微波检测技术核心应用深度解析

自20世纪60年代初，微波检测技术历经半个多世纪的独立发展，已然自成一派。其演进的背后，离不开军事领域对微波源、传感器、传输线及检测网络技术的持续投入，这些进步极大地拓展了微波技术的功率、频率与性能边界。与此同时，在先进制造、航空航天、交通、水利乃至建筑工程等领域，新材料与新结构——如高分子塑料、复合材料、工程陶瓷、钢筋混凝土——的广泛应用，也对无损检测技术提出了前所未有的高要求。这种需求与技术的双轮驱动，共同将微波检测推向了应用的深水区。

微波检测凭借其非破坏、强穿透、非接触、对平面与体积缺陷同样敏感、信号可控性强等固有技术特性，以及快速、精确、经济的检测优势，在众多场景中展现出其独特的价值。本文将深入剖析微波检测技术在各个前沿与关键领域中的具体应用实例。

1. 湿度的微波测量

在众多非金属材料的生产、运输与存储环节，湿度控制是确保其性能与质量的生命线。例如，感光胶片的质量对湿度极为敏感；火箭固体燃料中微量的水分可能在低温下结冰，引发灾难性后果；合成橡胶生产中，混合剂水分超标则可能催生大量乙炔，带来燃烧爆炸的风险。

微波测湿的基本物理原理

测湿的本质，在于量化样品中介质与水的混合比例。其物理基础在于水分子独特的介电特性。在1至30Hz频率范围内，常温下水的相对介电常数ε_r高达30-77，损耗角正切tanδ在0.12-0.17之间。相比之下，绝大多数绝缘干燥物质的ε_r仅为1-5，tanδ则低至0.001-0.05。这种巨大的差异意味着，样品中含水量的微小变化，都会引起其复合介电常数的显著改变。因此，通过精确测量与复合介电常数相关的物理量，便可反推出含水量的多少。

具体到测量方法：

• 透射法/反射法：当TEM波穿过厚度为d的样品时，其衰减常数α和相移常数β分别由以下公式描述： α = (π/λ)√ε_r·tanδ β = (2π/λ)√ε_r 波穿过样品后的总衰减A和总相移φ则为： A = αd = (πd/λ)√ε_r·tanδ φ = βd = (2πd/λ)√ε_r 由于ε_r和tanδ随湿度变化，微波信号的振幅和相位也相应地成为湿度的函数。

• 腔体微扰法：将测湿样品置于谐振腔内，会引起腔体谐振频率f₀和品质因数Q₀的漂移。通过测量这些变化，同样可以标定湿度。

在工程实践中，通常无需直接解算出介电常数的精确值，而是通过测量微波的衰减、相移或谐振频率的变化，再对照预先制作的标定曲线，即可快速查得对应的湿度值。

常用微波测湿系统

微波测湿的方法多样，包括衰减法、相移法、反射波法、平衡桥路法及谐振腔法等。其中，双T平衡桥路法因其高灵敏度而备受青睐，尤其适用于低水分或高分辨率的测量场景。其测试电路如图1所示。该方法采用桥路平衡原理，使得测量结果与晶体检波器的特性无关，从而降低了对微波信号源稳定性的要求。应用实例表明，在毫米波段，该方法可测量石油中0.002%至0.1%的微量水分；在3cm波段，测量磷酸氨等粒状固体的含水量（0.2%~1.5%）时，精度可达±0.1%。

图1 双T平衡桥路法测湿仪方框图

2. 悬浮体浓度的微波测量

悬浮体是液体（基质）与不溶固体微粒（悬浮质）的混合物。为了定量分析其浓度，我们可以构建一个简化的物理模型，如图2所示，将悬浮体视为基质层与悬浮质层的叠加。

图2 悬浮体的物理模型

通过一系列的质量与密度关系推导，可以建立起悬浮质浓度s与微波衰减量A之间的函数关系。简而言之，微波穿过悬浮体时的总衰减，是基质层衰减与悬浮质层衰减的线性叠加。最终可以得到一个关于浓度s和衰减A的函数表达式：s = f(A)。这意味着，通过测量微波信号的衰减，即可确定悬浮体的浓度。

此技术可直接应用于乳制品生产、水泥粘合剂质量控制、化工中间过程监控等领域。例如，图3展示了在不同温度下，炼乳浓度s与微波衰减的实验关系曲线，验证了该方法的可行性。

图3 炼乳的浓度和衰减的实验曲线

3. 厚度的微波检测

金属板测厚

对于金属板，微波无法穿透，但可以利用其反射特性进行高精度测厚。其原理如图4所示，待测金属板与两个终端短路器构成一个“等效短路器谐振器”。金属板厚度的变化Δd会改变其上下表面的反射波相位，从而改变等效谐振腔的总长度L，最终体现为输入端反射系数相角θ的变化。

图4 微波测厚的工作原理图

相角θ与总长度L的关系为：θ = (4π/λ_g) * (L₁ + L₂)。一个关键的优点是，当金属板整体做平行移动时，L₁ + L₂的总和保持不变，因此测量结果不受板材振动的影响。

实际系统常采用微波电桥进行相角比较，通过“和差”系统将相角变化转化为电信号输出。这种系统已成功应用于金属带材的自动化轧制过程，测厚范围为0.1-0.5mm，动态误差可控制在±0.01mm，且响应时间快至50μs，甚至能在高温环境下工作。

非金属板测厚

对于能够被微波穿透的非金属板，测厚原理则回归到测量微波穿透后的衰减量和相移量。通过穿透法或背衬金属板的反射法，同样可以实现快速、精确的厚度测量。

4. 复合材料及结构完整性检测

固体火箭壳体与粘接结构

在航空航天领域，复合材料的完整性至关重要。连续波反射计是一种有效的检测工具，它通过测量驻波幅度的变化来识别内部缺陷。例如，在检测玻璃纤维固体火箭燃烧室这类部件时，使用12.4-18.0GHz的频率，内部的气孔、脱粘等不连续性会引起反射波的改变，这些改变在C扫描图像上表现为亮区或暗区。通过设置阈值，可以只显示超过特定严重程度的缺陷。如图5所示的系统，通过引入网络分析仪，可以同时利用相位和幅度信息，从而提高对脱粘和气孔等不同类型缺陷的区分能力。实验表明，对于不同尺寸的脱粘和气孔，其相位响应差异显著，易于分辨。

图5 用于检测不连续性的微波检测系统

图6 利用网络分析仪的微波检测系统

5. 金属表面裂纹的微波检测

虽然微波的趋肤效应使其无法深入金属内部，但它对表面状态却异常敏感。当金属表面存在裂纹，且裂纹方向与电场极化方向一致时，它会扰乱表面电流的正常分布，从而改变反射波的特性。裂纹的深度和宽度都与反射信号相关。基于此原理，可以非接触地测量金属表面的粗糙度和微裂纹。图7展示了这样一个检测系统，通过特定的波导和模式转换，可以分离出由裂纹引起的信号，实现高灵敏度的表面缺陷检测。

图7 金属表面裂纹微波检测系统

6. 探地雷达 (GPR) 技术

探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR），又称亚表面界面雷达，是一种利用高频电磁波探测地下介质差异的强大技术。

GPR技术概述

GPR的基本工作模式是：发射天线向地下发射电磁波脉冲，当电磁波遇到电磁特性（主要是介电常数和电导率）不同的介质分界面或目标体时，一部分能量被反射回地面，由接收天线捕获。通过记录电磁波的双程走时和信号强度，结合天线的移动，就可以构建出地下的二维或三维剖面图。

电磁波在不同介质中的传播速度和衰减系数差异巨大，如表1所示，这是GPR能够工作的物理基础。

表1 常用介质中影响电磁波传播的部分物理参数

尽管电磁学理论已相当成熟，但GPR技术仍面临挑战，主要源于地下介质的复杂性、非均质性和多变性。近年来，随着计算能力的提升和数据处理算法的创新，GPR在我国的地质勘探、工程勘查、考古、环境监测等领域取得了显著成效。

GPR主要类型

• 地面探地雷达 (图8): 主要用于浅层目标探测，如市政管线、道路路基、桥梁铺装、隧道衬砌等。随着技术进步，也开始用于墙体、楼板等建筑结构检测。探测深度通常在30米以内。
• 钻孔探地雷达 (图9): 将天线置于钻孔内，分为单孔和双孔模式，用于探测更深的岩层裂隙、矿体分布和地下水。探测深度可达100米以上。

图8 地面探地雷达示意图

图9 钻孔探地雷达示意图

GPR数据处理：从原始信号到清晰图像

数据处理是GPR技术的瓶颈，也是其发展的关键。海量的原始数据若不经处理，几乎无法解读。处理过程通常分为基本处理和高级处理。

• 基本处理：核心是滤波和抑制杂波。由于GPR信号的时变、非平稳特性，传统傅里叶滤波效果有限。叠加法对随机噪声有效，而对相干噪声的处理则需要更复杂的算法。近年来，S变换等继承了小波变换时频局部化思想的新技术，因其更优的性能，在GPR信号处理中展现出巨大潜力。
• 高级处理：旨在对地下目标进行精确刻画。
  1. 图像处理法：借鉴地震数据处理方法（如偏移、反褶积），并引入合成孔径、全息成像等技术，对雷达图进行处理，以识别目标。该方法速度快，适用于地雷探测等实时性要求高的场合。
  2. 逆散射法：从电磁波方程出发，通过接收到的信号反演介质的电磁参数和目标的几何参数。这是一种定量无损评估（QNDE）方法，但计算量巨大，是当前研究的热点和难点。

GPR的实用形态与局限性

GPR设备形态多样，包括车载式、手推车式和便携式等（图10），以适应不同场景的需求。

a) 车载式GPR系统（检测公路路面）

b) 手推车式GPR系统（检测楼板）

c) 便携式GPR系统（检测隧道内壁）

d) 手推车式GPR系统（检测铁路路基） 图10 常见型式的探地雷达

适应性与局限性：GPR的适应性极广，在许多场合无可替代。然而，它也存在固有的矛盾：探测深度与分辨率相互制约，高频天线分辨率高但穿透浅，低频天线穿透深但分辨率低。此外，探测效果严重依赖地质条件。在高电导率（如含盐分的湿粘土）地层中，电磁波衰减极快，探测深度会急剧下降。

7. 集成电路(IC)内部剥离的微波无损检测

在半导体封装中，芯片、引线框架与封装树脂之间的剥离或分层是常见的失效模式。微波检测为这类内部缺陷的识别提供了有效手段。

检测系统通常由一个同轴线传感器、网络分析仪、计算机和扫描平台构成（图11、图12）。传感器靠近IC封装表面扫描，内部的剥离缺陷会改变该区域的局部介电常数，从而引起微波反射信号的相位和幅度变化。通过采集这些变化并成像，可以清晰地揭示树脂内部的裂缝以及树脂与芯片焊盘的剥离情况（图13）。随着技术向毫米波波段发展，检测精度有望进一步提升，为IC的质量控制和失效分析提供更强大的工具。

图11 同轴线传感器与集成电路封装截面

图12 微波相位测量系统的配置

图13 显微镜下IC封装的截面图与微波检测结果对比

8. 微波源加热的热成像无损检测

传统的热成像技术通常使用光学源（如闪光灯）加热，而采用微波源加热则开辟了新的可能性。其优势在于：

• 选择性加热：可以针对性地加热对微波吸收强烈的缺陷（如水分、碳化物）。
• 深度穿透：微波能穿透材料表面，加热更深层的缺陷。
• 提升性能：能够提高空间分辨率、检测灵敏度和加热速度。

试验装置如图14所示，微波源照射样品，红外摄像机捕捉表面温度场变化，从而识别内部缺陷。图15、图16展示了一个聚四氟乙烯-有机玻璃-水构成的样品及其检测结果。水作为强微波吸收体，其位置在热像图上清晰可见。该技术在检测斜拉桥钢索内部缺陷、航空航天合金连接质量等方面具有良好的应用前景。

图14 微波源热成像试验装置

图15 聚四氟乙烯-有机玻璃-水构成的样品结构图

图16 样品的检测结果

9. 桥梁附近河床冲刷的微波探测

桥墩周围的河床冲刷是导致桥梁垮塌的重大隐患。洪水过后，冲刷坑洞常被泥沙回填，使得潜水员目视检查或常规的声呐探测（声波会被第一层固体表面反射）难以发现。

GPR技术为此提供了解决方案。研究表明，工作在100-500MHz的船载GPR系统（图17, 图18, 图19）能够穿透水体和回填的泥沙，有效探测冲刷坑洞的形态和范围。探测效果的关键影响因素是水的电导率，在高盐度（如河口）或高污染水域，微波衰减加剧。但在大多数内陆河流中，微波法可探测的水深能达到4-5米，足以满足大部分桥梁的监测需求。

图17 河床冲刷的模拟试验

图18 各种材料特性试验的结果

图19 用于桥墩附近水下河床冲刷监测的微波检测系统

10. 汽车防撞雷达

在智能交通领域，微波雷达早已用于公路测速。当前研发的热点是汽车防撞雷达。调频连续波（FMCW）雷达因其结构简单、发射功率小而一度成为主流。但FMCW雷达在实现高精度、高分辨率时面临调频线性度差、成本高等技术瓶颈，且无法直接判断目标相对运动方向。

基于六端口技术的防撞雷达则能克服这些缺点。如图20所示，通过双频六端口结测量反射系数的相位，可以同时获取目标的距离和相对速度信息。该系统可采用模拟信号处理（ASP）以降低成本，或采用数字信号处理（DSP）以提高精度，为高级驾驶辅助系统（ADAS）提供了可靠的感知技术。

图20 双频六端口测速测距雷达原理框图 (a) 模拟信号处理 (b) 数字信号处理

11. 毫米波焦平面成像系统

毫米波兼具微波的穿透性和光学的准直性，其成像系统在多个领域展现出巨大潜力。一个典型的94GHz焦平面成像系统（图21）由光学部分（透镜）和焦平面阵列（FPA）组成。FPA集成了大量接收单元，能够实现对场景的快速被动式成像。

图21 毫米波焦平面成像原理图

主要应用：

• 违禁品安检：人体、衣物和隐藏的金属/塑料武器之间存在显著的噪声温度差异，毫米波成像系统可以“看透”衣物，清晰地显示隐藏的违禁品。
• 低能见度下飞机安全着陆：该系统能为飞行员提供清晰的前方视场图像，不受雾、霾、雨、雪影响，且是完全自主的被动系统，无需地面设备支持。
• 其他领域：在托克马克等离子体诊断、射电天文望远镜对超新星成像等方面，毫米波成像也因其高时空分辨率而发挥着重要作用。

12. 微波波谱学应用

微波波谱学是研究物质在微波频段的电磁辐射与吸收谱，以揭示分子能级精细与超精细结构的学科。它分为气体波谱和固体波谱（主要是电子自旋共振谱）。

与红外光谱相比，微波波谱的分辨率更高，频率测量更精确。它可以用来辨认有机分子，研究大分子的精细结构和化学键性质。20世纪60年代，射电望远镜与微波波谱学的结合，在星际空间发现了数十种有机分子，为探索宇宙演化和生命起源提供了宝贵线索。

电子自旋共振（ESR）是研究晶体中顺磁离子在外磁场下能级分裂的重要工具。图22展示了现代高频调制ESR谱仪的原理。通过高频磁场调制和相敏检波技术，可以极大地提高信噪比，获得吸收曲线的一次微分谱，从而精确研究固体的内部结构和晶格作用力。

图22 高频调制电子共振谱仪线路的方框图

13. 飞机构件涂层下腐蚀的微波检测

飞机结构腐蚀是影响飞行安全和寿命的严重问题。瞬变微波探测（Evanescent Microwave Probe, EMP）技术的发展，使得在不去除涂层的情况下，对涂层下的腐蚀进行高分辨率检测成为可能。

EMP探头本质上是一个微带谐振器（图23）。当它靠近被测表面时，涂层下的腐蚀产物会改变其有效探测区内的介电特性，从而导致谐振器的谐振频率(f₀)和品质因数(Q)发生变化（图24）。通过扫描并记录这些变化，可以生成一幅高分辨率的腐蚀分布图（图25）。

图23 EMP探头示意图

图24 EMP探头的反射系数

图25 涂层下被腐蚀区域的检测结果

EMP技术的优势在于其极高的空间分辨率（可达微米级）和穿透涂层的能力，为飞机维护提供了前所未有的精确诊断工具，具有巨大的社会经济效益。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，专业检测腐蚀与缺陷无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

14. 用于医疗的微波技术

微波辐射计控温

热疗是肿瘤治疗的一种辅助手段，其原理是将肿瘤组织加热到42.5-45°C，在该温度下癌细胞会萎缩死亡，而正常组织受影响较小。关键在于精确的无创测温与控温。

微波辐射计提供了一种理想的解决方案。它通过被动接收人体组织自身发出的微弱热辐射微波信号来测温。根据普朗克辐射定律，接收到的辐射功率P与组织温度T成正比：T = P / (k·B·ε)，其中k是玻尔兹曼常数，B是带宽，ε是人体热发射率。通过这套系统，可以实现对肿瘤组织的非接触式测温，并闭环控制加热微波源的功率，从而实现精准热疗，提高疗效并减少副作用。

等离子体的微波“诊断”

在可控核聚变等前沿物理研究中，需要对数千万度高温的等离子体进行参数诊断。微波诊断是一种重要的无接触测量方法。高频微波可以穿透等离子体，其在传播过程中发生的振幅和相位变化，携带着等离子体密度、电子温度等关键信息。通过分析透射或反射的微波信号，即可反演出这些参数。微波诊断响应速度快，能捕捉等离子体中瞬息万变的能量变化。

15. 其他前沿应用

微波检测技术的应用版图仍在不断扩张，延伸至更多领域：

• 隧道盾构“导引”：在城市非开挖工程中，安装在盾构机上的微波“导引器”如同地下雷达，能实时探测前方密如蛛网的既有管线和障碍物，为施工提供导航，避免“开膛破肚”，大幅缩短工期。
• 地质与环境监测：用于探测地下水埋深、冰川厚度，以及监测环境污染。
• 考古与公共安全：在考古中用于探测古墓遗迹，在公共安全领域用于快速检测可疑物品。