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【摘 要】 本文从微波无损检测的特点出发，分析了微波技术及传输系统理论，针对金属表面缺陷的微波无损检测研究进行详细探究，并提出了微波无损检测的发展趋势。
【关键词】 微波无损检测技术；金属表面缺陷；应用研究
引言：
微波无损检测技术是一种新型的无损检测新技术，发展于上世纪六十年代。在不损坏被检测对象的使用性能的前提下，运用相关物理知识，对设备零部件以及工程材料进行可靠的检测，进而对被检测对象的不连续性以及指定的物理特性做出有效的评价。微波无损检测技术已经成为产品安全可靠的保障、控制特殊装备质量的途径、改进设备工艺的方法，能够提高劳动生产率并且实现资源的节约。
一、微波无损检测的特点
1、微波的波长短，频带宽，方向性好，贯穿介电材料的能力强。超声波无损检测是常见的一种无损检测方法，应用非常广泛。但超声波检测是建立在测量超声波衰减的基础上。当使用超声波检测聚合复合物和一些较厚的纹理较粗糙的复合物时，超声波衰减太大，使其检测能力下降，难以获得满意的结果。而微波能够穿透介电材料，能穿透声衰减很大的材料，故对这些材料进行检测时，使用微波进行检测正好弥补了超声波检测的不足。
2、微波无损检测属非接触检测，能快速、连续、实时的监测，不需耦合剂，避免了耦合剂对材料的污染。利用超声波进行检测时，为使超声波探头有效地向试件中发射和接收超声波，必须保持探头与试件之间良好的声耦合，避免因空气层的存在致使声能几乎全部被反射的现象发生，为此在探头和试件之间需加入耦合剂（如水或油）。但耦合剂的加入会造成信号的衰变而产生不良的后果，同时也会对试件造成污染。使用微波进行检测不需耦合剂，从而克服了利用超声波检测时的缺点。
3、微波无损检测可以进行最有效的无损扫描，提供精确的数据，使缺陷区域的大小和范围得以准确测定。射线（如x射线、射线）检测也是常用的一种无损检测方法，可用于复合材料的无损检测。但检测结果以二维的图像显示较容易，缺陷区域的三维实时图像获取代价很高。对于微波检测，无须做特别的分析处理，缺陷区域的三维实时图像随时可以获得，射线成像技术在进行图像处理时费用高的问题得以解决[1]。
4、微波无损检测设备简单，费用低廉，易于操作，便于携带。
5、由于微波不能穿透金属和导电性能较好的复合材料，因而不能检测此类复合结构内部的缺陷，只能检测金属表面裂纹缺陷及粗糙度。
二、微波技术及传输系统理论分析
1、电磁波导行理论
1.1麦克斯韦方程
在各向同性介质中，电磁场量与介质参量之间满足以下关系：
D=sE（2-1a）
B=mH（2-lb）
I=aE（2-1c）
1.2导行波的形式
对于时变电磁场的场量E、D、H、B和源量P、J，都是空间和时间的函数，且随着时间t呈正余弦规律变化。
1.3电磁波传播规律
对于截面为任意形状的柱形传输系统，假设传输系统无耗、传输系统为理想导体、内充介质为真空，其复相量t和台量只是位置空间（x，Y，z）的函数，电磁导行波沿着Z轴方向传播，在横截面内具有横向分布特性。
2、微波传输系统理论
微波传输线与低频电路不同，不仅可以用于传输电磁能量，而且同时构成了导行微波电路。而微波电路是与之相等效的电路，由长线理论求解，可以反应传输系统上不均勾性、或者不连续处的状态。
3、传输系统的求解问题及参量
求解传输系统中导行波的微波场问题，原则上是采用场解的方法，依据给定的边界条件求解麦克斯韦方程进而解决问题，但由于微波场的分布非常复杂，求解相当困难，因而这种场解的方法只能作为一种纯理论分析法[2]。
三、金属表面缺陷的微波无损检测研究探究
1、金属表面缺陷微波无损检测技术的机理研究
1.1微波无损检测机理
1.1.1微波对非金属具有穿透的特性，而对金属则具有反射的特性；
1.1.2微波经传输系统传播，微波场会受到系统不匹配或者金属材料的不连续性的影响，通过测取微波场的变化，进而判断被检测金属材料的质量状况。
1.2金属板表面缺陷微波无损检测方法
矢量网络分析仪同轴线与端口1相连，将微波传输给波导探头，在同轴线内工作的主模是TEM模，也可以传输TE波和TM波，它属于双导体类传输线，在沿线上有明确的电压和电流，用长线理论分析很方便。
1.3金属管道内壁表面缺陷微波无损检测方法
检测系统可以视为微波网络传输系统，它是由微波矢量网络分析仪、无色散传输和色散传输三部分组成。
2、金属板表面缺陷微波无损检测技术的试验研究
2.1检测系统及试件缺陷参数
微波矢量网络分析仪发射的微波频率范围是12-18GHz，正好在矩形波导单模传输的频率范围内使用传输模式特性参量，如相移常数、反射系数、波阻抗等。
2.2金属板表面条形缺陷的微波检测
起始频率设为lgGHz，终止频率设为18GHz。在该测试频段范围内进行端口校准，选择校准件为BJMO矩形波导，校准参数为Sll和S22，在两个波导探头口连接开路器、短路器及负载，作为校准的标准[3]。
2.3金属板表面圆形缺陷的微波检测
圆形缺陷的直径越大，回波损耗越大。随着深度的变化，回波损耗RL几乎不变，说明回波损耗对深度的响应不明显。
3、金属管道内壁表面环向缺陷微波NDT技术的试验研究
3.1检测系统
单端口无损检测系统中，金属管道的另一个端口接短路片，产生反射波被端口1接收，微波矢量网络分析仪将回波响应转变为数字信号。 3.2金属管道内壁表面微波无损检测试验
试验检测金属管道内壁上的表面缺陷主要有三种，焊瘤缺陷，环形裂缝和环向短裂缝。
3.3金属管道内壁表面多个缺陷的微波无损检测试验
金属管内壁存在两个缺陷的定位与影响测试，在实现了金属管道内壁单个表面缺陷定位之后，可以利用双端口检测装置，实现对金属管道内壁表面两个环形裂缝或者多个表面缺陷的微波无损检测。
四、微波无损检测的发展趋势分析
1、微波无损检测的理论发展趋势
进一步研究微波在非均匀介质中的传播和在非均匀介质中的散射规律是十分有价值的。在非均匀介质中，如果得到散射波相位和振幅对位置和媒质的非均匀性的关系，则就建立了对该种非均匀媒质的断层扫描关系，也就是得到了该种非均匀媒质的断层扫描算法。比如我们建立了人体对微波的散射波相位和振幅对位置和人体结构的关系，则我们就得到了微波人体断层扫描算法；如果我们得到了桥梁等大型建筑对微波的散射关系，则我们就可以对这些大型建筑进行微波断层扫描；反过来，如果对大地进行微波断层扫描，将接收到的散射波，根据相似理论，然后进行小模型分析，可以分析出在微波断层扫描范围内的每个区域中的矿藏分布。
建立非均匀介质对多微波源的散射理论。无论是金属表面上的裂纹、裂缝检测还是非均匀介质中的缺陷的检测，如果在不同位置设置多个频率不同的微波源，且这些源的相对位置是已知的，则在确定的坐标系中，可建立非均匀介质缺陷对多微波源的散射关系。其中，散射波的相位包含散射源的位置关系，同时，微波从各不同方向照射到缺陷上，可避免由缺陷形状引起的漏检。
对于管道和压力容器内表面上长裂纹、裂缝，目前所用的传播波法和反射波法不能确定其缺陷的位置，只能确定是否存在缺陷。解决问题的办法为先用调制波作为传播波，可通过检测缺陷对调制波的反射来确定缺陷的位置。调制波理论不仅可以从理论上解决管道内表壁上缺陷的位置问题，而且可解决非均匀介质中缺陷的位置和大金属平面表面上的缺陷的位置问题。
2、微波无损检测的实验发展趋势
关于微波的传播、反射和散射理论，目前只能对一些规则边界条件进行求解。在实际问题中，大多数缺陷的形状是不规则的，不可能求出其解析表达式，只能通过实验的方法来求出其关系。
2.1对媒质的非均匀性检测，无论是用反射波法还是散射波法，由于缺陷对微波的反射和散射与其本身的形状、尺寸、取向有关，而且与波的频率也有关。在实际工程中，材料的性质主要取决于材料不均匀的程度，因此，可通过检测散射波的功率来实现。在实测中，应采集从不同入射角度、在不同频率下的反射波功率和散射波功率。
2.2一般说来，频率越高，检测的精度也越高。但对脱粘检测来说，该结论不成立。由于散射波相位与频率具有周期关系，当检测频率太高时，可能散射波的相移反而较小，用相敏法测脱粘时，应用扫频源寻找一个最佳频点。
五、结束语
综上所述，微波无损检测技术的应用对于保证产品的质量、减少不必要的经济损失方面起着很大的作用，对于保证产品可靠性方面已产生良好效益。随着更多的无损检测工程师及技术人员对微波检测能力和局限性的精通，微波检测的使用必将不断增加，在电力系统中的应用也会越来越广，微波检测技术有着广阔的发展前景。
参考文献：
[1]杨晨，段滋华，马海桃，邢贺民，马耀.金属管道表面缺陷微波无损检测[J].无损检测，2013（03）：34-37+44.
[2]杨玉娥，何存富，吴斌.微波无损检测热障涂层下金属表面裂缝的参数优化[J].复合材料学报，2013（03）：149-153.
[3]杨芷，杨希茂.无损检测技术及工业应用综述[J].金属世界，2013（05）：22-25.
【关键词】 微波无损检测技术；金属表面缺陷；应用研究
引言：
微波无损检测技术是一种新型的无损检测新技术，发展于上世纪六十年代。在不损坏被检测对象的使用性能的前提下，运用相关物理知识，对设备零部件以及工程材料进行可靠的检测，进而对被检测对象的不连续性以及指定的物理特性做出有效的评价。微波无损检测技术已经成为产品安全可靠的保障、控制特殊装备质量的途径、改进设备工艺的方法，能够提高劳动生产率并且实现资源的节约。
一、微波无损检测的特点
1、微波的波长短，频带宽，方向性好，贯穿介电材料的能力强。超声波无损检测是常见的一种无损检测方法，应用非常广泛。但超声波检测是建立在测量超声波衰减的基础上。当使用超声波检测聚合复合物和一些较厚的纹理较粗糙的复合物时，超声波衰减太大，使其检测能力下降，难以获得满意的结果。而微波能够穿透介电材料，能穿透声衰减很大的材料，故对这些材料进行检测时，使用微波进行检测正好弥补了超声波检测的不足。
2、微波无损检测属非接触检测，能快速、连续、实时的监测，不需耦合剂，避免了耦合剂对材料的污染。利用超声波进行检测时，为使超声波探头有效地向试件中发射和接收超声波，必须保持探头与试件之间良好的声耦合，避免因空气层的存在致使声能几乎全部被反射的现象发生，为此在探头和试件之间需加入耦合剂（如水或油）。但耦合剂的加入会造成信号的衰变而产生不良的后果，同时也会对试件造成污染。使用微波进行检测不需耦合剂，从而克服了利用超声波检测时的缺点。
3、微波无损检测可以进行最有效的无损扫描，提供精确的数据，使缺陷区域的大小和范围得以准确测定。射线（如x射线、射线）检测也是常用的一种无损检测方法，可用于复合材料的无损检测。但检测结果以二维的图像显示较容易，缺陷区域的三维实时图像获取代价很高。对于微波检测，无须做特别的分析处理，缺陷区域的三维实时图像随时可以获得，射线成像技术在进行图像处理时费用高的问题得以解决[1]。
4、微波无损检测设备简单，费用低廉，易于操作，便于携带。
5、由于微波不能穿透金属和导电性能较好的复合材料，因而不能检测此类复合结构内部的缺陷，只能检测金属表面裂纹缺陷及粗糙度。
二、微波技术及传输系统理论分析
1、电磁波导行理论
1.1麦克斯韦方程
在各向同性介质中，电磁场量与介质参量之间满足以下关系：
D=sE（2-1a）
B=mH（2-lb）
I=aE（2-1c）
1.2导行波的形式
对于时变电磁场的场量E、D、H、B和源量P、J，都是空间和时间的函数，且随着时间t呈正余弦规律变化。
1.3电磁波传播规律
对于截面为任意形状的柱形传输系统，假设传输系统无耗、传输系统为理想导体、内充介质为真空，其复相量t和台量只是位置空间（x，Y，z）的函数，电磁导行波沿着Z轴方向传播，在横截面内具有横向分布特性。
2、微波传输系统理论
微波传输线与低频电路不同，不仅可以用于传输电磁能量，而且同时构成了导行微波电路。而微波电路是与之相等效的电路，由长线理论求解，可以反应传输系统上不均勾性、或者不连续处的状态。
3、传输系统的求解问题及参量
求解传输系统中导行波的微波场问题，原则上是采用场解的方法，依据给定的边界条件求解麦克斯韦方程进而解决问题，但由于微波场的分布非常复杂，求解相当困难，因而这种场解的方法只能作为一种纯理论分析法[2]。
三、金属表面缺陷的微波无损检测研究探究
1、金属表面缺陷微波无损检测技术的机理研究
1.1微波无损检测机理
1.1.1微波对非金属具有穿透的特性，而对金属则具有反射的特性；
1.1.2微波经传输系统传播，微波场会受到系统不匹配或者金属材料的不连续性的影响，通过测取微波场的变化，进而判断被检测金属材料的质量状况。
1.2金属板表面缺陷微波无损检测方法
矢量网络分析仪同轴线与端口1相连，将微波传输给波导探头，在同轴线内工作的主模是TEM模，也可以传输TE波和TM波，它属于双导体类传输线，在沿线上有明确的电压和电流，用长线理论分析很方便。
1.3金属管道内壁表面缺陷微波无损检测方法
检测系统可以视为微波网络传输系统，它是由微波矢量网络分析仪、无色散传输和色散传输三部分组成。
2、金属板表面缺陷微波无损检测技术的试验研究
2.1检测系统及试件缺陷参数
微波矢量网络分析仪发射的微波频率范围是12-18GHz，正好在矩形波导单模传输的频率范围内使用传输模式特性参量，如相移常数、反射系数、波阻抗等。
2.2金属板表面条形缺陷的微波检测
起始频率设为lgGHz，终止频率设为18GHz。在该测试频段范围内进行端口校准，选择校准件为BJMO矩形波导，校准参数为Sll和S22，在两个波导探头口连接开路器、短路器及负载，作为校准的标准[3]。
2.3金属板表面圆形缺陷的微波检测
圆形缺陷的直径越大，回波损耗越大。随着深度的变化，回波损耗RL几乎不变，说明回波损耗对深度的响应不明显。
3、金属管道内壁表面环向缺陷微波NDT技术的试验研究
3.1检测系统
单端口无损检测系统中，金属管道的另一个端口接短路片，产生反射波被端口1接收，微波矢量网络分析仪将回波响应转变为数字信号。 3.2金属管道内壁表面微波无损检测试验
试验检测金属管道内壁上的表面缺陷主要有三种，焊瘤缺陷，环形裂缝和环向短裂缝。
3.3金属管道内壁表面多个缺陷的微波无损检测试验
金属管内壁存在两个缺陷的定位与影响测试，在实现了金属管道内壁单个表面缺陷定位之后，可以利用双端口检测装置，实现对金属管道内壁表面两个环形裂缝或者多个表面缺陷的微波无损检测。
四、微波无损检测的发展趋势分析
1、微波无损检测的理论发展趋势
进一步研究微波在非均匀介质中的传播和在非均匀介质中的散射规律是十分有价值的。在非均匀介质中，如果得到散射波相位和振幅对位置和媒质的非均匀性的关系，则就建立了对该种非均匀媒质的断层扫描关系，也就是得到了该种非均匀媒质的断层扫描算法。比如我们建立了人体对微波的散射波相位和振幅对位置和人体结构的关系，则我们就得到了微波人体断层扫描算法；如果我们得到了桥梁等大型建筑对微波的散射关系，则我们就可以对这些大型建筑进行微波断层扫描；反过来，如果对大地进行微波断层扫描，将接收到的散射波，根据相似理论，然后进行小模型分析，可以分析出在微波断层扫描范围内的每个区域中的矿藏分布。
建立非均匀介质对多微波源的散射理论。无论是金属表面上的裂纹、裂缝检测还是非均匀介质中的缺陷的检测，如果在不同位置设置多个频率不同的微波源，且这些源的相对位置是已知的，则在确定的坐标系中，可建立非均匀介质缺陷对多微波源的散射关系。其中，散射波的相位包含散射源的位置关系，同时，微波从各不同方向照射到缺陷上，可避免由缺陷形状引起的漏检。
对于管道和压力容器内表面上长裂纹、裂缝，目前所用的传播波法和反射波法不能确定其缺陷的位置，只能确定是否存在缺陷。解决问题的办法为先用调制波作为传播波，可通过检测缺陷对调制波的反射来确定缺陷的位置。调制波理论不仅可以从理论上解决管道内表壁上缺陷的位置问题，而且可解决非均匀介质中缺陷的位置和大金属平面表面上的缺陷的位置问题。
2、微波无损检测的实验发展趋势
关于微波的传播、反射和散射理论，目前只能对一些规则边界条件进行求解。在实际问题中，大多数缺陷的形状是不规则的，不可能求出其解析表达式，只能通过实验的方法来求出其关系。
2.1对媒质的非均匀性检测，无论是用反射波法还是散射波法，由于缺陷对微波的反射和散射与其本身的形状、尺寸、取向有关，而且与波的频率也有关。在实际工程中，材料的性质主要取决于材料不均匀的程度，因此，可通过检测散射波的功率来实现。在实测中，应采集从不同入射角度、在不同频率下的反射波功率和散射波功率。
2.2一般说来，频率越高，检测的精度也越高。但对脱粘检测来说，该结论不成立。由于散射波相位与频率具有周期关系，当检测频率太高时，可能散射波的相移反而较小，用相敏法测脱粘时，应用扫频源寻找一个最佳频点。
五、结束语
综上所述，微波无损检测技术的应用对于保证产品的质量、减少不必要的经济损失方面起着很大的作用，对于保证产品可靠性方面已产生良好效益。随着更多的无损检测工程师及技术人员对微波检测能力和局限性的精通，微波检测的使用必将不断增加，在电力系统中的应用也会越来越广，微波检测技术有着广阔的发展前景。
参考文献：
[1]杨晨，段滋华，马海桃，邢贺民，马耀.金属管道表面缺陷微波无损检测[J].无损检测，2013（03）：34-37+44.
[2]杨玉娥，何存富，吴斌.微波无损检测热障涂层下金属表面裂缝的参数优化[J].复合材料学报，2013（03）：149-153.
[3]杨芷，杨希茂.无损检测技术及工业应用综述[J].金属世界，2013（05）：22-25.