CN107063988A - 一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及方法，该钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的整体结构设计较为简单、成本低，其成像方法和原理上直接利用了米波近场效应对电介质材料具有较强穿透性以及传播衰减的特性，数据处理和呈现简单直观、复杂度低、易于实现；并且由于近场波最远只能向前传播一个波长的有效距离，局域性强、抗干扰能力强，因此其成像效果过程不会受到一般远场雷达技术中杂散波的影响，成像得到的钢筋混凝土内部钢结构表面图像能够较为准确的还原和表征其钢结构表面的锈蚀损伤情况，且由于近场波的衰减特性，其成像方法对测试人员的伤害小，有利于其在钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤探测技术领域中广泛应用。

Description

一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及方法

技术领域

本发明属于结构安全监测技术领域，具体涉及一种钢筋混凝土内部钢筋损伤的检测技术，尤其涉及一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及方法。

背景技术

钢筋混凝土是全世界应用最为广泛的建筑材料之一，其材料劣化大多是由于内部钢筋骨架的锈蚀所致。在工程结构中，锈蚀问题依然比较严峻，不但会降低结构的承载力，而且会使结构出现更大的损伤和破坏。

无损检测在检测过程中对构件的损伤比较小或无损伤，这是钢筋损伤检测的发展方向。针对无损检测，现已涌现出不少技术和方法，大致可分为3大类：分析法、物理法和电化学法。

分析法是综合结构本身、外界环境以及时间等影响因素，对钢筋的锈蚀情况进行分析和推断的方法。分析法能够将锈蚀问题的原理剖析透彻，但具有较大随机性，但不同影响因素的组合会造成分析结果的不唯一性，此外，选择不同的锈蚀预测模型，分析效果也会不尽相同。

物理法是通过测定钢筋锈蚀引起物理特性的变化，判断钢筋的锈蚀情况。物理法主要包括电阻棒法、射线法、声发射探测法、红外热像法以及磁检测法等。物理法便于操作，受环境的干扰较小，但目前仅用于定性分析，比较难以进行定量分析，实际应用收到很大的限制，基本停留于试验阶段。

电化学法是通过测定与腐蚀体系相关的电化学特性，确定混凝土中钢筋锈蚀程度或速度，反映钢筋腐蚀的本质。电化学法具有灵敏度高、原位测量、可连续跟踪和测试速度快等优点。综合众多文献可知，对于上述检测方法的研究较多，但部分实验结果都比较模糊，并且需要进行复杂的后期数据处理，才能得到检测结果。

由此，为了对钢筋混凝土结构实施更好地管理和维护，从新的技术角度提出内部钢结构损伤的检测方案，且能在实践中获取更直观的“锈蚀损伤图像”，是十分有必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明目的在于提供一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，该装置利用米波近场效应对电介质材料具有较强穿透性以及传播衰减的特性，能够实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

为解决上述技术问题，实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，包括米波发生器、扫描检测控制器和米波功率成像计算机；

所述米波发生器具有整体呈竖向筒状、上端封闭且下端为锥尖形的波导壳体，所述波导壳体的下端锥尖末端设有狭缝开口；所述波导壳体内位于中部或上部位置处固定设置有米波波源，且其米波发射方向朝向波导壳体的狭缝开口；所述波导壳体的狭缝开口旁侧位置处固定设置有电磁功率计；

所述扫描检测控制器包括扫描移动头，能够带动扫描移动头在平面移动的扫描平面移动机构，能够带动所述扫描平面移动机构垂直于其扫描平面往返移动的扫描距离移动机构，能够驱动所述扫描平面移动机构和扫描距离移动机构运行的扫描移动驱动器，以及扫描位置控制模块、电磁波控制模块和信号放大器，且扫描位置控制模块的扫描位置信号输出端分别与扫描移动驱动器的扫描位置驱动控制端以及米波功率成像计算机的成像位置信号采集端电连接；所述米波发生器通过其波导壳体的上端部固定安装在扫描移动头上，且其波导壳体的筒状轴线方向与扫描平面移动机构的扫描平面相垂直，米波发生器上波源的控制端与电磁波控制模块的波源控制信号输出端电连接，米波发生器上电磁功率计的功率信号输出端通过信号放大器与米波功率成像计算机的米波功率采集端电连接。

上述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中，作为一种优选方案，所述米波功率成像计算机内预设有米波功率成像函数关系模型，所述米波功率成像函数关系模型用以指示接收到的米波功率与米波反射距离值之间的对应关系，从而能够根据米波发生器在对钢筋混凝土不同位置处进行扫描时所反馈的米波功率值，通过米波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

上述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中，作为一种优选方案，所述米波发生器所发射米波的波长λ的优选取值为8πd≥λ>4πd，π为圆周率，d表示被测钢筋混凝土的表平面到其内部钢结构表面的混凝土材料层厚度。

上述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中，作为一种优选方案，所述波导壳体下端锥尖的狭缝开口的宽度为米波发生器所发射米波波长的1/100~1/20。

上述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中，作为一种优选方案，所述电磁功率计与波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处的间隔距离大于或等于米波发生器所发射米波的波长值。

上述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中，作为一种优选方案，所述米波发生器上的电磁功率计有两个，分别位于波导壳体的狭缝开口两侧。

相应地，本发明还提供了采用上述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法；为此，本发明所提供的技术方案如下：

上述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法，包括如下步骤：

1）针对被测钢筋混凝土的表平面所在位置，通过所述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中扫描检测控制器的扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描距离移动机构带动扫描平面移动机构移动，使得扫描平面移动机构的扫描平面与所述被测钢筋混凝土的表平面相平行，且米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离满足米波近场检测距离要求；

2）通过电磁波控制模块控制米波发生器的波源发射米波，并通过扫描检测控制器的扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构带动米波发生器在其扫描平面内移动，且扫描位置控制模块将扫描位置信号反馈发送至米波功率成像计算机，由米波发生器上的电磁功率计采集米波发射到被测钢筋混凝土内部钢结构表面被反射后的米波功率值，并将采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机；

3）米波功率成像计算机内预设有米波功率成像函数关系模型，所述米波功率成像函数关系模型用以指示接收到的米波功率与米波反射距离值之间的对应关系；米波功率成像计算机接收来自扫描位置控制模块的扫描位置信号以及来自电磁功率计经信号放大器放大后反馈的米波功率值，根据米波发生器在扫描平面内不同扫描位置处对钢筋混凝土进行扫描时所反馈的米波功率值，通过米波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

上述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法，作为优选方案，所述步骤1）中，所述米波近场检测距离要求，是指米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离小于米波发生器所发射米波波长的1/100~1/20，且确保米波发生器在移动扫描过程中其波导壳体下端锥尖不会与被测钢筋混凝土的表平面发生接触。

上述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法，作为优选方案，所述步骤2）中，其控制流程具体为：

21）通过扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构带动米波发生器移动至扫描平面内的一个指定位置处，且扫描位置控制模块将用以指示当前扫描位置的扫描位置信号反馈发送至米波功率成像计算机；

22）由米波发生器内波源发射的米波沿波导壳体内部向下传输至下端锥尖的狭缝开口位置处发生衍射，形成向被测钢筋混凝土方向发散辐射的米波近场波，所述米波近场波在传播过程中穿透被测钢筋混凝土的混凝土材料层，经被测钢筋混凝土内部钢结构表面反射回到米波发生器的波导壳体下端锥尖位置处并线性转换为米波远场辐射波，由米波发生器的电磁功率计采集所述米波远场辐射波的米波功率值，并将采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机；

23）重复步骤21）~22），控制米波发生器在扫描平面内移动并遍历被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处分别进行扫描，从而由米波发生器的电磁功率计采集到在指定扫描区域内各不同扫描位置处对钢筋混凝土进行扫描时的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机。

同时，本发明还提供了一种基于米波近场波检测原理进行钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像的方法方案，具体技术方案如下：

一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像方法，包括如下步骤：

A）在被测钢筋混凝土表平面的一个指定扫描位置，向被测钢筋混凝土的表平面发射由米波衍射形成的米波近场波，米波近场波在传播过程中穿透被测钢筋混凝土的混凝土材料层，在被测钢筋混凝土内部钢结构表面被反射，采集反射的米波近场波的米波功率；

B）重复执行步骤A），遍历被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处进行扫描检测，采集在不同扫描位置处对被测钢筋混凝土进行扫描时的米波功率值；

C）根据对被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处进行扫描所采集到的各米波功率值，通过米波功率与米波反射距离值之间的对应关系换算得到各相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的整体结构设计较为简单，而且不需要使用高精密度设备和仪器，硬件结构成本低。

2、本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法和原理上直接利用了米波近场效应对电介质材料具有较强穿透性以及传播衰减的特性，不需要复杂的后期数据处理便能够直接完成对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，数据处理和呈现简单直观、复杂度低、易于实现。

3、由于近场波最远只能向前传播一个波长的有效距离，局域性强、抗干扰能力强，因此本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像效果过程不会受到一般远场雷达技术中杂散波的影响，成像得到的钢筋混凝土内部钢结构表面图像能够较为准确的还原和表征其钢结构表面的锈蚀损伤情况。

4、本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及其成像方法，由于是利用米波近场波的衰减特性进行检测和成像，因此本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及其成像方法对测试人员的伤害小。

附图说明

图1为本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的结构示意图。

图2为本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中米波发生器的具体结构及其检测原理示意图。

图3为利用本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的米波发生器扫描钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处之后由米波功率成像计算机对钢筋混凝土内部钢结构表面进行图像成像的效果示意图。

具体实施方式

针对于钢筋混凝土内部钢结构的损伤检测，交变电磁场探测技术也是可以考虑的一个技术方向。交变电磁场，按照其作用范围可分为近场和远场。远场，就是通常意义上的电磁波，而近场不具任何辐射性，无法像电磁波一样长距离传播，在传播一个波长距离之后就基本衰减到无法探测，但近场不遵守瑞利判据，可以通过近场波突破衍射极限，进而反馈目标的亚波长信息。基于近场效应理论，利用波长较长的电磁波（比如米波）的近场效应，能够根据电磁波遇金属材料反射后的衰减程度判断其传播距离，从而可以根据电磁波的反射传播距离得知金属材料表面的所在位置和形状，能够用于实现对金属材料表面的宏观结构表征甚至结构成像；同时，长波长（低频）电磁波对一般电介质材料（比如塑料，水泥等）具有较强的穿透性，因此利用长波长电磁波的近场效应可以实现对绝缘保护层以下金属材料结构表面的成像，可用以对其进行无损的探伤检测。

基于上述的技术原理，本发明利用米波近场效应对电介质材料具有较强穿透性以及传播衰减的特性，提供了一种基于米波近场波检测原理进行钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像的方法方案，该方法包括如下步骤：

A）在被测钢筋混凝土表平面的一个指定扫描位置，向被测钢筋混凝土的表平面发射由米波衍射形成的米波近场波，米波近场波在传播过程中穿透被测钢筋混凝土的混凝土材料层，在被测钢筋混凝土内部钢结构表面被反射，采集反射的米波近场波的米波功率；

B）重复执行步骤A），遍历被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处进行扫描检测，采集在不同扫描位置处对被测钢筋混凝土进行扫描时的米波功率值；

C）根据对被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处进行扫描所采集到的各米波功率值，通过米波功率与米波反射距离值之间的对应关系换算得到各相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

要实现上述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像方法，需要借助一套完整的设备实现方案。因此，本发明相应提供了一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，能够实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的成像。如图1所示，该钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置包括米波发生器10、扫描检测控制器20和米波功率成像计算机30。

米波发生器10的具体结构如图2所示，其具有整体呈竖向筒状、上端封闭且下端为锥尖形的波导壳体11，波导壳体11的下端锥尖末端设有狭缝开口12；波导壳体11内位于中部或上部位置处固定设置有米波波源13，且其米波发射方向朝向波导壳体的狭缝开口12。波导壳体下端锥尖末端的狭缝开口的作用，是使得米波发生器内波源发射的米波沿波导壳体内部向下传输至下端锥尖的狭缝开口位置处时发生衍射，从而形成向外发散辐射的米波近场波，用以对钢筋混凝土进行辐射探测，因此该狭缝开口的宽度需要远小于所采用米波的波长，同时狭缝开口的宽度也不能太小，否则经狭缝开口衍射后向外发散辐射的米波近场波会减弱，因此狭缝开口的宽度最好为米波发生器所发射米波波长的1/100~1/20之间。波导壳体的狭缝开口12旁侧位置处固定设置有电磁功率计14，用以探测接收米波近场波被反射后的米波功率值。

扫描检测控制器20则包括扫描移动头21，能够带动扫描移动头在平面移动的扫描平面移动机构22，能够带动所述扫描平面移动机构垂直于其扫描平面往返移动的扫描距离移动机构23，能够驱动所述扫描平面移动机构22和扫描距离移动机构23运行的扫描移动驱动器24，以及扫描位置控制模块25、电磁波控制模块26和信号放大器27，且扫描位置控制模块的扫描位置信号输出端分别与扫描移动驱动器的扫描位置驱动控制端以及米波功率成像计算机的成像位置信号采集端电连接。其中，扫描平面移动机构可以采用现有的平面二维移动机构的结构设计方案来得以实现，而扫描距离移动机构可以采用现有的对平面二维移动机构进行升降（或平移）操作的升降（或平移）机构的结构设计方案来得以实现，扫描移动驱动器则用于根据扫描平面移动机构、扫描距离移动机构中各自所采用的电机种类和型号而提供相应的电机驱动控制；而扫描位置控制模块的扫描位置信号输出端与扫描移动驱动器的扫描位置驱动控制端电连接，用以对扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构和扫描距离移动机构的移动位置加以控制，同时扫描位置控制模块的扫描位置信号输出端还与米波功率成像计算机的成像位置信号采集端电连接，用以将扫描位置信号发送给米波功率成像计算机加以记录。米波发生器通过其波导壳体的上端部固定安装在扫描移动头上，具体的固定安装方式可以采用常用的螺栓安装固定、夹持安装固定等方式，且米波发生器的波导壳体的筒状轴线方向与扫描平面移动机构的扫描平面相垂直，这样可以在实际使用时，只要使得扫描平面移动机构的扫描平面与所述被测钢筋混凝土的表平面相平行，就可以通过扫描平面移动机构带动米波发生器对被测钢筋混凝土进行扫描检测，且使得米波发生器的波导壳体的筒状轴线方向与被测钢筋混凝土的表平面保持垂直，使得米波发生器从其狭缝开口向外辐射的米波近场波能够正对被测钢筋混凝土的表平面进行传播，从而更易于准确接收被反射的米波近场波。米波发生器上波源的控制端与电磁波控制模块的波源控制信号输出端电连接，用以通过电磁波控制模块对波源的工作启/停以及所发射的米波波长（频率）进行控制；米波发生器上电磁功率计的功率信号输出端通过信号放大器与米波功率成像计算机的米波功率采集端电连接，用以将其采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机。

米波功率成像计算机的用途则主要是利用米波近场波随传播距离的增加而衰减的特性，根据米波近场波遇金属材料反射后的衰减程度判断其传播距离，从而可以根据米波近场波的反射传播距离得知金属材料表面的所在位置和形状，完成对金属材料表面的图像绘制成像。具体实现时，米波功率成像计算机内可以预设有米波功率成像函数关系模型，该米波功率成像函数关系模型用以指示接收到的米波功率与米波反射距离值之间的对应关系，由于针对频率、波长已知的米波，其米波功率与米波传播距离之间的对应关系是已知的，因此米波功率与米波反射距离值（米波传播距离的一半）之间的对应关系也是很容易获知的，并且还可以通过实验检测等方式来获知米波功率与米波反射距离值之间的对应关系，从而用以建立得到米波功率成像函数关系模型；由此，米波功率成像计算机便能够根据米波发生器在对钢筋混凝土不同位置处进行扫描时所反馈的米波功率值，通过米波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。因此，从技术角度上来讲，米波功率成像计算机利用米波功率成像函数关系模型来进行钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，是能够实现的。

本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的工作原理如下。如图2所示，利用米波发生器内的波源产生米波，沿波导壳体传播到下端锥尖的狭缝开口位置处，由于狭缝开口的宽度为米波波长的1/100~1/20，远小于米波波长，因此通过狭缝开口后会产生衍射波场，在一个米波波长范围内，衍射波场以近场波为主，形成米波近场波并向外扩散辐射传播（图2中符号①指示的是狭缝开口向外扩散辐射传播的米波近场波）；辐射的米波近场波能够穿透钢筋混凝土的混凝土绝缘材料层，当到达钢筋混凝土内部钢结构表面时会发生反射（图2中符号②指示的是被反射的米波近场波），反射的米波近场波在回到米波发生器的波导壳体下端锥尖位置处时，根据近场与远场之间的互易性原理，米波近场波通过锥尖尖端再次线性转化为米波的远场辐射波（或称为再辐射波，图2中符号③指示的是转化形成的米波远场辐射波），从而能够被狭缝开口旁侧的电磁功率计探测到并进行功率采集，并且该米波远场辐射波的强度正比于反射到波导壳体下端锥尖位置处的米波近场波，进而能够间接探测到钢结构面反射的米波近场回波的相对强度；电磁功率计所探测到的米波功率，会随波导壳体下端锥尖与钢筋混凝土内部钢结构表面之间距离的增加而迅速衰减，且由于近场波传播对距离非常敏感，距离微小增大会使得近场波出现明显衰减，进而使得反射回波也出现明显衰减，因此如果钢结构表面出现损伤（如锈蚀、坑槽、孔洞），就会使得波导壳体下端锥尖与钢筋混凝土内部钢结构表面之间的距离发生变化，从而导致电磁功率计所探测到的米波功率也发生变化。因此，利用扫描检测控制器带动米波发生器沿被测钢筋混凝土的表平面移动并进行米波近场波扫描，利用电磁功率计采集获取不同扫描位置处的米波功率，进而通过信号放大器对其进行放大后输给米波功率成像计算机，实现对混凝土包裹下的钢结构的图像成像，并根据不同扫描位置处米波功率值的变化情况，成像出钢筋混凝土内部钢结构表面的不同凹凸情况，以表征出钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

从上述的工作原理可以看出，由于米波近场波在传播一个波长距离之后就基本衰减到几乎无法探测了，且关于电磁波近场作用范围，有文献甚至指出传播距离超过λ/2π之后（λ表示波长，π为圆周率）就难以通过常用功率计加以准确探测了，波长越长则其近场有效探测距离越远，也就是说，如果利用米波近场波被反射的衰减情况来实现距离探测，考虑到米波近场波的往返传播距离，需要保证米波发生器所发射米波的波长λ的大小满足λ/2π>2d（d表示被测钢筋混凝土的表平面到其内部钢结构表面的混凝土材料层厚度），才能确保能够对钢筋混凝土内部钢结构进行有效探测，因此在具体应用中，米波发生器所发射米波的波长λ的优选取值为λ>4πd；但是近场作用距离太远，利用近场波实现成像的分辨率就会下降，因此米波发生器所发射米波的波长λ的大小还是应该根据被测钢筋混凝土的表平面到其内部钢结构表面的混凝土材料层厚度情况加以确定，可以根据情况所需，通过电磁波控制模块对波源的发射的米波波长进行控制，最好能够使得波长值λ满足8πd≥λ>4πd。同时，本发明的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置是利用电磁功率计来采集被反射的米波近场波通过波导壳体下端锥尖尖端再次线性转化形成的米波远场辐射波的功率而进行成像的，而检测过程中，在波导壳体下端锥尖的狭缝开口还会向外辐射米波近场波，如果电磁功率计距离狭缝开口的位置太近，则功率采集可能会受到米波近场波的干扰；考虑到这一因素，在实际应用中，作为优选的技术方案，米波发生器中电磁功率计与波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处的间隔距离最好大于或等于米波发生器所发射米波的波长值，由于米波近场波在传播一个波长距离之后就基本衰减到无法探测了，因此这样能够尽可能的避免狭缝开口所发出的米波近场波对反射后线性转化的远场波的功率检测形成干扰。此外，为了能够更有效的对反射的米波功率加以探测，米波发生器上的电磁功率计可以设计有两个，分别位于波导壳体的狭缝开口两侧，这样可以通过择优选取较大值、求平均等方式更稳定可靠的测量反射的米波功率值。

由此，利用本发明的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置对钢筋混凝土内部钢结构表面进行成像操作的方法如下：

1）针对被测钢筋混凝土的表平面所在位置，通过所述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中扫描检测控制器的扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描距离移动机构带动扫描平面移动机构移动，使得扫描平面移动机构的扫描平面与所述被测钢筋混凝土的表平面相平行，且米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离满足米波近场检测距离要求。

在进行米波近场检测时，理论上来讲，米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离是越近越好，能够更有助于检测和米波功率的采集，但是需要避免米波发生器的波导壳体下端锥尖在移动扫描过程中与被测钢筋混凝土的表平面发生接触和摩擦，因为这种接触和摩擦可能导致波导壳体下端锥尖的狭缝开口被磨损甚至损坏，影响米波发生器的正常工作。考虑到这些因素，该步骤中所指的米波近场检测距离要求，最好是米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离小于米波发生器所发射米波波长的1/100~1/20，且确保米波发生器在移动扫描过程中其波导壳体下端锥尖不会与被测钢筋混凝土的表平面发生接触。

2）通过电磁波控制模块控制米波发生器的波源发射米波，并通过扫描检测控制器的扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构带动米波发生器在其扫描平面内移动，且扫描位置控制模块将扫描位置信号反馈发送至米波功率成像计算机，由米波发生器上的电磁功率计采集米波发射到被测钢筋混凝土内部钢结构表面被反射后的米波功率值，并将采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机。该步骤的控制流程具体为：

21）通过扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构带动米波发生器移动至扫描平面内的一个指定位置处，且扫描位置控制模块将用以指示当前扫描位置的扫描位置信号反馈发送至米波功率成像计算机；

22）通过电磁波控制模块控制启动米波发生器的波源发射米波，由米波发生器内波源发射的米波沿波导壳体内部向下传输至下端锥尖的狭缝开口位置处发生衍射，形成向被测钢筋混凝土方向发散辐射的米波近场波，所述米波近场波在传播过程中穿透被测钢筋混凝土的混凝土材料层，经被测钢筋混凝土内部钢结构表面反射回到米波发生器的波导壳体下端锥尖位置处并线性转换为米波远场辐射波，由米波发生器的电磁功率计采集所述米波远场辐射波的米波功率值，并将采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机；

23）重复步骤21）~22），控制米波发生器在扫描平面内移动并遍历被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处分别进行扫描，从而由米波发生器的电磁功率计采集到在指定扫描区域内各不同扫描位置处对钢筋混凝土进行扫描时的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机。

3）米波功率成像计算机内预设有米波功率成像函数关系模型，所述米波功率成像函数关系模型用以指示接收到的米波功率与米波反射距离值之间的对应关系；米波功率成像计算机接收来自扫描位置控制模块的扫描位置信号以及来自电磁功率计经信号放大器放大后反馈的米波功率值，根据米波发生器在扫描平面内不同扫描位置处对钢筋混凝土进行扫描时所反馈的米波功率值，通过米波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

图3示出了米波发生器扫描钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处之后，由米波功率成像计算机对钢筋混凝土内部钢结构表面进行图像成像的效果示意图，其根据米波发生器扫描时所反馈的米波功率值的变化绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像。当然，图3示出的是通过一条移动线路的扫描对钢筋混凝土内部钢结构表面的二维成像效果，利用本发明的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，还能够通过沿钢筋混凝土的表平面进行二维移动扫描而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面进行三维成像。

由此可以看到，本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的整体结构设计较为简单，而且不需要使用高精密度设备和仪器，硬件结构成本低，而且由于其成像方法和原理上直接利用了米波近场效应对电介质材料具有较强穿透性以及传播衰减的特性，不需要复杂的后期数据处理便能够直接完成对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，数据处理和呈现简单直观、复杂度低、易于实现；并且，由于近场波最远只能向前传播一个波长的有效距离，局域性强、抗干扰能力强，因此本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像效果过程不会受到一般远场雷达技术中杂散波的影响，成像得到的钢筋混凝土内部钢结构表面图像能够较为准确的还原和表征其钢结构表面的锈蚀损伤情况，且由于是利用米波近场波的衰减特性进行检测和成像，因此本发明钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置及其成像方法对测试人员的伤害小，有利于其在钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤探测技术领域中广泛应用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，其特征在于，包括米波发生器、扫描检测控制器和米波功率成像计算机；

所述米波发生器具有整体呈竖向筒状、上端封闭且下端为锥尖形的波导壳体，所述波导壳体的下端锥尖末端设有狭缝开口；所述波导壳体内位于中部或上部位置处固定设置有米波波源，且其米波发射方向朝向波导壳体的狭缝开口；所述波导壳体的狭缝开口旁侧位置处固定设置有电磁功率计；

所述扫描检测控制器包括扫描移动头，能够带动扫描移动头在平面移动的扫描平面移动机构，能够带动所述扫描平面移动机构垂直于其扫描平面往返移动的扫描距离移动机构，能够驱动所述扫描平面移动机构和扫描距离移动机构运行的扫描移动驱动器，以及扫描位置控制模块、电磁波控制模块和信号放大器，且扫描位置控制模块的扫描位置信号输出端分别与扫描移动驱动器的扫描位置驱动控制端以及米波功率成像计算机的成像位置信号采集端电连接；所述米波发生器通过其波导壳体的上端部固定安装在扫描移动头上，且其波导壳体的筒状轴线方向与扫描平面移动机构的扫描平面相垂直，米波发生器上波源的控制端与电磁波控制模块的波源控制信号输出端电连接，米波发生器上电磁功率计的功率信号输出端通过信号放大器与米波功率成像计算机的米波功率采集端电连接。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，其特征在于，所述米波功率成像计算机内预设有米波功率成像函数关系模型，所述米波功率成像函数关系模型用以指示接收到的米波功率与米波反射距离值之间的对应关系，从而能够根据米波发生器在对钢筋混凝土不同位置处进行扫描时所反馈的米波功率值，通过米波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，其特征在于，所述米波发生器所发射米波的波长λ的优选取值为8πd≥λ>4πd，π为圆周率，d表示被测钢筋混凝土的表平面到其内部钢结构表面的混凝土材料层厚度。

4.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，其特征在于，所述波导壳体下端锥尖的狭缝开口的宽度为米波发生器所发射米波波长的1/100~1/20。

5.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，其特征在于，所述电磁功率计与波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处的间隔距离大于或等于米波发生器所发射米波的波长值。

6.根据权利要求1所述的钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置，其特征在于，所述米波发生器上的电磁功率计有两个，分别位于波导壳体的狭缝开口两侧。

7.如权利要求1所述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）针对被测钢筋混凝土的表平面所在位置，通过所述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置中扫描检测控制器的扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描距离移动机构带动扫描平面移动机构移动，使得扫描平面移动机构的扫描平面与所述被测钢筋混凝土的表平面相平行，且米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离满足米波近场检测距离要求；

2）通过电磁波控制模块控制米波发生器的波源发射米波，并通过扫描检测控制器的扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构带动米波发生器在其扫描平面内移动，且扫描位置控制模块将扫描位置信号反馈发送至米波功率成像计算机，由米波发生器上的电磁功率计采集米波发射到被测钢筋混凝土内部钢结构表面被反射后的米波功率值，并将采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机；

3）米波功率成像计算机内预设有米波功率成像函数关系模型，所述米波功率成像函数关系模型用以指示接收到的米波功率与米波反射距离值之间的对应关系；米波功率成像计算机接收来自扫描位置控制模块的扫描位置信号以及来自电磁功率计经信号放大器放大后反馈的米波功率值，根据米波发生器在扫描平面内不同扫描位置处对钢筋混凝土进行扫描时所反馈的米波功率值，通过米波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。

8.根据权利要求7所述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法，其特征在于，所述步骤1）中，所述米波近场检测距离要求，是指米波发生器的波导壳体下端锥尖的狭缝开口位置处与被测钢筋混凝土的表平面间隔距离小于米波发生器所发射米波波长的1/100~1/20，且确保米波发生器在移动扫描过程中其波导壳体下端锥尖不会与被测钢筋混凝土的表平面发生接触。

9.根据权利要求7所述钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像装置的成像方法，其特征在于，所述步骤2）中，其控制流程具体为：

21）通过扫描位置控制模块控制扫描移动驱动器驱动扫描平面移动机构带动米波发生器移动至扫描平面内的一个指定位置处，且扫描位置控制模块将用以指示当前扫描位置的扫描位置信号反馈发送至米波功率成像计算机；

22）通过电磁波控制模块控制启动米波发生器的波源发射米波，由米波发生器内波源发射的米波沿波导壳体内部向下传输至下端锥尖的狭缝开口位置处发生衍射，形成向被测钢筋混凝土方向发散辐射的米波近场波，所述米波近场波在传播过程中穿透被测钢筋混凝土的混凝土材料层，经被测钢筋混凝土内部钢结构表面反射回到米波发生器的波导壳体下端锥尖位置处并线性转换为米波远场辐射波，由米波发生器的电磁功率计采集所述米波远场辐射波的米波功率值，并将采集到的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机；

23）重复步骤21）~22），控制米波发生器在扫描平面内移动并遍历被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处分别进行扫描，从而由米波发生器的电磁功率计采集到在指定扫描区域内各不同扫描位置处对钢筋混凝土进行扫描时的米波功率值通过信号放大器放大后反馈发送至米波功率成像计算机。

10.一种钢筋混凝土内部钢结构锈蚀损伤成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

A）在被测钢筋混凝土表平面的一个指定扫描位置，向被测钢筋混凝土的表平面发射由米波衍射形成的米波近场波，米波近场波在传播过程中穿透被测钢筋混凝土的混凝土材料层，在被测钢筋混凝土内部钢结构表面被反射，采集反射的米波近场波的米波功率；

B）重复执行步骤A），遍历被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处进行扫描检测，采集在不同扫描位置处对被测钢筋混凝土进行扫描时的米波功率值；

C）根据对被测钢筋混凝土表平面上指定扫描区域内的各不同位置处进行扫描所采集到的各米波功率值，通过米波功率与米波反射距离值之间的对应关系换算得到各相应扫描位置处的米波反射距离值，绘制出扫描区域的钢筋混凝土内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现对钢筋混凝土内部钢结构表面的图像成像，用以表征钢筋混凝土内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。