一種用于評估木材內(nèi)部缺陷的開口諧振器探頭

肖輝 楊曉慶

摘 要 微波無損檢測技術(shù)，它能夠快速、連續(xù)地檢測木材內(nèi)部缺陷。常見的設備有雷達和喇叭天線。然而，由于這些設備精度低、價格高，在實際工程中的應用受到嚴重限制。所以，本文提出了一種將開口諧振器（SRR）直接耦合到微帶線末端的微波檢測探頭，以便更準確地分析木材內(nèi)部缺陷。該探頭結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，價格便宜，分辨率高。結(jié)果表明，利用探頭的S21曲線可以高精度地分析木材內(nèi)部缺陷寬度，且在不同含水率的情況下此探頭的檢測誤差小于10%。

關(guān)鍵詞 微波無損檢測 微波近場探頭 開口諧振器 含水率

中圖分類號：TH878文獻標識碼：A

0引言

木材作為一種重要的生產(chǎn)生活資料，其內(nèi)部缺陷往往被人忽略而導致一些安全事故的發(fā)生。隨著微波無損檢測技術(shù)（MNDT）的迅速發(fā)展，這種檢測技術(shù)被廣泛應用于非金屬材料的缺陷檢測，因為微波可以穿透大部分非金屬材料，因此，MNDT可以用來檢測非金屬材料的內(nèi)部缺陷。一些常見的微波設備，如雷達和喇叭天線，在木材檢測中發(fā)揮著重要作用。但由于其精度低、成本高、體積大，在工程環(huán)境中的應用受到限制。為了克服上述問題并準確檢測內(nèi)部缺陷區(qū)域。K.Khalid設計出了一款微波反射傳感器并成功地檢測出了隱藏在木材表面2厘米以下的缺陷。b.Lutz使用一個開放矩形波導和一個近場波導用來評估木材樣品的內(nèi)部缺陷區(qū)域，并取得了較好的結(jié)果。為了獲得可靠、準確的木材內(nèi)部缺陷信息，本文提出了一種加載有SRR結(jié)構(gòu)的微波近場探頭，它具有體積小、重量輕、分辨率高等特點。當探頭在工作于諧振頻點時，SRR結(jié)構(gòu)會積累大量的電磁能量，使微波探頭對樣品的內(nèi)部缺陷變化更為敏感，從而提高探頭的靈敏度和檢測精度。

1傳感器設計

傳統(tǒng)的木材內(nèi)部缺陷檢測系統(tǒng)（如雷達和喇叭天線）工作頻率高，結(jié)構(gòu)復雜，加工成本高，使其在實際工程中很難得到運用。本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、SRR結(jié)構(gòu)的微波近場探頭，并利用CST微波工作室（CST）建立了一個仿真模型，為了得到更加真實的仿真結(jié)果，我們根據(jù)實際測試所得的介電常數(shù)、含水量和密度為CST材料庫建立了新材料，而不是使用CST材料庫中的自帶的原始材料。圖1（a）展示的是探頭示意圖（a譩=16 mm？2 mm）和包含缺陷深度為d，寬度為w的木材樣品。此外，通過仿真分析，可以容易得到該微波探頭的諧振頻點為9 GHz。在仿真過程中，該微波探針能夠快速、準確地找到缺陷邊界，并通過S21曲線的頻率偏移來顯示缺陷邊界。

在實驗時，把含有缺陷的木材樣品放在探頭正下方并固定在X-Y移動平臺上。在掃描過程中，微波探頭始終保持著0.1 mm的步長距離朝著同一個方向移動，以確保探頭與木材樣品之間的相對移動。當木材樣品沒有內(nèi)部缺陷時，向量網(wǎng)絡分析儀（VNA）中的S21曲線的幅值基本保持不變。相反，在存在缺陷的情況下，可以觀察到S21曲線發(fā)生明顯的變化。在仿真時，我們模擬了不同參數(shù)下的SSR電場分布。最后發(fā)現(xiàn)，當L=2.8 mm，W=0.36 mm，R=0.22 mm，G=0.09 mm時，探頭的電場分布具有較好的集中度和較高的電場值，如圖1（b）所示。

本文中所提出的設計結(jié)構(gòu)與其他的結(jié)構(gòu)不同，此結(jié)構(gòu)使用SRR直接耦合到微帶線末端，而不是間接耦合，從仿真的結(jié)果發(fā)現(xiàn)直接耦合式結(jié)構(gòu)有更多的優(yōu)點，與間接耦合式結(jié)構(gòu)相比，它有更強電場值，如圖2所示：

同時，這種直接耦合式結(jié)構(gòu)的探頭對被測對象的介電常數(shù)變化更為敏感，如圖3所示，當被測對象的介電常數(shù)變化時，直接耦合的 f比間接耦合的 f變化更為明顯，即可以表明直接耦合式結(jié)構(gòu)的微波探頭具有更高的檢測靈敏度。

圖3：介電常數(shù)變化與 f（ f=fWithfWithOut）的關(guān)系，其中fWith是加載測試對象時探頭的諧振頻率，fWithOut是沒有加載測試對象時探頭的諧振頻率

2實驗與分析

我們利用所建立的微波無損檢測系統(tǒng)對不同含水率木材的不同尺寸缺陷進行了檢測，實驗系統(tǒng)如圖4所示，它是由網(wǎng)絡矢量分析儀（VNA）、微波近場探頭、水平儀、X-Y移位平臺裝置和木材樣品構(gòu)成。

在實驗中，分別使用缺陷寬度為14、16和18mm，缺陷深度為3、5和7mm的木材作為樣品，并得到了S21值與缺陷尺寸之間的關(guān)系。如下圖5所示：

根據(jù)實驗測試結(jié)果，計算出了實際寬度和測量寬度之間的相對誤差，如表格1所示。從表格中可知，實驗結(jié)果相對誤差均小于10%，表明該微波探頭能夠有效地、準確地檢測木材內(nèi)部缺陷，且對于內(nèi)部缺陷尺寸較大的木材，檢測結(jié)果更加精確。此外，從圖5（b）檢測的結(jié)果可以看出，當缺陷深度增大時，S21曲線的波谷值在減小。

為了檢測不同含水率的木材內(nèi)部缺陷，實驗中選取了含水率分別為10%、30%和50%的樣品進行了測試。實驗結(jié)果如圖6所示，實驗測量所得到的缺陷寬度非常接近實際寬度（實際寬度=18mm），最大誤差小于3%。從上述的結(jié)果分析表明，將SRR結(jié)構(gòu)直接耦合到微帶線末端的探頭適用于檢測不同含水率木材內(nèi)部缺陷。

3結(jié)論

此文章中提出了一種將SRR結(jié)構(gòu)直接與微帶線末端耦合的微波探頭。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，得到了S21曲線與缺陷信息之間的關(guān)系，實現(xiàn)了對不同寬度缺陷的檢測。通過實際寬度和實測寬度的對比，驗證了探頭的測量精度。此外，實驗中還驗證了微波探頭用于檢測含水量分別為10%、30%和50%的木材內(nèi)部缺陷的能力，實驗結(jié)果表明，在不同含水率下，通過對S21曲線的分析仍能準確得出木材內(nèi)部缺陷的寬度信息，并且測量寬度與實際寬度的最大相對誤差小于10%，證明了這種微波探頭對于木材內(nèi)部缺陷檢測是準確有效的。

參考文獻

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