专利名称：微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法
技术领域：
本发明涉及金属材料腐蚀检测技术领域，具体涉及一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法。
背景技术：
镁合金、铝合金和钢制件等材料具有较高比强度，良好塑性和易于成形等优点，作为重要的结构材料广泛应用于飞行器各部位及其它装备；但是，这些材料在服役过程中易于遭受环境介质的化学或物理作用而引起逐渐变质或破坏，在结构件表面产生腐蚀如点蚀、晶间腐蚀和剥蚀和应力腐蚀等。当一些关键承力构件(如外翼前梁、下壁板、小冀大梁 等)腐蚀状态较严重时，将影响结构件的强度，从而缩短飞机结构件的使用寿命，甚至危及飞行安全。由于各类飞行器普遍存在腐蚀问题，如何在腐蚀早期发现腐蚀区域并在原位及时修复，以防止腐蚀进一步发展是飞机维护及修理工作中亟待解决的问题。因此，有必要在对结构件的腐蚀程度进行快速无损评估以便采取相应的维护措施。目前，对金属结构件腐蚀程度的评估是基于腐蚀形貌检测，并按照一定的标准来评定腐蚀等级、腐蚀损伤程度以及由剩余强度/剩余寿命规定的允许损伤值。目视法是常用的直观检测方法，但其评估结果不能确切反映金属的腐蚀损伤程度且是有损的方法。无损检测方法如超声，涡流和热成像等手段又存在操作复杂、易破坏涂层结构、或分辨率低等缺点，鉴于目前检测防护层下金属结构隐藏腐蚀的无损检测方法尚不完善，本发明提出一种利用波谐振腔微扰法快速无损检测防护层下金属结构腐蚀的方法，该方法具有先进性和重要工程应用价值。

发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目在于提供一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法，该装置及方法对环境及人体无污染，安全性较高，且具有快速、连续，不与被测物接触，分辨力高，安全简便的优点。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置，包括自动网络分析仪1，和自动网络分析仪I相连接的频率扫描源2，和频率扫描源2依次相连接的隔离器3以及调配器4，调配器4通过同轴电缆5和置于谐振腔体6内的第一耦合探针7-1相连接，置于谐振腔体6内的第二耦合探针7-2通过同轴电缆5依次和衰减器12、调配器4、隔离器3、信号微处理器电路13以及自动网络分析仪I相连接，多个腐蚀程度指示灯14也和自动网络分析仪I相连接，谐振腔体6下端开有谐振腔体开口 8，其中自动网络分析仪I控制频率扫描源2、隔离器3、调配器4和谐振腔体6构成有源微波谐振腔；第二耦合探针7-2、衰减器12、调配器4、隔离器3、信号微处理器电路13和腐蚀程度指示灯14构成微波信号处理系统。所述多个腐蚀程度指示灯14为五盏。所述腐蚀程度指示灯14为LED指示灯。
一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的方法，包括如下步骤步骤I :按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34或中国航标HB5455对特定检测对象在腐蚀环境一下制作不同腐蚀等级的试样；步骤2 :利用所述装置对不同腐蚀等级的试样测量微波谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量△ ω ;具体测量方法为将所述装置置于被检测对象表面，由有源微波谐振腔控制发射3 50GHz频率微波信号11通过谐振腔体开口 8进入防护层并在被测金属表面产生全发射，并通过第二耦合探针7拾取回波信号，该回波信号经由信号微处理器电路13测量得到即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量Λ ω值，并计算Ρ=Λ ω/Δ f的比值结果，利用P来判断腐蚀程度，简称腐蚀程度P等级；步骤3 :重复步骤I和2，建立特定检测对象在腐蚀环境二下的不同腐蚀等级的即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量Λ ω值，并计算P= Λ ω/Af的比值结果，SP腐蚀程度P等级；
步骤4 :重复步骤1-3数次，建立特定检测对象在不同腐蚀环境下的不同腐蚀等级的即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量Λ ω值，并计算P= Λ ω/Af的比值结果，即腐蚀程度P等级；步骤5 :把步骤4检测的腐蚀程度P等级转化为相应的腐蚀程度指示灯显示。所述腐蚀程度P等级为如果Ρ〈0. 05，则没有腐蚀事件发生，对应为腐蚀程度指示灯14为(I)号至(5)号均为绿色，而P > O. 05则表示有腐蚀事件发生；进一步地，根据P数值把被测对象的腐蚀状态定为5种等级；即P在[O. 05 O. 1)，[O. I O. 2)，[O. 2 O. 3)，[O. 3 O. 4)和[O. 4 O. 5)分别对应五种等级，五种等级分别对应于腐蚀程度指示灯14由绿色变为红色的盏数腐蚀程度指示灯14从(I)号至(5)号全部由绿色变为红色对应P在[O. 4 O. 5)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(4)号由绿色变为红色对应P在[O. 3 O. 4)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(3)号由绿色变为红色对应P在[O. 2 O. 3)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(2)号由绿色变为红色对应P在[O. I O. 2)区间；腐蚀程度指示灯14的(I)号由绿色变为红色对应P在[O. 05 O. I)区间。本发明装置及方法的设计原理为微波通常是指频率为O. 3 300GHz(波长Im Imm)的电磁波，其与物质的相互作用和一般电磁波有共同之处，发生反射、吸收、偏振及旋光等。根据材料的微波特性可分成4大类(I)良导体材料如铜、铅和银等，其介质损耗系数(tan δ )极小，主要是反射微波，如同镜面反射光一样；(2)绝缘材料如玻璃和陶瓷等材料，微波可穿透并部分反射，吸收功率极小，甚至没有；(3)电介质材料,介于金属相绝缘体之间的电介质材料不仅可反射微波或被微波穿透，同时也有吸收微波的性能，该类介质不同程度地吸收微波能量并转换成热量；(4 )磁性化合物如钢材的腐蚀产物四氧化三铁，对微波的反应与电介质材料类似。金属结构防护层的厚度一般为几十微米，对3 50GHz频率范围的微波是全透过的；由于本发明装置所发射微波的功率较小，一般在几毫瓦到几百毫瓦之间，微波引起防护层下金属结构的升温效应可忽略。另一方面，防护层下的金属材料在腐蚀环境中是一个缓慢的电化学腐蚀过程，将发生电化学反应形成相应的氧化物、硫化物、卤化物或氯化物等无机盐产物(非金属材料)，其相对介电常数一般在几十到几百之间，远大于防护层的相对介电常数(ε^ 2)。相对介电常数大时，反射率就小，吸收率大。微波在电介质材料内部传播时，材料将发生极化现象。研究介质的电磁特性，也就是研究受微波作用的电介质材料的介电常数和介电损耗产生的相对变化，而介质损耗及其特征用于评估腐蚀程度的主要依据。通过利用防护层、金属基体与腐蚀产物对微波辐射响应的显著差异实现对防护层下金属结构腐蚀的检测。一般来说，含有湿度的物质均是某种介质和水的混合物，其介电常数介于水和这种物质(脱水)之间。常温下无机盐产物的相对介电常数为30 77，损耗角正切tan δ为
O.17 O. 12，而防护层如油漆材料的相对介电常数为I 5，损耗角正切tan δ为O. 001
0.05。因此，在微波频段内，有腐蚀产物的介电常数和损耗角正切与没有腐蚀产物(仅含漆层材料)相比要高得多，被测对象中产物的少量变化将会导致其复合介电常数和损耗角正切发生很大变化，因此可根据被测物质的介电常数来确定其腐蚀程度。将有源微波谐振腔运用到防护层下金属结构的腐蚀程度检测上，此谐振腔既是传 感器，又是振荡器的一个组成部分。当谐振腔有防护层下金属结构的腐蚀程度加载时，只需测量即时谐振腔频率偏移量和半功率带宽变化量△ ω，就可测得相应防护层下金属结构的腐蚀程度。随着被测物料腐蚀程度不同，振荡器的振荡频率与幅度都发生变化，利用信号处理器电路，能获得较高的检测精度。本发明系统的微波发射功率在5晕瓦 500晕瓦之间，工作时的散射微波福射对环境及人体无污染，安全性较高，且微波测量腐蚀技术具有快速、连续，不与被测物接触，分辨力高，安全简便等优点。


附图为本发明装置结构框图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。如附图所示，本发明一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置，包括自动网络分析仪1，和自动网络分析仪I相连接的频率扫描源2，和频率扫描源2依次相连接的隔离器3以及调配器4，调配器4通过同轴电缆5和置于谐振腔体6内的第一耦合探针7-1相连接，置于谐振腔体6内的第二耦合探针7-2通过同轴电缆5依次和衰减器12、调配器4、隔离器3、信号微处理器电路13)以及自动网络分析仪I相连接，多个腐蚀程度指示灯14也和自动网络分析仪I相连接，谐振腔体6下端开有谐振腔体开口 8，其中自动网络分析仪I控制频率扫描源2、隔离器3、调配器4和谐振腔体6构成有源微波谐振腔；第二耦合探针7-2、衰减器12、调配器4、隔离器3、信号微处理器电路13)和腐蚀程度指示灯14构成微波信号处理系统。优选的，所述多个腐蚀程度指示灯14为5盏。优选的，所述腐蚀程度指示灯14为LED指示灯。本发明一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的方法，包括如下步骤步骤I :按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34或中国航标ΗΒ5455对特定检测对象在腐蚀环境一下制作不同腐蚀等级的试样；步骤2 :利用所述装置对不同腐蚀等级的试样测量微波谐振腔频率偏移量△ f和半功率带宽变化量△ ω ;具体测量方法为将所述装置置于被检测对象表面，由有源微波谐振腔控制发射3 50GHz频率微波信号11通过谐振腔体开口 8进入防护层并在被测金属表面产生全发射，并通过第二耦合探针7拾取回波信号，该回波信号经由信号微处理器电路13测量得到即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量Λ ω值，并计算Ρ=Λ ω/Af的比值结果；步骤3 :重复步骤I和2，建立特定检测对象在腐蚀环境二下的不同腐蚀等级的即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量Λ ω值，并计算P= Λ ω/Af的比值结果；步骤4 :重复步骤1-3数次，建立特定检测对象在不同腐蚀环境下的不同腐蚀等级的即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量Λ ω值，并计算P= Λ ω/Af的比值结果，利用P来判断腐蚀程度，简称腐蚀程度P等级；步骤5 :把步骤4检测的腐蚀程度P等级转化为相应的腐蚀程度指示灯显示。所述腐蚀程度P等级为如果Ρ〈0. 05，则没有腐蚀事件发生，对应为腐蚀程度指示灯14为I号，而P > O. 05则表示有腐蚀事件发生；进一步地，根据P数值把被测对象的腐蚀状态定为5种等级；即P在[O. 05 O. I)，[O. I O. 2)，[O. 2 O. 3)，[O. 3 O. 4)和[O. 4 O. 5)分别对应五种等级，五种等级分别对应于腐蚀程度指示灯14由绿色变为红色的盏数腐蚀程度指示灯14从(I)号至(5)号全部由绿色变为红色对应P在[O. 4 O. 5)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(4)号由绿色变为红色对应P在[O. 3 O. 4)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(3)号由绿色变为红色对应P在[0.2 O. 3)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(2)号由绿色变为红色对应P在[O. I O. 2)区间；腐蚀程度指示灯14的(I)号由绿色变为红色对应P在[O. 05 O. I)区间。实施例按照美国材料和检验协会的标准ASTM G34和航标ΗΒ5455，通过盐雾实验方法制作“未出现腐蚀(N) ”、“点蚀(P ) ”和“剥蚀(EA，EB，EC，ED ) ”等6个腐蚀等级的LY12CZ铝合金试样。根据该标准对上述不同腐蚀等级的具体描述如下=(I)N-表面允许变色或腐蚀，但没有点蚀和剥蚀的迹象；(2)P-点蚀，不连续的腐蚀点，在点的边缘可能有轻微的鼓起；
(3)EA-表面有少量鼓泡裂开，呈薄片或粉末，有轻微的剥层；(4)EB-表面有明显的分层并扩展到金属内部；(5)EC-剥蚀扩展到较深的金属内部；(6)ED-剥蚀发展到比EC更深的金属内部，并有大量金属层剥落。利用本发明装置及方法对不同腐蚀等级的试样测量P等级以及指示灯显示的腐蚀评定结果如表I所示表I
权利要求
1.一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置，其特征在于包括自动网络分析仪(I)，和自动网络分析仪(I)相连接的频率扫描源(2 )，和频率扫描源(2 )依次相连接的隔离器(3)以及调配器(4)，调配器(4)通过同轴电缆(5)和置于谐振腔体(6)内的第一耦合探针(7-1)相连接，置于谐振腔体(6 )内的第二耦合探针(7-2 )通过同轴电缆(5 )依次和衰减器(12)、调配器(4)、隔离器(3)、信号微处理器电路(13)以及自动网络分析仪(I)相连接，多个腐蚀程度指示灯(14)也和自动网络分析仪(I)相连接，谐振腔体(6)下端开有谐振腔体开口(8)，其中自动网络分析仪(I)控制频率扫描源(2)、隔离器(3)、调配器(4)和谐振腔体(6)构成有源微波谐振腔；第二耦合探针(7-2)、衰减器(12)、调配器(4)、隔离器(3)、信号微处理器电路(13)和腐蚀程度指示灯(14)构成微波信号处理系统。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于所述多个腐蚀程度指示灯(14)为五盏。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其特征在于所述腐蚀程度指示灯(14)为LED指示灯。
4.一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的方法，其特征在于包括如下步骤 步骤I :按照美国材料和检验协会颁布的标准ASTM G34或中国航标HB5455对特定检测对象在腐蚀环境一下制作不同腐蚀等级的试样； 步骤2 :利用权利要求I所述装置对不同腐蚀等级的试样测量微波谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量△ Co ;具体测量方法为将权利要求I所述装置置于被检测对象表面，由有源微波谐振腔控制发射指定频率微波信号(11)通过谐振腔体开口(8)进入防护层并在被测金属表面产生全发射，并通过第二耦合探针(7)拾取回波信号，该回波信号经由信号微处理器电路(13)测量得到即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量△ 值，并计算P=A co/Af的比值结果； 步骤3 :重复步骤I和2，建立特定检测对象在腐蚀环境二下的不同腐蚀等级的即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量A Co值，并计算P= A /Af的比值结果； 步骤4 :重复步骤1-3数次，建立特定检测对象在不同腐蚀环境下的不同腐蚀等级的即时谐振腔频率偏移量Af和半功率带宽变化量A Co值，并计算P= A /Af的比值结果，SP腐蚀程度P等级； 步骤5 :把步骤4检测的腐蚀程度P等级转化为相应的腐蚀程度指示灯显示。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述腐蚀程度P等级为如果P〈0.05，则没有腐蚀事件发生，对应为腐蚀程度指示灯(14)为I号，而P > 0.05则表示有腐蚀事件发生；进一步地，根据P数值把被测对象的腐蚀状态定为5种等级；8卩P在[0. 05 .0. I)，[0. I 0. 2)，[0. 2 0. 3)，[0. 3 0. 4)和[0. 4 0. 5)分别对应五种等级，五种等级分别对应于腐蚀程度指示灯14由绿色变为红色的盏数腐蚀程度指示灯14从(I)号至(5)号全部由绿色变为红色对应P在[0.4 0. 5)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(4)号由绿色变为红色对应P在[0.3 0.4)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(3)号由绿色变为红色对应P在[0. 2 0. 3)区间；腐蚀程度指示灯14从(I)号至(2)号由绿色变为红色对应P在[0. I 0. 2)区间；腐蚀程度指示灯14的(I)号由绿色变为红色对应P在[0. 05 0. I)区间。
全文摘要
一种微波谐振腔检测防护层下金属结构腐蚀的装置及方法，该装置包括自动网络分析仪，和自动网络分析仪依次相连接的频率扫描源、隔离器、调配器以及置于谐振腔体内的第一耦合探针，置于谐振腔体内的第二耦合探针通过同轴电缆依次和衰减器、调配器、隔离器、信号微处理器电路以及自动网络分析仪相连接，多个腐蚀程度指示灯也和自动网络分析仪相连接，谐振腔体下端开有谐振腔体开口；其方法为检测谐振腔空腔和检测对象在不同腐蚀程度的幅频特性，获得谐振频率、峰值功率及半功率带宽，得到了防护层下金属结构的腐蚀程度；具有结构简单、检测快速方便、可靠性高，能够实现对不同厚度的防护层下金属结构的腐蚀程度进行检测。
文档编号G01N22/00GK102706900SQ201210179008
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者刘启达, 刘马宝, 尹应增, 王献辉 申请人:刘马宝