一种金属裂纹检测装置及方法

本发明涉及金属裂纹检测的，更具体地说，本发明涉及一种金属裂纹检测装置及方法。

背景技术：

1、金属材料广泛应用在铁路交通、航空航天、船舶工业以及工业生产等，而现实生活中，这些金属材料需长期工作在应力温湿度变化等工况中，因此很容易受到金属疲劳和腐蚀的影响产生裂纹从而影响产品性能，进而导致严重的工程事故、人员伤亡或巨大的经济损失；对缺陷的及时发现尤为重要，因此对这些金属结构进行健康监测是很有必要的。

2、目前有一些传统无损检测技术也可以用于金属裂纹检测，如声波法、光学检测法、电化学法、电磁法等。这些方法有热红外线技术、超声波检测、脉冲涡流检测、微波检测等，但都存在一些不足；其中热红外线技术操作安全，不需要于设备直接接触且灵敏度较高，但检测效果受环境影响较大；超声波检测速度很快，可以对缺陷进行定位，但不适合对形状复杂，粗糙的样件检测；脉冲涡流检测对检测环境要求较低，且检测灵敏度较高，但覆盖范围有限。相比之下，微波检测可以穿透金属材料的介质层进行检测，而且成本较低，检测速度快，但是微波检测只能在局部进行且对裂纹位置和裂纹方向较敏感。因此在采用微波检测方法时重点应该解决裂纹位置和方向的敏感度。本方案设计的金属裂纹检测装置通过将金属裂纹检测装置放置在待测金属上，通过矢量网络分析仪能够测量出传感器的谐振频率，且当金属表面出现裂纹时，谐振频率就会发生偏移，裂纹越深，谐振频率的偏移量也越大，因此可以通过谐振频率的偏移量表征金属裂纹的尺寸大小。

3、通过谐振频率的偏移量表征金属裂纹的尺寸大小现今已经有一些技术研究，例如：

4、方案一：如公开日为2021-10-01，公开号为cn113466264a的中国发明申请：一种基于微带谐振器的金属裂纹检测装置及方法，其采用阶梯式微带线的形式，微带线的一端设置有开口谐振环，且每一个阶梯的水平面对应一个开口谐振环，每一阶梯的水平段长度不同，并且与开口谐振环的检测频段相对应，开口谐振环包括内环及外环，内外环均采用正方形的结构，内环的开口方向与外环的开口方向相反，不同开口谐振环对应的谐振频率不同。当对应谐振环位置出现了裂纹时，其表面的电流路径被裂纹切断，从而导致被检测金属上方对应开口谐振环的谐振频率发生改变，通过对整个金属检测装置进行谐振频率检测，即可实时监测金属表面的裂纹信息。

5、方案二：如发表在ieee sensors journal, vol.22, no.3, february 1, 2022的论文detection and location of defects in non-metallic composites pipelinebased on multi-resonant spoof surface plasmon polaritons：提出了一种新型非金属复合材料管道缺陷检测传感器，该传感器由人工表面等离子体激元s结构和矩形螺旋环形谐振器(rsrrs)阵列组成，具有低弯曲损耗的特点。在人工表面等离子体激元s传感器两侧分布8个不同尺寸的rsrrs，使得传感器的电磁场主要集中在rsrrs上。该检测系统有八个独立的谐振频率，由不同的谐振元件产生。每个谐振频率只响应其自身电磁敏感区域内的缺陷，主要表现为谐振频移。因此，可以通过观察谐振频率组的不同性能来实现缺陷的检测和定位。

6、方案三：如公开日为2023-09-01，公开号为cn116678937a的中国发明申请： 一种金属裂纹检测装置及方法，其采用微带线激励谐振单元，谐振单元分布在传输线的两侧，通过周期交织结构使得磁场分布均匀，从而实现对裂纹位置不敏感的目的。在金属裂纹检测的过程中使用通频带内的纹波来进行表征，通过计算通频带内正向传输系数的平均值获取金属样件上裂纹的剖面特征。

7、方案四：如公开日为2020-12-25，公开号为cn112816650b的中国发明申请：一种基于频率选择性的传感器模型的构建方法及传感器，通过人工表面等离子体激元波导模型将传输能量束缚在波导表面传输，利用背置开口环形谐振器模型和矩形环模型进行耦合连接后构成基于频率选择性人工表面等离子体激元波导的传感器模型将能量束缚在环形磁场内，可产生频率选择效应，利用陷波增强裂纹处的电磁场强度，从而在对金属样品模型表面裂纹进行检测时，提高与裂纹的相互作用的敏感性，提高传感器的检测灵敏度，可检测亚毫米级的裂纹。

8、在方案一中，其采用于微带谐振器的金属裂纹检测装置及方法，虽然其检测范围较大，但是采用阶梯状的微带传输线且谐振单元仅分布在一侧，则只有当金属裂纹位于谐振单元出才可检测出来，因此容易发生漏检的现象。且在该方案中采用的基材为fr-4材料，无法弯折，因此无法实现与待测金属共形，大大降低了其应用范围。在方案二中，其采用人工表面等离子体激元结构和矩形螺旋环形谐振器阵列组成。通过在人工表面等离子体激元两侧交错不同尺寸的矩形螺旋环形谐振器使得该检测系统有不同的谐振频率，通过对应谐振频率的偏移可以定位相应位置的缺陷，但是该该传感器尺寸较大，且无法实现对位置不敏感，因此需要机械扫描实现长距离覆盖。在方案三中，微带传输线激励谐振单元，通过周期性交织结构产生均匀场进行金属裂纹检测，能够实现较大面积范围检测的功能，但其采用纹波作为特征值表征裂纹尺寸在实际应用中容易受到外界因素的影响，导致实测结果难以取信。在方案四中，虽然其可以检测亚毫米级的裂纹，但是其裂纹检测的区域只有在矩形环的内部，且无法根据实际应用场景调节裂纹检测的区域，因此无法进行大规模的裂纹检测。

技术实现思路

1、本发明提供了一种金属裂纹检测装置及方法，解决了目前金属裂纹检测装置覆盖面积和检测的灵敏度存在的技术问题。

2、本发明第一方面提供了一种金属裂纹检测装置，包括介质基板、人工表面等离子体激元传输线、若干谐振单元以及阻抗过渡带；

3、所述人工表面等离子体激元传输线、阻抗过渡带均设置在所述介质基板表面；

4、所述若干谐振单元分布于介质基板的中间层；

5、所述人工表面等离子体激元传输线包括依次设置的第一馈电端口、人工表面等离激元带、第二馈电端口；

6、所述阻抗过渡带包括分布于人工表面等离激元带两侧不同深度的若干阻抗过渡单元。

7、优选地，若干谐振单元呈周期等距分布于介质基板的中间层，可进行周期性延拓。

8、优选地，所述若干谐振单元为矩形谐振环，所述介质基板采用柔性绝缘材料制备而成。

9、优选地，所述若干阻抗过渡单元的深度从邻近人工表面等离激元带侧逐步递减。

10、优选地，设置在中间层的若干谐振单元的位置投影于介质基板表面位置位于若干人工表面等离激元带两侧。

11、优选地，所述人工表面等离激元带包括若干人工表面等离激元，设置在中间层的若干谐振单元与设置在介质基板表面位置的若干人工表面等离激元的设置位置投影有交叠。

12、优选地，设置在中间层的若干谐振单元与设置在介质基板表面位置的若干人工表面等离激元的末端位置投影有交叠。

13、优选地，投影位置位于若干人工表面等离激元带两侧的若干谐振单元为非对齐分布。

14、本发明另一方面提供了一种基于上述的金属裂纹检测装置的金属裂纹检测方法，步骤如下：

15、（1）将所述金属裂纹检测装置放在待测金属样件上，能量从馈电端口的一端进入，所述阻抗过渡带产生人工表面等离子体激元波将场局域在待测金属表面，通过所述人工表面等离激元带产生高度局域场同时激励起所述谐振单元，所述谐振单元产生谐振点；

16、(2)将所述第一馈电端口、第二馈电端口通过同轴电缆分别与网络分析仪连接，采集金属样件在健康状态下以及不同裂纹深度下的正向传输系数s21；

17、（3）根据采集到的金属样件在不同裂纹深度的谐振点与金属样件健康状态下的谐振点对比获取待测金属裂纹的特征。

18、优选地，在步骤（3）中，根据谐振频点的偏移量特征来表征待测金属样件的裂纹特征。

19、本发明的技术效果和优点：

20、本发明中基于人工表面等离子体激元传输线进行传输，电场高度束缚在金属介质表面，周期分布的谐振单元数目可以根据实际与应用需求进行调整，装置覆盖面积较大，能够实现较大范围内的金属裂纹检测。谐振位于介质基板层的中间且分布在人工表面等离子体激元传输线的两侧，因此该传感器的宽度较小，在调整谐振单元数目的过程中，对传输过程的影响不大，且谐振单元采用周期交织分布，不易出现漏检的现象，且检测的灵敏度较高。检测采用的是频率偏移量的特征，对安装不敏感，所采用的基材为较薄的柔性介质基板，能够实现与待测金属样件共形的功能。