CN107782786B - 一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本技术方案提供了一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，包括微波激励装置及激光检测装置，其中，微波激励装置包括脉冲磁控管及喇叭天线，脉冲磁控管与喇叭天线连接，喇叭天线朝向钢结构的被测表面，微波激励装置与被测表面的距离始终保持第一预设距离，激光检测装置包括激光测振仪及处理器，激光测振仪与处理器连接，激光测振仪朝向被测表面，激光测振仪与被测表面的距离始终保持第二预设距离。本发明从新的技术角度提出了一种保护层内钢结构损伤的检测方案，能够无损地检测保护层下钢结构的锈蚀情况，对钢筋混凝土结构实施更好地管理和维护。

Description

一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置及方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体地说，涉及一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置及方法。

背景技术

混凝土、PE管、树脂涂料等材料经常作为钢结构的保护层，被广泛应用于各种公路、桥梁和建筑中。但由于恶劣复杂的服役环境、超负重的机械荷载、材料本身的缺陷等原因，导致其承载力下降、服役年限减少、耐久性降低，甚至突然失效引起安全事故。

这其中，锈蚀是造成钢结构损毁的最主要原因之一。钢结构锈蚀产生的铁锈是一种完全丧失力学性能的物质，使得钢结构截面面积减小，力学性能降低。但由于钢结构被保护层包裹，无法通过肉眼看到其是否发生锈蚀及锈蚀程度。

因此，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保护层内钢结构损伤的检测方案是十分有必要的。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，从新的技术角度提出了一种保护层内钢结构损伤的检测方案，能够无损地检测保护层下钢结构的锈蚀情况，对钢筋混凝土结构实施更好地管理和维护。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，包括微波激励装置及激光检测装置，其中：

所述微波激励装置包括脉冲磁控管及喇叭天线，所述脉冲磁控管与所述喇叭天线连接，所述喇叭天线朝向钢结构的被测表面，所述微波激励装置与所述被测表面的距离始终保持第一预设距离；

所述激光检测装置包括激光测振仪及处理器，所述激光测振仪与所述处理器连接，所述激光测振仪朝向所述被测表面，所述激光测振仪与所述被测表面的距离始终保持第二预设距离。

优选地，还包括位移控制器，其中：

所述微波激励装置及所述激光测振仪设置在所述位移控制器上；

所述位移控制器能够带动所述微波激励装置及所述激光测振仪沿所述被测表面移动。

优选地，所述脉冲磁控管的功率大于或等于40KW。

本发明还提供了一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法，采用上述的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置进行检测，包括以下步骤：

所述激光测振仪采集所述被测表面的振动信号；

所述微波激励装置朝所述被测表面发出脉冲微波；

所述处理器基于所述振动信号生成振动信息；

基于所述振动信息分析所述被测表面的锈蚀情况。

优选地，所述振动信息包括振动强度，所述基于所述振动信息分析所述被测表面的锈蚀情况包括：

判断所述振动强度是否大于预设强度；

当所述振动强度大于所述预设强度时，判断所述被测表面发生锈蚀。

优选地，所述基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法的原理为：

所述微波激励装置朝所述被测表面发出的脉冲微波穿过所述被测表面上的保护层，加热所述被测表面上的锈蚀部分，所述锈蚀部分被加热产生微爆炸效应发出爆炸声波，所述爆炸声波引起所述保护层振动，所述激光测振仪采集所述被测表面的保护层的振动信号并由所述处理器生成振动信息，因此基于所述振动信息能够分析所述被测表面的锈蚀情况。

综上所述，本技术方案提供了一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，包括微波激励装置及激光检测装置，其中，微波激励装置包括脉冲磁控管及喇叭天线，脉冲磁控管与喇叭天线连接，喇叭天线朝向钢结构的被测表面，微波激励装置与被测表面的距离始终保持第一预设距离，激光检测装置包括激光测振仪及处理器，激光测振仪与处理器连接，激光测振仪朝向被测表面，激光测振仪与被测表面的距离始终保持第二预设距离。本发明从新的技术角度提出了一种保护层内钢结构损伤的检测方案，能够无损地检测保护层下钢结构的锈蚀情况，对钢筋混凝土结构实施更好地管理和维护。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置的结构示意图；

图2为本发明公开的一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，其特征在于，包括微波激励装置1及激光检测装置2，其中：

微波激励装置1包括脉冲磁控管11及喇叭天线12，脉冲磁控管11与喇叭天线12连接，喇叭天线12朝向钢结构的被测表面4，微波激励装置1与被测表面4的距离始终保持第一预设距离；

激光检测装置2包括激光测振仪22及处理器21，激光测振仪22与处理器21连接，激光测振仪22朝向被测表面4，激光测振仪22与被测表面4的距离始终保持第二预设距离。

在本技术方案中，微波激励装置1及激光测振仪22与被测表面4非接触，因此需要保持一定的距离，即第一预设距离及第二预设距离，第一预设距离及第二预设距离的大小可根据实际情况改变。处理器21包括电脑、平板电脑、手机等具有信号处理功能的电子设备。脉冲磁控管11每隔一段相同的时间可以发射出携带极高功率的微波脉冲。一般脉冲磁控管11工作脉冲宽度可在0.004～60μs范围内变化，工作频率范围为250MHz～120GHz，脉冲功率范围从几十瓦到几十兆瓦，被广泛用于引导、火控、测高、机载、舰载、气象等各种雷达中。本技术方案的检测原理为：

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射和吸收。对于玻璃、塑料和瓷器等非极性分子材料，微波几乎是穿透而不被吸收或很少吸收，也不被加热；对于水等极性分子物质，则会有效地吸收微波的能量而使自身发热；对于金属类材料，则会反射微波，难以被加热。

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数决定。介质损耗因数越大的物质对微波的吸收能力越强；相反，介质损耗因数越小的物质吸收微波的能力越弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性，即物质不同，产生的热效果也不同。

钢结构的锈蚀本质是一个电化学腐蚀过程，主要过程如下：

Fe²⁺+2OH^-→Fe(OH)₂↓

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃↓

2Fe(OH)₃→2H₂O+Fe₂O₃·H₂O

从上述化学式可以看出，一旦钢结构发生锈蚀，一定会有水的存在和锈蚀产物Fe₂O₃·H₂O的产生。而水与Fe₂O₃·H₂O均为介质损耗因数较大的物质，能将微波中的电磁能转化为热能。

激光测振是利用运动物体反射光的多普勒效应，以传感器的激光束作为发射光源，对振动着的被测物进行点测、线测(二维测量)或三维测量(轮廓测量)，同时把收集的测量数据经过内置软件的一系列算法处理，得出被测体振动的相关参数。

本发明所涉及的检测对象是具有保护层3的钢结构。钢结构为金属，其保护层3为混凝土、PE管、树脂涂料等，均不能或很难被微波加热。而在快速变化的高功率脉冲微波作用下，水与Fe₂O₃·H₂O在被高功率脉冲微波加热的一瞬间，会发生迅速的热膨胀产生所谓微爆炸效应，并伴随发出爆炸声波，声波可以穿透保护层3并引起保护层3表面的振动。若被检测钢结构的表面，即被测表面4未发生锈蚀，则激光测振仪22无法检测到振动参数或检测到有微小的振动发生；若被检测钢结构正在发生锈蚀或已经发生锈蚀，则因为水或Fe₂O₃·H₂O在被加热的一瞬间发生热膨胀，从而被激光测振仪22检测到检测钢结构表面产生的振动信号，然后由处理器21将振动信号转化为包括振动强度的振动信息，即可分析被测表面4的锈蚀情况。

综上所述，本技术方案提供了一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，包括微波激励装置1及激光检测装置2，其中，微波激励装置1包括脉冲磁控管11及喇叭天线12，脉冲磁控管11与喇叭天线12连接，喇叭天线12朝向钢结构的被测表面4，微波激励装置1与被测表面4的距离始终保持第一预设距离，激光检测装置2包括激光测振仪22及处理器21，激光测振仪22与处理器21连接，激光测振仪22朝向被测表面4，激光测振仪22与被测表面4的距离始终保持第二预设距离。本发明从新的技术角度提出了一种保护层3内钢结构损伤的检测方案，能够无损地检测保护层3下钢结构的锈蚀情况，对钢筋混凝土结构实施更好地管理和维护。

为进一步优化上述技术方案，还包括位移控制器，其中：

微波激励装置1及激光测振仪22设置在位移控制器上；

位移控制器能够带动微波激励装置1及激光测振仪22沿被测表面4移动。

在本技术方案中，位移控制器可以包括滑轨、滑轮及步进电机，微波激励装置1及激光测振仪22通过滑轮安装在滑轨上，滑轨沿被测表面4设置，通过步进电机驱动微波激励装置1及激光测振仪22沿被测表面4移动。此外，位移控制器还可以采用无人机，将微波激励装置1及激光测振仪22安装在无人机上，由工作人员控制无人机沿被测表面4移动，从而完成检测。通过位移控制器控制激光激励装置及激光测振仪22的运动，可以提高检测效率，还可以检测一些工作人员难以到达的位置的钢结构的被测表面4的锈蚀情况。

为进一步优化上述技术方案，脉冲磁控管11的功率大于或等于40KW。

为了更好的采集到振动信号，应采用大功率的脉冲磁控管11，使发生锈蚀出的被测表面4的保护层3的振动更为明显。

如图2所示，为本发明公开的一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法的流程图，采用上述的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置进行检测，包括以下步骤：

S101、激光测振仪22采集被测表面4的振动信号；

S102、微波激励装置1朝被测表面4发出脉冲微波；

S103、处理器21基于振动信号生成振动信息；

S104、基于振动信息分析被测表面4的锈蚀情况。

因为受到脉冲微波加热而产生的微爆炸只会发生在加热开始的一瞬间，因此，需要先将激光测振仪22打开。

为进一步优化上述技术方案，振动信息包括振动强度，基于振动信息分析被测表面4的锈蚀情况包括：

判断振动强度是否大于预设强度；

当振动强度大于预设强度时，判断被测表面4发生锈蚀。

为提高检测的精度，只有当振动强度大于预设强度时，才判断被测表面4发生了锈蚀，避免了因外界因素或保护层3本身发生轻微振动而使得检测结果失准。预设强度的大小可根据实际情况进行调整。

本发明公开的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法的原理为：

微波激励装置1朝被测表面4发出的脉冲微波穿过被测表面4上的保护层3，加热被测表面4上的锈蚀部分，锈蚀部分被加热产生微爆炸效应发出爆炸声波，爆炸声波引起保护层3振动，激光测振仪22采集被测表面4的保护层3的振动信号并由处理器21生成振动信息，因此基于振动信息能够分析被测表面4的锈蚀情况。

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，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，其特征在于，包括微波激励装置及激光检测装置，其中：

所述微波激励装置包括脉冲磁控管及喇叭天线，所述脉冲磁控管与所述喇叭天线连接，所述喇叭天线朝向钢结构的被测表面，所述微波激励装置与所述被测表面的距离始终保持第一预设距离；脉冲磁控管的功率大于或等于40KW，工作频率范围为250MHz~120GHz；

所述激光检测装置包括激光测振仪及处理器，所述激光测振仪与所述处理器连接，所述激光测振仪朝向所述被测表面，所述激光测振仪与所述被测表面的距离始终保持第二预设距离；

微波激励装置朝被测表面发出的脉冲微波穿过被测表面上的保护层，加热被测表面上的锈蚀部分，锈蚀部分被加热产生微爆炸效应发出爆炸声波，爆炸声波引起保护层振动，激光测振仪采集被测表面的保护层的振动信号并由处理器生成振动信息，因此基于振动信息能够分析被测表面的锈蚀情况。

2.如权利要求1所述的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置，其特征在于，还包括位移控制器，其中：

所述微波激励装置及所述激光测振仪设置在所述位移控制器上；

所述位移控制器能够带动所述微波激励装置及所述激光测振仪沿所述被测表面移动。

3.一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置进行检测，包括以下步骤：

所述激光测振仪采集所述被测表面的振动信号；

所述微波激励装置朝所述被测表面发出脉冲微波；

所述处理器基于所述振动信号生成振动信息；

基于所述振动信息分析所述被测表面的锈蚀情况。

4.如权利要求3所述的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法，其特征在于，所述振动信息包括振动强度，所述基于所述振动信息分析所述被测表面的锈蚀情况包括：

判断所述振动强度是否大于预设强度；

当所述振动强度大于所述预设强度时，判断所述被测表面发生锈蚀。

5.如权利要求3或4所述的基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法，其特征在于，所述基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测的方法的原理为：

所述微波激励装置朝所述被测表面发出的脉冲微波穿过所述被测表面上的保护层，加热所述被测表面上的锈蚀部分，所述锈蚀部分被加热产生微爆炸效应发出爆炸声波，所述爆炸声波引起所述保护层振动，所述激光测振仪采集所述被测表面的保护层的振动信号并由所述处理器生成振动信息，因此基于所述振动信息能够分析所述被测表面的锈蚀情况。