Page 57 - 无损检测2023年第九期
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王若男, 等:

   PE结构埋深缺陷的微波无损可视化检测

   保证结构完整性、 避免重大安全事故至关重要。目                           传播主方向垂直于试件表面, 入射波在 PE 试件表
   前, 国内外应用于聚乙烯材料的无损检测技术有红                           面( 空气 -PE 界面) 发生反射, 同时一部分入射波透
   外热成像    [ 3 ] 、 射线检测  [ 4 ] 、 超声检测 [ 5-6 ] 等。然而, 这  射进入试件内部, 该部分透射波继续在异质界面即
   些方法对于聚乙烯的检测仍存在许多不足。例如,                            缺陷轮廓边界( PE- 空气界面、 空气 -PE 界面) 和试件
   红外热成像技术依赖于外部激励强度且图像分辨率                            背面( PE- 空气界面) 发生反射, 各反射波最终被微
   低; 聚乙烯材料对射线的吸收能力强而降低了检测                           波探头接收形成反射波信号。通过矢量网络分析仪
   精度; 超声波在聚乙烯中的传播能量衰减大而影响                           的分析计算, 所获反射波信号以反射系数( 即S 11                  参
   检测能力    [ 7 ] 。                                   数) 的形式输出成为微波检测信号, 该信号不仅表征
       微波无损检测基于微波的传播特性获取结构信                          反射波与入射波的能量之比, 更蕴含了 PE 结构内
   息, 即在介电材料中传播的微波遇到异质界面时发                           部埋深缺陷信息。
   生反射、 散射与透射, 微波场中形成的反射波和透射
   波随着被测材料自身的介电常数、 磁导率、 所含缺陷
   尺寸大小的变化而变化, 通过测量和分析这些变化
   量即可获取材料信息, 尤其是缺陷信息。微波检测
   具有检测频带宽、 灵敏度高、 穿透性强、 非接触、 无电
   离辐射危害等显著优势           [ 8 ] 。近年来, 微波无损检测
   已经取得了长足的发展, LI等            [ 9 ] 通过微波远近场检
   测结合的方法实现了加强筋复合板光纤褶皱缺陷的                                 图1 PE埋深缺陷的微波反射法检测原理示意
   高分辨率成像; 回沛林等          [ 10 ] 利用微波反射法对玻璃                针对 PE 结构内部埋深缺陷的微波成像, 以空
   纤维增强复合材料局部损失缺陷实现了有效定量检                            气( 相对介电常数约为 1.0 ) 为参照对象, 微波在空
   测及高精度成像。微波无损检测技术在聚乙烯结构                            气中的传输几乎没有损耗; 与之相比, PE 材料( 相对
   检测中的应用也日益增多, RAHMAN 等                  [ 11 ] 利用  介电常数一般为 2.26 ) 对微波具有介电损耗作用。
   Ka波段的矩形波导对高密度聚乙烯管道进行近场                            相比无缺陷 PE 结构, 微波辐射范围内的 PE 结构如
   成像, 发现其缺陷检出效果可与相控阵超声检测的                           出现埋深缺陷, 探头所发射微波在 PE 材料中的传
   效果媲美; 车飞等       [ 12 ] 对燃气安装现场的 PE 管热熔            输路程更短, 因此, 内含缺陷的 PE 材料对微波的介
   接头进行微波检测, 所有外观检测合格的异常焊缝                                                                       参
                                                     电损耗作用较弱, 所得反射波能量大, 相应的S 11
   均被检出; 回沛林等        [ 13 ] 在 C波段下试验建立了反射            数值较大。同时入射波在缺陷边缘处将发生大量散
   系数幅值均值与空穴尺寸之间的单调映射关系。                                                          参数值减小。在介
                                                     射, 造成反射波能量的降低, S 11
       鉴于此, 文章根据微波反射法原理, 通过系列试                       电损耗和缺陷边缘散射的综合作用下, 扫查所获的
   验集中探究了 PE 结构埋深缺陷的可视化定量评估                          缺陷区域微波检测信号与无缺陷区域信号间存在幅
   关键技术。与传统波导相比, 双脊波导具有工作频                           值和相位上的差异, 因此缺陷位置、 尺寸等信息得以
   带宽、 等效特性阻抗低、 稳定性高等显著优势                  [ 14 ] , 但  可视化。
   国内外鲜有将其应用于微波无损检测中的相关报                             1.2 试验系统
   道。因此, 文章采用的微波探头包括了双脊波导( 工                           搭建微波扫频定量检测 PE 板件内部埋深缺陷


   作频段分别为11.0~26.5GHz , 18.0~40.0GHz ) 和             的试验系统, 如图2所示。该系统由微波探头、 矢量


   Ka波段的矩形波导( 工作频段为26.5~40.0GHz ),                   网络分析仪( Ke y si g htN5224A )、 PE 试件、 扫描台
                                                     控制器、 三轴扫描台及计算机组成。在计算机的控
   通过试验研究, 分析比较双脊波导与矩形波导在 PE
   结构埋深缺陷微波检测中的特点。                                   制下, 矢量网络分析仪产生一定工作频段的电磁波
                                                     激励信号( 输出能量为5.0dBm ) 用以驱动微波探头

  1 微波检测原理及试验平台                                      向外部定向辐射微波, 微波经一定空气域后垂直入
   1.1 微波反射法检测原理                                     射进入待测 PE 试件; 微波探头同时接收反射波, 将
     PE 结构内部埋深缺陷的微波无损检测原理示                           其送回至矢量网络分析仪进行分析, 从而获得微波
   意如图1所示。微波探头发射高频电磁波, 电磁波                           探头位置处对应的S 11         参数, 即微波检测信号。试

                                                                                                3
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                                                                                     无损检测
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