一種用于評估木材內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，它能夠快速、連續地檢測木材內部缺陷。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部缺陷。該探頭結構緊湊，重量輕，價格便宜，分辨率高。結果表明，利用探頭的S21曲線可以高精度地分析木材內部缺陷寬度，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生活資料，其內部缺陷往往被人忽略而導致一些安全事故的發生。隨著微波無損檢測技術（MNDT）的迅速發展，這種檢測技術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，在木材檢測中發揮著重要作用。但由于其精度低、成本高、體積大，在工程環境中的應用受到限制。為了克服上述問題并準確檢測內部缺陷區域。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部缺陷區域，并取得了較好的結果。為了獲得可靠、準確的木材內部缺陷信息，本文提出了一種加載有SRR結構的微波近場探頭，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結構會積累大量的電磁能量，使微波探頭對樣品的內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

傳統的木材內部缺陷檢測系統（如雷達和喇叭天線）工作頻率高，結構復雜，加工成本高，使其在實際工程中很難得到運用。本文提出了一種結構簡單、加工成本低、SRR結構的微波近場探頭，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果，我們根據實際測試所得的介電常數、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。當木材樣品沒有內部缺陷時，向量網絡分析儀（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曲線發生明顯的變化。在仿真時，我們模擬了不同參數下的SSR電場分布。最后發現，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構與其他的結構不同，此結構使用SRR直接耦合到微帶線末端，而不是間接耦合，從仿真的結果發現直接耦合式結構有更多的優點，與間接耦合式結構相比，它有更強電場值，如圖2所示：

同時，這種直接耦合式結構的探頭對被測對象的介電常數變化更為敏感，如圖3所示，當被測對象的介電常數變化時，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構的微波探頭具有更高的檢測靈敏度。

圖3：介電常數變化與 f（ f=fWithfWithOut）的關系，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對不同含水率木材的不同尺寸缺陷進行了檢測，實驗系統如圖4所示，它是由網絡矢量分析儀（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系。如下圖5所示：

根據實驗測試結果，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、準確地檢測木材內部缺陷，且對于內部缺陷尺寸較大的木材，檢測結果更加精確。此外，從圖5（b）檢測的結果可以看出，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%。從上述的結果分析表明，將SRR結構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部缺陷。

3結論

此文章中提出了一種將SRR結構直接與微帶線末端耦合的微波探頭。通過對大量實驗數據的分析，得到了S21曲線與缺陷信息之間的關系，實現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%的木材內部缺陷的能力，實驗結果表明，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部缺陷檢測是準確有效的。

參考文獻

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