CN219871088U - 一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，属于微波无损检测领域，包括传感器本体，所述传感器本体由M×N个平面微波谐振器组成阵列，所述传感器本体上方设置有微带线并分为M路，每一路下方对应设置有N个所述平面微波谐振器，所述微带线和所述平面微波谐振器中间设置有柔性基板。本实用新型采用上述结构的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，可以与管道进行贴合，并根据相应位置的平面微波谐振器不同的谐振频率偏移，对缺陷进行检测和定位。
Description
技术领域
本实用新型属于微波无损检测技术领域，尤其是涉及一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器。
背景技术
聚乙烯管道在石油、化工、排水、核电、燃气输送等领域应用广泛，但是在制造、安装和使用过程中不可避免地会出现损伤，尤其是在热熔焊接时接头更容易产生缺陷，存在一定的安全隐患。因此及时有效地对其进行损伤检测至关重要。常规无损检测方法中，红外检测不能提供深度信息，要求试件不能太厚；射线检测存在电离辐射副作用；常规超声检测需要耦合剂且超声在聚乙烯材料中损耗较大，不能对较厚试件进行检测；超声导波信号处理复杂；声发射重复性差，对微小缺陷不敏感等。而微波检测方法由于信号在介电材料中损耗小，非常适合于聚乙烯管道的缺陷检测。目前微波检测主要的方法是开口波导法。微波信号入射到待测样品时，缺陷位置处介电常数与周围不同，将引起反射信号的变化。采用扫描装置通过波导，间隔一定的提离距离对表面进行扫描得到图像，可以推测出缺陷的信息。由于管道不圆度的影响，该方法无法保证提离距离不变。因此缺陷引起的信号变化有可能“淹没”在提离距离引起的变化内，造成漏检；提离距离引起信号变化也有可能被错认为由缺陷引起，造成误检。而且采用的频率范围较宽，需要通过实验对频段内各频率点的检测效果进行评估，检测操作性较低。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，可以通过贴合在管道相应位置的平面谐振器不同的谐振频率偏移，进而对缺陷进行检测和定位。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，包括传感器本体，所述传感器本体由M×N个平面微波谐振器组成阵列，所述传感器本体上方设置有微带线并分为M路，每一路下方对应设置有N个所述平面微波谐振器，所述微带线和所述平面微波谐振器中间设置有基板。
优选的，所述平面微波谐振器包括外谐振环和内谐振环，所述内谐振环设置在所述外谐振环的内侧，所述外谐振环与所述内谐振环呈互补开口结构。
优选的，所述基板选择柔性材料，所述微带线材料为铜。
优选的，所述微带线的阻抗为50Ω。
优选的，所述外谐振环和所述内谐振环形状可以设置为圆形或矩形。
因此，本实用新型采用上述结构的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，具备以下有益效果：
(1)可以检测聚乙烯管道表面及内部存在的孔洞、裂纹等缺陷；
(2)可以与管道进行贴合，并根据相应位置的平面微波谐振器不同的谐振频率偏移，对缺陷进行检测和定位。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器实施例的整体结构示意图；
图2为开口互补谐振环传感器示意图；
图3为传感器本体尺寸参数示意图；
图4为威尔金森功率分配器及各平面微波谐振器位置示意图；
图5为柔性传感器阵列检测缺陷原理图；
图6为实验设置示意图；
图7为喇叭天线激励方式的实验设置示意图；
图8为矩形开口互补平面微波谐振器示意图；
图9为平面微波谐振器沿微带线对应位置两侧放置示意图；
附图标记
1、传感器本体；11、基板；12、平面微波谐振器；13、微带线；2、聚乙烯管道；3、立式贴片SMA接头；4、同轴线缆；5、微波分析仪；6、LAN线缆；7、喇叭天线。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实用新型中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例一
本实用新型采用上述结构的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，包括传感器本体1，所述传感器本体1由M×N个平面微波谐振器12组成阵列，所述传感器本体1上方设置有微带线13并分为M路，每一路下方对应设置有N个所述平面微波谐振器12，所述微带线和所述平面微波谐振器中间设置有基板11。
传感器本体1采用基于互补开口谐振环结构的平面微波谐振器，示意图如图1所示。顶层为微带线13，阻抗为50Ω，对底层的平面微波谐振器12进行激励。通过改变内谐振环和外谐振环的尺寸来获得不同的谐振频率，其尺寸参数如图2所示。包括基板11厚度h，微带线13宽度w，外谐振环外直径d，宽度s和开口间距g，内谐振环直径di，宽度si和开口间距gi。基板11选择柔性材料(如杜邦聚酰亚胺材料等)，传输线材料为铜。检测时传感器本体1的底层与管道进行贴合，避免提离距离带来的误差。
传感器本体1由M×N个平面微波谐振器12组成阵列，可以同时对更大范围进行检测。采用功率分配器(如威尔金森功率分配器)将传输线分为M路。每一路存在N个平面微波谐振器12。各平面微波谐振器12对应的谐振频率分别命名为fmn，其中m代表该平面微波谐振器12位于第m路，n代表其为该路第n个。以威尔金森功率分配器为例，如图3所示，单个功率分配器的两个输出端口之间接有Z3为100Ω的电阻，Z1、Z4为50Ω微带线13，输入与输出间过渡部分水平方向上的长度l为四分之一波长，阻抗Z2为70.71Ω。每个功率分配器采用相同构型。该三端口网络全部端口都是匹配的，且输出端口隔离。
该传感器本体1检测缺陷的原理是材料微扰。缺陷的存在会使得平面微波谐振器12周围的电磁场受到扰动，因此谐振频率的改变可以用来对其进行检测。不同频率的平面微波谐振器12组成阵列时，通过对应谐振频率的改变即可对缺陷进行定位，如图4所示。
本实用新型的工作原理和具体实现方式如下：
首先将柔性传感器本体1放置在聚乙烯管道2表面，传感器本体1的两端通过立式贴片SMA接头3、同轴线缆4连接到微波分析仪5，如图5所示。在微波分析仪5中设置信号强度、频率范围等参数。开始检测后，可以在微波分析仪5中观察并记录端口1到2的正向传输系数S21幅值曲线，也可以通过电脑使用LAN线缆6连接分析仪导出S21幅值数据，并拟合计算谐振频率和品质因数。通过对应谐振频率的偏移即可检测出该平面微波谐振器12所覆盖位置存在缺陷。如当fmn出现偏移，则可以确定第m路，第n个平面微波谐振器12所覆盖的区域内存在缺陷。
本实用新型采用的平面微波谐振器12激励方法也可以更换为其他方法，如喇叭天线7等。该方法传感器本体1的顶层没有微带线13，不需要功率分配器，且无需在传感器本体1两端焊接立式贴片SMA接头3，设计更加简便。具体实验设置如图6所示，在平面微波谐振器12两侧放置喇叭天线7对该传感器本体2底部谐振环进行激励，同样通过同轴线缆4连接矩形波导与喇叭天线7，由网络分析仪直接读取或连接电脑读取S21参数得到谐振曲线，进而计算谐振频率和品质因数。
实施例二
本实用新型采用的互补开口谐振环结构也可以根据需要将圆形替换为矩形，单个平面微波谐振器12示意图如图7所示。平面微波谐振器12单元的大小可以根据需要进行调整，如需要更高分辨率(如待测管道厚度较大时)则适当减小单元面积；需要更大区域的检测，对分辨率需求较低(如检测表面缺陷时)，则可以增大面积。平面微波谐振器12也可沿微带线13左右放置，即微带线13位于顶层，平面微波谐振器12位于底层，并置于微带线13对应位置的两侧，增加检测区域。如图8所示。微带线13上方可放置一定厚度的泡沫(电磁性能与空气相近)，以防止附近物品对检测信号带来的影响。
因此，本实用新型采用上述结构的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，可以与管道进行贴合，并根据相应位置的平面微波谐振器不同的谐振频率偏移，对缺陷进行检测和定位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，包括传感器本体，其特征在于：所述传感器本体由M×N个平面微波谐振器组成阵列，所述传感器本体上方设置有微带线并分为M路，每一路下方对应设置有N个所述平面微波谐振器，所述微带线和所述平面微波谐振器中间设置有基板。
2.根据权利要求1所述的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，其特征在于：所述平面微波谐振器包括外谐振环和内谐振环，所述内谐振环设置在所述外谐振环的内侧，所述外谐振环与所述内谐振环呈互补开口结构。
3.根据权利要求1所述的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，其特征在于：所述基板选择柔性材料，所述微带线材料为铜。
4.根据权利要求1所述的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，其特征在于：所述微带线的阻抗为50Ω。
5.根据权利要求2所述的一种检测聚乙烯管道缺陷的柔性微波谐振阵列式传感器，其特征在于：所述外谐振环和所述内谐振环的形状设置为圆形或矩形。
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