實驗規劃

4-1 實驗設計

在參考學長所做對於保護層對鋼筋反射訊號的影響之研究後，得知在保護層 4~5 公分時鋼筋反射訊號最強，之後鋼筋反射訊號則隨著保護層厚度增加而遞減。

當保護層在 0~3 公分時，反射訊號之最大編碼值並未落在鋼筋反射曲線的中心位 置，與實際鋼筋位置進行比較，將有明顯的偏移量產生。故在本研究中所選擇之保 護層厚度分別為：雙層#10 鋼筋保護層厚度固定為 6.5 公分，雙層#6 鋼筋保護層厚 度固定為 5.6 公分。

本研究中使用透地雷達雙層鋼筋尺寸分析技術針對混凝土內含雙層鋼筋之下層 鋼筋尺寸進行估算，並對電磁波互相干擾的情況下所得到之透地雷達訊號進行分 析。本研究之實驗主要分為兩大部分:

第一部分：雙層#10 鋼筋，固定保護層深度為 6.5cm，變換不同鋼筋垂直間距，間距 為 1cm~15cm，每一公分施測一筆數據。

第二部分：雙層#6 鋼筋，固定保護層深度 5.6cm，變換不同鋼筋垂直間距，間距為 1cm~15cm，每一公分施測一筆數據。

4-2 實驗儀器

本研究中所使用之儀器屬於非破壞性檢測技術裡的透地雷達檢測技術，其透地 雷達系為瑞典 MALA GeoScience 製造公司所生產之 RAMAC/GPR 系統，所使用之 透地雷達探頭頻率為 1GHz，屬於遮罩式透地雷達探頭。所謂遮罩試探頭就是將發 射與接收端天線固定於探頭中，以減少外在環境中的電磁雜訊對訊號產生干擾。透 地雷達儀器系統主要是由五個部分組成，分別為主機、天線、電池、測距輪及個人 筆記型電腦。另外，在進行實驗時，需搭配透地雷達軟體進行施測，本實驗採用 RAMAC Ground Vision2 之透地雷達軟體進行實驗。透地雷達檢測系統如圖 4.1 所示：

圖 4.1 透地雷達檢測系統

4-3 實驗內容

本研究中所使用之試體為 15*15*15cm³正立方混凝土試體，試體內含一根

#10(#6)鋼筋，並有多個不同之鋼筋保護層深度。實驗中所使用之混凝土試體如圖 4.2、圖 4.3 所示。

圖 4.2 鋼筋混凝土試體內含不同保護層深度(#10)

圖 4.3 鋼筋混凝土試體內含不同保護層深度(#6)

本研究中為得到完整之波形訊號，將使驗所使用之試體與長 75cm*寬 15cm*高 15cm 之純混凝土長梁試體，組合成一長 165cm*寬 15*高 15cm 之大面積混凝土，使 透地雷達之測線長度由 15cm 增加到 100cm，如圖 4.4 所示。

圖 4.4 混凝土試體與長梁試體組合示意圖

4-3-1 固定保護層深度變換雙層鋼筋淨間距(#10)

將兩顆試體內含#10 鋼筋不同保護層深度之正方體試體，垂直排列與實驗室中 長梁試體組合，固定上層鋼筋保護層深度，排列出兩根鋼筋不同垂直間距以進行透 地雷打檢測，接著變換下層鋼筋保護層深度，以排列出兩根鋼筋不同之垂直間距，

繼續進行透地雷達檢測，實驗設計如圖 4.5 所示：

圖 4.5 混凝土內含雙層#10 鋼筋實驗示意圖

4-3-2 固定保護層深度變換雙層鋼筋淨間距(#6)

將兩顆試體內含#6 鋼筋不同保護層深度之正方體試體，垂直排列與實驗室中長 梁試體組合，固定上層鋼筋保護層深度，排列出兩根鋼筋不同垂直間距以進行透地 雷打檢測，接著變換下層鋼筋保護層深度，以排列出兩根鋼筋不同之垂直間距，繼 續進行透地雷達檢測，實驗設計如圖 4.6 所示：

.

圖 4.6 混凝土內含雙層#10 鋼筋實驗示意圖

雷達探頭 雷達探頭

行進方向

^變

換 不 同 間 距

固定保護層厚度 測線距離 100cm

#10 鋼筋

雷達探頭 雷達探頭

測線距離 100cm

變 換 不 同 間 距

固定保護層厚度

施測方向

#6 鋼筋

4-4 透地雷達操作程序

本研究中所使用之透地雷達(RAMAC/GPR)系統在進行施測前須先觀察施測環 境條件是否適合進行施測，並且針對不同的檢測項目與檢測需求，選擇適當的透地 雷達探頭(天線頻率不同)，當使用之探頭頻率越低時所能探測之深度越深，相反的 使用頻率越高之探頭所能探測之深度越淺但解析度越高。選定透地雷達探頭後將探 頭放置於施測區內，並在透地雷達軟體內進行基本的參數設定方能進行施測，施測 所得之透地雷達現場訊號資料會儲存於筆記型電腦中，最後將所得之訊號資料進行 分析處理以得到待測物判定所需之各項電性參數。

4-4-1 頻率、波長和波速的關係

由在時間軸上，波長、振幅、頻率之關係示意圖圖 4.7 所示，可以看到波的傳 遞過程中，各質點對平衡位置的位移作週期性的變化。在每秒鐘內波重覆出現的週 期次數，稱為頻率，通常以英文字 f 表示，單位為 Hz。而波長意旨為正弦波之波峰 與波峰(波谷與波谷)之間的距離，通常以希臘文字 λ 表示，單位為公分【cm】或公 厘【mm】。

圖4.7 時間軸上，波長、週期、振幅示意圖

振幅

週期

波長

頻率與波長成反比關係，而波速等於波長和頻率的乘積，其關係式如下：





 f

C

式中：

C：波速(mm/sec) f：頻率(MHz) λ：波長(mm)

4-4-2 透地雷達施測之參數設定

透地雷達在施測時所使用之電腦軟體(RAMAC Ground Vision2)，在進行施測前須 先設定基本的參數，其中參數設定包含了天線頻率設定、選擇與天線搭配之輪距、取 樣間距、疊加次數、取樣頻率、時間視窗等設定。

1. 天線頻率

在進行檢測前，我們必須依照施測的目的與需求選擇天線頻率(Antenna Frequency)，一般的天線可分為遮蔽式天線與無遮蔽式天線，依照探測深度的需求 選擇天線頻率之大小，天線頻率越高所能探測的深度越淺但其解析度較高，反之 頻率越低所能探測之深度越深但其解析度較低，一般來說高頻率的天線大部分使 用在結構體的檢測，低頻率的天線通常使用於大地方面。當選擇適當的天線頻率 後，再選定搭配天線所使用之輪距。

2. 取樣間距

取樣間距(Interval)即雷達波形軌跡（Trace）之間的實際長度，也就是雷達剖 面圖橫向之解析度，舊版的軟體其範圍為0.2cm〜99.99cm，本研究中所使用的新 版電腦軟體(RAMAC Ground Vision2)其最小取樣間距可設定為0.1cm。取樣間距的 設定由現場所需探測之待測物寬度所決定，若待測物之寬度較小，則使用較低的 取樣間距，如此才能得到較佳的解析圖形；反之，若待測物之寬度較寬大，則使 用較高的取樣間距，如此才能增加圖形的判讀效率。

3. 疊加次數

疊加次數(Number of Stacks)為發射天線再同一測點發射訊號的次數及天線在 接收同一測點訊號的次數，然後將所接收到之振幅資料加以疊加然後平均，藉以 用來將訊號加強並且消除隨機雜訊，平均後所得到的振幅資料形成一條軌跡 (Trace)。雖然選擇較高的疊加次數雖可得到較多的資料平均，但相對控制主機也 需要更多時間來運算較多筆資料，而造成拖曳速度不能過快，否則會出現訊號中 斷的情況。

4. 取樣頻率

取樣頻率(Sampling Frequency)定義為一秒之中，接收端天線擷取激發端天線 所激發出之訊號點數，如取樣頻率設定較高，可提高剖面圖的解析度但訊號衰減 越快，相對的也會降低探測深度；反之，取樣頻率設定較低則所能測得的深度越 深。一般建議取樣頻率應設定為天線頻率的6〜15倍的天線中心頻率，如此可得較 完整之圖形。

5. 時間視窗

時間視窗(Time Window)的定義為從天線機發端開始到接收端接收反射波的 時間走時。時間視窗設定的越高，會使天線接收訊號的時間越長，可接收較深層 的反射訊號；反之，若時間視窗設定的越小，天線接收訊號的時間越短，則可接 收到的訊號只能到達較淺層，所以改變時間視窗的大小，會直接影響到探測深度 的深淺。所以必須依照探測物的深度，選擇適當的時間視窗，以獲得最佳的透地 雷達檢測效果。時間視窗會受取樣頻率及取樣數目的改變而變化，其關係式如下：

f

T  S

式中：

T：時間視窗(ns) S：取樣數目

f ：取樣頻率(GHz)

4-4-3 透地雷達軟體參數設定

本研究中以新版的透地雷達軟體 Ground Vision2 進行施測，取樣間距可以縮小 到 0.001m，以得到較佳的解析圖形。參數設定如表 4.3.3 所示：

表 4.1 透地雷達軟體參數設定

參數項目 參數設定值

天線頻率(Hz) 1GHz

取樣頻率(Hz) 12596

取樣點數 512

時間視窗(ns) 40ns

疊代次數 Auto

取樣間距(m) 0.001m