Please wait a minute...
E-mail Alert Rss
 
物探与化探  2022, Vol. 46 Issue (1): 160-168    DOI: 10.11720/wtyht.2022.1248
  方法研究·信息处理·仪器研制 本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索 |
混凝土内部裂缝对电磁波传输特性参数的影响
丁骁1(), 莫思特1, 李碧雄2, 黄华1
1.四川大学 电气工程学院,四川 成都 610065
2.四川大学 建筑与环境学院,四川 成都 610065
Impacts of cracks in concrete on characteristic parameters of electromagnetic wave transmission
DING Xiao1(), MO Si-Te1, LI Bi-Xiong2, HUANG Hua1
1. College of Electrical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China
2. College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu 610065, China
全文: PDF(5248 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

混凝土的使用越来越广泛,其健康状况越来越被重视。混凝土裂缝的发生发展特征是混凝土健康状况的重要表征参数。钢筋是混凝土固有结构,针对混凝土内部的裂缝,提出一种应用钢筋天线的裂缝监测方法,设置内嵌于混凝土中的发射、接收钢筋天线对,通过天线对S21参数的幅值来检测混凝土内裂缝。构建CST Studio Suite软件仿真模型,利用CST Studio Suite软件计算钢筋天线对S21参数幅值,分析S21参数幅值与裂缝状态的关系,结果表明混凝土内部的裂缝状态会对S21参数幅值产生明显的影响,根据S21参数幅值的特征可以实现裂缝检测。对无裂缝模型和有裂缝模型的S21参数幅值进行求比值处理,其比值超过某个阈值即认为能辨识裂缝,并将该段能辨识裂缝的频带定义为特征频带。仿真结果发现,不同裂缝厚度、不同裂缝角度、不同裂缝位置时的S21参数幅值均有显著变化,证明了在混凝土内设置钢筋发射、接收天线对,测量电磁波传播的S21参数,通过S21参数幅值可以判断混凝土裂缝及裂缝特征。

服务
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章
丁骁
莫思特
李碧雄
黄华
关键词 混凝土裂缝钢筋天线电磁波S参数幅值    
Abstract

The occurrence and development characteristics of concrete cracks are important characterization parameters of concrete health. Given that steel reinforcement is the inherent structure of concrete, this paper proposes a method for monitoring cracks in concrete using steel reinforcement antennae. In this method, a steel reinforcement transmitting and receiving antenna pair embedded in concrete is set, and the cracks in concrete are detected according to the amplitude of the antenna pair' parameter S21 that can reflect electromagnetic wave propagation. To this end, a simulation model based on the CST Studio Suite software was constructed to calculate the amplitude of S21 using the software. The relationship between the amplitude of S21 and the crack state was analyzed. The results show that the state of cracks in concrete has a significant impact on the amplitude of S21, and thus the cracks can be detected according to the characteristics of the amplitude of S21. The cracks can be identified if the ratio between the amplitude of S21 obtained using the models with and without cracks exceeds a certain threshold. Meanwhile, the corresponding frequency band that can identify the cracks is defined as the characteristic frequency band of cracks. The simulation results show that the amplitude of S21 significantly changes with different crack thickness, crack angles, and crack positions. Therefore, the concrete cracks and their characteristics can be judged from the amplitude of S21 by setting up a steel reinforcement transmitting and receiving antenna pair in concrete.

Key wordsconcrete    crack    reinforced antenna    electromagnetic wave    S parameter amplitude
收稿日期: 2021-05-07      修回日期: 2021-09-02      出版日期: 2022-02-20
ZTFLH:  P631  
基金资助:国家自然科学基金项目(51678379)
作者简介: 丁骁(1995-),男,2019年至今就读于四川大学,主要研究方向为混凝土裂缝传感检测。Email: 610464048@qq.com
引用本文:   
丁骁, 莫思特, 李碧雄, 黄华. 混凝土内部裂缝对电磁波传输特性参数的影响[J]. 物探与化探, 2022, 46(1): 160-168.
DING Xiao, MO Si-Te, LI Bi-Xiong, HUANG Hua. Impacts of cracks in concrete on characteristic parameters of electromagnetic wave transmission. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(1): 160-168.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2022.1248      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2022/V46/I1/160
Fig.1  电磁波在混凝土裂缝的传播情况
Fig.2  发射天线与接收天线
Fig.3  电磁波传播模型
Fig.4  基准仿真模型
Fig.5  其他部分模型情况
模型编号 裂缝中心点位置 变化参数
M0 无裂缝
M11 坐标原点 垂直裂缝,厚1 mm
M13 坐标原点 垂直裂缝,厚3 mm
M15 坐标原点 垂直裂缝,厚5 mm
M17 坐标原点 垂直裂缝,厚7 mm
M23 坐标原点 倾斜裂缝,与xoz平面夹角30°
M26 坐标原点 倾斜裂缝,与xoz平面夹角60°
M29 坐标原点 倾斜裂缝,与xoz平面夹角90°
M31 沿y轴偏移 垂直裂缝,偏移至-56.5 mm
M32 沿y轴偏移 垂直裂缝,偏移至-113 mm
M33 沿y轴偏移 垂直裂缝,偏移至-169.5 mm
Table 1  仿真模型参数信息
Fig.6  S21参数幅值在5~10 GHz的频率范围内有裂缝与无裂缝合并
Fig.7  S21参数在5~10 GHz的频率范围内有裂缝与无裂缝的频率特征
序号 中心频率/GHz 带宽/MHz 最大比值/dB
1 7.373 11 10.961
2 8.34 5 12.751
3 8.576 11 15.596
4 8.603 22 24.028
5 8.649 22 13.959
6 8.719 14 15.022
7 8.762 41 19.699
8 9.492 10 10.619
Table 2  极易辨识特征频参数
Fig.8  5~10 GHz频率范围内不同裂缝厚度的S21模值
Fig.9  5~10 GHz频率范围内不同裂缝厚度的 Q S 21
裂缝模型 可以辨
识/段
容易辨
识/段
极易辨
识/段
公有中心频率
带宽/MHz
M11 21 13 8 7
M13 27 22 13 20
M16 33 22 16 24
M17 35 28 20 35
Table 3  不同裂缝厚度辨识效果对比
Fig.10  不同厚度裂缝公有中心频率附近的特征频带
Fig.11  5~10 GHz频率范围内不同裂缝角度的S21参数之模值
裂缝模型 可以辨识
/段
容易辨识
/段
极易辨识
/段
公有中心频率
带宽/MHz
M11 21 13 8 29
M23 17 11 6 37
M26 19 13 7 34
M29 25 15 9 43
Table 4  不同裂缝角度辨识效果对比
Fig.12  S21幅值在5~10 GHz的频率范围内有裂缝与无裂缝的比值 Q S 21(M11,M23,M26,M29)
Fig.13  不同角度裂缝公有中心频率附近的特征频带
Fig.14  5~10 GHz频率范围内不同裂缝位置的S21参数之模值
Fig.15  S21幅值在5~10 GHz的频率范围内有裂缝与无裂缝的比值 Q S 21(M11,M31,M32,M33)
裂缝模型 可以辨识
/段
容易辨识
/段
极易辨识
/段
公有中心频率
带宽/MHz
M11 21 13 8 65
M31 22 12 8 66
M32 30 24 18 105
M33 16 7 3 45
Table 5  不同裂缝位置辨识效果对比
Fig.16  不同位置裂缝公有中心频率附近的特征频带
[1] 杨必胜. 车载探地雷达地下目标实时探测法[J]. 测绘学报, 2020,49(7):874-883.
[1] Yang B S. Real time detection of underground targets by vehicle borne ground penetrating radar[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2020,49(7):874-883.
[2] 郭炜. 水工大体积混凝土裂缝检测[J]. 水利水电快报, 2007,28(19):27-28.
[2] Guo W. Crack detection of hydraulic mass concrete[J]. Water Conservancy and Hydropower News, 2007,28(19):27-28.
[3] 胡群芳. 三维探地雷达在城市市政管线渗漏探测中的应用[J]. 同济大学学报, 2020,48(7):972-981.
[3] Hu Q F. Application of 3D ground penetrating radar in leakage detection of municipal pipelines[J]. Journal of Tongji University, 2020,48(7):972-981.
[4] 梁飞宇. 应用电磁波探测混凝土管道的空洞缺陷[D]. 天津:河北工业大学, 2013.
[4] Liang F Y. Application of electromagnetic wave to detect cavity defects in concrete pipes[D]. Tianjin: Hebei University of Technology, 2013.
[5] 刘宗辉, 刘毛毛, 周东, 等. 基于探地雷达属性分析的典型岩溶不良地质识别方法[J]. 岩土力学, 2019,48(8):3282-3290.
[5] Liu Z H, Liu M M, Zhou D, et al. Identification method of typical karst unfavorable geology based on GPR attribute analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019,48(8):3282-3290.
[6] Jr J A D R, Castro D L D, Jesus T E S D, et al. Characterization of collapsed paleocave systems using GPR attributes[J]. Journal of Applied Geophysics, 2014,103(21):43-56.
doi: 10.1016/j.jappgeo.2014.01.007
[7] 韩波, 丁亮, 陈勇. 探地雷达无损检测方法评述[J]. 黑龙江大学自然科学学报, 2011,28(5):608-617.
[7] Han B, Ding L, Chen Y. Review of ground penetrating radar nondestructive testing methods[J]. Journal of Natural Science of Heilongjiang University, 2011,28(5):608-617.
[8] 丁君. 工程电磁场与电磁波(第二版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2019.
[8] Ding J. Engineering electromagnetic field and electromagnetic wave (second edition) [M]. Beijing: Higher Education Press, 2019.
[9] 何继善. 大深度高精度广域电磁勘探理论与技术[J]. 中国有色金属学报, 2019,29(9):1809-1816.
[9] He J S. Theory and technology of wide field electromagnetic method[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2019,29(9):1809-1816.
[10] 钟顺时. 天线理论与技术(第二版)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2015.
[10] Zhong S S. Antenna theory and technology (second edition) [M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2015.
[11] 肖小汀. 基于探地雷达的混凝土无损检测方法研究[D]. 广州:华南理工大学, 2013.
[11] Xiao X T. Research on concrete nondestructive testing method based on ground penetrating radar[D]. Guangzhou: South China University of Science and Engineering, 2013.
[12] 贺文根, 严家斌, 李俊杰. 位移电流及反射与折射对高频电磁波探测深度的影响[J]. 工程地球物理学报, 2013,10(4):539-544.
[12] He W G, Yan J B, Li J J. Influence of displacement current,reflection and refraction on detection depth of high frequency electromagnetic wave[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2013,10(4):539-544.
[13] 周道传, 朱海堂. 电磁波在混凝土材料表面的透射率研究[J]. 功能材料, 2011,42(4):635-638.
[13] Zhou D C, Zhu H T. Study on transmission of electromagnetic wave on concrete surface[J]. Functional Materials, 2011,42(4):635-638.
[14] Navid R, Deyasini M, Bruce C. Electromagnetic energy and data transfer in biological tissues using loop antennas[J]. Procedia Computer Science, 2013,19(4):908-913.
doi: 10.1016/j.procs.2013.06.124
[15] 徐锐敏. 微波技术基础(第二版)[M]. 北京: 科学出版社, 2020.
[15] Xu R M. Fundamentals of microwave technology (second edition) [M]. Beijing: Science Press, 2020.
[16] 马文健. 宽载波频率大带宽超短波射频电路关键技术研究与验证[D]. 成都:电子科技大学, 2017.
[16] Ma W J. Research and verification of key technologies of wide carrier frequency and large bandwidth ultra short wave radio frequency circuit[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2017.
[17] 彭宇, 王蕾, 郭福强, 等. 一种超宽带小型化探地雷达天线的设计[J]. 物探与化探, 2014,38(4):750-753.
[17] Peng Y, Wang L, Guo F Q, et al. Design of a miniaturized UWB GPR antenna[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2014,38(4):750-753.
[18] 刘庆想, 李相强, 袁成卫. 高功率双层径向线螺旋阵列天线理论分析与数值模拟[J]. 电子学报, 2005,12(1):2231-2234.
[18] Liu Q X, Li X Q, Yuan C W. Theoretical analysis and numerical simulation of high power double layer radial helix array antenna[J]. Acta Electronica Sinica, 2005,12(1):2231-2234.
[1] 黄彦庆. 川东北元坝地区致密砂岩多产状裂缝刻画[J]. 物探与化探, 2023, 47(5): 1189-1197.
[2] 项诸宝, 张大洲, 朱德兵, 李明智, 熊章强. 不同骨料混凝土模型中瑞利波传播特性研究[J]. 物探与化探, 2023, 47(5): 1226-1235.
[3] 李秋辰, 陈冬, 许文豪, 易善鑫, 谢兴隆, 关俊朋, 崔芳姿. 基于微地震连续裂缝网络模型的SRV研究[J]. 物探与化探, 2023, 47(4): 1048-1055.
[4] 张建伟, 杨卓静, 王新杰, 李胜涛, 赵玉军. 碳储深孔超声成像测井系统设计与应用[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1500-1506.
[5] 谢锐, 阎建国, 陈琪. 叠前各向异性系数反演及在裂缝预测中的应用[J]. 物探与化探, 2022, 46(4): 968-976.
[6] 谢清惠, 蒋立伟, 赵春段, 王仲达, 唐协华, 罗瑀峰. 提高蚂蚁追踪裂缝预测精度的应用研究[J]. 物探与化探, 2021, 45(5): 1295-1302.
[7] 赵旭辰, 李雪健, 曹芳智, 雷晓东, 李晨, 韩宇达. 井间电磁波CT在煤矿采空区探测效果分析[J]. 物探与化探, 2021, 45(4): 1088-1094.
[8] 黄苇, 周捷, 高利君, 王胜利, 严海滔. 基于同步挤压改进短时傅立叶变换的分频蚂蚁追踪在断裂识别中的应用[J]. 物探与化探, 2021, 45(2): 432-439.
[9] 李尧, 张笑桀, 刘恭利, 龚敏. 渤海油田渤中A构造太古宙潜山裂缝储层预测[J]. 物探与化探, 2021, 45(1): 37-45.
[10] 陈紫静, 陈清礼. 瞬变电磁的逆时偏移成像方法[J]. 物探与化探, 2020, 44(6): 1415-1419.
[11] 陈志刚, 马文杰, 赵宏忠, 许凤, 崔全章, 马辉, 孙星. 利用曲率类属性预测储层裂缝的流程及应用实例[J]. 物探与化探, 2020, 44(5): 1201-1207.
[12] 杨道煌, 刘江平, 程飞, 庞凯旋. 超声面波法在混凝土强度检测中的应用研究[J]. 物探与化探, 2020, 44(3): 626-634.
[13] 屈雪峰, 赵中平, 雷启鸿, 刘建, 高武斌. 鄂尔多斯盆地合水地区延长组裂缝发育特征及控制因素[J]. 物探与化探, 2020, 44(2): 262-270.
[14] 马修刚, 周军, 蔡文渊, 王伟, 于伟高, 曹先军, 孙佩. 反射波成像与纵波径向速度成像在华北油田裂缝型碳酸盐岩储层勘探开发中的联合应用[J]. 物探与化探, 2020, 44(2): 271-277.
[15] 刘黎, 章成广, 蔡明, 何洋, 滑玉琎, 刘玉. 裂缝对井眼声波的传播影响规律研究[J]. 物探与化探, 2019, 43(6): 1333-1340.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
京ICP备05055290号-3
版权所有 © 2021《物探与化探》编辑部
通讯地址:北京市学院路29号航遥中心 邮编:100083
电话:010-62060192;62060193 E-mail:whtbjb@sina.com