混凝土中钢筋的微波断层成像研究

发布时间：2020-07-09 05:50

【摘要】：钢筋是混凝土结构的重要组成部分,保障了混凝土结构的安全性和耐久性。传统的破坏检测法虽然直接,但会对结构造成损坏,影响结构安全性。混凝土中钢筋无损检测的方法很多,在雷达检测法中微波成像技术有其独特的优势,微波成像技术是利用微波照射被测物体,根据被测物体内部不同物质介电常数不同的特性,检测散射场的散射数据,对物体内部复介电常数分布进行重建的一种成像技术。开展对混凝土结构无损检测具有重要的实现意义。本文综述了钢筋混凝土无损检测国内外发展情况以及微波成像技术国内外的研究成果。首先研究微波成像理论基础,包括微波成像方法、合成孔径雷达技术、超宽带天线的研究。对微波成像系统进行整体设计,利用HFSS仿真软件对喇叭天线性能进行仿真分析,设计要求双脊喇叭天线工作带宽为0.8~6GHz,平均增益大于10dBi,平均驻波比小于3。利用矢量网络分析仪与双脊喇叭天线搭建的微波成像系统对钢筋混凝土模型进行测试,结合PLC设计了一种便于操作、精度高、可智能控制的传动系统,带动天线移动并进行准确的定位,每次移动误差小于0.5mm。利用合成孔径微波成像方法中ω-k算法对混凝土的内部结构进行成像,被测物表面回波信号包含很强的直达波,对目标的分辨有很大的影响,采用对消法去除直达波干扰。由于混凝土试块中钢筋位置固定,实验条件单一,为了通过多组实验对比来确定实验参数的选择,通过改变钢筋的位置来验证成像结果是否准确。所以设计了大小为450mm×500mm×400mm的纸盒箱模型模拟混凝土,结合理论和成像结果的分析对比,选出合适的天线放置方向和系统成像参数,将不同位置、不同深度直径为14mm的钢筋准确成像,使钢筋成像位置与真实摆放位置相差小于2cm,并对大小为400mm×300mm×200mm真实的混凝土块进行了检测,从而验证了利用超宽带连续波微波信号检测混凝土中钢筋的可行性。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TU375
【图文】：

二维,微波成像,混凝土试块,钢筋

沈阳工业大学硕士学位论文在建筑方面多用于检测小厚度混凝土中的钢筋位置或裂痕，都是采用合成孔径雷达（SyntheticAperture Radar，简称 SAR）进行检测。国外微波成像技术发展的比较迅速，2000 年麻省理工学院的 Hong C. Rhim 等人利用微波成像技术对混凝土试块进行检测，利用实验对比方法，发现不同的频段对混凝土厚度检测、状态监测和钢筋检测的敏感程度不同[17]。2003 年美国加州欧文大学土木工程利用三维微波成像技术对混凝土桥梁损伤进行评估，在研究中，发现聚焦微波比非聚焦微波探测小缺陷的效果要好得多，因此提出了一种独特的数值双聚焦技术来聚焦发射和接收的微波信号。采用多频技术，通过降低背景噪声，提高图像清晰度，成功地检测到了混凝土块中的空洞和钢筋[18]。如图 1.1 所示为混凝土试块的成像结果，其中 a 图和 b 图为混凝土试块中包含一个大小不同的空气块，c 图为包含两根直径为 1cm的钢筋，图中虚线为被测目标实际的位置，通过成像可以大致看出成像位置比较准确，但没有区分出两根钢筋的情况。

方向图,网络分析仪,矢量网络分析仪

图 2.2 E5071C 网络分析仪Fig. 2.2 E5071C network analyzer波成像系统中，采用安捷伦的矢量网络分析仪E5071C作为仪器，E5071C矢量网络分析仪由于具有优越的性能，所以它具有较宽的测试频带，内置信号源，工作频率范围在9k利用E5071C矢量网络分析仪测量回波信号的S11参数，S11参和相位值。量网络分析仪为二端口网络，可以对双端口器件 S 参数进S21，S22。如图 2.3 所示为二端口信号流动方向图。b2a1S21

标准模块

沈阳工业大学硕士学位论文、终止频率等重要参数，并对测量数据自动采集，保存成.csv 格式，通过 USB 或与上位机进行通信，对采集到的数据加以处理。通过利用 VBA 编程控制矢量网络仪，使测量更加快捷、准确、可靠、节省时间。如图 2.4 所示为标准模块的编程窗其中包括对象框、程序框、变局指示器栏、程序显示按钮和显示模块按钮。对是用来显示编码窗口中当前使用的对象列表。程序框是用来显示编码窗口内的程表。边距指示器栏主要用于调试程序。显示程序按钮用来显示光标处的程序。模钮用来显示编码窗口中的完整程序。

【参考文献】