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PE结构埋深缺陷的微波无损可视化检测.pdf
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1、无损检测2023年第45卷第9 期22DOI:10.11973c2023090052023远东无损检测新技术论坛论文精选PE结构埋深缺陷的微波无损可视化检测王若男,李真勇?,回沛林,方阳陈振茂(1.西安交通大学机械结构强度与振动国家重点试验室陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心,西安7 10 0 49;2.福建技术师范学院无损检测技术福建省高校重点试验室,福清350 30 0)摘要:聚乙烯(PE)结构在制备和服役过程中,其内部可能出现埋深缺陷,严重时结构完整性会受到影响甚至结构失效,因此对PE结构埋深缺陷实施有效无损定量检测至关重要。聚焦于PE结构的无损检测,探究PE结构背面减薄缺陷
2、和内部夹杂缺陷的微波可视化检测,提出基于奇异值分解(SVD)的直达波抑制算法以实现高精度缺陷成像。同时,综合分析比较了双脊波导、矩形波导两种微波探头在PE结构埋深缺陷定量检测中的优劣,明确了所提微波检测信号特征和直达波抑制算法在PE结构埋深缺陷可视化定量检测中的有效性和优势性。关键词:电磁无损检测;微波检测;PE结构;埋深缺陷;缺陷成像中图分类号:TG115.28文献标志码:A文章编号:10 0 0-6 6 56(2 0 2 3)0 9-0 0 2 2-0 6Microwave NDT for detection and visualization of buried defects in P
3、E structuresWANG Ruonan,LI Yong2,HUI Peilinl-,FANG Yang,CHEN Zhenmao(1.State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures,Shaanxi Engineering Research Centre of NDTand Structural Integrity Evaluation,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.Key Laboratory of Nondestructive
4、Testing,Fujian Polytechnic Normal University,Fuqing 350300,China)Abstract:Polyethylene(PE)structures,which poses a severe threat to structure integrity and would lead tostructural failure.Therefore,it is imperative to detect and assess the buried defects in PE structures througheffective nondestruct
5、ive evaluation techniques.In this paper,microwave testing and imaging of the back-surfacedefect and inclusion in PE structures were intensively investigated.A direct-wave suppression algorithm based onsingular value decomposition(SVD)was proposed for production of high-precision microwave images of
6、defects.Inparallel,two microwave probes i.e.,the double-ridged waveguide and rectangular waveguide were compared inregard to quantitative evaluation of defects hidden within PE structures.The applicability as well as the superiorityof the proposed signal feature of the microwave testing signal and S
7、VD based direct-wave suppression algorithm forimaging and assessment of buried defects in PE structures was identified.Key words:electromagnetic nondestructive testing;microwave testing;PE structure;buried defect;defect imaging聚乙烯(PE)材料高强、高模、轻质、抗湿与抗腐收稿日期:2 0 2 3-0 7-0 6基金项目:国家科技部磁约束核聚变能发展研究专项项目(2 0
8、19 YFE0 3130 0 0 3);国家自然科学基金项目(52 17 7 0 0 7,5231154001852107009,11927801)作者简介:王若男(2 0 0 0 一),女,博士研究生,主要研究方向为微波无损定量检测及损伤可视化定量评估,通信作者:李勇(19 7 8 一),男,博士,教授,主要研究方向为机械结构无损定量检测及完整性评估,蚀性能好、抗冲击性能优异,不但在燃气管和给排水管领域应用广泛,而且适用于各种飞机翼尖整流罩结构、武装直升机与战斗机的壳体制造中2 。作为管材与耐冲击材料,聚乙烯结构在服役过程中易遭受冲击、腐蚀形成减薄缺陷,在生产过程中易出现内部夹杂。背面材料减
9、薄缺陷与内部夹杂缺陷统称为埋深缺陷。埋深缺陷一旦出现,会对结构正常安全服役造成极大的威胁。因此,及时发现聚乙烯结构内部的埋深缺陷并对其实施有效的无损检测对于无损检测2023年第45卷第9 期23PE结构埋深缺陷的微波无损可视化检测王若男,等:保证结构完整性、避免重大安全事故至关重要。目前,国内外应用于聚乙烯材料的无损检测技术有红外热成像3、射线检测4、超声检测5-6 等。然而,这些方法对于聚乙烯的检测仍存在许多不足。例如,红外热成像技术依赖于外部激励强度且图像分辨率低;聚乙烯材料对射线的吸收能力强而降低了检测精度;超声波在聚乙烯中的传播能量衰减大而影响检测能力7 微波无损检测基于微波的传播特性
10、获取结构信息,即在介电材料中传播的微波遇到异质界面时发生反射、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 1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高分辨率成像;回沛林等10 1利用微波反射法对玻璃纤维增强复合材料局部损失缺陷实现了有效定量检测及高精度成像。微波无损检测技术在聚乙烯结构检测中的应用也日益增多,RAHMAN等1
11、利用Ka波段的矩形波导对高密度聚乙烯管道进行近场成像,发现其缺陷检出效果可与相控阵超声检测的效果媲美;车飞等12 对燃气安装现场的PE管热熔接头进行微波检测,所有外观检测合格的异常焊缝均被检出;回沛林等13 在C波段下试验建立了反射系数幅值均值与空穴尺寸之间的单调映射关系。鉴于此,文章根据微波反射法原理,通过系列试验集中探究了PE结构埋深缺陷的可视化定量评估关键技术。与传统波导相比,双脊波导具有工作频带宽、等效特性阻抗低、稳定性高等显著优势14,但国内外鲜有将其应用于微波无损检测中的相关报道。因此,文章采用的微波探头包括了双脊波导(工作频段分别为11.0 2 6.5GHz,18.0 40.0
12、G H z)和Ka波段的矩形波导(工作频段为2 6.540.0 GHz),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。1微波检测原理及试验平台1.1微波反射法检测原理PE结构内部埋深缺陷的微波无损检测原理示意如图1所示。微波探头发射高频电磁波,电磁波传播主方向垂直于试件表面,人射波在PE试件表面(空气-PE界面)发生反射,同时一部分人射波透射进入试件内部,该部分透射波继续在异质界面即缺陷轮廓边界(PE-空气界面、空气-PE界面)和试件背面(PE-空气界面)发生反射,各反射波最终被微波探头接收形成反射波信号。通过矢量网络分析仪的分析计算,所获反射波信号以反射系数(
13、即S11参数的形式输出成为微波检测信号,该信号不仅表征反射波与入射波的能量之比,更蕴含了PE结构内部埋深缺陷信息,微波探头入射波反射波夹杂PE试件缺陷减薄缺陷图1PE埋深缺陷的微波反射法检测原理示意针对PE结构内部埋深缺陷的微波成像,以空气(相对介电常数约为1.0)为参照对象,微波在空气中的传输几乎没有损耗;与之相比,PE材料(相对介电常数一般为2.2 6)对微波具有介电损耗作用。相比无缺陷PE结构,微波辐射范围内的PE结构如出现埋深缺陷,探头所发射微波在PE材料中的传输路程更短,因此,内含缺陷的PE材料对微波的介电损耗作用较弱,所得反射波能量大,相应的S11参数值较大。同时人射波在缺陷边缘处
14、将发生大量散射,造成反射波能量的降低,S1参数值减小。在介电损耗和缺陷边缘散射的综合作用下,扫查所获的缺陷区域微波检测信号与无缺陷区域信号间存在幅值和相位上的差异,因此缺陷位置、尺寸等信息得以可视化。1.2试验系统搭建微波扫频定量检测PE板件内部埋深缺陷的试验系统,如图2 所示。该系统由微波探头、矢量网络分析仪(KeysightN5224A)、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5.0 dBm)用以驱动微波探头向外部定向辐射微波,微波经一定空气域后垂直入射进人待测PE试件;微波探头同时接收反射波,将其送回至
15、矢量网络分析仪进行分析,从而获得微波探头位置处对应的S11参数,即微波检测信号。试无损检测2023年第45卷第9 期24PE结构埋深缺陷的微波无损可视化检测王若男,等:验中,微波探头固定于由计算机控制的扫描台上,对试件进行二维平面扫查,扫查范围(长宽)为200mm200mm,步长为2 mmX2mm。探头与PE试件间的提离距离为1.0 mm。试验系统中各微波探头的工作频段及探头尺寸如表1所示。为有效对比不同微波探头的检测能力,针对各探头,除设置不同工作频段外,试验系统的其他参数均保持不变。微波探头扫描台夹持(二维扫描)PE试件PC扫描台控制器驱动信号控制三轴扫回波描台微波探头信号PE试件1控制矢
16、量网络计算机分析仪返回数据(a)框架图(b)实物图图2微波检测PE板件内部埋深缺陷的试验系统表1微波检测试验探头的工作频段及口径尺寸双脊波导项目矩形波导低频段高频段工作频段11.026.5GHz18.040.0GHz26.540.0GHz11.967.323.561.83口径尺寸/mmT2.365.56工.453.407.11试验所采用的PE试件如图3(a)所示,其整体尺寸(长宽厚)为2 0 0 mmX200mm25mm,试件中预制缺陷的具体尺寸如图3(b)所示,其中和d分别为缺陷边长以及直径,h为缺陷深度。图3中缺陷#8 与#9 模拟了PE板件内部的夹杂缺陷。为模拟PE结构埋深缺陷,试验中设
17、置未含有缺陷的试件表面朝向微波探头。d=40mmd=30mmd=40mmh-15mmh-10mmh=10mm#1#2#3#1#3a-40mmg-30mma=40mm5mh-10mmh-1omm#4#5#6#4#5#6a=20mm#7h=5mm.10mm,15mm#8#920mmyd=14mmd=10mmh=35mmh=35mm(a)实物图(b)结构尺寸图3PE试件实物与结构尺寸2检测结果与讨论2.1缺陷的原始成像试验时,首先将微波探头放置于缺陷#5中心,拾取微波检测信号,同时测量试件无缺陷区域对应的检测信号用于对比分析,得到的微波检测频域信号如图4(a)所示。由图4(a)可以观察到,缺陷中心处
18、对应的S1幅值曲线在整个扫频范围内明显低于无缺陷区域的检测频域信号。为进一步分析检测时域信号,提取扫频频带中S1参数的实部和虚部,通过傅里叶逆变换获得微波检测时域信号如图4(b)所示。由图4(b)可见,缺陷处的微波检测时域信号峰值略低于无缺陷区域对应的信号峰值。与无缺陷区域相比,缺陷处时域信号与时间采样点轴所围面PE结构埋深缺陷的微波无损可视化检测王若男,等:积较小。对图4的分析表明,当试件出现埋深缺陷时,微波探头拾取的反射波能量降低。这是因为微波探头所拾取的反射波不仅包含目标缺陷的回波成分,还包括了由试件表面直接反射或探头内部空气-口径间自耦而形成的直达波。直达波不携带缺陷信息,然而其对应信
19、号强度远高于携带缺陷信息的缺陷回波信号强度。相较无缺陷情况,当试件存在缺陷时,虽然直达波在微波检测信号中占据主导地位,但缺陷回波占据一定反射波能量,造成直达波能量占比下降,因此,所接收微波检测信号幅值减小。此外,图4所示缺陷处与无缺陷处的检测信号存在差异,表明微波检测信号对于缺陷信息具有表征作用。由于时域信号与时间采样点轴所围面积(即时域信号面积)与缺陷尺寸存在关联性15,提取该面积作为各扫描点处微波检测信号特征对各埋深缺陷进行成像,成像结果如图5所示。-40.4缺陷#5中心点-6非缺陷点0.3AP/IS-8qe/Is0.40.2qe/0.3-100.20.10.1-12缺陷#5中心点非缺陷点
20、098110211062000时间采样点-140152025303540500100015002.000频率/GHz时间采样点(a)频域信号(b)时域信号图4试件的微波检测频域信号与时域信号000202020404040606060808080uu/huu/nuu/n100100100120120120140140140160160160180180180200200200050100150200050100150200050100150200c/mm/mmac/mm(a)低频段双脊波导(b)高频段双脊波导(c)矩形波导图5PE试件背面缺陷成像结果由图5可见,采用双脊波导和矩形波导均可对试件中
21、各埋深缺陷实现可视化,其中,高频段双脊波导所得缺陷图像清晰度最高,而低频段双脊波导所得缺陷图像最为模糊。然而通过分析缺陷成像结果可以注意到,受直达波的影响,各探头对应的缺陷成像图中缺陷区域与背景区域间的对比度均偏低。因此,为了目标特征增强及缺陷图像质量提升,直达波抑制方法的研究十分必要。2.2直达波抑制方法及缺陷平面尺寸评估考虑到直达波对埋深缺陷微波检测的不利影响,在相关文献16 的基础上,探究基于奇异值分解(Singularvaluedecomposition,SVD)的微波近场检测直达波抑制方法。利用试验测得的S1参数数据(如S1实部)建立mXn数据矩阵A,其中,m为工作频段内的频率点数,
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