CN114018953A - 基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于微波透射法的输变电钢筋混凝土基础腐蚀检测方法及系统，步骤S1、确定微波信号源和矩形波导的扫描频率f，获取对应扫描频率f下的传输系数S0 21的基准值，构建基准值查询单元；步骤S2、采用步骤S1的方式获取传输系数S1 21；构建测试值查询单元；步骤S3、通过对比S0 21和S1 21对应位置的值判定钢筋是否发生腐蚀；步骤S4、数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中扫描频率与传输系数的映射关系曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，判定钢筋的腐蚀参数。本方案采用微波作为信号源，通过入射信号和透射信号的差值初步确定腐蚀位置，考虑腐蚀面积和腐蚀深度，进一步确定钢筋的具体腐蚀程度，使得检测效率和准确度得到显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及工程质量检测领域，具体的，涉及基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法及系统。
背景技术
近年来，我国电力事业不断发展，输电线路建设里程快速增加，在工业重污染区、沿海地区等，输变电钢筋混凝土基础腐蚀问题日益凸显。杆塔塔基一旦因腐蚀发生倒塌，将严重威胁线路安全。
目前，针对钢筋混凝土结构常见的腐蚀检测方法主要有：射线照射法、电化学噪声法等。射线照射法原理为：X射线中的光量子能量远大于可见光，可较好的穿透可见光不能穿透的物体，同时会和被测物体发生复杂变化而产生荧光，在检测中可利用胶片的感光特性检测透射的X射线强度，从而判定是否存在缺陷。虽然射线检测应用广泛，但也存在一系列缺点：射线普遍会对人体造成伤害，并产生一些副作用；使用照相检测时需要使用定影液，不容易回收，对环境会造成危害；检测速度慢且成本较高。电化学噪声法检测属于电化学方法，属于接触式测量，且较为复杂，存在精度得不到保障，数据处理时间长等问题。因此，提出一个有效的腐蚀检测评估方法，对提高输变电设备的运行可靠性具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法及系统，信号源产生微波信号，通过入射信号和透射信号的差异从而初步确定腐蚀情况和基础腐蚀位置，进一步的，通过对比腐蚀钢筋传输系数与未腐蚀钢筋传输系数的差值大小，考虑腐蚀面积和腐蚀深度，综合确定钢筋的具体腐蚀程度，相比于传统方式，检测效率和准确度得到显著提高。
为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，基于微波透射法的输变电钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，包括如下步骤：
步骤S1、微波信号源和矩形波导向输变电钢筋混凝土未腐蚀的基础发射微波信号，确定微波信号源和矩形波导的扫描频率f，记：f＝(f1，f1，···，fn)，获取对应扫描频率f下的传输系数S0 21的基准值，记：S0 21＝(S01 21，S02 21，···，S0n 21)；构建基准值查询单元；
步骤S2、采用矩形波导定期以扫描频率f对输变电钢筋混凝土基础进行扫描，获取传输系数 S1 21；记：S1 21＝(S11 21，S12 21，···，S1n 21)；构建测试值查询单元；
步骤S3、通过对比S0 21和S1 21对应位置的值的大小来判定钢筋是否发生腐蚀；若S1 21对应位置的值小于S0 21对应位置的值则说明钢筋发生了腐蚀，反之则未发生腐蚀；
步骤S4、数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中相同基础部位对应的扫描频率与传输系数的映射关系的拟合曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，判定钢筋的腐蚀参数。
本方案中，首先构建基准值查询单元，通过矩形波导发射探头向输变电钢筋混凝土未腐蚀基础传输微波入射信号，矩形波导接收探头接透射信号，实现对钢筋混凝土结构水平透射扫描，获得S0 21传输系数，并将S0 21作为基准值记录在基准值查询单元中，记录基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；其次，构建构建测试值查询单元，方法同上；通过查看传输系数的偏差，预判腐蚀位置，进一步的，通过计算腐蚀面积和腐蚀深度比例系数，确定钢筋的具体腐蚀程度。
作为优选，步骤S1包括如下步骤：
步骤S11、矩形波导以不同的扫描频率fi，i∈(1，n)，向输变电钢筋混凝土未腐蚀的基础发射微波信号，获取不同频率fi下的传输系数S0 21；将传输系数S0 21作为表征基础内钢筋是否发生腐蚀的基准值；
根据步骤S11的方式，记录基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系，并构建基准值查询单元；绘制拟合曲线f(x1)。
作为优选，步骤S2包括如下步骤：
步骤S21、根据步骤S1的方式，矩形波导以不同的扫描频率fi，i∈(1，n)向待检测的输变电钢筋混凝土的基础发射微波信号，获取不同频率fi下的传输系数S1 21；建立扫描频率与传输系数的映射关系，构建测试值查询单元，并绘制拟合曲线f(x2)。
作为优选，步骤S3还包括：通过计算对应基础测量位置在相同频率下的传输系数差值ΔS21，初步判定钢筋腐蚀程度和腐蚀位置，ΔS21越大，则腐蚀相对越严重；计算公式如下：
ΔS21＝S0 21-S1 21。
作为优选，钢筋的腐蚀参数包括腐蚀面积S腐蚀面积和腐蚀深度比例系数d，其中腐蚀面积计算公式如下：
S腐蚀面积＝2πrΔx，
其中：Δx＝a+b-2c，a为腐蚀区的起始位置，b为腐蚀区的结束位置，c为腐蚀层边缘位置；Δx为腐蚀长度，r为钢筋半径；
腐蚀深度比例系数
作为优选，拟合曲线的建立包括：
以扫描频率f为横坐标，以传输系数S0 21为纵坐标绘制拟合曲线f(x1)；
以扫描频率f为横坐标，以传输系数S1 21为纵坐标绘制拟合曲线f(x2)；比对时，先根据传输系数误差值ΔS21确定基础腐蚀位置，然后根据基础检测的不同位置，调取两组拟合曲线进行比较，可以计算得到该腐蚀位置的具体腐蚀程度。
基于微波透射法的输变电钢筋混凝土基础腐蚀检测系统，包括有微波信号源、矩形波导接收探头、矩形波导发射探头以及上位机，微波信号源用于产生不同扫描频率的微波信号，所述矩形波导接收探头、矩形波导发射探头分别与微波信号源的信号端口连接，所述矩形波导发射探头以一定的扫描频率给基础的受测部位发送微波信号，矩形波导接收探头接收透射信号，所述上位机与微波信号源连接，进行信息交互。
作为优选，所述上位机包括有基准值查询单元、测试值查询单元、数据比对单元以及显示单元；
所述基准值查询单元存储有输变电钢筋混凝土基础在未腐蚀的情况下，基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；
所述测试值查询单元存储有输变电钢筋混凝土基础在测试情况下，基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；
数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中相同基础部位对应的扫描频率与传输系数的映射关系，绘制成的拟合曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，根据腐蚀面积计算公式和腐蚀深度比例系数计算公式计算基础的腐蚀程度；
所述显示单元用于曲线f(x1)和f(x2)的结果。
作为优选，其中腐蚀面积S腐蚀面积计算公式如下：
S腐蚀面积＝2πrΔx，
其中：Δx＝a+b-2c，a为腐蚀区的起始位置，b为腐蚀区的结束位置，c为腐蚀层边缘位置；Δx为腐蚀长度，r为钢筋半径；
腐蚀深度比例系数
本发明的有益效果：本发明基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法及系统，通过微波信号作为信号源，通过入射信号和透射信号的差值从而初步确定腐蚀情况和基础腐蚀位置，进一步的，通过对比腐蚀钢筋传输系数与未腐蚀钢筋传输系数的差值大小，考虑腐蚀面积和腐蚀深度，综合确定钢筋的具体腐蚀程度，相比于传统方式，检测效率和准确度得到显著提高。
附图说明
图1为本发明基于微波透射法的输变电钢筋混凝土基础腐蚀检测方法的简易流程图。
图2为本发明的未腐蚀的输变电钢筋混凝土模型示意图。
图3为本发明的局部腐蚀后的输变电钢筋混凝土模型示意图。
图4为本发明的钢筋腐蚀前后传输系数拟合曲线比对图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1所示，基于微波透射法的输变电钢筋混凝土基础腐蚀检测方法的简易流程图，包括如下步骤：
步骤S1、微波信号源和矩形波导向输变电钢筋混凝土未腐蚀的基础发射微波信号，确定微波信号源和矩形波导的扫描频率f，记：f＝(f1，f1，···，fn)，获取对应扫描频率f下的传输系数S0 21的基准值，记：S0 21＝(S01 21，S02 21，···，S0n 21)；构建基准值查询单元。
步骤S1包括如下步骤：
步骤S11、矩形波导以不同的扫描频率fi，i∈(1，n)，向输变电钢筋混凝土未腐蚀的基础发射微波信号，获取不同频率fi下的传输系数S0 21；将传输系数S0 21作为表征基础内钢筋是否发生腐蚀的基准值；
根据步骤S11的方式，记录基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系，并构建基准值查询单元；绘制拟合曲线f(x1)。
步骤S2、采用矩形波导定期以扫描频率f对输变电钢筋混凝土基础进行扫描，获取传输系数S1 21；记：S1 21＝(S11 21，S12 21，···，S1n 21)；构建测试值查询单元。
步骤S2包括如下步骤：
步骤S21、根据步骤S1的方式，矩形波导以不同的扫描频率fi，i∈(1，n)向待检测的输变电钢筋混凝土的基础发射微波信号，获取不同频率fi下的传输系数S1 21；建立扫描频率与传输系数的映射关系，构建测试值查询单元，并绘制拟合曲线f(x2)。
步骤S3、通过对比S0 21和S1 21对应位置的值的大小来判定钢筋是否发生腐蚀；若S1 21对应位置的值小于S0 21对应位置的值则说明钢筋发生了腐蚀，反之则未发生腐蚀；
步骤S3还包括：通过计算对应基础测量位置在相同频率下的传输系数差值ΔS21，初步判定钢筋腐蚀程度和腐蚀位置，ΔS21越大，则腐蚀相对越严重；计算公式如下：ΔS21＝S0 21-S1 21。
步骤S4、数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中相同基础部位对应的扫描频率与传输系数的映射关系的拟合曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，判定钢筋的腐蚀参数。
钢筋的腐蚀参数包括腐蚀面积S腐蚀面积和腐蚀深度比例系数d；
其中，腐蚀面积计算公式如下：
S腐蚀面积＝2πrΔx，
其中：Δx＝a+b-2c，a为腐蚀区的起始位置，b为腐蚀区的结束位置，c为腐蚀层边缘位置；Δx为腐蚀长度，r为钢筋半径；
其中，腐蚀深度比例系数d的计算公式如下：
拟合曲线的建立包括：
以扫描频率f为横坐标，以传输系数S0 21为纵坐标绘制拟合曲线f(x1)；
以扫描频率f为横坐标，以传输系数S1 21为纵坐标绘制拟合曲线f(x2)；比对时，先根据传输系数误差值ΔS21确定基础腐蚀位置，然后根据基础检测的不同位置，调取两组拟合曲线进行比较，可以计算得到该腐蚀位置的具体腐蚀程度。
本实施例中，首先构建基准值查询单元，通过矩形波导发射探头向输变电钢筋混凝土未腐蚀基础传输微波入射信号，矩形波导接收探头接透射信号，实现对钢筋混凝土结构水平透射扫描，获得S0 21传输系数，并将S0 21作为基准值记录在基准值查询单元中，记录基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；其次，构建构建测试值查询单元，方法同上；通过查看传输系数的偏差，预判腐蚀位置，进一步的，通过计算腐蚀面积和腐蚀深度，确定钢筋的具体腐蚀程度。
基于微波透射法的输变电钢筋混凝土基础腐蚀检测系统，包括有微波信号源、矩形波导接收探头、矩形波导发射探头以及上位机，微波信号源用于产生不同扫描频率的微波信号，所述矩形波导接收探头、矩形波导发射探头分别与微波信号源的信号端口连接，所述矩形波导发射探头以一定的扫描频率给基础的受测部位发送微波信号，矩形波导接收探头接收透射信号，所述上位机与微波信号源连接，进行信息交互。
上位机包括有基准值查询单元、测试值查询单元、数据比对单元以及显示单元；
基准值查询单元存储有输变电钢筋混凝土基础在未腐蚀的情况下，基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；
测试值查询单元存储有输变电钢筋混凝土基础在测试情况下，基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；
数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中相同基础部位对应的扫描频率与传输系数的映射关系，绘制成的拟合曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，根据腐蚀面积计算公式和腐蚀深度比例系数计算公式计算基础的腐蚀程度；
显示单元用于曲线f(x1)和f(x2)的结果。
其中腐蚀面积S腐蚀面积计算公式如下：
S腐蚀面积＝2πrΔx，
其中：Δx＝a+b-2c，a为腐蚀区的起始位置，b为腐蚀区的结束位置，c为腐蚀层边缘位置；Δx为腐蚀长度，r为钢筋半径；
其中，腐蚀深度比例系数d的计算公式如下：
一种具体实施例如下：
以未腐蚀和腐蚀后的输变电钢筋混凝土基础缩比模型为例进行分析，利用CST软件建立输变电钢筋混凝土基础缩比模型，其中，混凝土基础的长、宽、高分别为：900、200、250mm；钢筋直径和长度分别为：22mm和900mm；腐蚀层深度和长度分别为：5.5mm和100mm；根据国际电工委员会标准选取WR-340作为扫描的矩形波导，其尺寸信息如表1所示。
表1.EIA-国际标准WR-340参数尺寸
如图2和图3所示，根据混凝土、钢筋、矩形波导等结构尺寸和材料属性建立两组仿真模型，矩形波导位于正面中心位置(钢筋所在位置)，且与模型表面的距离为3mm。由于铁锈主要成分为氧化铁，根据其电导率、介电常数等属性设置腐蚀层材料。矩形波导扫描方向和扫描范围等细节均已在图中标出。
微波信号源产生微波信号后，利用波导对钢筋混凝土表面进行透射扫描，前侧的矩形波导①发射微波信号，后侧的矩形波导②接收载有腐蚀信息的透射信号(如图2中(b)所示，水平方向)，扫描步长为5mm，即每隔5mm扫描一次。
钢筋腐蚀前与局部腐蚀后传输系数结果如图4所示，其中黑色实线、黑色虚线分别为未腐蚀、局部腐蚀S21结果曲线。由图4可见，两条曲线在远离腐蚀位置无差异，腐蚀程度在-90～90mm范围内得到区分，越靠近中心位置局部腐蚀S21幅值越小。由于，微波的散射特性，造成腐蚀程度区分范围大于局部腐蚀范围。在钢筋中心位置即腐蚀层中心位置，腐蚀钢筋S21幅值达到最小(-17.58dB)，与相同位置未腐蚀幅值差达到最大(1.53dB)，验证了微波透射法检测输变电钢筋混凝土腐蚀的可行性，通过局部腐蚀S21最小幅值对应刻度可实现腐蚀位置的定位。
以上所述之具体实施方式为本发明基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法及系统的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、微波信号源和矩形波导向输变电钢筋混凝土未腐蚀的基础发射微波信号，确定微波信号源和矩形波导的扫描频率f，记：f＝(f1，f1，···，fn)，获取对应扫描频率f下的传输系数S0 21的基准值，记：S0 21＝(S01 21，S02 21，···，S0n 21)；构建基准值查询单元；
步骤S2、采用矩形波导定期以扫描频率f对输变电钢筋混凝土基础进行扫描，获取传输系数S1 21；记：S1 21＝(S11 21，S12 21，···，S1n 21)；构建测试值查询单元；
步骤S3、通过对比S0 21和S1 21对应位置的值的大小来判定钢筋是否发生腐蚀；若S1 21对应位置的值小于S0 21对应位置的值则说明钢筋发生了腐蚀，反之则未发生腐蚀；
步骤S4、数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中相同基础部位对应的扫描频率与传输系数的映射关系的拟合曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，判定钢筋的腐蚀参数。
2.根据权利要求1所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，其特征在于：
步骤S1包括如下步骤：
步骤S11、矩形波导以不同的扫描频率fi，i∈(1，n)向输变电钢筋混凝土未腐蚀的基础发射微波信号，获取不同频率fi下的传输系数S0 21；将传输系数S0 21作为表征基础内钢筋是否发生腐蚀的基准值；
根据步骤S11的方式，记录基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系，并构建基准值查询单元；绘制拟合曲线f(x1)。
3.根据权利要求1所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，其特征在于：步骤S2包括如下步骤：
步骤S21、根据步骤S1的方式，矩形波导以不同的扫描频率fi，i∈(1，n)向待检测的输变电钢筋混凝土的基础发射微波信号，获取不同频率fi下的传输系数S1 21；建立扫描频率与传输系数的映射关系，构建测试值查询单元，并绘制拟合曲线f(x2)。
4.根据权利要求1或2或4所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，其特征在于：
步骤S3还包括：通过计算对应基础测量位置在相同频率下的传输系数差值ΔS21，初步判定钢筋腐蚀程度，ΔS21越大，则腐蚀相对越严重；计算公式如下：
ΔS21＝S0 21-S1 21。
5.根据权利要求3所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，其特征在于：钢筋的腐蚀参数包括腐蚀面积S腐蚀面积和腐蚀深度比例系数d，其中腐蚀面积计算公式如下：
S腐蚀面积＝2πrΔx，
其中：Δx＝a+b-2c，a为腐蚀区的起始位置，b为腐蚀区的结束位置，c为腐蚀层边缘位置；Δx为腐蚀长度，r为钢筋半径；
腐蚀深度比例系数
6.根据权利要求1或2或3所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测方法，其特征在于：
拟合曲线的建立包括：
以扫描频率f为横坐标，以传输系数S0 21为纵坐标绘制拟合曲线f(x1)；
以扫描频率f为横坐标，以传输系数S1 21为纵坐标绘制拟合曲线f(x2)。
7.基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测系统，其特征在于：包括有微波信号源、矩形波导接收探头、矩形波导发射探头以及上位机，微波信号源用于产生不同扫描频率的微波信号，所述矩形波导接收探头、矩形波导发射探头分别与微波信号源的信号端口连接，所述矩形波导发射探头以一定的扫描频率给基础的受测部位发送微波信号，矩形波导接收探头接收透射信号，所述上位机与微波信号源连接，进行信息交互。
8.根据权利要求7所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测系统，其特征在于：所述上位机包括有基准值查询单元、测试值查询单元、数据比对单元以及显示单元；
所述基准值查询单元存储有输变电钢筋混凝土基础在未腐蚀的情况下，基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；
所述测试值查询单元存储有输变电钢筋混凝土基础在测试情况下，基础不同部位的扫描频率与传输系数的映射关系；
数据比对单元分别调取基准值查询单元和测试值查询单元中相同基础部位对应的扫描频率与传输系数的映射关系，绘制成的拟合曲线，通过曲线f(x1)和f(x2)的比较，根据腐蚀面积计算公式和腐蚀深度比例系数计算公式计算基础的腐蚀程度；
所述显示单元用于曲线f(x1)和f(x2)的结果。
9.根据权利要求8所述的基于微波透射法的钢筋混凝土基础腐蚀检测系统，其特征在于：其中腐蚀面积S腐蚀面积计算公式如下：
S腐蚀面积＝2πrΔx，
其中：Δx＝a+b-2c，a为腐蚀区的起始位置，b为腐蚀区的结束位置，c为腐蚀层边缘位置；
Δx为腐蚀长度，r为钢筋半径；
腐蚀深度比例系数
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2005331404A (ja) * | 2004-05-20 | 2005-12-02 | Shogo Tanaka | 鉄筋コンクリート構造物診断装置および鉄筋コンクリート構造物診断方法 |
| CN103115930A (zh) * | 2013-02-06 | 2013-05-22 | 嘉兴市特种设备检测院 | 一种聚乙烯管道焊接接头的微波透射检测方法和检测装置 |
| CN106950227A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-14 | 国网江苏省电力公司连云港供电公司 | 一种复合绝缘子缺陷无损检测方法 |
| CN110146521A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-08-20 | 电子科技大学 | 基于微波无损检测的管道表面腐蚀缺陷检测方法及装置 |
| CN113186995A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-07-30 | 浙江武义电气安装工程有限公司 | 基于微波反射系数的钢筋混凝土基础腐蚀检测系统和方法 |
-
2021
- 2021-10-18 CN CN202111207544.1A patent/CN114018953A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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