Page 78 - 无损检测2022年第五期
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回沛林,等:
埋地聚乙烯管线外部土壤空穴的微波无损定量检测
微波检测是利用微波在介电材料中传播时, 遇 该系数与 PE 管与土壤之间的空气域, 即空穴域尺
到异质界面发生反射、 透射和散射的特性而提出的 寸紧密相关。
一种新型无损检测技术, 该技术具有检测频谱宽、 穿 在透射反射过程中, 微波能量会在 PE 管体以
透力强、 灵敏度高、 非接触、 无需耦合剂等特点, 同时 及空穴域中发生损耗。若土壤距离 PE 管越远( 即
兼有检测速度快、 受环境影响小以及绿色环保等优 PE 管线外部土壤空穴越大), 则反射波能量越小,
势。近年来, 微波检测已渐渐成为无损检测热门研 越小。因此, 通过拾取该变化并对其进行定量
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究方向之一, 受到国内外学者的广泛关注 [ 4 ] 。董仁 分析有望实现对 PE 管线外部土壤空穴的微波无损
杰 [ 5 ] 为油轮管系及石油储运管道检测提供了一种定 定量检测。
位缺陷、 确定缺陷尺寸、 评价缺陷等级于一体的缺陷 1.2 微波检测试验平台
检测与评级方法。胡金花等 [ 6 ] 集中研究了基于矩形 基于上述微波检测原理, 文章搭建的 PE 管线
开口波导的 GFRP ( 玻璃纤维增强塑料) 表面缺陷微 外部土壤空穴微波无损定量检测试验系统结构如图
波检测相关方法。 CHEN 等 [ 7 ] 研究了管道 弯曲对 2 所示, 该系统主要由矢量网络分析仪、 同轴探头、
PE 管、 土壤层及计算机组成。同轴探头与矢量网络
于微 波 无 损 检 测 性 能 的 影 响。 BÜYÜKÖZTÜRK
等 [ 8-9 ] 提出了一种利用机载喇叭天线在远场条件下 分析仪端口连接, 在激励下向外辐射平面电磁波, 同
进行雷达无损检测的方法, 实现了 GFRP 包裹混凝 时, 该探头 测 取 由 空 气 - 土 壤 异 质 界 面 反 射 回 的 回
土柱的 GFRP- 混凝土界面脱黏和混凝土开裂等损 波, 经矢量网络分析仪处理, 输出不同频率下的微波
伤的检测。谭建国等 [ 10 ] 研究了 CFRP 冲击损伤的 ( 包括幅值和相位), 得到微波检测信
反射系数 S 11
毫米波检测可视化定量评估手段。杨玉娥等 [ 11 ] 证
号, 该信号由计算机储存、 显示以及处理, 用于对 PE
明了利用合适尺寸的同轴探头可以实现在低频率段 管线外部土壤空穴实施定量评估。试验中, 同轴探
对热障涂层的微波无损检测。然而, 国内外鲜有关 头紧贴固定于 PE 管内壁, 通过改变土壤层与 PE 管
于基于微波反射法对 PE 管线外部土壤空穴进行无 外壁的距离( 用于模拟空穴尺寸的变化), 测取多组
损定量检测的研究报道。 反射系数, 通过信号处理、 特征提取等手段, 建立微
鉴于此, 文章通过系列试验研究, 集中探究了基 波检测信 号 与 PE 管 线 外 部 土 壤 空 穴 尺 寸 的 关 联
于微波反射法定量评估 PE 管线外部土壤空穴的可 规律。
行性。
1 检测原理及试验平台
1.1 PE 管线外部土壤空穴的微波检测原理
PE 管线外部土壤空穴的微波无损检测原理如
图 1 所示。检测时, 同轴探头紧贴 PE 管内壁向外
发射 TEM 波( 横电磁波), 入射波辐射主方向与 PE 图 2 PE 管线外部土壤空穴微波无损定量检测试验
管管壁垂直, 其穿透 PE 管管壁后经过一定距离( 空 系统结构示意
穴域) 接触空气 - 土壤异质界面, 入射波在该界面发
生反射, 反射波经过空穴域再次穿过 PE 管后被同 2 试验结果及讨论
轴探头接收。通过矢量网络分析仪对入射波和反射 2.1 PE 管线外部土壤空穴的微波响应分析
,
波的能量进行测量, 取两者比值获得反射系数 S 11 首先针对 PE 管线外部土壤空穴的微波响应进
行分析, 以初步确定空穴微波检测的可行性。通过
查阅相关资料得到空气、 土壤及 PE 管的相对介电
常数( 空气为 1 , PE 管为 2.26 ; 干燥状态下的土壤为
2.8 )。微波检测时电磁波反射率Γ 的计算式为
Z 2 -Z 1
Γ = ( 1 )
Z 2 +Z 1
分别为介质1 和介质2 的波阻抗, 波
式中: Z 1 和 Z 2
图 1 PE 管线外部土壤空穴的微波检测原理示意
阻抗 Z 的计算式如式 2 所示。
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2022 年 第 44 卷 第 5 期
无损检测
