超声导波检测技术

超声导波检测技术（精选5篇）

1.超声导波检测技术 篇一

超声波检测技术

由于超声波具有激发容易、检测工艺简单、操作方便、价格便宜等优点，因此在道路状态检测中，特别是高等级水泥路面路基检测中的应用有着较广泛的前景。超声波是一种频率高于人耳能听到的频率（20Hz～20KHz）的声波。实践证明，频率愈高，检测分辨率愈高，则检测精度愈高。因此实践中利用超声波检测水泥路面状态时，其上限频率为100KHz、下限频率为20KHz。

超声波是一种波，因此它在传输过程中服从波的传输规律。例如：超声波在材料中保持直线行进；在两种不同材料的界面处发生反射；传播速度服从波的传输定理：ν＝λf（ν为波速，λ为波长，f为波的频率）。资料证明，波速对于水泥路面路基检测十分有用，因此一般也称超声波检测法为波速法。

波速法是超声波检测水泥路面路基状态的最基本的方法。研究证明，波在介质材料中行进的速度愈大，则介质材料的坚硬性愈大；反之，则介质材料愈松软。而介质材料的坚硬性实质上也反映了该种材料强度的高低，因此材料强度愈高，波速应愈大；材料强度愈低，则波速应愈小。这样，知道了波速，亦即知道了材料强度。在土工试块及某些岩体中利用波速法进行无损检测有比较成熟的经验，用得也比较广泛。但水泥路面路基情况比较特殊，作为无损检测的超声波探头无法生根或埋置，从而造成检测工作的难度。因此，应该采用波速法与回弹法相组合的综合法。超声波检测原理

2009-02-12 15:39 超声波检测管可以分为超声波探伤和超声波测厚，以及超声波测晶粒度、测应力等。在超声探伤中，有脉冲反射法、穿透法和共振法。脉冲反射法是根据缺陷的回波和底面的回波进行判断，穿透法是根据缺陷的阴影来判断缺陷情况，而共振法是根据被检物产生驻波来判断缺陷情况或者判断板厚。目前用得最多的方法是脉冲反射法。脉冲反射法在垂直探伤时用纵波，在斜射探伤时用横波。把超声波射入被检物的一面，然后在同一面接收从缺陷处反射回来的叫波，根据回波情况来判断缺陷的情况。脉冲反射法有纵波

2.超声导波检测技术 篇二

关键词：输电线,损伤检测,去噪,小波变换

在电力系统中, 输电线的安全性和耐久性直接影响到供电系统的安全运行, 输电线主要采用钢芯铝绞线, 所以钢绞线的健康状况直接影响到了电力系统的安全运行。在使用阶段受拉不均匀以及环境的影响, 会造成钢绞线的腐蚀甚至断裂, 给结构安全造成危害。对钢绞线进行缺陷检测定位, 对预应力结构进行监控, 会在很大程度上避免由于钢绞线中的缺陷扩展而导致整个结构的破坏, 这一研究内容在世界范围内受到了广泛的关注。

1 超声导波技术的理论基础

声波就是机械的振动通过不同的介质的传播, 由于声源和声波在介质中振动和传播的方向在某些情况下是相同的在某些情况下是不同的, 因此会有横波和纵波, 其中横波又称为S波, 而纵波成为p波, 这两种波有各自的特点和方式。如果用频率来和人们可以感觉到的频率来划分, 声波可以被划分为三类:超声波、可闻声波、次声波。其中次声波的频率小于20HZ, 可闻声波的频率在20HZ与20KHZ之间, 而超声波则是大于20KHZ。我们所要研究的就是超声波在实际工作中的应用。以木板作为介质来举例, 木板存在着两个界面, 而其中就有一个很厚的交界层。而处于交界层的超声波会经历很多个来回的重复反射, 在两个界面之间延续和一定的方向前行, 在这样一个重复过程中的超声波就会形成一种波型, 而这个波型由于这个过程而变得复杂, 同时超声波之间也会产生相互之间紊乱的干涉, 就是超声波在这样的界面中进行板内的传播。而我们就可以称之为平板超声导波, 而其中的超声波可以称为板波。

2 小波分析的理论基础

近些年来, 小波分析作为一种新兴的学科迅速发展起来, 小波分析具有很深远的意义, 在实际工作中的应用范围也是相当广的。小波分析作为一种分析方法是对信号的时间和频率之间的分析, 它最大的优点就是可以进行多方面的分辨和分析工作, 而且它可以在时间和频率两个方面来表示信号的特征。在对信号的分析过程中, 可以不改变信号的窗口大小而只改变其形状来进行分析, 因此小波分子方法也被称分析信号过程中的显微镜。

3 超声导波应用于输电线探伤的实验研究

根据超声导波在传播的理论分析, 导播在碰到试点县的损伤裂纹的时候会产生反射或者是进行模式转换等反应。而我们就可以在这个过程中知道超声导波的入射信号和反射信号之间的时间差。运用相关的公式就可以大概计算出损伤裂纹与信号入射点之间的距离。公式如下:

在这个公式中, C表示的是波速, 即。Δt表示的是超声导波入射信号与反射信号之间的时间差。根据这个公式就可以计算出损伤裂纹在输电线中的位置, 也就是我们所求的χp的大小。

损伤裂纹会使得传播介质是不连续的, 当导波在经过裂纹的时候, 导波会在裂纹损伤的位置产生反射或者是进行模式转换等反应。而这个时候导波就被分成了入射波和反射波, 我们这里就用σR来表示反射波的强度, σ1来表示入射波的强度。根据有关的力学公式就有:

根据以上一系列的分析我们可以了解到:反射波经过损伤裂纹的时间与裂纹在输电线中的具体位置是有紧密联系的, 而不受裂纹的损害程度的影响;而对于输电线损伤程度的确定则是要确定裂纹的横截面积和宽度。不管是什么类型的波形发生器都可以产生不同的激励信号, 这样的激励信号经过功率放大器将其功率放大, 而将功率放大之后的激励信号增加压电片之后, 就可以产生纵向的超声导波, 接收到的信号直接显示在数字示波器 (TDS3024) 上。首先在完整的铝线上进行一次实验。超声导波在铝线中传播。遇到铝线的端部, 信号反射回来被PZT接收。接受到的信号通过功率放大器, 送入计算机, 记录接收信号的数据。然后在铝线上切开一个模拟损伤裂纹的切口。重新进行一次实验。超声导波在铝线中传播遇到损伤部位, 有一部分信号反射, 被接收传感器接受, 接受到的信号通过功率放大器, 送入计算机。经过MATLAB的小波降噪后发现, 噪声信号已经基本被滤除, 可以清晰的看到超声导波遇到铝线另一端面的返回波形。但由于铝线的刚度较低, 且发射波的幅值比较大, 造成的干扰使第一个周期内损伤的返回波形不是十分明显。但是在第二个周期内, 对比完整铝线上的波形, 损伤回波可以清晰的分辨出来。从两次的端面返回波波峰之间的时间差, 可以测得纵向导波在改频率下的速度。计算得出在110KHz的频率下, 导波的速度为25.0m/s。可以计算出损伤距离导波发射处得距离。

分析数据可以知道, 第二个周期内的损伤回波在86ms处。而端面返回波的在69ms处。由超声导波检测理论可以得出缺陷位置:

与裂纹的实际位置21.5cm的误差为1.2%说明超声导波能够准确地定位铝线中的损伤。

4 总结与展望

长久以来我国各个地方的供电公司都是采取人工的检测方式对输电线的损伤进行检测。但是, 在沿海地区, 尤其是在海滨工业区输电线容易受到腐蚀。对于输电线路中输电线不明显的损伤情况, 人工检测的方法已经无法做到准确的检测。而且有些地方由于自然条件的制约, 给人工巡线造成了不便。所以, 利用超声导波进行输电线探伤有着十分重要的意义。本文是关于超声导波和小波分析在电力系统输电线路损伤中的应用性研究课题。主要介绍了超声导波和小波分析的基础理论, 总结了目前输电线探伤中所应用到得技术。理论分析了傅立叶变换和短时傅立叶变换在电力系统输电线路损伤检测中的不足, 运用小波变换来检测和分析损伤信号的方法。在分析小波理论在超声导波探伤中的应用时, 提出了小波包分解在判断损伤类型和程度中的作用有待于进一步的研究。

参考文献

[1]孙峰, 陈民铀, 罗涛, 王伟明.输电线断股损伤故障检测方法比较性研究[J].微计算机信息, 2010.

[2]汪洋.超声导波技术在天然气集输站场管道缺陷检测中的干扰因素分析[J].钢管, 2010.

3.导波雷达物位计的选用 篇三

[关键词]导波雷达物位计、精度、天线、波束角、介质

[中图分类号]TN95 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0023-01

一、前言

目前，随着工业和仪表技术的发展，在越来越多的工厂中采用雷达物位计来监控反应釜、聚合釜及罐等关键设备的物位状况，从而反馈相关信息做为反应、聚合控制的依据。本文将结合项目，谈谈笔者对导波雷达物位计的工作原理、技术特点、选型要点和安装使用要求等各个方面的一些理解。

二、导波雷达物位计工作原理

导波雷达物位计是一种微波物位计，根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化情况。由电子装置对微波信号进行处理，最终转化成与物位相关的电信号。

这里的能量波是脉冲能量波，能量辐射水平低（频率一般比智能雷达物位计低），一般脉冲能量波的最大脉冲能量为hnW左右（平均功率为1μW左右），不会对其他设备以及人员造成辐射伤害。

导波雷达物位计用于对液体、浆料及颗粒料等介电常数比较小的介质（≥1.4）进行非接触式连续测量，适用于温度和压力变化大、有隋性气体或蒸汽存在的场合，具有通用性强、防挂料、免维护和抗干扰及准确可靠等特点。

三、导波雷达物位计的选用实例

在中海石油化学股份有限公司所筹建的二氧化碳可降解塑料项目中，工艺需要监测带搅拌设备的反应釜中物料的液位，根据具体技术要求，采用了E+H智能型微波物位仪（导波雷达）Micropiiot M系列，下面将根据在项目过程中的实际运用来对导波雷达物位计的选型要点和安装要求做一个阐述：

（一）选型原则：

在本项目中，采用的反应釜规格为2.4m×3.6m（WxH），工艺要求测量范围为0-5m，带有搅拌桨，介质为聚合产物、环氧丙烷、甲醇，操作压力为0.3MPaG，操作温度为60℃，精度要求为±3mm，工艺连接要求为法兰形式，通讯类型为HART。根据以上参数，我们从以下几个方面方面来进行选型。

（1）精度

精度是测量准确性的指标，所以我们在选型过程中必须完全保证其对测量精度的要求。

（2）介质干扰反射

介质对其测量都有一定的干扰反射，但就其相同的导波雷达物位计来说，高频的物位计对介质的抗干扰能力强于低频的物位计。故在实际操作中选用了高频导波雷达。

（3）介质特性和测量值

根据介质特性，以介质的介电常数为依据来确定雷达波的反射率，从而进行分层测量和计算，最终得到较为准确的测量值。

（4）天线尺寸、温度、密封

天线尺寸越大，波束角就越小，干扰回波也就越弱，所以应该选择天线尺寸较大者。

天线温度的要求，根据工艺条件，一般选择在工艺条件允许的范围内。如果温度高过80℃，注意应该选择高温型号的雷达天线。

天线的密封要求，如果介质具有腐蚀性，在选择时我们必须特别注意其密封要求，需要选择特殊密封方式的产品。

（5）波束角

波束角是指雷达波的能量密度达到其最大值一半（3dB）时的角度，微波可以散射至波束角之外的区域，也可被干扰物反射回来，波束宽度直径W是天线类型（波束角a）和测量距离D的函数：W=2×D×tan a/2

（6）导波管

导波管一般用于介质泡沫较多，介电常数比较低甚至不导电的介质，或者测量设备中存在一定的干扰因素。本项目中，为了最大限度的避免搅拌浆对导波雷达的干扰，保证最佳的测量效果，为其增加导波管，以便给测量提供相对稳定、可靠和干扰较小的测量环境。

（7）天线延伸管

因其安装短管内的天线部件为屏蔽段，为了测量精度，天线喇叭必须伸出安装短管。

（二）安装要求

导波雷达物位计能否正确测量，依赖于反射波的信号。如果安装位置，液面不能将电磁波反射回雷达天线或在信号波的范围内有干扰物反射干扰波给雷达物位计，雷达物位计都不能正确反映实际物位。因此，合理选择安装位置对雷达物位计十分重要，在安装时应注意以下几点：

（1）导波雷达物位计天线的轴线应与液位的反射表面垂直。

（2）导波雷达物位计尽量远离出料口和进料口。

（3）针对金属罐和塑料罐，在整个量程范围内要求不碰壁，对于圆型或椭圆型的容器，应装在离中心为1/2R（R为容器半径）距离的位置，不可装在圆型或椭圆型的容器顶的中心处，否则雷达波在容器壁的多重反射后，汇集于容器顶的中心处，形成很强的干扰波，会影响准确测量。

（4）导波雷达物位计缆式探头或杆式探头离罐壁最小距离不小于30厘米。导波雷达物位计探头底部距罐底大约30mm。

（5）导波雷达物位计探头距罐内障碍物最小距离不小于200mm。

（6）喇叭型的导波雷达物位计的喇叭口要超过安装孔的内表面一定的距离（>10mm）。

（7）导波雷达物位计如果容器底部是锥型的，传感器可以安装导波雷达物位计罐顶中央，这样可以一直测量到罐底。

（8）如果外罐壁材质为诸如GRP之类的非导电材料时，微波信号同样可被信号波束角外的干扰物（如金属管道、爬梯、壁炉等）反射回来。因此，在信号波束角内不能安装此类干扰物。

（9）导波雷达的高频模块对现场电焊比较敏感，因此要求在其3 m之内不能动焊。

（10）对液位波动较大的容器的液位测量，可采用附带旁通管的液位计，以减少液位波动的影响。

四、总结

导波雷达物位计作为雷达物位计的一种正在广泛的被采用，因其特殊的测量原理，使其在非接触式的测量要求下，能准确、安全、可靠的完成测量任务。

导波雷达物位计的选用主要考虑其精度、测量范围、介质特性、天线类型和材质、延长管、安装要求等方面，就笔者理解选型要点中最关键的是介质特性和天线类型。充分了解导波雷达物位计的选型原则，能够对日后正确选用、安装及使用及维护起到一定的指导作用，不仅可以提高导波雷达物位计的使用寿命，还可以帮助我们实现对物位既经济又准确的测量。

参考文献

[1]陆德民、张振基和黄步余，石油化工自动控制设计手册（第三版）

[2]北京，化学工业出版社，2000.1 140-145

[5]王森，仪表常用数据手册北京化学工业出版社1998.7234-240

[4]化工自控设计规定，北京，全国化工工程建设标准编辑中心

4.超声检测实训心得 篇四

一、实验目的

1.通过实验了解超声波探伤的基本原理；

2.掌握超声波探伤仪器的各个旋钮的名称、功能和使用方法。3.了解超声检测仪的使用规范。

二、实验设备和器材 1.超声检测仪 2.直探头和斜探头 3.耦合剂：甘油 4.试块和试件

三、实验内容

超声波探伤是利用探头发射超声波扫描试件内部，在荧光屏上可得到工件两界面（表面及底面）的反射波，如工件内部有缺陷，则缺陷将产生缺陷反射回波并显示在两界面波之间。缺陷波峰距两界面波之间的距离即缺陷至两界面之间的距离，缺陷大小及性质可按相关标准确定。

1、超声波探伤原理

（1）超声波的传播特性

声波是由物体的机械振动所发出的波动，它在均匀弹性介质中匀速传播，其传播距离与时间成正比。当声波的频率超过20000赫时，人耳已不能感受，即为超声波。声波的频率、波长和声速间的关系是： ??c（1）f 式中 λ——波长；c——波速；f——频率。

由公式可见，声波的波长与频率成反比，超声波则具有很短的波长。

超声波探伤技术，就是利用超声波的高频率和短波长所决定的传播特性。即： 1）具有束射性（又叫指向性），如同一束光在介质中是直线传播的，可以定向控制。2）具有穿透性，频率越高，波长越短，穿透能力越强，因此可以探测很深（尺寸大）的零件。穿透的介质超致密，能量衰减越小，所以可用于探测金属零件的缺陷。

3）具有界面反射性、折射性，对质量稀疏的空气将发生全反射。声波频率越高，它的传播特性越和光的传播特性接近。如超声波的反射、折射规律完全符合光的反射、折射规律。利用超声波在零件中的匀速传播以及在传播中遇到界面时发生反射、折射等特性，即可以发现工件中的缺陷。因为缺陷处介质不再连续，缺陷与金属的界面就要发生反射等。如图1所示超声波在工件中传播，没有伤时，如图1a，声波直达工件底面，遇界面全反射回来。

当工件中有垂直于声波传播方向的伤，声波遇到伤界面也反射回来，如图1b。当伤的形状和位置决定界面与声波传播方向有角度时，将按光的反射规律产生声波的反射传播。

图1 超声波在工件中的传播

2、超声波探伤仪的工作原理

超声波探伤仪首先是个超声波发生器，它利用交流电源和振荡电路，产生高频电脉冲，并可根据探伤要求调节脉冲的频率及发射能量。超声波探伤仪还具有将接受到的电脉冲依其能量的大小、时间的先后通过荧光显示屏显示出来的功能。其工作原理示于图2。发生器使示波管产生水平扫描线（一条亮线，代表时间轴），接收放大器使接受到的脉冲信号作用于示波管的垂直偏转板，并按信号收到的时间先后将水平扫描线的相应部位拉起脉冲值。始脉冲是仪器发射出去的原始脉冲信号，伤脉冲是超声波自工件内缺陷处返回的脉冲信号，底脉冲则是超声波自工件底部返回来的脉冲信号。由于超声波在工件内是匀速传播的，因此在工件内走过的路程越长，返回的时间越晚，所以底脉冲要比伤脉冲出现的晚，它们在荧光屏上的水平距离反应了超声波在工件内走过的距离。因此有: db ?iba 则 d? 式中:d——工件表面至缺陷的距离。i——沿探测方向的工件厚度。b——伤脉冲到始脉冲的扫描刻度。

超声波在介质中传播是有能量衰减的。走过的距离越长，反射回来的能量也越小，表现在接收回来的脉冲高度要减少。如果伤较小，少量超声波自伤处反射回来，将有一个矮的伤脉冲，此时大部分能量抵达工件底面，底脉冲仍较高。如果伤面积很大，则伤脉冲就会高，相应的底脉冲就会很小。如遇到伤很大，或其界面又不垂直于超声波入射的方向（如图1c），则伤脉冲没有（反射波收不到），底脉冲也可能没有。b?i（2）ba ba——底脉冲到始脉冲的扫描刻度。

图2 探伤仪工作原理示意图

超声波探头是超声波探伤仪的重要附件，工程上所用的探头分为直探头和斜探头两种。探头又叫做换能器，探伤仪发射出来的是高频电脉冲，利用探头上的压电晶体（常用锆钛酸铅）将电脉冲转换成机械振动——超声波。探头又可以将由工件上接收到的超声波转换成电脉冲，输给接收放大电路，再加于示波管上。

3、各旋钮功能

电源开关——用以接通电源。

电源指示灯——用以表示电源接通。

延迟扫描

把同步脉冲信号延迟一段时间再触发时间扫描电路的工作状态，使时间扫描滞后于发射脉冲一段时间，延迟量可用延迟调节旋钮调整。

辉度

调节示波管电子束的发射强度，控制示波屏上时基线与波形的显示亮度。

聚焦

用于调节示波管电子束的聚焦程度，使示波屏上的时基

垂直调节

使时基线在示波屏上作上下移动以达到适合观察的位置。

水平调节

使时基线在示波屏上左右移动达到适合的位置。

增益

包括步进分档式的定量增益旋钮（以分贝为计量单位）和连续可调的非定量增益旋钮（多用作增益微调）。

衰减器

发射强度

调节发射电脉冲的幅度（发射电压）和持续时间（脉冲宽度），从而控制超声波的辐射功率。重复频率

调节同步电路单位时间内产生同步脉冲的次数，从而控制单位时间内发射超声脉冲的次数。抑制

用于抑制杂波、电噪声及材料本底噪声等产生的不必要的干扰信号，以提高信噪比和使波形显示清晰，但也同时降低了检测灵敏度。

深度补偿

用于抑制近区灵敏度，相对地提高远区灵敏度，以提高分辨力和减小有效探测盲区。深度 调节荧光屏扫描线所代表的探测范围

分为粗调与细调，前者为分档型，后者为连续调整型。相邻分档范围可以相互覆盖。延迟

用于调节同步脉冲触发信号在时基电路中延迟量的大小。

标记

利用标记旋钮调节其在时基线上的位置，用作探测距离或某个回波位置的标志点。闸门起位

调节报警闸门（矩形波）前沿（即监视起点）在显示屏时基线上的位置（称为闸门起始位置）。闸门宽度

调节报警闸门（矩形波）的宽度。

报警灵敏度

调节驱动报警装置的电平阈值。

报警

探伤仪上用于接通报警电路的开关。

报警输出

把报警信号输送给外部报警装置

工作频率

根据超声波探头的工作频率选定

标尺

控制示波管屏面刻度板照明

探头选择

探头工作模式选择的转换开关

四、实验步骤 1.实验指导

1）指导教师讲解超声检测仪使用注意事项。

2）指导教师借助实验设备讲解超声检测仪的工作原理和各旋钮的功能。2.学生练习

（1）将超声检测仪、探头、电源线等正确连接，组成超声检测系统。

（2）依次开启总电源、超声检测仪电源，观察、记录仪器显示屏上的显示情况。

（3）将直探头置于涂有耦合剂甘油的csⅰ型试块上，并对准试块下面的中心孔。（斜探头可选用csk-ⅰa试块，对准r100的圆弧面）。

（4）调节超声检测仪的衰减器、深度旋钮，观察、记录显示屏上回拨的高度、水平位置的变化，并分析其原因。

（5）在仪器和探头不作调整的情况下，将试块换成同类型不同高度的试块（斜探头可换做探测csk-ⅰa试块上φ50孔），再次观察、记录显示屏上回波的变化，并分析其原因。

五、注意事项

1、探头的保护

探头表面为丙烯树脂，对粗糙表面的重划很敏感，因此在使用中应轻按。测粗糙表面时,尽量减少探头在工作表面的划动。

2、实验过程中，防止摔坏仪器、探头和试块。并注意自身安全。篇二：《超声检测实训》教师指导手

《超声诊断实训》教师指导手册

《超声诊断实训》教师指导手册 1．实训项目概况 实训项目名称：超声诊断实训 适用专业：焊接专业 实训学时：1ｗ30h 2．实训教学目标（1）能力培养任务

认识数字式超声检测设备，了解常用超声检测方法，熟悉它的功能特点并能够熟练操作。（2）知识培养任务

了解超声波的性质和常用超声检测的基础知识，掌握超声波检测方法和焊缝等级评定方法。

（3）素质培养任务

培养学生的学习能力，形成良好的职业精神和吃苦耐劳的作风，具备良好的团队合作精神和创新意识。

3．实训主要任务及内容（1）数字式超声检测仪参数调整 任务1 数字式超声检测仪功能 任务2 校准探头k值和前沿长度 任务3 绘制dac曲线（2）锻件的纵波检测

任务1 数字式超声检测仪参数调整 任务2 纵波直探头检测锻件（3）对接焊缝的横波检测 任务1 检测条件选择 任务2 校准斜探头

任务3 横波斜探头检测对接焊缝 4．实训主要过程

含实训总体组织和安排、主要实训过程等。

5．实训要求（1）综合实训地点 仿真大厦806、808。（2）安全要求 每个班选 2 个安全员，负责每天实训室的焊接工具检查和关闭电源，以及工作场景中的安全问题。

（3）卫生要求

每天学生打扫环境卫生（上班前和上班后），地面、桌面、抽屉里都要打扫干净。工作时间不得吃东西，喝水必须到指定区域，工作台面必须保持整洁。（4）考勤制度

教师每天考勤，并定期通报考勤情况，无故迟到 3 次实训成绩最高只能给及格，旷课 1次，实训无成绩。

（5）团队工作要求

实训以 5-6个人一小组为单位进行，每组各推荐 1 名组长，每天任务的分配均由组长组织进行，组长要了解关心小组的进展，记录小组每天的内容和成果，活动小组成员间要互相帮助，最终考核评比优秀班组，并进行产品(作品)评比,选出最佳产品(作品)展示。

（6）实训要求

按照企业的要求来规范自己的行为，安全第一、节能环保。工具、附件、仪器设备摆放规范。在独立完成工作时要求态度认真，不允许串岗、大声喧哗，不得抄袭各种作业文件和记录，若作业记录不齐全，将无实训成绩。在小组讨论时，要积极发言，提出自己的见解和

方案。

6．考核评定标准（1）过程考核

项目教学每一阶段根据每位学生参与完成任务的工作表现情况和完成的作品和记录，综合考核每一阶段学生参与工作的热情、工作的态度、与人沟通、独立思考、勇于发言，综合分析问题和解决问题的能力以及学生安全意识、卫生状态、出勤率等给予每一阶段过程考核成绩。

（2）结果考核

根据学生提交焊接接产品，按企业产品作业管理规范、产品（作品）完成的质量高低给出结果考核成绩。

（3）成绩评定

过程考核占50%，结果考核占50%。（4）否定项

5.超声导波检测技术 篇五

在光电材料研究领域中,左手材料(Left-handedMaterials,LHM)目前是一种重要的新型功能材料。在某一特定的频段,其本身的磁导率ε和介电常数μ均为负值,故左手材料称为双负材料,也称为负折射材料(负材料)。光波在右手材料中传播时,坡印廷矢量和能量传播具有相同的方向,波矢量和相速度的方向相同[1]。在左手材料中的波矢量和坡印廷矢量的方向相反,电矢量、磁矢量和波矢量三者之间构成左手螺旋关系。电磁波在左手材料中传播的能量和相速度是反向的,波前传播方向指向波源,故左手材料也被形象地称为回波材料。

左手材料源于前苏联物理学家V.G.Veselago(维塞拉哥)于1968年提出的假想[2,3]。左手材料作为承载电 磁波的媒 质具有很 多新颖的 传输特性[4,5],诸如负折射现象、反常的切伦科夫辐射、逆多普勒效应、完 美透镜等 奇异的光 学特性[6,7]。Smith等人在最近几年内,利用周期性排列的开口环形谐振器和金属丝来实现左手材料[8,9],这对左手材料的开发和应用是一个很大的进步。至今,左手材料在光通信、功能材料、光波导器件研制等多个领域内已经成为一个很热的研究课题。

含左手材料的光波导可以制作可调谐滤波器,可以支持不同模式的激光器和滤波器,可以用来设计新型的调制器,可以实现超薄光波导[10,11,12,13,14,15]。与右手材料光波导相比,其具有很多新颖的导波特性,对高品质导波模式的选择有着重要的决定作用,在波导中有望实现表面导模的导波,在波导领域具有潜在的应用价值。

1理论方法

1.1衰减系数α、导波系数k⊥、传播常数β之间的关系

在TE极化情况下,研究金属-左手材料三层平板波导导波模式和表面波的特性,设计的模型如图1所示。

图1金属-左手材料三层平板波导结构和参数Fig.1Thestructureandparametrsofmetal-left-handed materialthreelayersymmetricslaboptical waveguide

三层平板波导一般由三种功能不同的平板材料在空间堆叠而成的,其中上一层是覆盖层,中间一层是宽度为L的芯层 (在满足导 波条件时 称为导波层),下底层称为衬底层。其中覆盖层、衬底层在z轴的方向上是半无限空间,芯层在y轴方向是无限区域。覆盖层和衬底层均为半无限的金属层,即两个衰减层,具有相同的介电常数和磁导率(εM<0、μM=1)。图中包裹层与芯层之间有I、II界面,芯层厚度L=2d,介电常数和磁导率均为εL<0,μL<0。平板波导的介质是导光无损耗、各向同性、非磁性的无源材料。

图1中,左手材料内部为导行波 存在的空 间。光波能流在覆盖层和衬底层内分别沿轴正负方向上都是成指数规律衰减的。三个区域的电场分布为

各参数与频率ω和光速c存在一定的理论关系为

β为波导的传播常数,k⊥为导波层的导波系数,α为金属层中的衰减系数,且β>0和α>0。由色散关系(2)式可得

1.2转移矩阵方法导出导行条件

金属-左手材料三层平板光波导结构中,I、II界面上的电磁量与麦克斯韦方程有关,可以用一个特征矩阵表示各层的光学特性。界面I的电场和磁场分别为EI、HI,界面II的电场和 磁场分别 为EII、HII。由转移矩阵方法可得[16,17]

由于

其中满足的条件为

所以

其中

取

得

平板波导模式的导行条件为

金属的介电常数由实部与虚部组成[18],即

在电磁波频率远大于电子自由运动碰撞频率γD的情况下,εM可约为如果电磁波频率小于金属电浆共振频率ωp,金属介电常数εp为负,且对金、铜、铝、锑、银等一般金属物质而言,其ωp值位于紫外光频率范围内,而且γD远小于可见光频率,所以这些金属的介电常数在可见光频率范围内皆可符合以上条件。所以,金属的介电常数取实数部分比较有价值,取虚数没有实际意义。本文由此考虑,图1的覆盖层和衬底层都是同一金属。只考虑TE极化,根据(11)式可得

其中m是导波层模场的节点数,即模系数。

2结果与讨论

考虑一定频率的电磁波选取适当的介电常数、磁导率的材料以及满足三层平板波导的导行条件,综合(3)式、(13)式对kx2、R2的大小进行分析。借助于Matlab编程进行导波模式的数值解,采用图解法对导波层的模系数进行求解,利用(1)式对能流分布进行描绘。就kx2>0,R2>0、kx2<0,R2>0、R2<0三种情况进行研究,前两种情况体现了波导的导波模式和表面波,后一种情况不符合实际故舍去不论。

2.1导波模式分析

当k⊥>0时,则k(εMμM)1/2<β<k(εLμL)1/2,通过改变频率可以得到不同的R值。多次进行数值分析,发现R=1.2247,4,6,8时进行讨论分析为最佳。金属 -左手材料三层平板波导的导波模式如图2所示。

图2中实线为导行条件且代表(13)式,虚线代表(3)式。由图解法得到不同模系数m对应不同导波模式,分析发现:金属 -左手材料三层平板波导中导波模式具有基模缺失,相当于TE0模消失。在R=1.2247极小的范围内存在TE1模。导波系数和衰减系数的平方和(R)不断增加会致使导波模式的个数增加。在R∈[4,8]范围内,模系数m=2时导波模式的个数最多。

在图2中,金属-左手材料三层平板波导导波模式的A~H五个交点的能流分布如图3中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示。分析发现,同一模系数m导波模式的能流分布相似,导波层内部能流振荡随着m增大而加剧。模系数m为偶数时的能流分布在竖直方向成轴对称,模系数m为奇数则是关于点对称。

2.2表面波分析

在金属 -左手材料三层平板光波导的I、II界面上,当k2⊥<0、β>k(εLμL)1/2和取k⊥=iK⊥ 、K⊥>0、R=1.2247,4,6,8时,表面波模式如图4所示。采用图解法对图4中各个交点对应的能流分布进行描绘如图5所示。结果表明,在I、II界面上是存在表面波的。

图5中(a)~(d)是m∈2k(k∈N)时对应图4中a、b、c、d处的能流分布,(e)~(h)是m∈2k(k∈N)和m∈2k+1(k∈N)时共同交于b、c、d点的能流分布。

当kx2<0、R2>0时,金属 -左手材料三层平板波导TE极化情况下是存在表面波的。模系数m为偶数的能流分布相似且在竖直方向成轴对称,模系数m为奇数的能流分布相似但是关于点对称。当导波系数和芯层厚度的乘积kxd增加到2.1π时,模系数m为奇、偶数的表面波是趋向一点的(如图4中的c、d点所示)。图4中特殊(c、d)点是模系数m分别为奇偶时共同与R=6、8的交点,其能流分布受到m奇偶性的影响相当显著。模系数m不会同时既为奇数又为偶数,致使c点的能流不简单是m分别为奇偶数时能流的叠加。

3结论

TE极化情况下,当满足导波层导行条件时,金属-左手材料三层 平板波导 的导波层 不存在TE0模。TE1模仅在R=1.2247极小范围内存在,导波模式随着R的增大而增加。m相同导波模式的能流分布相似,且随着m的增加导波层内部能流变化越激烈,能流分布受到m奇偶性的影响显著。当不满足导波层导行条件时,在界面上有表面波存在,并随着kxd的增大,m值不同的表面波趋向一致。m相同导波模式的能流分布是相似的,且随着m的增加导波层内部能流变化增多,m的奇偶性也会影响其能流分布。