CN113433209B - 基于csrr电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
基于CSRR电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法，该无损检测法主要利用CSRR电磁结构对金属表面焊接裂纹的敏感性，实现对金属表面焊接裂纹的无损检测；矢量网络分析仪给CSRR电磁结构提供一个宽频的矢量信号，该信号经由微带线耦合到CSRR电磁结构；CSRR电磁结构和正上方带有焊接裂纹的焊接件相互耦合，当CSRR电磁结构检测到焊缝中存在裂缝时，CSRR电磁结构的谐振频率会发生明显偏移。在整个检测过程中，由于CSRR电磁结构和待测焊件没有接触，因此不会对待测焊件引入新的缺陷，从而达到无损检测的目的。
Description
技术领域
本发明属于金属表面焊接裂纹检测技术领域，具体涉及一种基于CSRR电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法。
背景技术
随着工业技术的快速发展，金属材料的应用越来越广泛，对各种金属材料的质量把控也更加严格。
焊接是制造加工的常用方法，但是该方法由于加工原理决定了其在处理过程中容易发生变性、开裂的情况，有些缺陷具有很强的隐蔽性，人们并不能在质量检查中发现。对于金属和非金属材料，微波会有不同的特点，在金属材料检测中，微波不会穿透材料，反而会在金属表面形成反射，而检测人员需要做的是对这些反射信号进行收集，因为这些信号中包含金属表面缺陷的相关信息，比如位置信息、范围以及分布信息等。为了在焊接过程中及时发现缺陷并及时处理，需要利用有效的检测技术来及时筛查焊接缺陷。
互补开口谐振环(Complementary Split Ring Resonator,CSRR)是一种特殊的左手材料。在某一频段范围内，左手材料会表现出负的介电常数以及负的磁导率现象。目前，基于左手材料的传感器日益受到人们的关注，这类传感器具有原位测量，物理体积小，灵敏度高等优点。这种传感器也可与其他微波器件集成，有利于实现微波器件的小型化。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明基于互补开口谐振环(CSRR)电磁结构的谐振频率对金属表面焊缝的高度敏感性，提供一种基于CSRR电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法，解决无损检测过程中传统检测设备体积大、成本高，操作复杂的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:
基于CSRR电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法，该无损检测法主要利用CSRR电磁结构对金属表面焊接裂纹的敏感性，实现对金属表面焊接裂纹的无损检测；包括如下步骤：
步骤1：根据金属表面焊接裂纹检测精度要求，选择双面覆铜的微波PCB板材，依据选定板材的介电参数，在三维电磁仿真软件HFSS中进行CSRR电磁结构设计；
在CSRR电磁结构设计过程中，首先，利用三维电磁仿真软件HFSS依据选定PCB板材的介电参数和板材厚度，在PCB板材的上表面设计特征阻抗为50欧姆的微带线；接着，在PCB板材的表面的中心位置，利用三维电磁仿真软件HFSS设计出满足检测指标要求的CSRR电磁结构，该CSRR电磁结构为两个嵌套的开口谐振环结构；PCB板材两端位于微带线的两侧为SMA连接头；
步骤2：将带有裂纹的金属平板代替焊接件，放置在设计好的CSRR电磁结构的正上方；首先，设置金属平板中不存在裂纹，表示焊接件焊接效果良好，通过仿真得出CSRR电磁结构的谐振频率f1；接着，调整金属平板裂纹的宽度为1mm，在三维电磁仿真软件上观察CSRR电磁结构谐振峰的位置，如果其谐振频率f2小于f1，并且频偏明显，表明CSRR电磁结构的设计达到要求，能够检测到焊缝中的裂缝；
步骤3：根据步骤2设计的CSRR电磁结构，生成版图，联系相关电路制作厂商，进行CSRR电磁结构电路板的制作；
步骤4：将加工好CSRR电磁结构的接地共面波导结构连接上SMA连接头，然后，将矢量网络分析仪的A端口和B端口分别与CSRR电磁结构电路板的输入端和输出端的SMA接头连接；最后，将CSRR电磁结构平行并靠近待测焊缝位置，距离保持在1mm以内；
步骤5：待所有电路连接无误之后，设置矢量网络分析仪的测试频率范围为0-14GHz，矢量网络分析仪的A端口通过同轴线连接CSRR电磁结构的SMA连接头，为CSRR电磁结构提供激励电磁信号，激励电磁信号经过CSRR电磁结构，最后带有检测信息的电磁信号通过CSRR电磁结构的SMA连接头，经同轴线连接到矢量网络分析仪的B端口；进入B端口的电磁信号，经过矢量网络分析仪的信号处理，在矢量网络分析仪的显示窗口上显示出CSRR电磁结构谐振峰的频偏信息，根据频偏信息能够判断焊缝中是否存在裂纹，当CSRR电磁结构检测到焊缝中存在裂纹时，CSRR电磁结构的谐振频率会发生明显偏移；在整个检测过程中，由于CSRR电磁结构和待测焊件没有接触，因此不会对待测焊件引入新的缺陷，从而达到无损检测的目的。
本发明具有如下优点：
1)结构简单，成本低廉。本发明的CSRR电磁结构无损检测方法，测试结构简单，制造成本低廉。
2)操作方便。在检测过程中，只需要保证CSRR电磁结构与待测件保持在1mm的距离范围之内，便可以实现金属表面焊缝的高效检测，操作相对方便。
3)检测精度高。通过模拟和实验测试，结果表明，CSRR电磁结构传感器可以检测到100微米以下的焊缝缺陷。
实现金属表面无损检测。该检测方式在检测过程中，会和金属保持安全距离，不会对金属表面产生新的缺陷。
附图说明
图1为检测电路连接图。
图2为待测焊接件裂纹检测结构示意图。
图3为CSRR电磁结构图。
图4为CSRR电磁结构设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
基于CSRR电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法，该无损检测法主要利用CSRR电磁结构对金属表面焊接裂纹的敏感性，实现对金属表面焊接裂纹的无损检测；该检测法用到的主要测试设备包括：矢量网络分析仪、CSRR电磁结构、带有焊接裂纹的焊接件，其中检测电路的连接关系如图1所示。
如图1所示，矢量网络分析仪的A端口，通过同轴线连接CSRR电磁结构的SMA连接头，为CSRR电磁结构提供激励电磁信号，激励电磁信号经过CSRR电磁结构，最后带有检测信息的电磁信号通过CSRR电磁结构的SMA连接头，经同轴线连接到矢量网络分析仪的B端口。进入B端口的电磁信号，经过矢量网络分析仪的信号处理，在矢量网络分析仪的显示窗口上显示出CSRR电磁结构谐振峰的频偏信息，根据频偏信息能够判断焊缝中是否存在裂纹，当CSRR电磁结构检测到焊缝中存在裂纹时，CSRR电磁结构的谐振频率会发生明显偏移。
其中CSRR电磁结构的检测原理如图2所示。具体的检测原理如下：矢量网络分析仪给CSRR电磁结构提供一个宽频的矢量信号，该信号经由微带线耦合到CSRR电磁结构。CSRR电磁结构和正上方带有焊接裂纹的焊接件相互耦合，当CSRR电磁结构检测到焊缝中存在裂缝时，CSRR电磁结构的谐振频率会发生明显偏移。在整个检测过程中，由于CSRR电磁结构和待测焊件没有接触，因此不会对待测焊件引入新的缺陷，从而达到无损检测的目的。
CSRR电磁结构是整个无损检测方法中的核心器件，CSRR电磁结构设计与实现的具体步骤如下：
步骤1：根据金属表面焊接裂纹检测精度要求，选择双面覆铜的微波PCB板材，依据选定板材的介电参数，在三维电磁仿真软件HFSS中进行CSRR电磁结构设计。
在CSRR电磁结构设计过程中，首先，利用Ansoft公司的三维电磁仿真软件HFSS(High Frequency Structure Simulator，HFSS)进行微带线结构设计。依据选定PCB板材的介电参数和板材厚度，在PCB板材的上表面设计特征阻抗为50欧姆的微带线。接着，在PCB板材的表面的中心位置，利用三维电磁仿真软件HFSS设计出满足检测指标要求的CSRR电磁结构，该CSRR电磁结构如图3所示，为两个嵌套的开口谐振环结构。PCB板材两端位于微带线的两侧为SMA连接头。
CSRR电磁结构谐振频率和其尺寸大小有关，利用三维电磁仿真软件HFSS，依据选定板材厚度以及介电参数，可以精确设计优化出满足检测指标要求的CSRR结构，其具体的设计流程如图4所示。
步骤2：将带有裂纹的金属平板代替焊接件，放置在设计好的CSRR电磁结构的正上方。首先，设置金属平板中不存在裂纹，表示焊接件焊接效果良好，通过仿真得出CSRR电磁结构的谐振频率f1。接着，调整金属平板裂纹的宽度为1mm，在三维电磁仿真软件上观察CSRR电磁结构谐振峰的位置，如果其谐振频率f2小于f1，并且频偏较为明显，表明CSRR电磁结构的设计达到要求，能够检测到焊缝中的裂缝。
步骤3：根据步骤2设计的CSRR电磁结构，生成版图。将CSRR电磁结构的电路版图以.dxf的文件格式导出，联系相关电路制作厂商，进行CSRR电磁结构电路板的制作。为了保证电路板和矢量网络分析仪的连接，将CSRR电磁结构电路板的输入和输出端口设计为接地共面波导结构，这样便于后期测试过程中连接SMA连接头；
步骤4：CSRR电磁结构电路板加工完成，按照图1所示的连接关系，进行检测系统电路连接。首先，将加工好CSRR电磁结构电路板的接地共面波导结构连接上SMA连接头。然后，将矢量网络分析仪的A和B两个端口，分别与CSRR电磁结构电路板的输入端和输出端的SMA接头连接。最后，将CSRR电磁结构平行并靠近待测焊缝位置，距离保持在1mm以内。
步骤5：待所有电路连接无误之后，设置矢量网络分析仪的测试频率范围为0-14GHz，并按照图1的结构进行检测。
Claims (1)
1.基于CSRR电磁结构进行金属表面焊接裂纹的无损检测方法，其特征在于：该无损检测法主要利用CSRR电磁结构对金属表面焊接裂纹的敏感性，实现对金属表面焊接裂纹的无损检测；包括如下步骤：
步骤1：根据金属表面焊接裂纹检测精度要求，选择双面覆铜的微波PCB板材，依据选定板材的介电参数，在三维电磁仿真软件HFSS中进行CSRR电磁结构设计；
在CSRR电磁结构设计过程中，首先，利用三维电磁仿真软件HFSS依据选定PCB板材的介电参数和板材厚度，在PCB板材的上表面设计特征阻抗为50欧姆的微带线；接着，在PCB板材的表面的中心位置，利用三维电磁仿真软件HFSS设计出满足检测指标要求的CSRR电磁结构，该CSRR电磁结构为两个嵌套的开口谐振环结构；PCB板材两端位于微带线的两侧为SMA连接头；
步骤2：将带有裂纹的金属平板代替焊接件，放置在设计好的CSRR电磁结构的正上方；首先，设置金属平板中不存在裂纹，表示焊接件焊接效果良好，通过仿真得出CSRR电磁结构的谐振频率f1；接着，调整金属平板裂纹的宽度为1mm，在三维电磁仿真软件上观察CSRR电磁结构谐振峰的位置，如果其谐振频率f2小于f1，并且频偏明显，表明CSRR电磁结构的设计达到要求，能够检测到焊缝中的裂缝；
步骤3：根据步骤2设计的CSRR电磁结构，生成版图，联系相关电路制作厂商，进行CSRR电磁结构电路板的制作；
步骤4：将加工好CSRR电磁结构的接地共面波导结构连接上SMA连接头，然后，将矢量网络分析仪的A端口和B端口分别与CSRR电磁结构电路板的输入端和输出端的SMA接头连接；最后，将CSRR电磁结构平行并靠近待测焊缝位置，距离保持在1mm以内；
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