微波无损检测（Microwave Non-Destructive Testing, NDT），或称微波法检测，是一门深度融合了微波物理、电子学、自动控制与计算机科学的交叉应用技术。它最初的灵感源于雷达技术，但很快便开辟了自己独特的赛道。自20世纪30年代第一台微波测湿计问世以来，微波NDT已从实验室的理论探索，稳步迈向工业现场的规模化应用，尤其在非金属材料评估、基础设施质控、地质考古及军事安全等领域，展现出不可替代的技术价值。
其核心工作原理是利用微波传感器（天线）与检测网络，向被测对象发射微波。微波在穿透、反射或散射过程中，其信号特征会因材料内部的缺陷（如裂纹、气孔、分层）、物理参数（如密度、湿度）或工艺参数（如固化度）的变化而改变。系统通过捕捉这些变化，将其转化为可处理的电信号，并最终通过计算机生成直观的图像或数字结果，从而实现对物件内部状态的快速、精准、经济的“透视”。
相较于其他无损检测方法，微波技术在非金属材料领域优势显著：它具备超声波难以比拟的穿透力，且无需耦合剂即可实现非接触式检测；与X射线相比，它对平面型和体积型缺陷同样敏感。这些特性使微波NDT正发展为一种高效的整体性评估手段。
微波，常被称为雷达波，是电磁波谱中频率高、波长短的一部分，其在电磁波谱中的位置如下图所示。
图1 电磁波频谱
当微波穿行于非金属介质时，会发生反射、透射、吸收、散射和衍射等一系列物理现象，这与光波或声波的行为有相似之处。但微波的独特性在于，它不仅能穿透玻璃，还能穿透绝大多数非金属固体材料。若以功率衰减（dB）来衡量，微波在非金属介质中的穿透能力比超声波高出2到3个数量级，这是一个巨大的优势。
微波的频带极为宽广，通常定义在300 MHz至300 GHz之间，对应在真空中的波长为1米至1毫米。这个宽阔的频谱被细分为分米波、厘米波和毫米波，并持续向亚毫米波段拓展。为了便于工程应用，微波频带又被人为划分为多个区间，以字母代号区分，具体如表2所示。
表1 微波NDT的适用范围及特点
| 适用范围 | 主要检测内容 | 主要优点 | 局限性 |
|---|---|---|---|
|
1. 工程塑料，复合材料 2. 工程陶瓷 3. 钢筋混凝土 4. 金属表面开口裂纹 5. 橡胶轮胎 6. 固体火箭玻璃钢壳体与推进剂 7. 航空、航天工业中所用的非金属材料与黏接结构 8. 高速公路、机场、跑道的铺设路面 9. 桥梁和房屋建筑结构 10. 铁道路基 11. 粮食、石油、纸张和建筑材料等含水量快速测量 12. 集成电路芯片质量 13. 地下管线的分布 14. 地下水埋深 15. 考古 16. 环境污染监测 17. 桥墩附近水下河床的冲刷 18. 地铁“盾构挖掘”中的微波导引 |
1. 非金属内部气孔，裂纹，夹杂或不均匀性 2. 粘接结构的气孔或脱粘 3. 金属表面的开口裂纹深度和分布 4. 非金属的密度，固化度，湿度等快速测定 5. 飞机轮胎内部气孔与裂缝 6. 建筑工程构件内部孔洞 7. 集成电路芯片内部缺陷 8. 复合材料叠层的分层、气孔与脱粘 9. 非金属或金属板厚度的精确测定 10. 钢筋混凝土保护层厚度的快速测定 |
1. 可实行非接触检测 2. 对非金属材料的穿透力强 3. 在非金属内，对平面型和体积型缺陷同样敏感 4. 操作方便，检测数据易保存和再现 5. 易于自动化，适于连续、快速检测 6. 不需耦合剂，无污染问题 7. 微波信号可控性强（易于实行幅度、相位、频率及阶跃调频等多种调制方式） 8. 易于2D和3D成像，可实行整体性的检测与评估 |
1. 因趋肤效应，不能检测金属或碳、石墨等非金属导电材料的内部缺陷 2. 检测灵敏度、空间分辨力与工作频率、传感器形式密切相关 |
表2 微波频段
| 频段标号 | 频率/Hz | 真空中波长/m |
|---|---|---|
| UHF | 3×108 ~ 3×109 | 1.0 ~ 10-1 |
| P | 2.3×108 ~ 1×109 | 1.3 ~ 3×10-1 |
| L | 1×109 ~ 2×109 | 3×10-1 ~ 1.5×10-1 |
| S | 2×109 ~ 4×109 | 1.5×10-1 ~ 7.5×10-2 |
| C | 4×109 ~ 8×109 | 7.5×10-2 ~ 3.8×10-2 |
| X | 8×109 ~ 12.5×109 | 3.8×10-2 ~ 2.4×10-2 |
| Ku | 12.5×109 ~ 18×109 | 2.4×10-2 ~ 1.7×10-2 |
| K | 18×109 ~ 26.5×109 | 1.7×10-2 ~ 1.1×10-2 |
| Ka | 26.5×109 ~ 40×109 | 1.1×10-2 ~ 7.5×10-3 |
| Q | 33×109 ~ 50×109 | 9.1×10-3 ~ 6.0×10-3 |
| U | 40×109 ~ 60×109 | 7.5×10-3 ~ 5.0×10-3 |
| V | 50×109 ~ 75×109 | 6.0×10-3 ~ 4.0×10-3 |
| E | 60×109 ~ 90×109 | 5.0×10-3 ~ 3.3×10-3 |
| W | 75×109 ~ 110×109 | 4.0×10-3 ~ 2.7×10-3 |
| F | 90×109 ~ 140×109 | 3.3×10-3 ~ 2.1×10-3 |
| D | 110×109 ~ 170×109 | 2.7×10-3 ~ 1.8×10-3 |
| G | 140×109 ~ 220×109 | 2.1×10-3 ~ 1.4×10-3 |
| Y | 170×109 ~ 260×109 | 1.8×10-3 ~ 1.2×10-3 |
| J | 220×109 ~ 300×109 | 1.4×10-3 ~ 1.0×10-3 |
微波NDT的发展与雷达技术紧密相连，其演进大致可分为三个阶段：
二战后，微波技术首先被用于检测微波元器件自身，如波导管、天线罩的质量。到了20世纪60年代，随着复合材料在航空航天领域的兴起，微波NDT的应用研究也应运而生。一个标志性事件是1963年，美国成功运用“短程雷达”技术检测了“北极星”导弹的固体火箭壳体内部缺陷，这宣告了微波NDT作为一门独立检测技术的诞生。在这一阶段，技术上多是直接“借用”雷达的喇叭天线等成果进行探索。
从70年代开始，研究人员在实践和理论上都意识到，不能简单地将雷达天线用于近距离检测。雷达探测的是数公里外的远距离目标，其天线设计专注于“远场辐射区”的性能。而NDT的目标近在咫尺，通常在几毫米到几米范围，这恰好是雷达天线的“近场区”。在近场区，天线的指向性会变差，分辨力下降，甚至出现场强振荡，无法有效检测。
这个认知催生了微波NDT技术的专门化开发。核心突破在于，人们开始采用为“近程”检测量身定制的“传输型天线”（如开口同轴线/波导、介质天线、微带谐振传感器），替代了传统的“辐射型天线”。这一时期的关键进展包括：
从20世纪90年代至今，微波NDT技术已深度融入国民经济的方方面面。无论是航空航天关键部件的质量控制，还是集成电路芯片的精密检测；无论是公路、桥梁、大坝等基础设施的健康监测，还是考古、探雷等特殊应用，微波检测都已成为不可或缺，甚至是唯一的有效手段。技术的边界仍在拓展，更高频的亚毫米波可用于快速波谱分析，而更低频的电磁波则能探测更深的地下结构。
与其他NDT技术相比，微波法具有鲜明的特点。
主要优点：
进行复杂的材料内部结构分析或缺陷定量评估时，需要精确控制微波信号并对返回信号进行高级算法处理，这往往需要深厚的专业知识和实践经验。因此，要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测复合材料无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636
局限性： 微波检测的主要限制源于电磁波的“趋肤效应”。它无法穿透金属、碳、石墨等导电材料的内部，因此不能用于检测这些材料的内部缺陷。例如，在金属与非金属的粘接结构中，无法从金属一侧检测粘接质量。对于非导电材料，其检测灵敏度和空间分辨力也与工作频率和传感器设计密切相关，通常需要根据具体应用进行权衡优化。
微波的物理行为与光波、声波有相似之处，其特性取决于波长与相互作用物体尺寸的相对关系。
下表总结了微波检测中几个关键的物理特性。
表3 微波物理特性
| 性质 | 主要特征 | 表达式 | 符号说明 |
|---|---|---|---|
| 直线传播 | 在均匀、各向同性介质中，微波为横波，电场和磁场矢量垂直于传播方向。 | E = E₀ejωt-γz H = H₀ejωt-γz γ = α + jβ |
γ: 传播常数 (m-1) α: 衰减常数 (dB/m) β: 相位常数 (rad/m) |
| 波阻抗 | 电场强度E与磁场强度H之比，反映介质对电磁波的阻碍作用。自由空间波阻抗 Z₀ ≈ 120π Ω。 | Z = E/H = √(μ/ε) | μ: 磁导率 ε: 介电常数 (ε = ε’ - jε’') |
| 传播速度 | 相速度取决于介质的磁导率和介电常数，在真空中等于光速。 | v = fλ = c / √(μrεr) | μr: 相对磁导率 εr: 相对介电常数 c: 光速 (≈3×108 m/s) |
| 趋肤效应 | 微波入射到导体时，场强会迅速衰减。渗透深度δ是指场强衰减到表面值1/e (约36.8%)处的深度。 | δ = 1 / √(πfμσ) | f: 频率 μ: 磁导率 σ: 电导率 |
| 驻波 | 入射波与反射波干涉形成的稳定波形。驻波比(SWR)可反映反射强度。 | S = (1 + / | ρ/ |
趋肤效应是理解微波检测局限性的关键。从下表可以看出，电磁波在良导体中的渗透深度随频率升高而急剧减小。在GHz频段，微波在铜中的渗透深度仅为微米量级，这解释了为何它无法探测金属内部。
表4 电磁波在导体中的渗透深度
| 导体 | 电导率 σ (107 S/m) |
相对磁导率 μr | δ√f (m/s1/2) |
渗透深度 δ / mm | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 60Hz | 1kHz | 1MHz | 3GHz | ||||
| 铜 | 5.80 | 1.00 | 0.066 | 8.5 | 2.1 | 6.6×10-2 | 1.2×10-3 |
| 铝 | 3.45 | 1.00 | 0.085 | 11.0 | 2.7 | 8.5×10-2 | 1.6×10-3 |
| 铬 | 3.8 | 1.00 | 0.081 | 10.0 | 2.6 | 8.1×10-2 | 1.5×10-3 |
| 石墨 | 0.01 | 1.00 | 1.59 | 205 | 50.3 | 1.59 | 2.9×10-2 |
| 镍 | 1.3 | 1×102 | 0.014 | 1.8 | 0.44 | 1.4×10-2 | 2.6×10-4 |
| 海水 | 5×10-7 | 1.00 | 2×102 | 3×104 | 7×103 | 2×102 | 非良导体 |
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