一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术的目的在于提供一种基于微波热成像技术的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法，属于吸波材料缺陷无损检测技术领域。该装置利用天线辐射的电磁信号致热吸波涂层，并借助红外热像仪测量涂层的内部缺陷的红外信号，通过改变致热功率使涂层表面的缺陷区域的温度达到动态平衡，结合热能与电磁能的转化关系，建立反射率、涂层入射场强以及缺陷区域温度的关系式，最终建立反射率与缺陷深度的关系。本发明专利技术方法不需考虑线缆损耗的影响，使得缺陷深度计算结果更为准确。算结果更为准确。算结果更为准确。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法


[0001]本专利技术属于吸波材料缺陷无损检测
，具体涉及一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法。

技术介绍

[0002]随着材料领域的不断发展，吸波涂层材料广泛应用于电磁
，如隐身飞机、雷达等，该材料能够将入射至系统表面的电磁波能量大幅度衰减，增强其隐身效果。此外，吸波涂层材料还可用于微波设备的电磁环境管理上，通过对电磁波精准的约束和屏蔽，从而更好地实现信号的利用和传播。如果吸波涂层存在内部缺陷，则会大幅影响其电磁屏蔽性能，因此，通过无损缺陷检测方式把控吸波涂层质量，对后续产品的性能和安全性有很重要的意义。
[0003]红外热成像是一种非接触、大面积成像的缺陷无损检测技术，通过对微波涂层加热，再测量温度分布情况可以快速清晰地看出吸波涂层的缺陷情况。目前大部分红外热成像技术采用光激励致热涂层的方式，其原理利用高强度的光信号与涂层表面进行热交换，然后根据固体热传导使热量沿着涂层厚度方向传递，从而致热整个涂层。但这种方法效率不高，对于太厚的目标也难以见效。微波激励将涂层吸收的电磁能转化为热能，且只要涂层内部存在微波损耗，便能实现加热。这种方式相当于涂层内部每一个与微波作用的地方都是热源，因此属于一种整体加热方式。结合吸波涂层对微波的强吸收效应，以及电磁波对涂层具有一定穿透深度的特性，可得知微波致热比一般的光激励有着更高的致热效率和检测深度。
[0004]目前基于红外热成像的缺陷深度检测技术多采用拟合，“SiC涂层缺陷的脉冲红外热波无损检测关键技术研究”的论文中提出通过直接拟合或神经网络等方法得出缺陷深度与表面温度关系实现检测目的，其不足在于过程复杂，需通过样本训练模型，且最终模型无法适应其它测试环境。虽然现在已有通过分析微波反射关系准确得出缺陷深度的相关研究，如专利“一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法(专利号：202210171651.1)”，但该方案仅提出了一种微波致热下的缺陷深度信息提取方法，并未搭建设计具体的实现装置，同时提取方法中对涂层表面电场强度测试、线缆损耗以及缺陷处热对流影响等因素并未考虑，使得缺陷检测的精度仍不够高。
[0005]因此如何设计具体的检测装置方案，能够基于微波致热手段实现对微波涂层缺陷的提取就成为研究热点。

技术实现思路

[0006]针对
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法。该装置利用天线辐射的电磁信号致热吸波涂层，并借助红外热像仪测量涂层的内部缺陷的红外信号，通过改变致热功率使涂层表面的缺陷区域的温度达到动态平衡，结合热能与电磁能的转化关系，建立反射率、涂层入射场强以及缺陷区域
温度的关系式，最终建立反射率与缺陷深度的关系，从而实现缺陷深度值的准确测量。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置，包括信号源、可调衰减器、功率放大器、定向耦合器、检波器、信号处理模块、红外热像仪、天线和微波暗箱；
[0009]其中，信号源、可调衰减器和功率放大器依次连接，功率放大器的另一端与定向耦合器的输入端连接，定向耦合器的输出端与天线连接，耦合端与检波器的输入端连接，检波器的输出端与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与红外热像仪连接；
[0010]红外热像仪、天线和待测吸波涂层材料均设置在微波暗箱内，所述微波暗箱用于隔绝电磁干扰；待测吸波涂层材料设置于天线正下方，天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热；红外热像仪以一定角度设置于吸波涂层斜上方，以测量吸波涂层表面的温度分布；
[0011]所述信号源用于产生微波信号；可调衰减器用于调整功率放大器输入端的输入功率，以实现功率放大器的输出功率可调，从而使得吸波涂层缺陷处能达到恒温状态；功率放大器用于放大输入微波信号的功率，检波器用于检测定向耦合器耦合端的输出功率，信号处理模块用于接收热像仪温度数据并输出温度分布图以及计算缺陷深度。
[0012]进一步地，天线优选为喇叭天线，天线工作功率应为大于2W。
[0013]一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1.天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热，并采集热像图，；
[0015]步骤2.调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；
[0016]步骤3.计算得到天线的加热功率，结合缺陷区域温度达到稳定状态下的温度值，计算得到涂层缺陷区域的反射率R；
[0017]步骤4.基于多层介质电磁波反射模型，根据涂层缺陷区域的反射率R计算得涂层内部的缺陷深度。
[0018]进一步地，本专利技术装置还可以实现对吸波涂层内部缺陷几何特征的提取，具体过程为：调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；待稳定加热一段时间后，停止对吸波涂层加热，获取降温过程中具有最佳信噪比的热像图，基于热像图利用边缘检测算法得到缺陷的几何特征。
[0019]进一步地，步骤3中天线的输入功率P
in
的具体计算过程为：
[0020][0021]式中，P
c
为检波器的测量功率，C为定向耦合器耦合度、IL为定向耦合器插损参数。
[0022]进一步地，步骤3中涂层缺陷区域的反射率R的具体计算过程为：
[0023]当缺陷区域温度达到动态平衡时，微波涂层吸收的功率与耗散的功率之间的关系如下：
[0024]Q
a
＝Q
conv
+Q
rad
＝hΔS1(T
obj
‑
T
amb
)+εσΔS1[(T
obj
)4‑
(T
amb
)4]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0025][0026]式中，Q
a
为微波涂层吸收的功率，Q
conv
为热对流消耗的功率，Q
rad
为热辐射消耗的功
率，h为热对流系数，T
obj
为缺陷区域的绝对温度，T
amp
为环境绝对温度，ε为红外反射率，σ为玻尔兹曼常数，ΔS2为缺陷区域的面积，ΔS1＝2ΔS2，η0为空气的波阻抗，R为缺陷区域的微波反射率，E
i0
为涂层表面的入射场强；
[0027]同时根据天线尺寸和位置计算得到涂层表面的入射场强E
i0
，如下：
[0028][0029]式中，a为天线口径的长边，b为天线口径的短边，P
in
为天线的输入功率，λ为自由空间的入射波波长，r为天线口径到样品表面的距离；
[0030]联立以上各式，即可得到涂层缺陷区域的反射率R，如下：
[0031][0032]进一步地，热对流系数h室内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置，其特征在于，包括信号源、可调衰减器、功率放大器、定向耦合器、检波器、信号处理模块、红外热像仪、天线和微波暗箱；其中，信号源、可调衰减器和功率放大器依次连接，功率放大器的另一端与定向耦合器的输入端连接，定向耦合器的输出端与天线连接，耦合端与检波器的输入端连接，检波器的输出端与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与红外热像仪连接；红外热像仪、天线和待测吸波涂层材料均设置在微波暗箱内，所述微波暗箱用于隔绝电磁干扰；待测吸波涂层材料设置于天线正下方，天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热；红外热像仪以一定角度设置于吸波涂层斜上方，以测量吸波涂层表面的温度分布；所述信号源用于产生微波信号；可调衰减器用于调整功率放大器输入端的输入功率，以实现功率放大器的输出功率可调，从而使得吸波涂层缺陷处能达到恒温状态；功率放大器用于放大输入微波信号的功率，检波器用于检测定向耦合器耦合端的输出功率，信号处理模块用于接收热像仪温度数据并输出温度分布图以及计算缺陷深度。2.如权利要求1所述的吸波涂层内部缺陷检测装置，其特征在于，天线为喇叭天线，天线工作功率应为大于2W。3.一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热，并采集热像图，；步骤2.调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；步骤3.计算得到天线的加热功率，结合缺陷区域温度达到稳定状态下的温度值，计算得到涂层缺陷区域的反射率R；步骤4.基于多层介质电磁波反射模型，根据涂层缺陷区域的反射率R计算得涂层内部的缺陷深度。4.如权利要求3所述的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，对吸波涂层内部缺陷几何特征的提取，具体过程为：调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；待稳定加热一段时间后，停止对吸波涂层加热，获取降温过程中具有最佳信噪比的热像图，基于热像图利用边缘检测算法得到缺陷的几何特征。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂一航，邱杨，李恩，李吉，蔡林宏，郑虎，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：