Page 79 - 无损检测2022年第五期

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

μ
Z = ( 2 )
ε
式中: 和 ε 分别为介质的磁导率和介电常数。
μ
通过计算可知, 当 PE 管外壁存在空穴时( 即微
波 辐 射 域 内 存 在 PE- 空 气 界 面 ), 反 射 系 数 为

0.2011 ; 当 PE 管外壁无空穴时, 即微波辐射域内存
在 PE- 土壤界面( 不存在 PE- 空气界面), 反射系数

为0.0535 。由此可见, 存在空穴时所拾取微波的反
射系数更大。试验时, 分别对 PE 管外壁有 / 无土壤
图 4 有无土壤包裹情况下 S 11 幅值均值曲线
, 微波扫频
层情况测取 3 组微波扫查数据, 获得 S 11
检测频段进行分析和择优选取。采用多个微波波段
波段为 Ka波段。测取 3 组数据时, 探头分别位于
对空穴进行检测, 对比不同 PE- 土壤距离下微波信
距 PE 管底部 15 , 20 , 25cm 处, 其中一组数据曲线
如图 3 所示。由图 3 可见( 图中幅值 为比值, 无量 号的变化, 选择信号差异性最大时对应的微波波段
数据的相位信息在有 / 无土层包裹情 进行后续试验。分别采用 Ka 波段、 X 波段以及 C
纲, 下同), S 11
波段微波对不同 PE- 土壤距离进行检测, 各波段在
况下存在明显区别, 而幅值信息在低频区域的变化
数据用于对比。将同一距
相对明显, 这是因为微波频率越低, 所激发入射波对 不同距离下测取两组 S 11
PE 管体的穿透效果越好, 对 PE 管外部区域材料的 离下测得的两组数据的差值与另一距离下测得数据
的差值进行对比, 若对比明显则说明该波段微波对
变化情况越灵敏。
PE- 土壤距离敏感, 可用于 PE 管外壁土壤空穴的定

量检测。 3 个波段不同距离下信号的对比如图 5~7
所示。

图 3 有无土壤包裹情况下 S 11 数据对比
在以上分析基础上, 分别对有 / 无土壤层情况下

幅值进行信号处理, 求取其均值,
各频率对应的 S 11 图 5 Ka波段 10cm 与 20cm 处的 S 11 信号对比
幅值均值作为特征量, 用以区分 PE 管外部
由图 5~7 的综 合对比可见, 相比 C 波 段, Ka
将 S 11
空穴情况。利用有 / 无空穴情况下不同扫查位置的 波段和 X 波段微波对空穴尺寸响应灵敏度不足, 且
幅值均值绘制扫查曲线( 见图 4 ), 在图 4 中, 扫
S 11 C 波段中4GHz~5GHz频段对空穴尺寸具有最高
查位置 1 , 2 , 3 分 别 对 应 距 PE 管 端 部 的 15 , 20 , 响应灵敏度, 因 此, 选 择 4~5GHz 作 为 最 优 微 波

数据的幅值均值 频段。

25cm 处。由图 4 可见, 通过 S 11
可对 PE 管线外部是否存在空穴进行有效判定, 试 在 C 波段的 4~5GHz频带中, 对 PE 管 - 土壤

验结果初步验证了利用微波反射法进行 PE 管外部 距离分别为 0 , 2 , 4.4 , 6.8 , 8.6 , 10.6 , 12.8 , 14.5 , 15.9 ,
空穴检测的可行性。 幅值
18.1 , 19.9cm 的情况进行微波检测, 提取 S 11
2.2 PE 管线外部土壤空穴尺寸的定量检测 均值作为检测信号的特征, 建立 S 11 幅值均值 - 空穴
为有效提升 PE 管线外部土壤空穴尺寸微波定 尺寸映射关系曲线。研究选择其中 7 组数据( 对应

量检测的灵敏度, 鉴于先前的研究结论, 首先对微波 PE- 土壤距离为 0 , 2 , 4.4 , 10.6 , 15.9 , 18.1 , 19.9cm )
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2022 年 第 44 卷 第 5 期
无损检测