【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无损检测与评价，尤其是涉及微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用。
技术介绍
1、纤维增强复合材料具有高强度、高刚度和低密度的特点，为优化结构设计、增强材料性能提供了新的可能，从而为提升产品性能与效率创造了新的机会。此外，纤维增强复合材料还具有优异的耐热性和耐腐蚀性，能够适应复杂的环境和工作条件。主要的纤维增强复合材料包括碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，广泛应用于航空航天、汽车制造和风力发电机等领域。例如，波音787的飞机结构如机身、机翼、副翼、尾翼和水平稳定面采用碳纤维复合材料，而玻璃纤维复合材料也用于制造扰流板、机翼箱、发动机舱罩和垂直稳定面等部件。在汽车制造方面，国外车企尝试采用碳纤维复合材料制造上车身，大幅减轻车辆整备质量；国内车企在机盖、翼子板、前保险杠横梁和吸能盒等也应用碳纤维复合材料。此外，玻璃纤维复合材料在汽车的保险杠、脚踏板、发动机罩和地板等部件制造中发挥作用。在风力发电机领域，玻璃纤维复合材料是制造风机叶片的主要材料，在具有较低成本的同时，能够同时满足刚度与强度的要求。而碳纤维复合材料具有更高的刚度和更低的密度，可以制造更轻更长的叶片，但制造成本较高。因此，玻璃纤维/碳纤维混合复合材料可以作为一种替代，在成本与减重之间得到较好的平衡。
2、在这些不同领域的扩展应用中，对纤维增强复合材料的性能和质量提出了更高的要求。其中，涂层的精确厚度成为确保材料功能和保护效果的关键因素之一。适当厚度的涂层不仅能够提供美观功能，还能保护材料表面，抵抗各种环境和工作条件的侵蚀。然而，过厚的
3、针对涂层厚度的测量方法，目前常见的涂层厚度无损测量方法有涡流、超声波、x射线、光学测量和太赫兹等，这些方法各有优势与不足。涡流法适用于非铁磁性金属基体上较薄的非导电覆盖层厚度检测，不适用于非磁性的复合材料。超声波法具有较高精度，但是测量过程需要耦合剂。x射线可以实现非接触测量，但需要昂贵的检测设备和辐射防护措施。光学方法如使用干涉仪、反射光谱仪等，具有高精度和无损测量的优点，但检测试件的透光性需要满足一定条件。太赫兹技术可以实现无接触测量，但设备价格昂贵，而且还仅限于实验室测试，实际的应用较少。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，可以实现对不同纤维增强复合材料基底和不同涂层材料的厚度测量，具有灵敏度高、精度高、稳定性好、操作简便的特点。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，包括以下步骤：
3、s1、设置传感器；
4、s2、通过同轴传输线将同轴谐振腔侧壁的sma接口连接至矢量网络分析仪，将该传感器放置在待测试件表面涂层上，得到信号响应曲线；
5、s3、使用数据处理软件从信号响应曲线中提取参数，并带入标定模型中计算出涂层厚度。
6、优选的，在步骤s1中，采用四分之一波长的开口同轴谐振腔，是一个由内导体和外导体组成的圆柱形空腔结构，耦合方式为环耦合，谐振腔内的微波信号在内导体和外导体之间反复反射，并形成驻波模式，同轴谐振腔为te11模，截止频率fc如所示：
7、
8、其中，c为真空中的光速，εr为腔体内部材料的介电常数，a和b分别为同轴谐振腔内导体和外导体的半径，为了避免同轴谐振腔产生高阶模而影响性能，设计时要保证其截止频率fc大于工作频率f0，得到
9、
10、优选的，在步骤s1中，对于本专利技术所设计的谐振腔，其外导体相对于内导体的延长部分构成一段圆形波导，其截止频率如所示：
11、
12、其中，p′11为第一类贝塞尔函数j1导数的第一个根，此外，设计时还需要保证圆形波导处于截止状态，即
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14、根据边界条件，由电纳法得到谐振时腔长等于λ0/4的奇数倍，如所示：
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16、其中，自由空间波长λ0＝c/f，同时，为了使谐振腔的损耗达到最小，还需要满足b/a＝3.6的条件，此外，谐振腔开口处不同于一般的构型，增加了类似于法兰的结构，有助于提高谐振腔内部的电场强度和品质因数，这样提高传感器的性能和准确度，确保对纤维增强复合材料表面涂层厚度的测量的准确性和可靠性。
17、优选的，在步骤s2中，当玻璃纤维复合材料作基底时，传感器对应四分之一波长开口谐振腔，涂层厚度变化导致腔体内部的电磁场发生微小的变化，谐振腔的原始电磁场与微小扰动后的电磁场近似相等，而测量无磁性的玻璃纤维复合材料只需要考虑介电常数的变化，从而得到谐振频率相对变化的近似公式
18、
19、其中，ω0和ω分别是微扰前后的谐振频率，e0和h0分别是谐振腔的原始电磁场，ε和δε是介电常数及其变化，μ是磁导率，v0是谐振腔内的体积，vs是介电常数变化所影响的一个极小的体积。
20、优选的，在步骤s2中，当纤维增强复合材料基底的厚度足够大时，在开口谐振腔的检测空间内，当涂层厚度增加时，复合材料基底体积减少，只关注涂层材料相对于基底材料的介电常数如何变化，就得到谐振频率的变化趋势，而当基底厚度没有远大于涂层厚度时，视为谐振腔的检测空间内存在涂层、基底和空气三种影响因素，当涂层厚度增加时，空气所占体积减少，基底体积不变，则δε为正数，从而导致谐振频率减小。
21、优选的，在步骤s3中，通过微波信号源向传感器输入一定功率的微波信号，并通过微波矢量网络分析仪观察传感器的输出信号，记录其谐振频率，采用数值拟合的方法研究涂层厚度对谐振频率的影响；在信号分析过程中，利用已知涂层厚度的标准样品进行校准和建模，建立涂层厚度与谐振频率之间的关系；然后，通过与标准样品的比对，计算出待测样品的涂层厚度。
22、优选的，在步骤s3中，对于本专利技术所提出的开口同轴谐振腔，为对称耦合结构，得到的信号响应曲线s21，即sma输入端口到输出端口的传输系数，存在以下关系
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25、其中，p0为功率谱的最大值，fr为谐振频率，ql和qu分别是有载与无载品质因子，为了求得较为精确的谐振参数，在谐振频率附近的较小频率区间内对原始数据进行拟合，并从拟合系数中提取出相应的谐振参数。
26、因此，本专利技术采用上述微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其技术效果如下：
27、(1)该方法通过利用微波特性和同轴谐振腔的谐振模式，可以准确测量纤维增强复合材料表面涂层的厚度，无需昂贵设备，该方法具有准确性、简便性和实用性的优势，能够提供高精度的涂层厚度测量解决方案。
28、(2)本专利技术采用开口微波同轴谐振腔作为传感器，利用其对涂层厚度的灵敏响应，实现了对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤S1中，采用四分之一波长的开口同轴谐振腔，是一个由内导体和外导体组成的圆柱形空腔结构，耦合方式为环耦合，谐振腔内的微波信号在内导体和外导体之间反复反射，并形成驻波模式，同轴谐振腔为TE11模，截止频率fc如所示：
3.根据权利要求1所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤S1中，对于本专利技术所设计的谐振腔，其外导体相对于内导体的延长部分构成一段圆形波导，其截止频率如所示：
4.根据权利要求1所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤S2中，当玻璃纤维复合材料作基底时，传感器对应四分之一波长开口谐振腔，涂层厚度变化导致腔体内部的电磁场发生微小的变化，谐振腔的原始电磁场与微小扰动后的电磁场近似相等，而测量无磁性的玻璃纤维复合材料只需要考虑介电常数的变化，从而得到谐振频率相对变化的近似公式
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6.根据权利要求5述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤S3中，通过微波信号源向传感器输入一定功率的微波信号，并通过微波矢量网络分析仪观察传感器的输出信号，记录其谐振频率，采用数值拟合的方法研究涂层厚度对谐振频率的影响；在信号分析过程中，利用已知涂层厚度的标准样品进行校准和建模，建立涂层厚度与谐振频率之间的关系；然后，通过与标准样品的比对，计算出待测样品的涂层厚度。
7.根据权利要求6述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤S3中，对于本专利技术所提出的开口同轴谐振腔，为对称耦合结构，得到的信号响应曲线S21，即SMA输入端口到输出端口的传输系数，存在以下关系
...【技术特征摘要】
1.微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤s1中，采用四分之一波长的开口同轴谐振腔，是一个由内导体和外导体组成的圆柱形空腔结构，耦合方式为环耦合，谐振腔内的微波信号在内导体和外导体之间反复反射，并形成驻波模式，同轴谐振腔为te11模，截止频率fc如所示：
3.根据权利要求1所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤s1中，对于本发明所设计的谐振腔，其外导体相对于内导体的延长部分构成一段圆形波导，其截止频率如所示：
4.根据权利要求1所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度测量的应用，其特征在于，在步骤s2中，当玻璃纤维复合材料作基底时，传感器对应四分之一波长开口谐振腔，涂层厚度变化导致腔体内部的电磁场发生微小的变化，谐振腔的原始电磁场与微小扰动后的电磁场近似相等，而测量无磁性的玻璃纤维复合材料只需要考虑介电常数的变化，从而得到谐振频率相对变化的近似公式
5.根据权利要求4所述的微波同轴谐振腔在纤维增强复材表面涂层厚度...
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