金属表面微波无损探伤方法的研究

　　目前已有许多传统的探测方法对有疑问金属表面进行探测。如超声波法、涡流法、放射法、染色渗透法和辐射照相法等[1,2]。但每一种方法都存在着一定的限制和缺点。随着新材料、新器件的发展,人们开始研究利用微波技术对金属表面裂缝的探测。微波无损探伤技术是无损探伤界中近几年新发展起来的一种新方法。国外已有较成熟的理论研究[3～7],并进入实际应用。国内目前主要是对微波无损探伤的理论研究和探索[1,8,9],但目前国内外所采用的手段主要是利用方形波导探头或改造成辐射口状的方形波导探头[3～7]。方形波导探头内传输的是TE10波主模,在测试过程中,若无裂缝,反射电磁波仍为TE10波,当遇到裂缝时,影响反射主波,产生高次模TM波,通过对高次模的检测发现裂缝是否存在。方形波导探头由于尺寸大,有利于对大面积的金属表面探测,但它存在着不利于对曲面工件或拐角处等位置的探测,测量精度低和使用频率高等缺点。本文讨论的是在微波频段下,利用同轴线探头对金属表面疲劳裂缝进行探测。

　　1　使用同轴探头的探测原理

　　同轴线的结构由一个圆形的外导体壳和内芯线导体组成,内外导体之间用介质填充,一个同轴线探头或传感器就是一段同轴线,断面被暴露在自由空间或者任何邻近它的材料中,这样一来,在断面口处的电磁场与邻近的材料相互感应形成一个我们所期望的探测场。图1为一个同轴线探头的外形图,这些类形的探头已被广泛地应用在探测各种介质在微波中的电特性。一个同轴线探头就像一个效率极低的天线,但是在开口处的电场可以被用来反应它周围的状况,在同轴探头外面的场可以认为是不传播的,或者是静止的,形成了一个探测场,利用这样一特点使它成为一个无损测试探头。表1列出了几种普通的同轴线外型尺寸与它的传输极限频率。

　　当同轴线传输TEM主模时,同轴线内的电场和磁场互相正交,其电磁场在同轴线探头口处的分布见图2,其电磁场强度与距芯线的距离满足如下关系[10,11]:

主模波

高次模

　　当用一个同轴线探头探测一个金属表面时,这同轴线被认为是一个在端口处短路的短路线,这就意味着在金属的表面将激起微波电流,这些电流与探头的电场分布、场强和距芯线的距离的关系也符合上式。图3为金属表面上的一个裂缝在探头口处的不同位置对探头口处电场的分布影响,图4为裂缝在不同的位置所测到的信号情况,也就是裂缝对同轴线探头处的电场影响情况,当裂缝在探头的边缘附近时,由于场强较弱,影响较小,当裂缝从边缘向芯线移动时,由于探头处的场强越靠近心线越强,裂缝对场的分布影响越来越大,测试信号见图4区1,当裂缝到达探头的中间,即与芯线重合时,电场与裂缝平行,裂缝对电场影响最小,测试信号也最小,见图4区2,由于探头处的电场分布是对称的,所以当裂缝从芯线向边缘移动时,裂缝对电场的影响由大到小,测试信号见图4区3。