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TechnicalFeature 技术特写
图6：装配探头和矢量分析仪的机械手臂扫描玻璃纤维板。
图7：检测玻璃纤维复合材料的分层现象。
图8：玻璃纤维板厚度测量。
复合材料的非破坏性测量
自动化的现代工厂、工业机器人通
常用于提高生产效率和质量。在这种情
况下，质量保证（QA）和反馈体系需要
对制造的零部件进行直接测量，从而可
以在早期发现问题并对生产进行调整。
问题发现越早越能节省成本。当制造大
型或昂贵的零件时，QA要求可能需要表
征所生产的每个零件。紧凑型反射仪集
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到的厚度，与物理尺度测量一致，厚度
约为0.5英寸。由于复合材料不是理想的
平整，当反射仪在面板上扫描时，厚度
会发生一些变化。图8中的蓝色虚线显
示了当6英寸宽的胶带放在在玻璃纤维
面板的后部，与通过反射仪测量的一侧
相反时的测量数据。如数据所示，胶带
从约7英寸处延伸至14英寸处，显而易
见。胶带厚约3mil，这与由微波反射仪
测到的增加的厚度一致。考虑到微波的
波长：在2GHz时为6英寸，18GHz时为
0.66英寸，3mil厚胶带的检测是比较显
著的。该方法可用于检测玻璃纤维复合
材料和其它介电材料中的厚度的微小变
化。此外，由于它易于携带，所以可以
在任何环境中进行测量，例如工厂或其
它现场测量。
总结
射频电缆由于温度漂移、物理扭曲
成了探头和分析仪，可组装在工厂的自 都会增加测量误差，去除射频电缆，测
动化系统中，从而满足QA需求。在本示 量可靠性和准确性可以得到显著提高。
例中（图6），反射仪通过扫描材料表 由于射频电缆易磨损，特别是如果经常
面，绘制每个位置的微波特性。然后可 移动或扭曲，必须定期更换，去除射频
以使用基于物理学的模型来确定有关材 电缆可以降低测量成本，减少设备维护
料的信息。 工作。本文讨论了使用紧凑型微波反射
复合材料通常是层压结构，例如， 仪的两个应用：第一，使用手持设备进
不同层的玻璃纤维和树脂被固化成单一 行抗EMI吸波材料反射系数的测量。第
材料。分层是制造过程中或使用复合材 二，集成的反射仪安装在工业机器人上
料时可能发生的一个问题。由于各种原 扫描玻璃纤维复合材料，通过适当的数
因，层与层之间局部可能存在间隙。由 据处理，微波反射仪可以检测材料缺陷
于玻璃纤维通常是不透明的，所以无法 并确定非导电材料的厚度。这两个例子
通过图像检测这种分层，并且这种分层 都表明无射频电缆的反射仪是可行的，
仅在机械负载下才显现从而造成材料失 可以实现现场测量，满足工厂中的测量
效。图7给出了在具有和不具有分层的情 需求。■
况下的厚度为0.5英寸的厚复合材料的测
量结果。该复合材料由两块0.25英寸厚 致谢
的复合板夹在一起。为了模拟分层，将 本工作得到了空军研究实验室
18mil厚的垫片放置在复合板的顶部。在 （AFRL/RX）和Compass科技集团之间
有和没有垫片两种情况下，面板的底部 的合作研究与开发协议的支持。
都被机械夹紧在一起以消除底部的任何
参考文献
分层间隙。通过将测量的2-18GHz的反 1. J. W. Schultz, “Focused Beam Methods,” Measuring
Microwave Materials in Free Space, ISBN 1480092851, 2012.
射系数与单层模型的数据进行比较得到 2. J. W. Schultz, R. Schultz, J. Maloney and K. Maloney,
如图7所示的结果。机器人从底部到顶 “Correction of Transmission Line Induced Phase and
部进行扫描，计算与理想模型的偏差量 Amplitude Errors in Reflectivity Measurements,” U.S.
Provisional Patent 20160103197, Issued February 16, 2017.
并绘制曲线。在这两种情况下，由于玻 3. S. A. Zaostrovnykh, V. I. Ryzhov, A. V. Bakurov, I. A.
璃纤维的自然不均匀性，存在低水平的 Ivashchenko and A. I. Goloschokin, “Measurement
Module of Virtual Vector Network Analyzer,”U.S. Patent
残余模型拟合误差。当试样中出现分层 9291657B2, Issued March 22, 2016.
时，残余拟合误差随间隙的增大呈明显 4. J. Musil, F. Zacek, A. Burger and J. Karlovsky, “New
Microwave System to Determine the Complex Permittivity of
增加的趋势。 Small Dielectric and Semiconducting Samples,” 4th European
Microwave Conference, September 1974, pp. 66-70.
第二个例子如图8所示，对复合面 5. R. Diaz, J. Peebles, R. Lebaron, Z. Zhang and L. Lozano-
板测量的反射系数进行了替代分析。在 Plata, “Compact Broadband Admittance Tunnel
这里，测量数据与简单介质板模型进行 Incorporating Gaussian Beam Antennas,”U.S. Patent
7889148, Issued February 15, 2011.
了比较。复合材料的介电常数被认为是 6. J. W. Schultz, J. Maloney, K. Cummings-Maloney, R.
已知的且是恒定不变的。然后，通过比 Schultz, J. Calzada and B. Foos, “A Comparison of Material
Measurement Accuracy of RF Spot Probes to a Lens-Based
较模型测量结果，该模型用于计算正在 Focused Beam System,” Proceedings of the 2014 AMTA,
测量的面板的厚度，其中y轴是计算得 October 2014.
Microwave Journal China 微波杂志 Sep/Oct 2017