Page 95 - 无损检测2023年第八期
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王申华, 等:
基于微波的输变电线路钢筋混凝土结构腐蚀检测
导管有对应的最大传输功率 [ 14 ] , 国际电工委员会标
准IEC153-2 — 1974 《 空心金属波导 第二部分: 普
通矩形波导有关规范》 对不同频段的波导尺寸作了
详细规定, 且频率范围涵盖整个微波波段。为了分
析微 波 频 率 对 腐 蚀 检 测 效 果 的 影 响, 根 据 IEC
153-2 — 1974标准, 仿真采用的波导参数如下: R70
型( 5.38~8.17GHz ), 内截面尺寸为34.849mm×
15.799mm ( 宽×长); R100型( 8.2~12.5GHz ), 内
截面尺寸为22.86mm×10.16mm ( 长×宽); R140
型( 11.9~18GHz ), 内截面尺寸为 15.799 mm×
7.899mm ( 长×宽); R220型( 17.6~26.7GHz ), 内
截面尺寸为10.668mm×4.318mm ( 长×宽)。
3 仿真结果及分析
图3 波导扫描钢筋混凝土模型侧视图
与模型表面的距离为 2mm , 前弓的矩形波导探头 为分析微波工作频率对钢筋腐蚀检测效果的影
①发射微波信号, 后弓的矩形波导探头②和前弓波 响, 主要观察腐蚀前后散射参量 S 21 ( 传输系数) 和
( 回波损耗) 的差异。通常所说的散射参量是指
导探头①接收载有腐蚀信息的透射和反射信号。 S 11
2.2 材料参数设置 归一化散射参量, 二端口网络归一化入, 反射波示意
钢筋锈蚀产物铁锈的主要成分为氧化铁, 其导 如图4所示, 参照图4两者的定义如下: s 11 为端口2
-3
电性 较 差, 密 度 为 5.24 g · cm , 比 热 容 为 接匹配负载时, 端口 1 的归一化电压反射系数; s 21
670J ·( k g K ) , 介电常数为 14.2F · m 。钢 为端口2接匹配负载时, 端口1到端口2的归一化
-1
-1
·
筋、 混凝土材料分别选用 CST 软件材料库 中 的 电压传输系数; 二者可写为
-
Steel-1008和 Concrete ( fort yy earsold ), 铁锈、 钢筋 v 1
s 11= +
+ v =0
和混凝土的具体参数如表1所示。 v 1 2
-
表1 铁锈、 钢筋和混凝土材料具体参数 v 2
s 21= +
+ v =0
2
参数 铁锈 钢筋 混凝土 v 1
参数的dB表示方法为
-1 S i j
电导率 /( S · m ) 10 7.69×106 -
-1
介电常数 /( F · m ) 14.2 - - S i j = 20l g s i j
-3
密度 /( k g · m ) 5240 7870 2400 + + - 、 - 分
式中: v 1 v 2
、 分别为端口1 , 2的入射电压; v 1 v 2
-1 -1
导温系数 /( W · K · m ) 55.0 59.5 1.7
j
别为端口1 , 2的反射电压; i和 分别表示不同端口。
-1
比热容 /( J ·( k g · K ) ) 670 480 800
2.3 微波频率选择
微波检测精度会受到工作频率的影响 [ 12 ] , 在实
际检测中, 为满足灵敏度的要求, 常用 X ( 8.2~
10.9GHz ) 波 段、 Ku ( 10.9~18 GHz ) 波 段 和 K
图4 二端口网络归一化入, 反射波示意( 侧视图)
( 18~36GHz ) 波段, 甚至扩展到 W ( 56~100GHz )
波段。 M.Rockwitz理论指出 [ 13 ] , 金属介质内的气 3.1 R70波导仿真结果
、
隙缺陷半径与波长满足 K×a≈ 1 , 其中 K=2π / λ , λ 波导 R70 扫描得得的 S 21 S 11 参数如图 5 所
为波长, a 为气隙半径; 因此, 根据缺陷尺寸即可确 示, 可知, 未腐蚀与腐蚀钢筋混凝土结构相比, S 21 、
定微波的工作频率。经 M.Rockwitz理论计算, 当 S 11 波形的振荡特性基本一致, 且整体均随频率的
增加呈衰减振荡, 即在波导频率范围内, 峰值( 极大
腐蚀深度分别为2mm 和3mm 时, 对应的微波工
作频率分别为23.88GHz和15.9GHz , 微波工作频 值) 随频率增加逐渐减小。由S 21 参数可知, 钢筋整
幅值
率随缺陷尺寸的减小近似呈线性增大。 体腐蚀后, S 21 曲线较未腐蚀时明显下移。 S 21
不同频率微波传输的功率不同, 确定尺寸的波 主要集中在-18~-26dB , 未腐蚀和整体腐蚀时,
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2023年 第45卷 第8期
无损检测
