微波檢測(cè)主要方法.doc

第九章 微波檢測(cè)主要方法第一節(jié) 微波檢測(cè)方法分類微波檢測(cè)方法分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，后者包括輻射計(jì)檢測(cè)方法。主動(dòng)式微波法如下： 各類微波檢測(cè)方法如表9.1。該表對(duì)各種物理現(xiàn)象和用途進(jìn)行了比較。輻射計(jì)方法在被動(dòng)式檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用。在主動(dòng)式檢測(cè)中，特別是利用透射材料的微波在介質(zhì)內(nèi)部的衰減、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改變，測(cè)定多個(gè)方向的投影值，并將它與濾波（核）函數(shù)卷積，再進(jìn)行反投影，用計(jì)算機(jī)重建圖像的方法，檢查非金屬材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)件斷層剖面質(zhì)量和加速器粒子束或等離子體的狀態(tài)，用于射電天文，電磁探礦和地層分布測(cè)繪等。反映物體內(nèi)不同部位的大小形態(tài)、成份及其變化過(guò)程。這是今后重點(diǎn)發(fā)展的方向。 表9.1 各類微波檢測(cè)方法的物理現(xiàn)象和用途方 法物理現(xiàn)象用途穿透法 在材料內(nèi)傳輸?shù)奈⒉?，依照材料?nèi)部狀態(tài)和介質(zhì)特性不同而相應(yīng)發(fā)生透射、散射和部分反射等變化 測(cè)厚、密度、濕度、介電常數(shù)、固化度、熱老化度、化學(xué)成分、混合物含量、纖維含量、氣孔含量、夾雜以及聚合、氧化、酯化、蒸餾、硫分的測(cè)量反射法 由材料表面和內(nèi)部反射的微波，其幅度、相位或頻率隨表面或內(nèi)部狀態(tài)（介質(zhì)特性）而相應(yīng)變化 檢測(cè)各類玻璃鋼材料，宇航防熱用鋁基厚聚氨脂泡沫、膠接工件等的裂紋、脫粘、分層、氣孔、夾雜、疏松；測(cè)定金屬板材、帶材表面的裂紋，劃痕深度；測(cè)厚，測(cè)位移距離，方位以及測(cè)濕、測(cè)密度、測(cè)混合物含量 散射法 貫穿材料的微波隨材料內(nèi)部散射中心（氣孔、夾雜、空洞）而隨機(jī)地發(fā)生散射、檢測(cè)氣孔、夾雜、空洞、裂紋干涉法 兩個(gè)或兩個(gè)以上微波波束同時(shí)以相同或相反方向傳播，彼此產(chǎn)生干涉，監(jiān)視駐波相位或幅度變化，或建立微波全息圖象檢測(cè)不連續(xù)性缺陷（如分層、脫粘、裂縫），圖像顯示渦流法 利用入射極化波、微波電橋或模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，測(cè)定散射、相位信號(hào)，探知裂縫檢測(cè)金屬表面裂縫，其深度取決于頻率和傳播微波的模式層析法 利用透射材料的微波在介質(zhì)內(nèi)部的衰減、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改變，測(cè)定多個(gè)方向的投影值，并將它與核函數(shù)卷積，再進(jìn)行反投影，用計(jì)算機(jī)重建圖像 檢查非金屬材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)件斷層剖面質(zhì)量和加速器粒子束或等離子體的狀態(tài)，用于射電天文，電磁探礦和地層分布測(cè)繪等。反映物體內(nèi)不同部位的大小形態(tài)、成份及其變化過(guò)程 圖9.1為常用微波傳感器布置。材才料收發(fā)器材料(a)單傳感器反射方法發(fā)射器接收器材料(b)穿透方法圖9.1常用微波傳感器布置圖材料發(fā)射器接收器(d)正交放置散射法接收器材料發(fā)射器(c)收發(fā)分置反射法qq第二節(jié) 微波檢測(cè)主要方法 一、微波穿透法 （一）系統(tǒng)微波穿透（或稱傳輸）法檢測(cè)系統(tǒng)如圖9.1（a）所示。微波信號(hào)源用來(lái)產(chǎn)生等幅連續(xù)波，掃頻波和脈沖調(diào)制波。當(dāng)被測(cè)材料對(duì)微波有吸收時(shí)，比如含有水分，透射波隨傳輸距離增大而衰減。在檢測(cè)前，應(yīng)把系統(tǒng)中指示器靈敏度放在最小位置，以免過(guò)載而損壞。如果系統(tǒng)阻抗不均勻，可采用阻抗過(guò)渡辦法得到匹配。根據(jù)幅度、相位的變化反映材料內(nèi)部狀況這一特點(diǎn)，就可進(jìn)行材料物理和化學(xué)變化的測(cè)定。圖9.2微波穿透檢測(cè)系統(tǒng)微波信號(hào)源檢波器隔離器衰減器指示器20dB定向耦合器檢波器指示器試件(a)發(fā)射探頭接收探頭微波信號(hào)源試件相位比較器發(fā)射探頭接收探頭90相移輸出同相輸出(b)從接收喇叭探頭取得的微波信號(hào)可以直接和微波信號(hào)源的信號(hào)比較幅度和相位。如圖9.2（b）所示。在此參考信號(hào)取，則接收信號(hào) 式中, 為正交分量（也稱90相移分量）；為同相分量。 （二）分類 穿透法（傳輸法）有三種：點(diǎn)頻連續(xù)波法、掃頻連續(xù)波法、脈沖調(diào)制波法。 1點(diǎn)頻連續(xù)波穿透法微波發(fā)生器的頻率是穩(wěn)定的，且是窄帶的；或者是所要求的頻帶寬度內(nèi)材料性質(zhì)隨頻率改變非常小，從而對(duì)頻率并非特別敏感。點(diǎn)頻連續(xù)波傳輸?shù)膬煞N分量（同相和90相移）都能檢測(cè)，且相互干擾很小。用穿透法檢測(cè)玻璃鋼或非金屬膠接件缺陷，也主要是監(jiān)視接收微波束相位或幅度的變化。為改善微波輻射波束，可采用介質(zhì)透鏡，以保證波束橫截面窄小，提高分辨率。下面舉三個(gè)實(shí)例說(shuō)明：（1）甲基丙烯酸甲酯材料 在厚度36毫米的平板試樣中，平行于表面鉆5個(gè)直徑為2毫米（相應(yīng)于材料內(nèi)波長(zhǎng)）的直孔，它們距表面分別為5、10、15、20、25mm（電場(chǎng)強(qiáng)度矢量方向平行于鉆孔方向），掃描試樣檢測(cè)結(jié)果如圖9.3所示。曲線下凹部分就是缺陷信號(hào)。實(shí)線表示收發(fā)探頭都用開(kāi)口波導(dǎo)的結(jié)果；虛線表示接收用開(kāi)口波導(dǎo)，發(fā)射用喇叭加透鏡的結(jié)果。隨著小孔到接收探頭距離的減小，缺陷信號(hào)幅度增大，曲線寬度減小（曲線更加尖銳）。對(duì)位于中間的小孔，曲線寬度減小，旁瓣數(shù)增加。（2）聚氯乙烯材料 在平板試樣中刻有不同寬度b和深度t 的矩形槽，其截面積bt為4，如圖9.4所示。圖中實(shí)線和虛線的意義同（1）所述，比較兩者可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)槽寬b6mm時(shí)，缺陷信號(hào)幅度大小與缺陷深度大小成正比。 （3）聚氯乙烯材料 在平板試樣中鉆不同直徑和深度的圓孔，其容積等于15.7。平底孔中心軸與微波波束軸線平行。圖9.5平底孔的直徑對(duì)缺陷信號(hào)的寬度影響較小，在0.22.2mm整個(gè)范圍內(nèi)孔深與缺陷信號(hào)幅度也成比例。圖9.3 鉆孔信號(hào)比較0 50 100 150 2001.00.5距離(mm)信號(hào)幅度 (V)1.00.50erd發(fā)射接收 1.00.500 50 100 1501.00.5距離(mm)圖9.4相同截面的矩形槽信號(hào)曲線(聚氯乙烯板厚22毫米)信號(hào)幅度(V)1.00.500 50 100 150 200 2501.00.5距離(mm)圖9.5相同容積平底孔信號(hào)曲線(聚氯乙烯板厚22毫米)信號(hào)幅度(V) 圖9.6為另一種微波穿透法檢測(cè)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源調(diào)制器隔離器介電試驗(yàn)材料頻率計(jì)可變衰減器檢波器交流電壓表接收喇叭發(fā)射喇叭隔離器（a）一般方式 終端器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源隔離器可變移相器調(diào)制器發(fā)射喇叭檢波器可變衰減器接收喇叭分流器隔離器交流電壓表魔T（180混合T接頭）隔離器可變衰減器1介電材料選通濾波器（b）魔T方式 圖9.6另一種微波穿透法檢測(cè)系統(tǒng)2掃頻連續(xù)波穿透法某些微波相互作用的頻率是敏感的，在這時(shí)它們的諧振頻率隨材料性質(zhì)的改變而改變。在必須應(yīng)用的實(shí)際頻帶的范圍內(nèi)，響應(yīng)為頻率的函數(shù)。點(diǎn)頻微波發(fā)生器代之以其頻率被預(yù)先編程能自動(dòng)變化的掃頻頻率微波發(fā)生器，現(xiàn)行電子自動(dòng)掃頻可以一倍頻程或更寬的頻帶（例如12GHz）工作。低噪聲、高增益、寬帶放大器還能測(cè)定通過(guò)具有很高衰減材料的穿透?jìng)鬏斝盘?hào)。已有從100kHz到4GHz或10MHz到40GHz的多倍程發(fā)生器。矢量網(wǎng)絡(luò)分析器提供了寬帶的幅度和相位。3脈沖調(diào)制穿透法穿透?jìng)鬏敳軐?shí)現(xiàn)相位測(cè)量，但只相對(duì)參考波而言。當(dāng)要求測(cè)量傳輸時(shí)間時(shí)，就要應(yīng)用脈沖調(diào)制技術(shù)。為調(diào)制脈沖，在微波發(fā)生器內(nèi)應(yīng)有選通或關(guān)閉功能。在接收器內(nèi)的相敏檢測(cè)器（相位比較器）通常被峰值檢測(cè)器所取代。因此，接收器輸出由相對(duì)于發(fā)送脈沖有一定時(shí)間延遲的若干脈沖組成。掃頻頻率測(cè)量給出了群延遲信息。矢量網(wǎng)絡(luò)的分析時(shí)間域特征也可以有效地應(yīng)用。 二、微波反射法 （一）點(diǎn)頻連續(xù)波反射法 (a)單路定向耦合反射計(jì)調(diào)制器試件隔離器頻率計(jì)可變衰減器檢波器交流電壓表收發(fā)喇叭隔離器定向耦合器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源微波信號(hào)源隔離器可變衰減器20dB定向耦合器直流電表檢波器直流電表檢波器喇叭天線(反射)(入射)試件(b)雙路定向耦合反射計(jì)f終端器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源調(diào)制器檢波器可變相移器魔T（180混合T接頭）隔離器可變衰減器1定向耦合器試件收發(fā)喇叭(c)單喇叭魔T反射儀分流器選通濾波器交流電壓表微波源隔離器衰減器相移器檢波器試件示波器(用于掃頻波)(d)雙喇叭魔T反射計(jì)衰減器相移器1E H2圖形記錄儀(用于連續(xù)波)魔T(180混合T接頭)試件標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源可調(diào)(滑動(dòng))短路器收、發(fā)喇叭交流電壓表可變衰減器1可變衰減器2(e)相敏魔T反射計(jì)檢波器微波反射法要求收發(fā)傳感器軸線與工件表面法線一致。根據(jù)使用的微波器件不同，有點(diǎn)頻連續(xù)波反射法，掃頻連續(xù)波反射法，調(diào)頻波反射法，時(shí)域（頻域）反射法等。圖9.7為點(diǎn)頻連續(xù)波反射法方框圖。 圖9.7 點(diǎn)頻連續(xù)波反射法方框圖根據(jù)信號(hào)源和所使用的微波器件不同，有定向耦合器反射計(jì)，單、雙喇叭反射計(jì)，調(diào)頻反射計(jì)（掃頻反射計(jì)）及時(shí)域反射計(jì)等之分，圖9.7（b）為雙路定向耦合反射計(jì)系統(tǒng)框圖。 反射計(jì)的信號(hào)源產(chǎn)生的微波信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，采用鐵氧體隔離器作去耦衰減器，防止反射波進(jìn)入信號(hào)源影響其輸出功率與頻率的穩(wěn)定?？勺兯p器用來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，使指示器有適度的指示。定向耦合器從主傳輸系統(tǒng)中按一定比例分出部分功率，也就是對(duì)入射波和反射波分別進(jìn)行取樣。檢波器用來(lái)檢測(cè)微波信號(hào)。利用晶體二極管的非線性進(jìn)行檢波，將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流或低頻信號(hào)，用一般儀器指示。 圖9.7（d）是雙喇叭反射計(jì)系統(tǒng)方框圖（魔T橋路反射計(jì)）。魔T的臂E接信號(hào)源，1、2臂分別接衰減器、相移器和喇叭天線。如果1、2兩臂的負(fù)載阻抗相等，則其所引起的反射系數(shù)也相等，在這個(gè)條件下魔T的H臂無(wú)輸出，表示電橋平衡。如果用喇叭探頭掃描檢測(cè)，恰好碰到試件內(nèi)的缺陷，則兩個(gè)反射系數(shù)不相等，電橋失去平衡，指示器指示不為零。對(duì)相移器的基本要求是微波通過(guò)時(shí)的相移可以調(diào)節(jié)，但不產(chǎn)生衰減。在該系統(tǒng)中，若使用連續(xù)波信號(hào)源，用圖形記錄檢測(cè)結(jié)果；信號(hào)是掃頻波，則用示波器記錄和觀察結(jié)果。在用微波檢測(cè)夾層材料時(shí)，由于試件內(nèi)夾層之層厚d為四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍，即時(shí)，式中n為折射率，m為正整數(shù)，分層間反射波相互抵消。因此，在采用反射法檢測(cè)時(shí)也要精心選擇微波頻率，防止發(fā)生“相位改變層間反射波消失”的現(xiàn)象。圖9.8為微波頻域反射測(cè)量法示意圖。反射計(jì)喇叭至被檢材料部件之間的距離d（空氣）可用下式表示： （9-1）式中, 為從頻譜分析儀或頻率計(jì)讀取的差（拍）頻，Hz；C為微波在空氣中的傳播速度，m/s；s 為微波源掃頻速率，Hz/s。 （9-2）式中, P為從頻率掃到頻率所需的時(shí)間，s；B為帶寬，Hz。雙向定向耦合器混頻器帶通濾波器掃頻微波源參考信號(hào)入射波(a)設(shè)備布置反射信號(hào)頻譜分析儀反射波(前表面)實(shí)驗(yàn)材料d空氣頻率Dfd正比于d幅度(c)頻譜分析顯示f2 (終止頻率)(b)頻率圖示Dfdf1 (起始頻率)B=f2- f1 (帶寬)掃頻速率S-B/PDtP反射信號(hào)參考信號(hào)圖9.8微波頻域反射測(cè)量法示意圖 （二）微波調(diào)頻反射計(jì) 圖9.9為微波調(diào)頻反射計(jì)極其響應(yīng)曲線。時(shí)間反射信號(hào)延遲時(shí)間頻率差f2f1時(shí)間f2f11 2 3微波源檢測(cè)器喇叭反射板頻率微波源檢測(cè)器喇叭反射板頻率塑料板微波源檢測(cè)器喇叭頻率時(shí)間f2f1（a）金屬反射板時(shí)反射計(jì)裝置及發(fā)射信號(hào)波形（b）金屬反射板時(shí)反射計(jì)裝置及接收信號(hào)波形（c）塑料板時(shí)反射計(jì)裝置及其信號(hào)波形圖9.9微波調(diào)頻（FM）反射計(jì)及其影響曲線(a)(b)(c)（a）金屬反射時(shí)反射計(jì)裝置及發(fā)射信號(hào)波形；（b）金屬反射時(shí)反射計(jì)裝置及接收信號(hào)波形； 反射的深度可用脈沖調(diào)制入射波進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)反射的時(shí)間延遲脈沖與入射脈沖在時(shí)間上進(jìn)行比較且微波在材料中的速度已知時(shí)，就能測(cè)定反射位置的深度。在頻率與時(shí)間域兩種調(diào)制中，反射體的特征可以根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)度測(cè)定。 （三）相位檢測(cè)系統(tǒng) 反射法有兩種形式：?jiǎn)翁炀€與雙天線系統(tǒng)。單天線系統(tǒng)，入射和反射波均沿著微波發(fā)生器和天線間的波導(dǎo)傳輸，如圖9.10（a）所示。相位檢測(cè)器的設(shè)置用于比較相對(duì)于入射相位的反射波相位。這就給出了兩個(gè)輸出信號(hào)，即在反射波中分別正比于同相和90移相的分量。當(dāng)垂直或近于垂直入射時(shí)，工作良好。雙天線反射系統(tǒng)（圖9.10（b）工作在適當(dāng)反射的入射角。這時(shí)反射天線設(shè)備與用于穿透測(cè)量的是相同的。但在穿透測(cè)量中，反射波沒(méi)有被利用。(b) 雙天線反射系統(tǒng)微波發(fā)生器相位檢測(cè)器被檢件傳輸天線接收天線同相輸出90相移輸出(a) 單天線反射系統(tǒng)微波發(fā)生器相位檢測(cè)器被檢件同相輸出90相移輸出天線 圖9.10 用于微波測(cè)量的單天線和雙天線反射系統(tǒng)圖 在材料表面，邊界條件必需遵守。從第一表面反射的微波并不包含有關(guān)被測(cè)樣件內(nèi)部材料不均勻性的任何信息。而來(lái)自內(nèi)部的不連續(xù)或邊界的較遠(yuǎn)的反射，當(dāng)在表面折射時(shí)，它們最終加在表面反射波上。如果受檢部件背面有一層導(dǎo)電金屬，微波從該金屬面反射通過(guò)材料兩次，它也加在表面反射波上，提供有關(guān)材料內(nèi)部的信息。 1點(diǎn)頻連續(xù)波反射 微波信號(hào)從天線入射到材料，同一天線檢測(cè)反射信號(hào)中同相和90相移兩分量。實(shí)際上往往只利用反射信號(hào)的幅度。雙天線反射技術(shù)（圖9.10（b）亦能用在點(diǎn)頻上。但它有兩個(gè)局限：首先，缺陷的深度不能被測(cè)定；其次，材料的頻率響應(yīng)不能被測(cè)定。因此，掃頻技術(shù)得到了更多的應(yīng)用。 2、掃頻連續(xù)波反射 材料與微波的相互作用對(duì)頻率敏感。反射波以頻率為函數(shù)，在掃頻的情況下，通常采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的反射信號(hào)幅度。 如果反射信號(hào)在非線性元件中與入射信號(hào)混合產(chǎn)生差分信號(hào)，用掃頻技術(shù)就能測(cè)量深度，即不僅可以測(cè)定內(nèi)部反射體的存在，而且也能測(cè)定深度。當(dāng)然，深度也能利用時(shí)間域反射在矢量網(wǎng)絡(luò)分析器上測(cè)量。 此外，利用頻率的慢掃描鑒別材料的幾個(gè)小間隔的特殊層。四分之一波長(zhǎng)偶數(shù)倍的反射大于四分之一波長(zhǎng)奇數(shù)倍的反射。通過(guò)識(shí)別反射信號(hào)特定頻率辨認(rèn)該層所占空間是四分之一波長(zhǎng)的偶數(shù)整數(shù)倍或是奇數(shù)整數(shù)倍。例如，采用同樣的效應(yīng)，用以減小來(lái)自以介電層覆蓋的透鏡的反射。 三、微波散射法 圖9.11為微波散射法檢測(cè)系統(tǒng)。一般散射計(jì)安裝收、發(fā)傳感器，可按接收信號(hào)強(qiáng)弱調(diào)整角度，也可互相垂直。如圖用介質(zhì)桿窄波束探頭作為傳感器發(fā)射微波，再用檢波器接收信號(hào)，確定工件散射特性，以判斷內(nèi)部缺陷。若將材料內(nèi)部氣孔當(dāng)作散射源，可根據(jù)微波工作波長(zhǎng)來(lái)確定其最小尺寸，即氣孔半徑。若工件為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，要發(fā)現(xiàn)半徑a=1.3mm的氣孔，所用微波散射計(jì)的頻率應(yīng)高于35GHz，即工作波長(zhǎng)應(yīng)小于8.6mm才有可能。圖9.11(a) 裝置圖發(fā)射機(jī)檢波器接收探頭介質(zhì)桿發(fā)射探頭轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)試件速調(diào)管電源速調(diào)管隔離器指示器檢波器指示器檢波器定向耦合器可變衰減器試件圖9.11（b）方框圖 圖9.11 微波散射法檢測(cè)系統(tǒng) 假如散射源是一個(gè)金屬球或者介質(zhì)球，在瑞利區(qū)，即波長(zhǎng)較半徑大得多時(shí)，則有；若使用頻率為100千兆赫，能夠檢測(cè)飛船外殼防熱陶瓷片內(nèi)部夾雜半徑小于70微米，可見(jiàn)靈敏度相當(dāng)高。此外，由于采用散射法檢測(cè)，探頭不加調(diào)節(jié)，所接收到氣孔部位的微波信號(hào)會(huì)下降，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整微波的接收和發(fā)射探頭角度，使與試件表面法線形成最佳夾角。對(duì)導(dǎo)電金屬球，若遠(yuǎn)場(chǎng)散射截面為，則反向散射截面，按下式計(jì)算： （9-3）正向散射截面為 （9-4）由式（9-3）、（9-4）可知，反向散射比正向散射大約大一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)低耗介質(zhì)球，反向散射截面計(jì)算公式： （9-5）若在介質(zhì)材料內(nèi)部有球狀氣泡，則=1，按式（9-5）可求出反向散射截面，并且這種散射顯然要比金屬球產(chǎn)生的散射小。 四、微波干涉法 （一）駐波干涉 駐波干涉法檢測(cè)系統(tǒng)如圖9.12所示。微波源衰減器頻率計(jì)試件前置放大器帶通濾波器放大器II打印機(jī)門(mén)限備用記錄儀放大器I測(cè)量線探頭 圖9.12 駐波干涉法檢測(cè)系統(tǒng)框圖用駐波測(cè)量線（又稱開(kāi)槽線）測(cè)量駐波的幅度和相位的變化，信號(hào)源頻率范圍12.418千兆赫，收發(fā)兩用探頭非接觸地對(duì)著試件表面，被檢測(cè)材料如有物理或化學(xué)變化，例如玻璃纖維增強(qiáng)塑料內(nèi)玻璃纖維與樹(shù)脂比例的改變，以及該復(fù)合材料厚度的改變，就會(huì)分別發(fā)出不同的改變信號(hào)。這樣檢測(cè)分層時(shí)，試件表面不規(guī)律，就會(huì)影響到掃描檢測(cè)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后，就可以從反射波變化“看到”材料內(nèi)部第二層的脫粘，由此可見(jiàn)，這種方法對(duì)于非金屬膠接件的檢測(cè)是很有用的。0 l/4 l/2 3l/4 l1.00.5波長(zhǎng)(l)檢測(cè)器響應(yīng)圖9.13 電磁波幅度(檢測(cè)器響應(yīng))與沿駐波距離曲線駐波的獲得是由相同頻率的兩波在相反方向行進(jìn)中相互干涉，結(jié)果是在空間形成駐波。如果有一小天線置于空間的固定點(diǎn)，一穩(wěn)定幅度和頻率的電壓即被測(cè)到。將天線移到其他位置，將給出相同頻率的穩(wěn)幅電壓。電壓幅度圖是沿純駐波的位置（距離）的函數(shù)，見(jiàn)圖9.13。一個(gè)天線用來(lái)產(chǎn)生入射波，該入射波能與反射波干涉產(chǎn)生駐波。另一天線或探頭用于沿駐波測(cè)量。如圖9.10（b）所示雙天線系統(tǒng)既可用以形成駐波又能測(cè)量微波駐波。接收天線必須不受入射波干擾。單天線通過(guò)循環(huán)電路饋入也可用來(lái)分別傳輸入射波與反射波。 微波是相干波，它會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生駐波的條件是入射波和反射波頻率相同，方向相反。其特點(diǎn)是各點(diǎn)幅度為一定值，且呈現(xiàn)周期性的大小變化，相鄰最大值（或最小值）之間的距離等于1/2波長(zhǎng)。如果入射波遇到良導(dǎo)體金屬板，則發(fā)生全反射，這時(shí)合成波的波峰值是入射波和反射波波值之和，稱為純駐波。反射平面處形成的波節(jié)，的波峰。它們波節(jié)相距為1/4波長(zhǎng)。這樣金屬表面反射系數(shù)為 1，即在界面上反射波與入射波幅度相等，方向相反。當(dāng)金屬反射體長(zhǎng)條形長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，反射性能最佳。如果入射波碰到象塑料之類介質(zhì)，除一部分反射外，其余部分變成透射波，遇到不連續(xù)界面，又會(huì)被反射，其量與波阻抗有關(guān)。由于缺陷大小不同，材料厚度不同，微波駐波波形發(fā)生移動(dòng)，出現(xiàn)不同的幅度和相位?？臻g的駐波圖可以用來(lái)解釋相鄰介質(zhì)的介質(zhì)性能。當(dāng)傳輸線終端接有復(fù)阻抗負(fù)載即時(shí)，同時(shí)存在著行波和駐波，這是最一般的行駐波狀態(tài)。由于，反射波幅度小于入射波幅度，故合成波波腹不為入射波幅度的兩倍，波節(jié)不為零。在波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)隨X而周期變化，連續(xù)地經(jīng)過(guò)最大值和最小值，相鄰的最大點(diǎn)和最小點(diǎn)間相隔四分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)。如果已知駐波圖的形狀和位置，則可算出相應(yīng)的反射系數(shù)的模數(shù)和相角。假設(shè)由負(fù)載算起的最近的最小點(diǎn)距離是，則任意點(diǎn)反射系數(shù)的相角。當(dāng)相移為的介質(zhì)置于波導(dǎo)中輸出端短路時(shí)，在測(cè)量線上駐波最小點(diǎn)反射系數(shù)相角。式中，分別為介質(zhì)相角時(shí)的駐波最小刻度值。駐波比S等于場(chǎng)強(qiáng)幅度最大值和最小值之比，由求得反射系數(shù)的模或1.00 0.25 0.5 0.75 1.00.20.40.60.81.0|G|=0圖9.14不同|G|值的駐波曲線形狀 反射系數(shù)可從求入射波場(chǎng)強(qiáng)與反射波場(chǎng)強(qiáng)的比值得出。圖9.14畫(huà)出| |值大小不同但相位相同的駐波分布曲線的形狀。由此可見(jiàn)，駐波場(chǎng)強(qiáng)分布圖形一般不是正弦曲線，只有當(dāng)| |=1，即全反射時(shí)，的分布才具有正半周正弦曲線的形狀。駐波最小點(diǎn)附近的變化一般要比在最大點(diǎn)附近尖銳。 微波駐波法主要被用來(lái)進(jìn)行厚度的精密測(cè)量和分層缺陷檢查。（二）微波全息1同軸全息 微波全息技術(shù)也屬于干涉檢測(cè)范疇，這是一種與光學(xué)全息照相術(shù)相結(jié)合的方法。利用微波能透過(guò)不透光介質(zhì)的特性，可以攝取被檢測(cè)物的微波全息圖象。微波全息是在微波波段根據(jù)波的干涉和衍射原理應(yīng)用“波前再現(xiàn)”的成象技術(shù)。由于經(jīng)過(guò)物體的波前包含著物體的信息，因而完整地記錄和保存波前（即把波的幅度和相位都保存下來(lái)）就能把物體的信息記錄和保存下來(lái)，波前再現(xiàn)就是恢復(fù)原物體的全部信息。單波束微波全息術(shù)是把微波源所產(chǎn)生的微波能量，通過(guò)喇叭天線，向著物體所在的方向輻射出去，成為單一的波束。在記錄平面處，存在著二次波和一次波的干涉電場(chǎng)，其中的一次波是微波中的非衍射部分，用檢波器掃描這個(gè)干涉電場(chǎng)，將檢波器的輸出信號(hào)放大后加在陰極射線管的z軸上進(jìn)行亮度調(diào)制，這樣就在熒光屏上描繪出電場(chǎng)強(qiáng)度分布，把它記錄在照相膠片上就得到了微波全息圖。再用相干光去照射全息圖，在適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)下便可觀察到物體的實(shí)像和虛像，這種技術(shù)也稱為同軸全息術(shù)，如圖9.15所示放大器微波源喇叭天線掃描檢波器試件微波全息陰極射線管圖9.15單波束微波全息示意圖2離軸全息如果把相干性很好的相干源分成兩個(gè)波束，一束為物波，另一束為參考波，形成一定角度，讓兩者在記錄平面上相干涉，并把干涉圖記錄下來(lái)，這種技術(shù)稱之為“離軸全息”。記錄微波干涉圖形的方法有幾種：（1）微波檢測(cè)器組成二維列陣，將輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再用照相記錄。（2）掃描檢測(cè)器代替二維列陣，在每個(gè)取樣的位置通過(guò)輸出信號(hào)放大后在陰極射線管熒光屏上顯示出來(lái)，并用照相記錄。（3）如果物體是有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的，也可以用合成孔徑技術(shù)。（4）液晶顯示。目前微波全息照相技術(shù)已成功地運(yùn)用于全息雷達(dá)的照相上，全天候即使云霧極濃情況下，也可以得到清晰細(xì)致的像。3全息照相全息照相圖是參考波疊加在目標(biāo)散射波上所形成的干涉條紋的記錄。由于干涉是依靠入射波和散射波間的相對(duì)幅度和相位，所以必須采用高相干波（相同頻率與相同相位），且在微波全息圖的過(guò)程中必須用以保持相位關(guān)系的恒定。參考波被標(biāo)志為，且假定其為平面波（相同頻率，相同相位）。目標(biāo)散射波被標(biāo)為，則在x-y平面內(nèi)干涉圖形上任一點(diǎn)，其強(qiáng)度I（x，y）變化可描述為： （9-6）式中，*指共軛復(fù)數(shù)。在照相記錄中，最后兩項(xiàng)，和，因?yàn)樗鼈兪窍鄬?duì)信號(hào)方位項(xiàng)，只它們起到重建作用。項(xiàng)則是重建中的零階散射項(xiàng)。當(dāng)干涉圖被一個(gè)第三平面波照射時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制波，它給出 （9-7）因?yàn)榫鶠槠矫娌?，而乘積項(xiàng)和為恒量。此表明目標(biāo)散射波和它的共軛是被重建的，從而目標(biāo)的虛像和實(shí)像得到重建。 （1）同心圓繞射板全息圖可以看成由很多干涉疊加同心圓繞射板組成的微波干涉圖形。于是，無(wú)論是微波頻率或是光頻率的全息照相都能變成為相對(duì)簡(jiǎn)單的衍射過(guò)程，也就是，不需要考慮相位、調(diào)制、編碼或其他一些常被作為了解全息圖所提到的概念，就可以完全明白。首先，注意到全息圖和同心圓繞射板的類似性，再用全息圖產(chǎn)生微波雷達(dá)同心圓繞射板。同心圓繞射板被定義為阻塞波前的變換Fresnel區(qū)段的衍射屏。圖9.16為一同心圓繞射板，在其中心元件帶有一不透明的盤(pán)，開(kāi)口的間隙允許通過(guò)加在焦點(diǎn)f的能量。不透明的環(huán)阻止將在焦點(diǎn)產(chǎn)生干擾的能量。不透明或阻塞波帶可以被開(kāi)口間隙所代替，而同心繞射板將與圖示的一種起同樣的作用。同心圓繞射板還產(chǎn)生一組擴(kuò)散的波形，它對(duì)全息圖非常重要。它為擴(kuò)散波，給出從全息圖得到的目標(biāo)的三維視圖。同心圓繞射板的設(shè)計(jì)步驟在f =3lf =5l/2f =2lf =3l/2f =lf =l/2f旋轉(zhuǎn)軸f 阻塞帶圖9.16給出，圓的制作是以所要求的焦點(diǎn)為圓心和相互間相差為所設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)一半的一組值為半徑。這些圓的半徑與同心圓繞射板的平面相交。第一個(gè)圓半徑為f，第二個(gè)圓半徑為。第二個(gè)圓與同心圓繞射板的相交處即第一個(gè)透射環(huán)的開(kāi)始。第一透射環(huán)的終了即半徑的第三個(gè)環(huán)與同心圓繞射板的相交處。第三個(gè)圓也是第一個(gè)不透明帶或阻塞帶的開(kāi)始，這一過(guò)程以每一順序的圓的半徑較前一個(gè)圓的半徑增加而繼續(xù)延伸。半徑的第一個(gè)圓與 圖9.16 具有不透明環(huán)作為中心元件的同心圓同心圓繞射板的交線標(biāo)明第一 繞射板開(kāi)口間隙允許通過(guò)加在焦點(diǎn)上的能量，或中心的阻塞波帶的終了。 而不透明的環(huán)阻止將干擾該點(diǎn)的能量通過(guò) （2）光全息照相圖9.17蓋伯全息照相示意圖(a)制作平面波球面波激光激光照相底板針孔F第二焦點(diǎn)像（廢棄）重建波（觀察到的波）激光激光照相底板(b)重建點(diǎn)光源的全息照相制作、重建，見(jiàn)圖9.17。在圖9.17(a)所示同心圓繞射板中，開(kāi)口的空隙只允許對(duì)構(gòu)成有用的在焦點(diǎn)相加的能量通過(guò)；不透明環(huán)阻止干擾與破壞有用的焦點(diǎn)長(zhǎng)度的能量。在重建過(guò)程中，激光輻照全息圖示于圖9.17(b)，衍射使得會(huì)聚波在焦點(diǎn)形成光點(diǎn)的實(shí)像。在同心圓繞射板，衍射還形成發(fā)散波，它對(duì)觀察者產(chǎn)生光點(diǎn)位于共軛焦點(diǎn)（見(jiàn)圖9.17(b）)的虛像。發(fā)散光與來(lái)自針孔的光是很難區(qū)別的，而觀察者將想像他看到了位于照亮的同心圓繞射板（全息圖）后面空間的第二光源。圖9.17蓋伯全息照相示意圖(a)制作平面波球面波激光激光照相底板針孔F第二焦點(diǎn)像（廢棄）重建波（觀察到的波）激光激光照相底板(b)重建 （3）微波全息照相 微波在微波全息照相中類似于激光在光全息照相中，微波全息圖可定義為照相記錄了感興趣的微波與由其同一源產(chǎn)生的相干參考波之間的一組相干（相同頻率與相位）干涉圖形。這種方法至今仍被有效地應(yīng)用。 制作微波全息圖的設(shè)備見(jiàn)圖9.18。干涉圖型通過(guò)照相掃查成為可見(jiàn)的。制作圖形要求有兩組波。第一組是來(lái)自通過(guò)波導(dǎo)透鏡方式的饋入喇叭的入射波；第二組為參考波。上述兩波的設(shè)置，使在入射波和參考波組合的掃查平面上形成干涉圖形。用配有小氖燈的小偶極子天線掃查干涉板。被小偶極子拾取的信號(hào)是峰值檢測(cè)，進(jìn)而將該峰值檢測(cè)信號(hào)放大加于氖燈上，使其亮度隨之變化。照相機(jī)設(shè)置時(shí)間曝光記錄作為偶極子檢測(cè)器的位置函數(shù)的氖燈亮度。形成的照相是微波干涉圖型（微波全息圖）。723A-B速度調(diào)制管(32mm)透鏡饋入喇叭可調(diào)功率分配器波導(dǎo)型透鏡掃查平面氖燈晶體偶極子檢測(cè)器一個(gè)掃查弧線參考波饋入喇叭波導(dǎo)這一距離大到足以保證在幾乎是整個(gè)掃查平面相當(dāng)平坦的相前圖9.18用照相掃查制作微波全息圖的步驟放大器五、微波渦流法利用入射的極化波、微波電橋或模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，測(cè)定散射、相位信號(hào)，可以探知金屬材料近表面裂縫。尤其用渦流測(cè)量小曲率半徑的孔和區(qū)域。慢波裝置除了最后一匝短路以外，類似于螺旋天線或螺旋TWT。這一短路匝形成一短路空間傳輸線而沒(méi)有屏蔽。在這一檢測(cè)裝置中，它的長(zhǎng)度和直徑是可以調(diào)節(jié)的，螺旋置于孔內(nèi)，當(dāng)最后一匝未短路時(shí)，它形成螺旋諧振器；或者當(dāng)螺旋被短路時(shí)形成一螺旋的延遲線。當(dāng)采用螺旋天線時(shí)，幅度和相位信息可由測(cè)量與腐蝕敏感的表面阻抗獲得。多個(gè)并聯(lián)的螺旋探頭可以測(cè)量多個(gè)孔的大小。慢波螺旋可以制成柔性的，以適應(yīng)工件特定的構(gòu)形，便于測(cè)量小曲率半徑的區(qū)域，在工件表面掃查。再通過(guò)標(biāo)定將表面阻抗與被檢表面的腐蝕建立相應(yīng)關(guān)系。在任何情況下，微波信號(hào)傳送不是用螺旋形導(dǎo)線就是用圓形或矩形截面的空心管，前者在螺旋的內(nèi)部和外部均很靈敏；后者通過(guò)管內(nèi)的孔或槽也能使其對(duì)表面阻抗靈敏。所以，為了滿足飛機(jī)不同形狀部件表面阻抗測(cè)量的需要，可以使用許多