括：通过收发天线向介质谐振器阵列发送激励波，并接收介质谐振器阵列相应的反射信号，基于反射信号中的反射参数计算对应的介质谐振器阵列的谐振频率f2。
实施例二
为了方便理解，请参考图2与图3，在金属样板的裂纹处相对放置介质谐振器阵列，其中，介质谐振器阵列2包括七个介质谐振器20、21、22、23、24、25、26，介质谐振器20、21、22、23、24、25、26为半球型结构，介质谐振器20、21、22、23、24、25、26半径为10mm，相邻介质谐振器间隔5mm，介质谐振器21相比于介质谐振器20的球心之间的y轴向量坐标差为-5，介质谐振器22相比于介质谐振器21的球心之间的y轴向量坐标差为+10，介质谐振器24相比于介质谐振器23的球心之间的y轴向量坐标差为+5，介质谐振器25相比于介质谐振器24的球心之间的y轴向量坐标差为-10，介质谐振器26与介质谐振器25的的球心之间的y轴向量坐标差为+5。
进一步地，将收发天线3放置于介质谐振器阵列2上方，并与介质谐振器阵列2通信连接，收发天线3工作频段覆盖介质谐振器阵列2的谐振频率，以方便通信连接畅通。
进一步地，将介质谐振器阵列2放置于无裂纹的金属样板1处，可以得到如图4所示的在无裂纹情况下的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
进一步地，将介质谐振器阵列放置于裂纹深度d＝1mm的金属样板1的裂纹11处，分别检测介质谐振器阵列中心位置的介质谐振器23与对应的裂纹11处之间的相对距离ddx＝0、3、6mm情况下，可以得到如图5所示的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
进一步地，将介质谐振器阵列放置于裂纹11深度d＝2mm的金属样板1的裂纹11处，分别检测介质谐振器阵列中心位置的介质谐振器23与对应的裂纹11处之间的相对距离ddx＝0、3、6mm情况下，可以得到如图6所示的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
进一步地，将介质谐振器阵列放置于裂纹深度d＝3mm的金属样板1的裂纹11处，分别检测介质谐振器阵列中心位置的介质谐振器23与对应的裂纹11处之间的相对距离ddx＝0、3、6mm情况下，可以得到如图7所示的介质谐振器阵列的谐振频率仿真图；
需要说明的是，由图4、图5、图6与图7中得出，本实施例中的介质谐振器阵列可以在相同裂纹深度下，所检测的谐振频率不会因为介质谐振器与裂纹距离的变化而导致偏移过大，如图7所示，深度为3mm情况下，介质谐振器与裂纹之间相对距离ddx分别在3、6mm时，与相对距离ddx＝0时的频率波形最低点相比，两者的谐振频率均未超过0.01GHz，同时，图7相对于图4、图5、或图6，可以看出在深度不同情况，其频率波形是不同的，这表明该介质谐振器阵列可以减少裂纹位置对介质谐振器检测的误差影响，使得裂纹检测更加精确。提出的介质谐振器阵列的排列方法有在检测裂纹时保持高敏感度同时减少裂纹位置干扰，以及便携、体积小、应用范围广、准确且及时回馈监测信息等特点。
实施例三
实施例三提供了一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，参考图2，应用实施例一或实施例二中的介质谐振器阵列2，包括：收发天线3与数据处理模块；
介质谐振器阵列设置于金属样板1的裂纹11处；
收发天,3设于相对介质谐振器阵列2的预设范围内，收发天线3用于向介质谐振器阵列2发送信号，并接收反射信号；
数据处理模块与收发天线3通信连接，用于根据收发天线3接收的反射信号测量反射参数从而确定介质谐振器阵列2的谐振频率，进而确定金属样板1的裂纹深度。
进一步地，收发天线3采用喇叭天线。
进一步地，收发天线3位于介质谐振器阵列2上方。
进一步地，数据处理模块包括网分仪与PC终端，网分仪与PC终端通信连接；网分仪用于检测收发天线3接收的反射信号的反射参数；PC终端用于根据反射参数确定介质谐振器阵列2的谐振频率，进而确定金属样板1的裂纹深度。
进一步地，介质谐振器阵列2中的介质谐振器采用介电常数为85-95的陶瓷材料，使得可以保持较高的增益。
进一步地，介质谐振器的损耗角正切为0.002-0.005，减少带宽，提高检测敏感度。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法，其特征在于，包括：
S1：基于三维坐标系，若干个介质谐振器在x轴方向依次交错排列，所述介质谐振器为半球型结构，所述介质谐振器的半径为r，相邻所述介质谐振器的x轴向的间隔距离均为r/2，相邻所述介质谐振器球心对应的y轴向量坐标差为n×(r/2)，其中，n依次取值为-1、2、1和-2，进而建立介质谐振器阵列；
S2：将所述介质谐振器阵列对应放置于第一金属样板的裂纹处，使得介质谐振器阵列对应同一裂纹的多个介质谐振器产生的磁场交错叠加，所述第一金属样板的已知裂纹深度为0，获取所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1；
S3：更换已知裂纹深度d的第二金属样板，其中，d>0，获取所述第二金属样板裂纹对应的谐振频率f2，基于所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1，进而确定所述第二金属样板裂纹对应的所述介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf12，根据所述第二金属样板裂纹对应的谐振频率的最大偏移量Δf12与所述第二金属样板的已知裂纹深度d的关系，确定所述介质谐振器阵列的敏感度；
S4：更换待检测金属样板，获取对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f3，基于所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1，进而确定所述待检测金属样板对应的所述介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13，根据所述待检测金属样板对应的所述介质谐振器阵列谐振频率的最大偏移量Δf13与所述介质谐振器阵列的敏感度的关系，确定所述待检测金属样板的裂纹深度。
2.根据权利要求1所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法，其特征在于，所述步骤S2中获取所述第一金属样板对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1具体包括：通过收发天线向所述介质谐振器阵列发送激励波，并接收所述介质谐振器阵列相应的反射信号，基于所述反射信号中的反射参数计算对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f1。
3.根据权利要求1或2所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测方法，其特征在于，所述步骤S3中获取对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f2具体包括：通过收发天线向所述介质谐振器阵列发送激励波，并接收所述介质谐振器阵列相应的反射信号，基于所述反射信号中的反射参数计算对应的所述介质谐振器阵列的谐振频率f2。
4.一种基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，应用权利要求1-3中任意一项所述的介质谐振器阵列，其特征在于，包括：收发天线与数据处理模块；
所述介质谐振器阵列设置于金属样板的裂纹处；
所述收发天线设于相对所述介质谐振器阵列的预设范围内，所述收发天线用于向所述介质谐振器阵列发送信号，并接收反射信号；
所述数据处理模块与所述收发天线通信连接，用于根据所述收发天线接收的反射信号检测对应的反射参数，从而确定所述介质谐振器阵列的谐振频率，进而确定所述金属样板的裂纹深度。
5.根据权利要求4所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，其特征在于，所述收发天线采用喇叭天线。
6.根据权利要求4或5所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，其特征在于，所述收发天线位于所述介质谐振器阵列上方。
7.根据权利要求4所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，其特征在于，所述数据处理模块包括网分仪与PC终端，所述网分仪与所述PC终端通信连接；
所述网分仪用于检测所述收发天线接收的反射信号中的反射参数；
所述PC终端用于根据所述反射参数确定所述介质谐振器阵列的谐振频率，进而确定所述金属样板的裂纹深度。
8.根据权利要求4所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，其特征在于，所述介质谐振器阵列中的介质谐振器采用介电常数为85-95的陶瓷材料。
9.根据权利要求8所述的基于介质谐振器阵列的金属裂纹检测装置，其特征在于，所述介质谐振器的损耗角正切为0.002-0.005。
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