电磁共振涡流探头原理及应用

微波检测裂缝，可以应用微波涡流检测技术。微波涡流的应用产生与常规涡流有些明显不同的性质。主要有三项：

1）因为是微波频率，趋肤深度非常小（典型的为几微米），裂缝必须是金属表面开口的，才能被检测。

2）在微波频段可以应用辐射和非辐射两种探头。

3）如果裂缝是开口的，当频率增高时，贮存在裂缝内的能量在裂缝响应中开始占优势。这就意味着，微波检测系统对开口裂缝是非常灵敏的。结果是，如果频率增加到足够高，波就能在裂缝内传播，而裂缝响应也就变成对裂缝的深度非常灵敏。

在低频率的涡流检测中有两种不同的方法。首先是单线圈系统，在这里感应涡电流按ΔZ的系数改变线圈的阻抗。第二种方法是引入第二个传感器（感应线圈或霍尔效应装置），它同时感受施加电场和感应涡流引起的第二电场。上述两基本配置的数字变化已经用在低频探测和微波频率探测。首先考虑的是低频单线圈系统的微波变型。

已经用来分析微波涡传感器以计算因裂缝引起的探头阻抗ΔZc变化的一种方法是以Lorentz互易性理论为基础。实质上，互易性理论是建立缺陷造成的阻抗变化与包围该缺陷体积的表面上的某些磁场积分的关系。用于微分涡流分析的基本表达式为

式中 I——无缺陷时探头电流；

I′——有缺陷时探头电流；

S_F——包含缺陷的表面；

H——无缺陷时的磁场；

H′——有缺陷时的磁场；

E——无缺陷时的电场；

E′——有缺陷时的电场；

n——垂直于S_F表面的单位矢量。

式（4.4-9）给出了探头阻抗的变化不受垂直于表面的电磁场的影响。

式（4.4-9）可以用逼真假设加以简化。只要探头和涡流远小于微波波长，辐射场就可以被忽略。这可以假设缺陷（裂缝）是深为a，宽为Δu的矩形，且a＜＜Δu。

如果在常用的微波频率，缺陷深度与趋肤深度之比远大于1，则：

式中 k——真空中波数，k=2π/λ₀（λ₀为真空中的波长）；

H₀——正切于金属表面的磁场的复数幅度；

η₀——真空的本征阻抗（120π）；

Z₀——表面阻抗。

由式（4.4-10），若Δu小且H₀/I即为实数，则ΔZ_c基本上为电感性的。

如果频率足够高，则缺陷深度被趋肤深度所除的商远大于1，阻抗的变化为

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式中 σ——表面电导率。

式（4.4-11）显示，如果槽的宽度小，而H₀/I为实数，则ΔZ_c既有电阻性又有电感性分量。如果槽宽不小，则ΔZ_c在高频变为电感性占优势。

三种微波裂缝检测系统的方框图见图4.4-15～图4.4-17。

较早期的微波检测的配置以方框图形式示于图4.4-15。它是带有两附加特性的反射计。第一附加特性是一微波电桥，用以消除背景噪声（也就是表面反射）。第二是旋转波导接头，以提供入射波的偏振。当入射电场垂直于裂缝的长度时，由于裂缝成了偏振滤波器，散射最大，这就有效地标记了被裂缝散射的信号。这是一种模式转换的形式，在这里，裂缝将入射波的一部分（模式）转换为正交偏振波（独立模式）。

另一种用于微波裂缝检测的系统是模式转换系统，示于图4.4-16，该系统选择模式耦合器至喇叭天线的圆形波导的直径，能够激励和发射TM_0.1或TE_0.1圆形波导模式。表面内的裂缝转换、某些入射能量成为TE_1.1模式，它是用楔形波导和法拉第转子调制器从其他模式能量分离出来的。

第三种微波涡流检测系统的方框图见图4.4-17。它也用模式转换，但不用偏振调制。当入射偏振相对于槽（裂缝）成0°或90°时，线性偏振入射波部分地转换成正交偏振，零拍检测系统提供同相输出（I）和90°相移输出（Q），而且能用与常规（低频）涡流系统相同方式显示。

用于该系统的天线，是一个工作频率为100GHz，焦点波束宽约为3.5mm的透镜一聚焦喇叭。这是搜索远场内缺陷的辐射探头的一个例子。

有关三种系统得出的结果报道指出，开口的、具有高Q值，且长度大于半波长的裂缝均能被检出。实际上，人们可改变频率直至裂缝信号垂直提离圆。知道频率和在裂缝内传播的电磁波的一个模式，深度就可以测定；由于裂缝信号相位的测量是相对于提离圆的，这一特征是自校的。提离信号在示波器上近似遵循圆形轨迹。该轨迹称提离圆。提离圆的直径依据系统的增益而定。

图4.4-15 微波裂缝检测的系统

图4.4-16 模式转换裂缝检测的系统

微波涡流系统也有用平面传输而不是波导的，从而使它们成为近场型。这种探头具有较图4.4-15～图4.4-17所示的其他形式更高的灵敏度。如图4.4-18所示，探头采用一对相邻的耦合微波条带线。该耦合微波条带线能承载两正交的TEM模式，偶数的（图4.4-18a）和奇数的（图4.4-18b）。其传播方向垂直于图4.4-18a的平面。对偶数模式，两条带相对于地的电位是相同的。对奇数模式，相对于地的电位，大小相等极性相反。两条带载相等但反向的电流。

在偶数模式，只要保持对称，将不会向奇数模式转换。然而，当一个接地平面内的表面裂缝干扰一个条带的电流但不干扰另一条带时，一些功率将转换为奇数模式。如果被检测的表面是接地平面之一，且条带被偶数模式激励，而不仅当检测的只是奇数模式时，这样一对耦合条带传输线就能用来作表面裂缝检测。正像人们以前已经讨论过的，这种类型的探头依靠模式转换获得了高灵敏度。

用于检测175mm壳体的探头截面图，如图4.4-19所示。这种微波条带线的两主要特征是：

1）微波条带线的长度可按要求选取。

2）如果采用薄的、柔软的介电材料条带线，探头可以制成适合的弯曲表面检测。

在图4.4-19中，当需要检测开口裂缝时，壳体形成条带传输线的一个接地平面。

用耦合微波条带检测裂缝的系统如图4.4-20所示。通过调节连接于探头输出的可变衰减器和相移器，使其能达到50～75dB的动态范围。积分检测和随之的平方和相加，产生一相敏输出。所用频率接近10GHz。当图4.4-20的系统被连接到图4.4-19所示的裂缝检测器时，小至长2.54mm、宽0.038mm、深0.13mm的电火花加工的槽，可以被检测出来。然而，当探头扫查表面时，在偶数和奇数模式间维持高的绝缘（电桥平衡）是困难的。这通常是由于从壳体轻微地提离检测器的缘故。若用同相和90°异相信号而不只是幅度信号，提离效应可以减少。

图4.4-19 微波条带线裂缝检测截面图（未标单位的为in）

图4.4-17 用自差法检测交叉偏振背散射的微波系统

图4.4-18 一对耦合微波带状线的两个正交模式