способ электромагнитной дефектоскопии

Формула изобретения

1. Способ обнаружения дефектов, заключающийся в том, что поверхность контролируемого изделия облучают разнесенными в пространстве электромагнитными сигналами, принимают отраженные электромагнитные сигналы, сравнивают их с пороговыми сигналами и по результатам сравнения судят о наличии дефекта, отличающийся тем, что облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют с помощью, по крайней мере, двух приемопередающих всеполяризованных антенн с низким уровнем боковых лепестков, основные лепестки диаграммы направленности которых направлены по нормали к поверхности контролируемого изделия, при этом облучение поверхности контролируемого изделия ведут через диэлектрическую пластину, установленную на поверхность контролируемого изделия, а апертуры приемопередающих всеполяризованных антенн размещают внутри диэлектрической пластины.

2. Способ обнаружения дефектов по п.1, отличающийся тем, что расстояние апертуры каждой приемопередающей всеполяризованной антенны до поверхности контролируемого изделия и частоту электромагнитного излучения выбирают из условия получения максимума коэффициента отражения падающего электромагнитного сигнала от поверхности контролируемого изделия.

3. Способ обнаружения дефектов по п.1, отличающийся тем, что расстояние апертуры каждой приемопередающей всеполяризованной антенны до поверхности контролируемого изделия и частоту электромагнитного излучения выбирают из условия получения минимума коэффициента отражения падающего электромагнитного сигнала от поверхности контролируемого изделия.

4. Способ обнаружения дефектов по п. 2 или 3, отличающийся тем, что апертуру одной приемопередающей всеполяризованной антенны устанавливают на расстоянии от поверхности контролируемого изделия большем, чем расстояние апертуры другой приемопередающей всеполяризованной антенны над поверхностью контролируемого изделия на величину, кратную четверти длины волны электромагнитного сигнала в диэлектрике пластины.

5. Способ обнаружения дефектов по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что прием отраженных сигналов дополнительно осуществляют двухкомпонентными антеннами эллиптической поляризации нагруженными на согласованные нагрузки и размещенными по периметру одной и другой приемопередающих всеполяризованных антенн.

6. Способ обнаружения дефектов по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют последовательно электромагнитными сигналами с линейной горизонтальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной вертикальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 45^o относительно горизонтальной плоскости, и электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 135^o относительно горизонтальной плоскости.

7. Способ обнаружения дефектов по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют электромагнитными сигналами эллиптической поляризации.

8. Способ обнаружения дефектов по п.1, или 2, или 3, или 4, или 6, отличающийся тем, что облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют электромагнитными сигналами, модулированными по частоте по периодическому закону.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам и технике неразрушающего контроля, например с помощью сверхвысоких частот, и предназначено для контроля дефектов в стенах и перекрытиях строительных сооружений, в частности армированных, при одностороннем доступе и может найти применение для обнаружения инородных металлических или диэлектрических предметов искусственного или естественного происхождения, расположенных за металлической арматурой, или закрепленных непосредственно на арматуре, или расположенных между прутками арматуры, со стороны противоположной направлению облучения электромагнитным сигналом, и в частности, в стенах строительных сооружений, выполненных по технологии цельнозаливных железобетонных конструкций.

Известен способ СВЧ-дефектоскопии при одностороннем доступе к контролируемому изделию, заключающийся в том, что воздействуют на контролируемый объект поверхностной электромагнитной волной и измеряют изменение мощности этой волны при взаимодействии с дефектом на двух фиксированных частотах СВЧ-диапазона, а глубину залегания дефекта определяют аналитически по эмпирическому выражению (А.с. СССР N 1748029 A1, кл. G 01 N 22/02, 1992 г.).

Способ применим для обнаружения дефекта и глубины их залегания в проницаемой для электромагнитных волн среде, размеры которых больше длины волны и находятся в подповерхностном слое контролируемого изделия и не затененных никакими другими дефектами.

Наиболее близким к изобретению - прототипом является способ обнаружения трещин в листовых диэлектриках при одностороннем доступе к контролируемому изделию, заключающийся в облучении контролируемого изделия двумя разнесенными в пространстве контрольными сигналами электромагнитного СВЧ-излучения, модулируемыми по частоте по периодическому закону относительно частоты, соответствующей минимуму коэффициента отражения, прием отраженных сигналов, определение суммарного и разностного значений принятых отраженных сигналов, смешивание суммарного и разностного сигналов по частоте, а из полученного сигнала выделяют гармонические составляющие на частоте модуляции, по которым путем сравнения с пороговыми значениями судят о наличии дефекта (А.с. СССР N 1242781 A, G 01 N 22/00, 1986 г.).

Способ применим в электронной промышленности при технологическом контроле тонких полупроводниковых пленок и тонких диэлектрических подложек на предмет наличия микротрещин. Данный способ не пригоден для обнаружения дефектов в стенах армированных строительных сооружений, когда дефекты затенены радионепрозрачными конструктивными элементами, например металлической арматурой, и особенно в строительных сооружениях, выполненных по технологии цельнозаливных железобетонных конструкций.

Технической задачей данного изобретения является обеспечение возможности обнаружения в стенах и перекрытиях строительных сооружений, и в частности армированных или выполненных по технологии цельнозаливных железобетонных конструкций, в которых прутки арматуры расположены вертикально, или горизонтально, или вертикально и горизонтально, образуя квадратные или прямоугольные ячейки, а места пересечения либо провариваются электросваркой, либо провязываются стальной проволокой, с высокой разрешающей способностью, высокой чувствительностью, высокой точностью и высокой вероятностью, инородных металлических или диэлектрических дефектов - предметов с небольшой эффективной поверхностью рассеяния искусственного или естественного происхождения и расположенных за металлической арматурой, или закрепленных непосредственно на арматуре, или расположенных между прутками арматуры со стороны противоположной направлению облучения электромагнитным сигналом.

Техническая задача достигается тем, что поверхность контролируемого изделия облучают разнесенными в пространстве электромагнитными сигналами с помощью по крайней мере двух приемопередающих всеполяризованных антенн с низким уровнем боковых лепестков (ВЛ), основные лепестки диаграммы направленности (ДН) которых направлены по нормали к поверхности контролируемого изделия, при этом облучение поверхности контролируемого изделия ведут через диэлектрическую пластину, установленную на поверхность контролируемого изделия, а апертуры приемопередающих всеполяризованных антенн размещают внутри диэлектрической пластины, принимают отраженные электромагнитные сигналы, сравнивают их между собой и с пороговыми сигналами и по результатам сравнения судят с наличии дефекта.

Облучение электромагнитными сигналами поверхности контролируемого изделия через диэлектрическую пластину сводит практически до минимума отражения от ее внешней поверхности и соответственно уровень возбуждения поверхностных волн минимален, что обеспечивает повышение чувствительности и разрешающей способности обнаружения дефектов. Выполнение каждой приемопередающей антенны всеполяризованной позволяет учесть деполяризацию отраженного от контролируемого изделия электромагнитного сигнала. Ориентация основного лепестка ДН каждой приемопередающей всеполяризованной антенны по нормали к поверхности контролируемого изделия и сверхнизкий уровень БЛ позволяют устранить неоднозначность приема отраженных электромагнитных сигналов и тем самым повысить вероятность обнаружения дефектов.

Расстояние апертуры каждой приемопередающей всеполяризованной антенны до поверхности контролируемого изделия и частоту электромагнитного сигнала выбирают из условия получения максимума коэффициента отражения падающего электромагнитного сигнала от поверхности контролируемого изделия, что позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность обнаружения дефектов.

Расстояние апертуры каждой приемопередающей всеполяризованной антенны до поверхности контролируемого изделия и частоту электромагнитного сигнала выбирают из условия получения манимума коэффициента отражения падающего электромагнитного сигнала от поверхности контролируемого изделия, что позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность обнаружения дефекта.

Апертуру одной приемопередающей всеполяризованной антенны устанавливают на расстоянии от поверхности контролируемого изделия, большем чем расстояние апертуры другой приемопередающей всеполяризованной антенны над поверхностью контролируемого изделия, на величину, кратную четверти длины волны электромагнитного сигнала в диэлектрике пластины, что позволяет выявить и учесть как систематическую погрешность шероховатости поверхности исследуемого контролируемого изделия (строительного сооружения) и связанные в этим возможности неплотного контакта диэлектрической пластины с этой поверхностью.

Прием отраженных сигналов дополнительно осуществляют приемными двухкомпонентными антеннами эллиптической поляризации, нагруженными на согласованные нагрузки и размещенными по периметру апертур приемопередающих всеполяризованных антенн, что позволяет увеличить развязку между апертурами приемопередающих всеполяризованных антенн и повысить точность обнаружения дефектов.

Облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют последовательно электромагнитными сигналами с линейной горизонтальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной вертикальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 45^o относительно горизонтальной плоскости, и электромагнитными сигналами линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 135^o относительно горизонтальной плоскости, что позволяет повысить разрешающую способность и обеспечить высокую вероятность обнаружения дефектов.

Облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют электромагнитными сигналами с эллиптической поляризацией, что позволяет повысить разрешающую способность обнаружения дефектов.

Облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют электромагнитными сигналами, модулированными по частоте по периодическому закону, что позволяет повысить вероятность обнаружения дефектов.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства, реализующего способ обнаружения дефектов в стенах армированных строительных сооружений; на фиг. 2 схематически представлены варианты расположения гипотетических дефектов в металлической арматуре строительного сооружения; на фиг. 3 схематически представлены основные лепестки ДН приемопередающих всеполяризованных антенн в режиме максимального коэффициента отражения от арматуры строительного сооружения; на фиг. 4 схематически представлены основные лепестки ДН приемопередающих всеполяризованных антенн в режиме минимального коэффициента отражения от арматуры строительного сооружения; на фиг. 5 схематически представлены основные лепестки ДН приемопередающих всеполяризованных антенн при наличии затененного металлической арматурой гипотетического дефекта в стене армированного строительного сооружения.

Устройство содержит первую приемопередающую всеполяризованную антенну 1, вторую приемопередающую всеполяризованную антенну 2, диэлектрическую пластину 3, генераторный блок 4, перестраиваемый по частоте, приемный блок 5, блок 6 обработки и индикации, дополнительную приемную двухкомпонентную антенну 7 эллиптической поляризации, контролируемое изделие 8, металлическую арматуру 9, гипотетический дефект 10.

Способ обнаружения дефектов в стенах армированных металлом строительных сооружений, например железобетонных, реализуется следующим образом.

Электромагнитные сигналы от перестраиваемого по частоте генераторного блока 4 с одинаковой мощностью излучаются в направлении контролируемого железобетонного изделия 8 через диэлектрическую пластину 3, установленную на его поверхность, при помощи двух разнесенных в пространстве приемопередающих всеполяризованных антенн 1 и 2, соответственно, которые выполнены с низким уровнем БЛ, апертуры которых размещены внутри диэлектрической пластины 3. Основной лепесток ДН каждой приемопередающей всеполяризованной антенны 1 и 2, соответственно направлен, по нормали к поверхности контролируемого железобетонного изделия 8 с металлической арматурой 9. Принятые приемопередающими всеполяризованными антеннами 1 и 2 отраженные от контролируемого железобетонного изделия 8 электромагнитные сигналы соответственно поступают в приемный блок 5, с выходов которых сигналы поступают в блок 6 обработки и индикации (фиг. 1).

Обработка принятых отраженных электромагнитных сигналов в приемном блоке 5, например, может осуществляться по следующему алгоритму. В приемном блоке 5 производится суммирование и вычитание принятых отраженных электромагнитных сигналов на частоте облучения, например в трехдецибельном направленном ответвителе, в результате на двух выходных каналах которого формируются суммарный и разностный сигналы соответственно. При этом балансировка плеч канала вычитания осуществляется таким образом, чтобы в отсутствии дефектов в контролируемом строительном изделии 8 амплитуды и фазы отраженных электромагнитных сигналов поддерживаются одинаковыми, вследствие чего на выходе канала вычитания разностный электромагнитный сигнал равен нулю. Затем формируется произведение суммарного и разностного сигналов, например балансным смесителем, в котором формируется низкочастотный сигнал, пропорциональный произведению амплитуд суммарного и разностного электромагнитных сигналов умноженного на косинус угла сдвига фаз между ними. Результирующий низкочастотный сигнал с приемного блока 5 поступает на блок 6 обработки и индикации, где осуществляется сравнения их с пороговыми сигналами и по результатам сравнения вырабатывается решение о наличии или отсутствии дефекта в области контроля строительного изделия.

В случае одинаковых внутренних структур участков железобетонной стены контролируемого строительного сооружения 8, облучаемых основным лепестком ДН одной и другой приемопередающими всеполяризованными антеннами 1 и 2, соответственно, отраженные электромагнитные сигналы имеют одинаковые амплитуды и фазы. В этом случае величина разностного сигнала равна нулю и соответственно произведение этих сигналов также будет равно нулю. Появление инородных металлических или диэлектрических дефектов (предметов), расположенных за металлической арматурой, или закрепленных непосредственно на арматуре, или расположенных между прутками арматуры, в области облучения основным лепестком ДН одной из приемопередающих всеполяризованных антенн 1 или 2, приводит к различным значениям величин амплитуд и фаз отраженных электромагнитных сигналов. В этом случае величина разностного сигнала не равна нулю и произведение этих сигналов также отлично от нуля. В этом случае по результатам сравнения с пороговыми сигналами вырабатывается решение о наличии дефекта в области контроля строительного сооружения.

Приемопередающая всеполяризованная антенна должна иметь уровень ВЛ не менее - 40 дБ. Например, создать антенну с таким низким уровнем ВЛ можно используя принцип (W.T. Patton, "Low Sidelode Antennas for Tactical Radars", IEEE 1980 Intl. Radar Ojnf., Arlington, 28-30 April 1980, pp. 243-244).

Параметры диэлектрической пластины выбирают так, чтобы ее относительная диэлектрическая проницаемость равнялась или была близка относительной диэлектрической проницаемости материала контролируемого изделия и тангенс угла диэлектрических потерь был минимален. Например, для бетона величина относительной диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 10⁵ Гц до 10¹⁰ Гц, изменяется в пределах от 10 до 4 (Поверхностная радиолокация/ Под ред. М. И. Финкельштейна. - М. : Радио и связь, 1994. - 218 с. (стр. 25, рис. 1.4)). В этом случае внешняя граница контролируемого изделия становится неотражающей, т. е. среда для распространения электромагнитных волн становится однородной, и вся излученная каждой антенной электромагнитная энергия проходит в объем контролируемого изделия практически без потерь. Уровень возбуждения поверхностных волн минимален, что обеспечивает увеличение пространственной развязки между апертурами приемопередающих всеполяризованных антенн, а это, в свою очередь, обеспечивает повышение чувствительности и разрешающей способности данного способа.

Диапазон частот электромагнитного сигнала для зондирования стен и перекрытий строительных сооружений, в частности железобетонных конструкций, выбирают в зависимости от размеров ячеек переплетения прутков металлической арматуры в случае вертикального и горизонтального их расположения, шага расположения прутков металлической арматуры в случае вертикального или горизонтального их расположения и возможного вида (типоразмеров и электродинамических параметров) ожидаемых дефектов и расстояние апертур приемопередающих всеполяризованных антенн до поверхности контролируемого изделия выбирают из условия получения максимального коэффициента отражения электромагнитного сигнала от контролируемого строительного сооружения (Резонансное рассеяние волн. Т.1. Дифракционные решетки/ Шестопалов В.П., Кириленко А.А., Масалов С. А. , Сиренко Ю.К. - Киев: Наук. Думка, 1986, - 232 с.). В данном случае металлическая арматура, расположенная внутри строительного сооружения, выполняет роль отражающей электромагнитный сигнал поверхности, а с точки зрения электродинамики, металлическая арматура представляет собой частично-избирательную поверхность (ЧИП) (Parker, E.A., Langley, R.J., Cahill, R., and Vargaxoglou J. C. : "Freguency selective sufaces". ICAP 83, IEE Conf. Publ. 219, 1983, pp. 459-463). Поэтому осуществляя перестройку частоты генератора и одновременно подбирая расстояние апертур приемопередающих всеполяризованных антенн относительно поверхности контролируемого строительного изделия, например с помощью диэлектрических прокладок различной толщины, добиваются достаточно полного отражения (максимального значения коэффициента отражения) электромагнитных сигналов от поверхности металлической арматуры строительного сооружения (фиг. 3). В дальнейшем эта частота и расстояние являются рабочими параметрами для данного контролируемого строительного сооружения в процессе его контроля. Эта операция является, своего рода калибровкой, для конкретной внутренней структуры армированной металлом строительного сооружения.

При перемещении апертур приемопередающих всеполяризованных антенн по поверхности контролируемого строительного сооружения, появление инородных металлических или диэлектрических предметов, расположенных за металлической арматурой, или закрепленных непосредственно на арматуре, или расположенных между прутками арматуры, эквивалентно включению реактивности в отражательную поверхность. Это приводит к изменению резонансной частоты участка поверхности арматуры, где расположен инородный предмет, что соответственно приведет к частичной прозрачности отражающей поверхности, т.е. к уменьшению коэффициента отражения электромагнитного сигнала от этого участка поверхности (фиг. 5). В результате этого амплитуды и фазы отраженных электромагнитных сигналов, принятых с одной и другой приемопередающих всеполяризованных антенн, различны. Обработка принятых отраженных электромагнитных сигналов проводится по вышеуказанному алгоритму и дает информацию о наличии неоднородности (дефекта) в исследуемом строительном сооружении.

Диапазон частот электромагнитного сигнала и расстояние апертур приемопередающих всеполяризованных антенн до поверхности контролируемого изделия выбирают из условия получения минимального коэффициента отражения электромагнитного сигнала от металлической арматуры контролируемого изделия, что соответствует условию максимальной прозрачности металлической арматуры (фиг. 4). В данном режиме измерения частота и расстояние апертур приемопередающих всеполяризованных антенн до поверхности контролируемого изделия будут существенно отличаться от режима максимального отражения электромагнитного сигнала металлической арматурой строительного сооружения. Методика контроля строительного сооружения и обработка принятых отраженных электромагнитных сигналов проводится также по вышеуказанному алгоритму.

Использование поочередно режима максимального отражения и режима максимальной прозрачности арматуры железобетонного строительного сооружения в процессе контроля строительного сооружения соответствует двухчастотному режиму обследования. Это дает возможность с высокой степенью вероятности обнаруживать дефекты с широким спектром типоразмеров, места их расположения и их электродинамических свойств.

Установка апертуры одной из антенн на расстоянии от поверхности контролируемого изделия, большем чем расстояние апертуры другой антенны над поверхностью контролируемого изделия на величину кратную четверти длины волны электромагнитного сигнала в диэлектрике пластины, как в режиме максимального отражения, так и в режиме максимальной прозрачности арматуры железобетонного строительного сооружения, позволяет выявить и учесть как систематическую погрешность шероховатости внешней поверхности исследуемого строительного сооружения со стороны облучения электромагнитным сигналом и в связи с этим возможность неплотного контакта диэлектрической пластины с этой поверхностью (образование воздушных раковин).

Размещение по периметру апертуры каждой из антенн дополнительно приемных двухкомпонентных антенн эллиптической поляризации (Поляризационная модуляция/ Гусев К.Г., Филатов А.Д., Сополев А.П. - М.: Сов. радио, 1974, - 288 с.), нагруженными на согласованные нагрузки, позволяет уменьшить влияние рассеянных в широком угловом секторе переотражений электромагнитного сигнала, не зависимо от вида его поляризации, от металлической арматуры исследуемого сооружения и соответствующих переотражений от границы раздела диэлектрическая пластина - воздух, а также от границы раздела строительное сооружение - воздух, и одновременно увеличить пространственную развязку между апертурами приемопередающих антенн. Это позволяет повысить разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов в армированных строительных сооружениях.

В связи с возможной конструктивной сложностью внутренней армированной структуры исследуемой железобетонной конструкции строительного сооружения (например, провязка арматуры в месте пересечения проволокой), возможное по формам, размерам, расположению и многообразию материалов дефектов (неоднородностей) и их электродинамических характеристик, облучение поверхности контролируемого изделия осуществляют последовательно электромагнитными сигналами с линейной горизонтальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной вертикальной поляризацией, электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 45^o относительно горизонтальной плоскости, и электромагнитными сигналами с линейной поляризацией с плоскостью, повернутой на 135^o относительно горизонтальной плоскости. Для каждого вида поляризации электромагнитного сигнала производится обработка принятых отраженных электромагнитных сигналов, по вышеуказанному алгоритму, и результаты запоминаются. Затем сигналы сравнивают между собой и с пороговыми значениями и по результатам судят о наличии дефекта. Этот способ позволяет существенно повысить чувствительность, разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов.

Облучение поверхности контролируемого изделия с различной ориентацией линейного вектора поляризации позволяет создать автоинтерактивный комплекс поиска дефектов в армированных структурах железобетонных конструкций строительных сооружений, что позволяет значительно расширить функциональные возможности устройства реализующего этот способ.

Облучение поверхности контролируемого изделия электромагнитными сигналами эллиптической поляризации позволяет существенно расширить спектр обнаружения возможных дефектов с различными электродинамическими свойствами, расположенных в армированной структуре исследуемой железобетонной конструкции строительного сооружения (фиг. 2). Это происходит благодаря свойствам эллиптически поляризованной волны - затягивание эллипса поляризации (Radar Target Identification of Aircraft Using Polarization Diverse Features. Neil E. Chamderlain, E.K. Walton, E.D. Garber. "IEEE Trans. Aerospace and Electronic Sistems", 1991, v.27, N 1, pp. 58-66), и - свойства резонанса эллиптически поляризованной волны (M. Fossi et elit, "Experimental Results of Disorisination of Radar Signals by Polarization", Pros. of the 1984 Intl. Symp. on Nouse and Clutter Rejection in Radar and Imaging Sensors, Tokio, pp. 501-505).

Приемопередающую всеполяризованную антенну можно построить, например, по принципу (А.с. СССР N 907423, кл. G 01 N 22/00, 1980).

Обработку отраженных электромагнитных сигналов можно проводить и по другому алгоритму, например, разделяя электромагнитный сигнал на две составляющие вертикальную и горизонтальную, и дальнейшую обработку проводить уже с этими составляющими (Гусев К.Г., Филатов А.Д., Сополев А.П. Поляризационная модуляция/ М.: Сов. радио, 1974, 288 с.).

Облучение поверхности контролируемого изделия электромагнитными сигналами модулированными по частоте по периодическому закону и выделение гармонических составляющих частоты модуляции из отраженных от контролируемого изделия электромагнитных сигналов, сравнение с пороговыми значениями и по результатам судят о наличии или отсутствии дефекта. Это позволяет повысить вероятность обнаружения дефекта на фоне возможных неровностей поверхности контролируемого изделия и образующихся в связи с этим воздушных зазоров между поверхностью контролируемого изделия и диэлектрической пластиной.

Целесообразно разместить на внешней и торцевых поверхностях диэлектрической пластины поглощающие электромагнитные сигналы элементы. Это позволяет обеспечить помехозащищенность поверхности контролируемого строительного сооружения, обучаемого основными лепестками ДН приемопередающих всеполяризованных антенн, от воздействия внешних промышленных и атмосферных электромагнитных помех, а также поглощение электромагнитных сигналов внутри диэлектрической пластины, образовавшихся в результате всевозможных внутренних переотражений. Это позволяет повысить точность, разрешающую способность и вероятность обнаружения дефектов.