随着材料科技发展的日新月异,新材料广泛应用于生产生活的各个领域,人们对材料的安全性、稳定性要求越来越高,材料的无损检测(Nondestructive Testing,NDT)备受重视。由于微波不需要耦合媒质,能够以非接触的方式穿过介质进行检测,因此在无损检测领域具有举足轻重的地位。微波无损检测可大致分为近场检测和远场检测,其中近场检测由于可突破衍射极限,具有很高的灵敏度和分辨率,而被广泛研究。近场检测又可分为谐振型和非谐振型。传统的微波近场无损检测的传感结构多采用非谐振型的开口波导、开口传输线、行波天线,由于非谐振传感结构的近电磁场能量较小且不集中,检测分辨率和灵敏度都受限。谐振型传感结构设计灵活、近场强大、能量局域,在近场检测领域具有很大的潜力。对于这方面的研究,在理论机理方面,无论从场还是路的角度,都有深入探讨的空间;在应用设计方面,目前谐振型近场检测缺少完备的设计规则和评价准则,且存在灵敏度和分辨率依然不高的问题。本文基于强近场纵向束缚特性的互补螺旋谐振器(Complementary Spiral Resonator,CSR),展开对谐振型近场无损检测的研究。主要研究内容包含以下4个部分:1.本文从场的角度,分析了制约灵敏度和分辨率的关键因素。首先通过对近场检测过程的分析,将灵敏度分为结构传感灵敏度和网络传感灵敏度。结构传感灵敏度与传感结构的近场特性直接相关,通过对几种谐振结构近场特性的分析,揭示了传感结构近场的高横向局域特性和高纵向束缚特性对提高表面及近表面缺陷检测灵敏度和分辨率的重要作用。网络传感灵敏度和传感网络的特性直接相关,通过对较为简单的激励电路组成的单端口和二端口传感网络的分析,给出了提高网络传感灵敏度的方法。2.本文从电磁场的角度,分析了近场检测的相互作用机理。基于电磁场的微扰理论,分析了缺陷对传感结构谐振频率的扰动机理。理想无耗媒质的缺陷扰动了电场能量,表现为电路中的等效电容扰动;理想无耗导体表面缺陷扰动了电场和磁场能量,表现为电路中的等效电容和电感的扰动。基于电磁场的洛伦兹互易定理及微波网络理论,分析了缺陷对单端口、二端口网络散射参数[S]的扰动机理,明确了散射参数[S]与缺陷处电磁场的联系。3.首先针对金属表面裂纹检测存在灵敏度不高、难以全方向检测的问题,通过等效电感扰动型近场检测的理论分析得到:金属表面裂纹检测的灵敏度与金属表面感应电流方向、裂纹方向有关。本文提出一种基于6条螺旋缝隙的紧凑CSR传感结构,在待测金属表面形成近环形电流,进而实现高灵敏度全方向的裂纹检测。通过仿真与试验,验证了该传感结构检测宽0.2mm(λ/257.3)深2mm(λ/25.7)裂纹,能够实现400MHz左右的谐振频率偏移,印证了其高灵敏度性能。通过数值仿真,传感结构全向裂纹检测能力和高分辨率性能(3mm,λ/17.2)也被验证。然后基于微波近场可穿透非金属材料表面的特点,本文对CSR传感结构的检测深度、分辨率、灵敏度受结构参数的影响进行了研究。针对非金属材料表面缺陷的检测,提出了一种高灵敏度的传感结构。针对内部缺陷检测,评估了该传感结构对内部缺陷的检测深度,并给出了提高传感结构检测深度的方法。4.本文开展了对材料缺陷的微波近场扫描成像研究。根据表面及近表面缺陷的高分辨率近场检测对传感结构近场特性的要求,本文对单条螺旋缝隙的CSR结构参数进行分析,设计了一种工作在超高频(Ultra High Frequency,UHF)的高分辨率(3mm,λ/308)谐振型微波近场扫描成像探针。基于实验,本文证明了传感结构能够对聚甲醛板(Polyformaldehyde,POM)表面的宽λ/1538裂纹、直径λ/513通孔、铝合金板表面宽λ/3846裂纹、直径λ/513通孔进行检测成像,具备对表层材料下多层复合材料泡沫内芯的缺陷和金属锈层下的缺陷检测成像的能力。综上所述,本文基于电磁场理论、微波网络理论等,对表面及近表面缺陷的谐振型近场检测机理、传感结构设计方法和实现方式进行了深入的研究,并根据材料无损检测对高检测性能的要求,提供了一套有效的设计方法。