CN117907349B - 一种便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法，属于材料缺陷检测技术领域，系统包括输出预定频率的信号压控振荡器；传感器单元，包括双分支定向耦合器，其输入端连接压控振荡器，输出端和耦合端分别连接一个相同的谐振单元，用于将信号分为两路信号并分别进入一个谐振单元，谐振单元根据感应区域的放置材料引起的电磁场分布改变将信号的幅度和相位改变后输出；每个谐振单元的输出端分别连接一个功分器，用于将谐振单元的输出信号功分为两路，一路进入幅相检测器，另一路进入混频器。检测方法通过检测系统实现。本发明摆脱了对矢量网络分析仪的依赖，并重新设计谐振单元，实现高灵敏度双重检测交互验证，并具有便携和极大降低实施成本的效果。
Description
技术领域
本发明属于材料缺陷检测技术领域，涉及微波法缺陷检测技术，具体涉及一种便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法。
背景技术
微波材料在电视广播、雷达技术、微波暗室和电子器件等方面有着广泛的用途。特别是由于电子对抗技术的迅速发展，更加推动了对材料技术的研究。而微波材料由于工艺水平和实际应用时会产生分层、疏松、开裂、空洞等复杂和多类型的缺陷，这些材料缺陷往往会造成各种不确定的影响，例如微波材料的损伤缺陷对航空航天设备上的复合材料等造成的影响具有不确定性和大范围性，轻则对航空航天设备造成各类的损伤，重则可能导致航空航天飞行时发生意外事故；又比如当介质基板表面或者内部存在缺陷时，将会导致微波电路如滤波器、微带谐振天线等射频电路工作频带偏移，插入损耗、回波损耗改变等，这将极大影响微波电路的功能性能。对于材料的复介电常数的精确测量能够真实反映材料是否存在缺陷及缺陷大小，因此，本发明提出的便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法具有重要意义。
材料缺陷检测方法分为非微波法和微波法。非微波法包括超声检测、射线检测、红外热成像检测、涡流检测等技术。微波法则是利用材料介电性能的唯一性和独特性原理，介电性能是描述材料电磁特性的一个基本的特征参数，材料的介电常数ε=εm- jε''，其中εm表示介电常数的实部，ε''表示介电常数的虚部，j表示虚数单位。当材料存在微小缺陷时，材料的复介电常数实部εm会发生微小的变化，也就是说，微波法测量检测材料缺陷是通过精确测量材料的介电常数实部εm和虚部ε''变化来直接反映材料是否缺陷，当被测材料存在缺陷时，该材料的介电常数实部εm和虚部ε''都会发生改变。微波法就是基于该方法进行材料缺陷检测。一般的微波法包括终端短路法、终端开路法/探头法、传输/反射法、自由空间法、谐振法等。但现有的这些微波法检测方式存在一些问题：
1、对谐振器的要求较高：对于品质因数不高的普通谐振器而言，在进行微波材料电磁参数的测试时，有可能找不到谐振峰或者是因空腔功率的耗散远大于在样品中的损耗，放入样品后对品质因数影响很小，这些都会对测试结果造成很大的影响。因此在利用谐振法测试时需要设计品质因数高、空腔功率耗散低的谐振器，这往往对设计谐振器带来一定困难；
2、测量仪器价格昂贵：一般来说，传统的谐振法测量需要捕捉谐振器的谐振峰，因此需要用到矢量网络分析仪，而无论是国产还是进口的矢量网络分析仪都相对昂贵，巨大的价格成本加大了测试的困难；
3、检测过程繁琐，无法实现实时检测：现有的测量方法需要较长的时间成本，矢量网络分析仪等设备需要繁琐的校准才能有效使用，而且设备不易移动，无法实现复杂工业环境下的实时检测。
发明内容
为解决上述相关现有技术不足，本发明提供一种便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法，无需依赖矢量网络分析仪且可实现高灵敏度检测，并可通过双重检测结果进行交互验证，便携且实施成本低。
为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：
一种便携式材料微小缺陷射频检测系统，包括压控振荡器、传感器单元、功分器、幅相检测器、混频器、低通滤波器；
压控振荡器用于输出预定频率和预定功率的微波射频信号；
传感器单元包括双分支定向耦合器，其输入端连接压控振荡器，输出端和耦合端分别连接一个相同结构的谐振单元，用于将压控振荡器输出的信号分为两路相位差为90度、功率相等的信号并分别进入到对应的谐振单元，谐振单元用于根据其感应区域放置的材料引起的电磁场分布改变，将进入的信号的幅度和相位改变后输出；
功分器有两个，每个谐振单元的输出端分别连接一个功分器，用于将谐振单元的输出信号功分为两路，一路进入幅相检测器，另一路进入混频器；
幅相检测器用于将进入的信号转换为关于幅度变化的幅度电压信号和关于相位变化的相位电压信号；
混频器用于将进入的信号混频后输出到低通滤波器，低通滤波器用于滤除高频信号并输出一个电压信号。
通过使用万用表可分别测试幅相检测器输出的幅度电压信号、相位电压信号和低通滤波器输出的电压信号，并进行显示，方便进行记录。
进一步，谐振单元加载于介质基板，包括半模基片集成波导和互补分裂环谐振器。半模基片集成波导包括所述介质基板、形成于所述介质基板两面的金属覆层、两排间隔布置的金属化过孔，金属化过孔从一面的金属覆层贯通导通至另一面的金属覆层，互补分裂环谐振器形成于所述介质基板正面的金属覆层，并位于两排金属化过孔之间区域。互补分裂环谐振器包括一对间隔且呈对称布置的矩形状缺口环，缺口环通过蚀刻掉所述介质基板正面的金属覆层形成，缺口环相邻的一边具有缺口，与缺口所在一边相对的另一边有一段呈矩形波状。感应区域处于所述介质基板正面，位于两排金属化过孔之间并包括一对缺口环所在区域。
谐振单元的感应区域电场集中，电场强度值高，将待测材料放置于感应区域时会和谐振单元固有空间电磁场产生强烈相互作用，即感应区域放置的测试材料将引起谐振单元空间电磁场分布改变，最终将输出幅度和相位均改变的信号。
进一步，双分支定向耦合器也加载于所述介质基板。
进一步，还包括便携式电源，包括电池及与电池连接的降压电路，降压电路用于将电池的电压转换为供电电压以提供给压控振荡器和幅相检测器。
进一步，压控振荡器、传感器单元、功分器、幅相检测器、混频器、低通滤波器、便携式电源集中封装为一体。
一种便携式材料微小缺陷射频检测方法，采用所述的便携式材料微小缺陷射频检测系统进行实现，包括初步检测步骤和/或高精度检测步骤；
其中，初步检测步骤包括：
将压控振荡器输出的微波射频信号频率调整到与谐振单元的谐振频率相同；
在两个谐振单元的感应区域均放置同种且尺寸规格一致的无缺陷的参考固体材料，此时两个功分器输出两路频率相等、幅度相等的信号，并进入混频器混频后输出到低通滤波器滤除高频信号后输出第一个固定电压值，通过万用表或其他测试仪器检测第一固定电压值，并记录；
将其中一个谐振单元的感应区域上放置的参考固体材料替换为同种且尺寸规格一致的待测固体材料时，低通滤波器输出第二个固定电压值，通过万用表或其他测试仪器检测第一固定电压值，并记录；
当第二个固定电压值大于第一固定电压值时，判断出待测固体材料存在缺陷；
其中，高精度检测步骤包括：
将压控振荡器输出的微波射频信号频率调整到与谐振单元的谐振频率相同；
在两个谐振单元的感应区域均放置同种且尺寸规格一致且无缺陷的参考固体材料，并通过万用表或其他测试仪器测试幅相检测器输出的初始幅度电压信号V1、初始相位电压信号V2和低通滤波器输出的初始输出电压信号V0，并分别进行记录；
将与双分支定向耦合器的耦合端连接的谐振单元感应区域的参考固体材料替换为同种且尺寸规格一致的待测固体材料，并通过万用表或其他测试仪器测试幅相检测器输出的测试幅度电压信号V1'、测试相位电压信号V2'和低通滤波器输出的测试输出电压信号V0'，并分别进行记录；
若V0'大于V0，计算ΔV1= V1'- V1，ΔV2= V2'- V2，当ΔV1>0且ΔV2>0时，则可以判断待测固体材料存在微小缺陷，且ΔV1和ΔV2越大，代表缺陷越显著。
进一步，检测方法还用于检测液体/气体浓度变化。检测时，将液体/气体容置于封闭塑料腔体内，再向谐振单元的感应区域进行放置，放置于两个谐振单元的感应区域的封闭塑料腔体尺寸规格需要一致。
本发明的有益效果：
1、本发明不需要价格昂贵的矢量网络分析仪，并通过压控振荡器代替信号源，能够将介电常数与谐振频率之间的关系转换为介电常数与直流电压的关系，从而摆脱对传统方法的矢量网络分析仪的依赖；并基于重新设计的谐振单元，将半模基片集成波导(HalfMode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)与互补分裂环谐振器(ComplementarySpit Ring Resonator，CSRR)相结合使得谐振单元的尺寸更小，电场集中区域中的场强更强，对于材料感应的灵敏度更高，还利用便携式电源替代电源功能，极大降低了检测成本；
2、基于本发明检测系统的检测方法包括初步检测和高精度检测两种方式，只需要判断是否有缺陷时候可采用初步检测步骤通过混频器输出的固定电压值的差异快速得出结论，若需要高精度检测时候可采用高精度检测步骤，幅相检测器输出的两路电压和校准电压都发生变化，最终根据分别根据幅度电压的差值和相位电压的差值同时实现对材料的微小缺陷检测，并通过差值大小可以判断缺陷的显著程度；无论是初步检测方法和高精度检测方法，分别相比于传统手段都更加快速简便；并且可以同时采用两种检测方式，以便于进行交叉验证；
3、本发明的检测系统便携简单、检测对象多样化：本系统的便携式电源、压控振荡器、传感器、幅相检测器、功分器、混频器、低通滤波器均可集中封装，只需要万用表或其他测试仪器测量输出的电压即可，不仅省去了仪器校准等繁琐步骤，还使得测量系统更具有便携性，能在多种应用环境下工作；除了可以检测固体材料的微小缺陷外，通过在两个谐振单元的感应区域加装3D打印的封闭塑料腔体，可用于测液体和气体的浓度变化。
附图说明
图1示出了本申请实施例的检测系统的电路结构原理图。
图2示出了本申请实施例的压控振荡器的输出频谱图。
图3示出了本申请实施例的传感器单元的结构示意图。
图4示出了本申请实施例的谐振单元的结构示意图。
图5示出了本申请实施例的介质基板的截面结构示意图。
图6示出了本申请实施例的无缺陷样式和有缺陷样式的待测材料示意图。
图7示出了本申请实施例的谐振单元的S参数图谱。
图8示出了本申请实施例的谐振单元的感应区域的电磁场分布图。
图9示出了本申请实施例的不同材料加载到谐振单元上的幅度变化情况。
图10示出了本申请实施例的不同材料加载到谐振单元上的相位变化情况。
图11示出了本申请实施例的功分器的S参数图谱。
图12示出了本申请实施例的幅相检测器的幅度比值情况。
图13示出了本申请实施例的幅相检测器的相位差情况。
图14示出了本申请实施例的不同材料有缺陷和无缺陷时幅度相位检测器输出的幅度电压情况。
图15示出了本申请实施例的不同材料有缺陷和无缺陷时幅度相位检测器输出的相位电压情况。
图16示出了本申请实施例的不同材料有缺陷时相对于无缺陷材料的幅度电压相对变化量情况。
图17示出了本申请实施例的不同材料有缺陷时相对于无缺陷材料的相位电压相对变化量情况。
图18示出了本申请实施例的混频器输出电压随输入功率差值的变化情况。
图19示出了本申请实施例的低通滤波器的S参数图谱。
图20示出了现有技术方案一的检测系统原理图。
图21示出了现有技术方案二的检测系统原理图。
附图标记：1-双分支定向耦合器的输入端、2-双分支定向耦合器的隔离端、3-双分支定向耦合器的输出端、4-双分支定向耦合器的耦合端、5-双分支定向耦合器、6-谐振单元、7-介质基板、8-金属覆层、9-金属化过孔、10-互补分裂环谐振器、11-感应区域。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请实施例提供一种便携式材料微小缺陷射频检测系统及检测方法，如图1所示，检测系统包括压控振荡器、传感器单元、功分器、幅相检测器、混频器、低通滤波器等。
压控振荡器用于输出预定频率和预定功率的微波射频信号，传感器单元包括双分支定向耦合器和两个结构相同的谐振单元，定向耦合器输入端连接压控振荡器，输出端和耦合端分别连接一个谐振单元，用于将压控振荡器输出的信号分为两路相位差为90度、功率相等的信号并分别进入到对应的谐振单元，谐振单元用于根据其感应区域放置的材料引起的电磁场分布改变，将进入的信号的幅度和相位改变后输出。
功分器有两个，每个谐振单元的输出端分别连接一个功分器，用于将谐振单元的输出信号功分为两路，一路进入幅相检测器，另一路进入混频器；幅相检测器用于将进入的信号转换为关于幅度变化的电压信号和关于相位变化的电压信号；混频器用于将进入的信号混频后输出到低通滤波器，低通滤波器用于滤除高频信号并输出一个电压信号。
当不同的待测材料放置于谐振单元的感应区域时，根据电磁场扰动理论，放置的材料会改变谐振单元周围的电磁场分布，并改变谐振单元输出信号的幅度和相位，而这种变化可以通过幅相检测器检测，幅相检测器将谐振单元输出的信号的幅度和相位变化分别转换为关于信号幅度变化的电压值和关于相位变化的电压值，通过电压值的改变间接地检测材料缺陷。
作为系统的射频信号产生端，为了取代传统微波介电测量中的信号源，实现轻便、便携、成本低廉的目的，本实例进行小型化设计，压控振荡器可采用YSGM232508芯片及其外围电路实现，可以输出2.1-2.6GHz的射频信号，如图2所示，调节压控振荡器的滑动变阻器可将输出频率调节为2.45GHz，输出功率为6.75dBm，并保持不变，该2.45GHz信号接着进入传感器单元。与之匹配的，作为优选，本实例的供电方式采用便携式电源，包括两节7.4V干电池及与干电池连接的降压电路，降压电路可采用MP1584芯片制作，用于将干电池的电压转换为供电电压以提供给压控振荡器和幅相检测器。此方式代替了电源的功能，增强了便携性，能在多种应用环境下工作。进一步的，可将压控振荡器、传感器单元、功分器、幅相检测器、混频器、低通滤波器、便携式电源集中封装为一体，实现小型化，更好地利于便携使用。
具体的，如图3所示为传感器单元的结构示意图，2.45GHz信号通过双分支定向耦合器的输入端1进入双分支定向耦合器5，在双分支定向耦合器的输出端3和双分支定向耦合器的耦合端4输出两路相位差为90度、功率相等的信号，两路信号随后分别进入两个尺寸相同且特殊设计的谐振单元6。双分支定向耦合器的隔离端2用于防止反射信号干扰和保护器件。
为方便后文描述，将与双分支定向耦合器的输出端3连接的谐振单元6的输出称为信号输出端一，将双分支定向耦合器的耦合端4连接的谐振单元6的输出称为信号输出端二。
谐振单元6的电场越集中、电场强度越强，放置于谐振单元6的待测材料对应电场的扰动就越剧烈，这将导致谐振单元6输出信号的幅度和相位变化非常明显。因此，围绕该问题，本实例设计了一种电场高度集中、电场强度非常强的传感器单元，结合图3-图5所示，本实例中，双分支定向耦合器5和谐振单元6加载于同一介质基板7。谐振单元6包括半模基片集成波导和互补分裂环谐振器10，谐振单元6加载于介质基板7上，半模基片集成波导包括所述介质基板7、形成于所述介质基板7两面的金属覆层8、两排间隔布置的金属化过孔9，金属化过孔9从一面的金属覆层8贯通导通至另一面的金属覆层8，互补分裂环谐振器10形成于所述介质基板7正面的金属覆层8上，并位于两排金属化过孔9之间区域。互补分裂环谐振器10包括一对间隔且呈对称布置的矩形状缺口环，缺口环通过蚀刻掉所述介质基板7正面的金属覆层8形成，两个缺口环相邻/相对的一边具有缺口，与缺口所在一边相对的另一边有一段呈矩形波状。谐振单元6的感应区域11处于所述介质基板7正面，位于两排金属化过孔9之间并包括一对缺口环所在区域。
相比于现有技术采用的其他形状结构，本实例采用此种结构的互补分裂环谐振器10，其电场不仅集中在缺口处，在矩形波状的结构中也有着密集的电场分布，且此处电场强度远远大于缺口处的电场强度，从而使得互补分裂环谐振器10具有更高的电场集中度，保证更准确的测试结果。而半模基片集成波导相比于传统的基片集成波导结构尺寸更小，在半模基片集成波导的顶表面刻蚀互补分裂环谐振器10增强了电场的强度，如图8所示为其电场分布示意图。
具体的，如图4所示，设金属化过孔9的直径为d，相邻两个金属化过孔9的间距为s，两排金属化过孔9的距离为L，ε r为介质基板的介电常数，由此可以计算出主模TE101的截止频率：
其中，c为自由空间中的光速。
基于此原理，根据本实例需要设计的谐振单元6的谐振频率2.45GHz，对上述参数d、s、L、ε r进行选择或设计，可以达到要求。选择介质基板7为Rogers 5880，大小为100.1mm×60mm，厚度为0.79mm，介电常数ε r为2.2，损耗角正切为0.0009，利用高频电磁仿真软件设计谐振单元6，其S参数如图7所示，其中，S(1,1)表示谐振单元6的输入端口的电压反射系数，代表反射信号的强弱（绝对值越大，抑制信号反射的能力越强），S(2,1)表示谐振单元6的输出端口的传输系数，代表传输信号的强弱（绝对值越小，信号传输性能越强）；在2.45GHz频点处，插入损耗为-0.17dB，回波损耗为-34.5dB。
如图8所示为在2.45GHz处谐振单元6的电磁场分布情况，可以看到电磁场集中分布在两个缺口环周围，最强电场处约4*105V/m，这直接反映了传感器单元具有非常高的灵敏度。根据微扰理论，在电场集中的区域有材料扰动时：
此公式中，f 0为感应区域11未放置材料时的空载谐振频率，f r为感应区域11放置有材料时的谐振频率，Δε为所放置的材料的介电常数变化量，Vq一般表示谐振器的空腔体积，对应到本实例中具体指介质基板7上下的互补分裂环10的长、宽、以及两排金属化过孔9的高度共同围成的矩形腔体积，和分别代表电场强度和磁场强度，ε和μ分别代表自由空间中的介电常数和磁导率，当在感应区域11放上待测材料时，介电常数变化量Δε变化，会引起谐振频率f r的偏移，在原信号频率不变的情况下，信号通过谐振器之后的功率大小和相位情况随即发生变化。
为进一步验证本实施例的谐振单元6对不同复介电常数变化检测的灵敏度，本实例采用传统的材料复介电常数测量方案，即一个谐振单元6的两个端口分别连接矢量网络分析仪，如图20所示，该方案中矢量网络分析仪直接提供谐振单元6输入端口的输入信号，并直接测试谐振单元6输出端口的输出信号的幅度和相位变化。如图9和图10所示为不同材料加载到谐振单元6上对S(2,1)参数的影响，不同材料的介电常数如表1所示，图9为幅度变化情况，图10为相位变化情况。由图9和图10的测试结果也印证本实例的传感器单元具有非常高的灵敏度，当介电常数变化到9.2时，频率偏移了774MHz，灵敏度为94.4，相位变化了75.7度。
具体是将表中的材料分别制作成无缺陷样式和有缺陷样式两种，如图6所示规格均为15mm×15mm，厚度0.5mm，缺陷样式打上了5*5的非金属化过孔，孔之间的间距为1.5mm，孔的半径为0.2mm。
将无缺陷的材料分别放置在谐振单元6的感应区域11内，通过图9和图10可以看出，随着材料介电常数的增加，谐振频率减小，在2.45GHz处，插入损耗随介电常数的增加而增大，相位随介电常数的增加而减小，材料在感应区域11会引起谐振频率和相位的变化，且灵敏度定义为S：
其中，f 0是未加载材料时谐振单元6的谐振频率，f r是加载材料时谐振单元6的谐振频率，在图9中，以TP-2（复介电常数实部ε m =9.2）材料为例，可计算出灵敏度为94.4，证实了此传感器单元具有非常高的灵敏度。
本实例所述的功分器为T型一分二功分器，其中一路信号进入幅相检测器，一路信号进入混频器，其性能如图11所示，其中，S(1,1)表示功分器输入端口在2.45GH在频点下的电压反射系数，代表反射信号的强弱（绝对值越大，抑制信号反射的能力越强，电路匹配性能越好），S(2,1)表示功分器输出端口的电压传输系数，在2.45GHz处约-3.37dB代表两个传输信号相等，即输出两路功率相同、频率相同的微波信号。
对于一个固定的射频信号，如频率为2.45GHz的射频信号，不同的材料会造成不同的信号衰减和相位变化。对于有缺陷的材料，其介电常数相比于无缺陷的材料要略小。为了提取出这种变化，采用幅相检测器来将信号的衰减和相位变化转化为直流信号。本实例中，幅相检测器采用AD8302芯片及其外围电路构成，幅相检测器是双输入双输出器件，输入两路信号，输出一路幅度电压和一路相位电压。具体的，幅相检测器的性能如图12和图13所示，其中图12表示前文所述的信号输出端二和信号输出端一输出的信号分别经过各自对应的功分器功分之后输出信号的功率比值（幅度比值）所对应输出电压的变化情况，可以看到其输出直流电压范围约为0.1-1.6V，比值越大输出越大；同样，图13表示信号输出端二和信号输出端一输出的信号分别经过各自对应的功分器功分之后输出信号的相位差值（相位差）所对应输出电压的变化情况，其输出直流电压范围约为0.1-1.8V，相位差越大输出电压越小。
根据此规律，以两个谐振单元6的感应区域11都放无缺陷材料为参考的初始幅度电压信号V1和初始相位电压信号V2，当把双分支定向耦合器的耦合端4连接的谐振单元6上放置的无缺陷材料替换为有缺陷的材料时，信号输出端二的信号衰减减小，与信号输出端一的信号功率比值增大，电压会增大，此时的测试幅度电压信号V1'大于初始幅度电压信号V1，同时，相位差减小，此时的测试相位电压信号V2'大于初始相位电压信号V2。其结果如图14-图17所示，示出了测试中幅相检测器输出的直流电压值情况，其中，图14为材料有缺陷和无缺陷时输出的幅度电压情况，图15为材料有缺陷和无缺陷时输出的相位电压情况，图16为材料有缺陷时相对于无缺陷材料的幅度电压变化量，图17为材料有缺陷时相对于无缺陷材料的相位电压变化量。从整体上看幅度电压和相位电压都表现了差异现象，当材料存在缺陷时输出的两个电压均变大，和理论分析一致，证明了缺陷问题；细看，随着介电常数增大，幅度相位电压变化量越来越明显，如当介电常数为6或者9.2时，幅度相位差异最为明显。因此通过电压的变化就能够检测材料是否存在缺陷。该结果表明，当信号输出端一对应的谐振单元6加载无缺陷材料，信号输出端二对应的谐振单元6加载缺陷材料时，相比于两个端口都加载无缺陷材料所对应的幅度电压信号和相位电压信号都会增大，因此，当加载的材料导致幅度电压和相位电压均有不同程度的增大时，则可以认为该材料存在缺陷。
本实例中，混频器采用HMC213B芯片构成，其工作频率在1.5GHz到4.5GHz，混频器产生的中频信号是其输入的两路信号的和值或差值，当两路信号的频率相同时，中频信号经过低通滤波器滤除高频信号，就能得到一个直流电压，这个直流电压的大小与混频器输入两端的信号功率有关，如图18所示，当两个谐振单元6放置同种测试参考材料，且尺寸规格一致，均无缺陷时，经过两个谐振单元6输出的功率值相等，即混频器两个输入端口的功率相差为0mW时，对应固定电压V0=655mV，即图18中横坐标的两路信号功率差值为0mW时，经过低通滤波器后会有固定的直流电压输出V0=655mV；以电压V0=655mV为标准，当其中一路谐振单元6放置同种且尺寸规格一致的待测材料，如果输出电压值大于655mV，即表示该系统可以初步检测到待测材料存在缺陷，输出电压与标准电压差值越大，表示缺陷越显著。
本实例中，低通滤波器采用LC电路构成，其性能如图19所示，通带截止频率为200MHz。当感应区域11放置的是缺陷材料时，低通滤波器输出的测试输出电压信号V0'相比于无缺陷材料时输出的电压信号V0会增大，可以认为结果是有效的。
本实例的检测方法通过前述的检测系统进行实现，在用于固体材料缺陷检测时，包括如下步骤：
先按照图1所示的连接关系进行部分的连接。
而后通过平口螺丝刀旋转压控振荡器上滑动变阻器，借助频谱仪将压控振荡器输出的射频信号频率调整到与谐振单元6的谐振频率相同，即输出频率2.45GHz，输出功率6.75dBm，并保持不变。
然后，若要进行初步检测，则通过以下步骤完成：在两个谐振单元6的感应区域11均放置同种且尺寸规格一致的无缺陷的参考固体材料，此时两个功分器输出两路频率相等、幅度相等的信号，并进入混频器混频后输出到低通滤波器滤除高频信号后输出第一个固定电压值，通过万用表或其他便携式仪器测得为V0；然后将其中一个谐振单元6的感应区域11上放置的参考固体材料替换为同种且尺寸规格一致的待测固体材料时，低通滤波器输出第二个固定电压值，通过万用表或其他便携式仪器测得为V0'；当V0'大于V0时，判断出待测固体材料存在缺陷。
若要进行高精度检测，则通过以下步骤完成：
然后在两个谐振单元6的感应区域11均放置无缺陷的固体参考材料，并通过万用表或其他便携式仪器测试幅相检测器输出的关于幅度变化的初始电压信号V1、关于相位变化的初始电压信号V2和低通滤波器输出的标准电压信号V0，并进行记录；
然后将信号输出端二对应的谐振单元6的感应区域11的放置材料替换为待测固体材料，并通过万用表或其他便携式仪器测试幅相检测器输出的关于幅度变化的测试电压信号V1' 、关于相位变化的测试电压信号V2'和低通滤波器输出的测试电压信号V0'，并进行记录；
然后进行比较：若V1大于V0，表示结果可以被认可，计算ΔV1= V1'- V1，ΔV2= V2'-V2，若V0'大于V0，ΔV1>0，ΔV2>0均满足时，则可以判断该待测固体材料存在微小缺陷，且ΔV1和ΔV2越大，代表缺陷越显著，实现了测量待测固体材料的是否存在缺陷及缺陷的严重程度。
本实施例的初步检测和高精度检测的两组检测数据可同时输出，交叉验证缺陷效果。传统的方案均为单端口输出一组数据进行缺陷检测，本实施例采用双路测量双路输出，减小了环境对单路测量结果的变化，两路输出的电压结果可以同时验证材料的缺陷信息，混频器输出的校准电压提高了检测结果的可信度。本实施例采用材料缺陷双重检测方案：初步检测+高精度检测，两步检测方案相互验证，进一步提高了测量效率和检测精度。
作为本实施例的拓展应用，还用于检测液体/气体浓度变化，应用时：准备多个相同规格的封闭塑料腔体，采用聚二甲基硅氧烷、PA6、PA12中的一种或多种通过3D打印方式形成，腔体内有体积相同的标准溶液/气体，比如检测去离子水等。
然后参考检测固体材料缺陷的步骤实施，比如：
先按照图1所示的连接关系进行部分的连接。
而后通过平口螺丝刀旋转压控振荡器上滑动变阻器，借助频谱仪将压控振荡器输出的射频信号频率调整到与谐振单元6的谐振频率相同，即输出频率2.45GHz，输出功率6.75dBm，并保持不变。
然后，若要进行初步检测，则通过以下步骤完成：在两个谐振单元6的感应区域11均放置相同规格的封闭塑料腔体，且腔体内具有相同体积的同种气体（或同种液体），此时两个功分器输出两路频率相等、幅度相等的信号，并进入混频器混频后输出到低通滤波器滤除高频信号后输出第一个固定电压值，通过万用表或其他便携式仪器测得为V0；然后将其中一个谐振单元6的感应区域11上放置的封闭塑料腔体替换为装有相同体积的同类待测气体（或同类待测液体）的同规格封闭塑料腔体，低通滤波器输出第二个固定电压值，通过万用表或其他便携式仪器测得为V0'；当V0'大于V0时，判断出待测气体（或待测液体）存在浓度变化。
若要进行高精度检测，则通过以下步骤完成：
然后在两个谐振单元6的感应区域11均放置相同规格的封闭塑料腔体，且腔体内具有相同体积的同种气体（或同种液体），并通过万用表或其他便携式仪器测试幅相检测器输出的关于幅度变化的初始电压信号V1、关于相位变化的初始电压信号V2和低通滤波器输出的标准电压信号V0，并进行记录；
然后将信号输出端二对应的谐振单元6的感应区域11的放置材料替换为装有相同体积的同类待测气体（或同类待测液体）的同规格封闭塑料腔体，并通过万用表或其他便携式仪器测试幅相检测器输出的关于幅度变化的测试电压信号V1' 、关于相位变化的测试电压信号V2'和低通滤波器输出的测试电压信号V0'，并进行记录；
然后进行比较：若V1大于V0，表示结果可以被认可，计算ΔV1= V1'- V1，ΔV2= V2'-V2，若V0'大于V0，ΔV1>0，ΔV2>0均满足时，则可以判断该待测气体（或待测液体）存在浓度差异/变化，且ΔV1和ΔV2越大，代表差异/变化越显著。
本实例的检测系统简单便携、检测方法快速高效，无需校准。传统的方式，如图20所示，方案一需要用到矢量网络分析仪，使用前需要繁琐的校准；如图21所示，方案二需要用到信号源和频谱仪，仪器笨重不易携带。本实施例的信号源使用压控振荡器替代，便携式电源、压控振荡器、传感器单元、幅相检测器、功分器、混频器、低通滤波器均可集中封装，只需要万用表测量输出的电压即可，使得测量系统更具有便携性，使用前只需要使用万用表记录电压即可，检测快速高效。成本方面的比较，如表2所示：
现有技术的方案一和方案二需要用到各种昂贵的仪器如矢量网络分析仪、频谱仪、信号源等，各种仪器均在万元以上，如是德科技的信号源N5166B CXG价格为203788元，频谱仪N9323C价格为160459元，而本实施例的系统的各项成本总和不超过500元，极大地减少了测试成本。
Claims (6)
1.一种便携式材料微小缺陷射频检测系统，其特征在于，包括压控振荡器、传感器单元、功分器、幅相检测器、混频器、低通滤波器；
压控振荡器用于输出预定频率和预定功率的微波射频信号；
传感器单元包括双分支定向耦合器，其输入端连接压控振荡器，输出端和耦合端分别连接一个相同结构的谐振单元，用于将压控振荡器输出的微波射频信号分为两路相位差为90度、功率相等的微波射频信号并分别进入到对应的谐振单元，谐振单元用于根据其感应区域放置的材料引起的电磁场分布改变，将进入的微波射频信号的幅度和相位改变后输出；
功分器有两个，每个谐振单元的输出端分别连接一个功分器，用于将谐振单元输出的微波射频信号功分为两路，一路进入幅相检测器，另一路进入混频器；
幅相检测器用于将进入的微波射频信号转换为关于幅度变化的幅度电压信号和关于相位变化的相位电压信号；
混频器用于将进入的微波射频信号混频后输出到低通滤波器，低通滤波器用于滤除高频信号并输出一个电压信号；
其中，谐振单元包括半模基片集成波导和互补分裂环谐振器；谐振单元加载于介质基板，半模基片集成波导包括所述介质基板、形成于所述介质基板两面的金属覆层、两排间隔布置的金属化过孔，金属化过孔从一面的金属覆层贯通导通至另一面的金属覆层，互补分裂环谐振器形成于所述介质基板正面的金属覆层，并位于两排金属化过孔之间区域；互补分裂环谐振器包括一对间隔且呈对称布置的矩形状缺口环，缺口环通过蚀刻掉所述介质基板正面的金属覆层形成，缺口环相邻的一边具有缺口，与缺口所在一边相对的另一边有一段呈矩形波状；感应区域处于所述介质基板正面，位于两排金属化过孔之间并包括一对缺口环所在区域。
2.根据权利要求1所述的便携式材料微小缺陷射频检测系统，其特征在于，双分支定向耦合器也加载于所述介质基板。
3.根据权利要求1所述的便携式材料微小缺陷射频检测系统，其特征在于，还包括便携式电源，包括电池及与电池连接的降压电路，降压电路用于将电池的电压转换为供电电压以提供给压控振荡器和幅相检测器。
4.根据权利要求3所述的便携式材料微小缺陷射频检测系统，其特征在于，压控振荡器、传感器单元、功分器、幅相检测器、混频器、低通滤波器、便携式电源集中封装为一体。
5.一种便携式材料微小缺陷射频检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-4中任意一项所述的便携式材料微小缺陷射频检测系统进行实现，包括初步检测步骤和/或高精度检测步骤；
初步检测步骤包括：
将压控振荡器输出的微波射频信号频率调整到与谐振单元的谐振频率相同；
在两个谐振单元的感应区域均放置同种且尺寸规格一致的无缺陷的参考固体材料，此时两个功分器输出两路频率相等、幅度相等的微波射频信号，并进入混频器混频后输出到低通滤波器滤除高频信号后输出第一个固定电压值；
将其中一个谐振单元的感应区域上放置的参考固体材料替换为同种且尺寸规格一致的待测固体材料时，低通滤波器输出第二个固定电压值；
当第二个固定电压值大于第一固定电压值时，判断出待测固体材料存在缺陷；
高精度检测步骤包括：
将压控振荡器输出的微波射频信号频率调整到与谐振单元的谐振频率相同；
在两个谐振单元的感应区域均放置同种且尺寸规格一致且无缺陷的参考固体材料，并测试幅相检测器输出的初始幅度电压信号V1、初始相位电压信号V2和低通滤波器输出的初始输出电压信号V0；
将与双分支定向耦合器的耦合端连接的谐振单元感应区域的参考固体材料替换为同种且尺寸规格一致的待测固体材料，并测试幅相检测器输出的测试幅度电压信号V1'、测试相位电压信号V2'和低通滤波器输出的测试输出电压信号V0'；
若V0'大于V0，计算ΔV1= V1'- V1，ΔV2= V2'- V2，当ΔV1>0且ΔV2>0时，则可以判断待测固体材料存在微小缺陷，且ΔV1和ΔV2越大，代表缺陷越显著。
6.根据权利要求5所述的便携式材料微小缺陷射频检测方法，其特征在于，还用于检测液体/气体浓度变化，检测时，将液体/气体容置于封闭塑料腔体内，再向谐振单元的感应区域进行放置，放置于两个谐振单元的感应区域的封闭塑料腔体尺寸规格需要一致。
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