智能同軸一維鋼筋混凝土構件的介電常數測量設備和方法與流程
2023-04-25 04:35:46 1
本發明屬於建築材料檢測範疇，涉及混凝土質量監測，具體是智能同軸一維鋼筋混凝土構件的介電常數測量設備和方法。
(二)
背景技術：
混凝土是土木工程結構中使用最為廣泛的結構材料，混凝土結構材料的損傷會嚴重破壞結構的整體性、影響結構的耐久性、甚至直接危害工程結構的安全性，因此，混凝土材料損傷檢測或監測是工程質量檢查與結構健康監測的重要內容。對混凝土構件進行實時有效檢測和實時監測，科學地掌握混凝土構件結構性能的動態變化，對及時採取災害防治措施、提高結構的運營效率、實現混凝土結構全生命周期的可持續綠色發展、保障人民生命財產安全具有極其重大的意義。
在當今社會飛速發展的形勢下，各種混凝土的質量檢測有了不同程度的提高。專利號ZL201520402418.5《鋼筋同軸電纜結構一維混凝土健康監測階躍測試》，給出了一種對鋼筋同軸電纜結構一維混凝土的健康監測方法，但是不論測試精度還是可靠性、穩定性還有待提高。
專利號ZL201310029782.7《以鋼筋為電極的混凝土監控檢測儀及其監控檢測方法》利用鋼筋做電極，檢測兩個鋼筋電極之間的電參數，判斷混凝土裂縫。本發明提出了一種方法，但沒有根據鋼筋混凝土的不同結構給出不同的測試方法。
專利號ZL201210199249.0《以鋼筋為電極的混凝土裂縫檢測儀》，利用發射電極激勵信號和接收電極的響應信號之間的關係，判斷混凝土裂縫。本發明主要局限在檢測混凝土的裂縫，沒有檢測其他的異常行為，存在局限性。
(三)
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種不需改變混凝土材料和設計方法，將混凝土構件自身成為一種智能傳感材料，採用基於介電常數測量測量方法對混凝土構件動態變化進行檢測。解決現有技術檢測還不全面，測量精度和穩定性、可靠性還有待提高的問題，滿足日益增加的混凝土構件動態檢測的需求。
本發明的目的是這樣達到的：一種智能同軸一維鋼筋混凝土構件介電常數測量設備，其特徵在於：介電常數測量設備與被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的內、外導體共同完成測量。智能同軸一維鋼筋混凝土構件內的鋼筋為同軸電纜結構，有外導體和內導體，外導體與內導體均由若干箍筋、縱筋組合而成，縱筋沿同軸一維鋼筋混凝土構件軸向分布，箍筋沿橫截面方向分布，內導體位於鋼筋混凝土構件內部的中心位置、與外導體形狀一致但箍筋尺寸小於外導體，外導體位於混凝土構件的外邊，並滿足一維混凝土構件設計規範的要求。
介電常數測量設備由控制伺服器、微處理器、信號源、功分器組、反向信號隔離器、定向耦合器、程控衰減器組、信號解析器組和測量連接埠組成，微處理器通過通信接口連接控制伺服器。
介電常數測量設備連接在連接電纜上,被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的測量端與連接電纜相連，被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的外導體與連接電纜外導體連接，被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的內導體與連接電纜6的內導體連接。
控制伺服器連接通信接口，通過通信接口與微處理器進行通信。
所述介電常數測量設備中，微處理器連接信號源、反向信號隔離器、程控衰減器A、程控衰減器B、信號解析器1、信號解析器2，並對信號源、反向信號隔離器、程控衰減器1和程控衰減器2、信號解析器1和信號解析器2的工作模式進行控制，接收信號解析器的數據；信號源的信號輸入功分器1，功分器1將信號源信號分成兩路，一路送到功分器2，一路送入程控衰減器B。
功分器2的輸出分別連接到反向信號隔離器和程控衰減器A的輸入，反向信號隔離器的控制線連接到微處理器，並接收微處理器的控制，反向信號隔離器的輸出連接到定向耦合器，定向耦合器將輸入信號送給測量連接埠，並從測量連接埠接收信號，將接收到的測量連接埠的信號送給信號解析器1；測量連接埠通過連接電纜與被測智能同軸一維鋼筋混凝土連接，信號解析器1的兩個輸入信號分別連接定向耦合器和功分器的輸出信號，控制線與數據輸出與微處理器連接，接受微處理器控制，向微處理器輸出數據，程控衰減器A的輸入連接功分器2的輸出，控制線連接微處理器，輸出連接到信號解析器2；信號解析器2的兩個輸入信號分別連接程控衰減器A和功分器3的輸出信號，控制線與數據輸出與微處理器連接，接受微處理器控制，向微處理器輸出數據。
程控衰減器B的控制線連接到微處理器，並接受微處理器控制，輸入連接到功分器1的輸出，輸出連接到功分器3的輸入；功分器3的輸入連接到程控衰減器B的輸出，輸出連接到信號解析器1、信號解析器2。
被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的內、外導體縱筋數量均不小於6根。
被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件橫截面為圓形或橢圓形或正方形或長方形採用介電常數測量設備對被測同軸一維鋼筋混凝土構件進行測量是，在測量前，將被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件測量端的內、外導體與連接電纜相連，連接電纜為同軸電纜。被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的測量端外導體與連接電纜外導體連接，被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件測量端的內導體與連接電纜內導體連接；混凝土介電常數測量設備的測量連接埠與連接電纜連接。
介電常數測量設備中的控制伺服器通過與微處理器的通信，對被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的測量進行控制，控制伺服器對微處理器下達控制命令，設置測量參數，同時微處理器將測量結果發送給控制伺服器。
介電常數測量設備對被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的測量流程包括控制伺服器程序流程和微處理器程序流程；微處理器程序流程中包括微處理器主程序和參數計算子程序。
控制伺服器程序流程：
第一步：通過通信接口向微處理器發出設置系統參數命令，發出的系統參數包括：信號源頻率，反向隔離器、程控衰減器A、程控衰減器B的放大倍數，信號解析器1、信號解析器2的工作模式，設反向隔離器的放大倍數為KFa，程控衰減器A的放大倍數為KCa，進入第二步。
第二步：通過通信接口接收微處理器計算得到的數據，返回第一步；
微處理器主程序：
第一步，通過通信接口接收控制伺服器命令，進入第二步；
第二步，設置系統參數，所設置的系統參數包括：信號源頻率，反向隔離器、程控衰減器A、程控衰減器B的放大倍數，信號解析器1、信號解析器2的工作模式。進入第三步；
第三步，接收信號解析器1解析得到的定向耦合器A與功分器3輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q；設信號解析器1解析得到的同相分量為DATA_I 1a，正交分量為DATA_Q1a；接收信號解析器2解析得到的程控衰減器A與功分器3輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q；設信號解析器2解析得到的同相分量為DATA_I2a，正交分量為DATA_Q2a，進入第四步；
第四步，調用參數計算子程序，進入第五步；
第五步，將參數計算結果送給控制伺服器，返回第一步。
參數計算子程序：
第一步計算反射參數X11，X11是複數，令i為虛數單位，X11複數計算公式如下：
式中：
DATA_I1a為信號解析器1解析得到的同相分量，
DATA_I2a為信號解析器2解析得到的同相分量，
DATA_Q1a為信號解析器1解析得到的正交分量；
DATA_Q2a為信號解析器2解析得到的正交分量；
KCa為程控衰減器A的放大倍數；
KFa為反向隔離器的放大倍數；
第二步計算復電導Y，Y為複數，計算為複數計算
<![CDATA[ Y = 2.655 10 - 3 ( 1 - X 11 ) L ( 1 + X 11 ) ]]>
L為智能同軸一維鋼筋混凝土構件的長度；
第三步：計算混凝土復介電常數E，E為複數，計算為複數計算
<![CDATA[ E = Y 2.78 10 - 11 f a r c t a n ( 2 Re Y Im Y ) ]]>
f為信號源頻率，ReY為複數Y的實部，ImY為複數Y的虛部。
被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件7的內、外導體的縱筋數量不小於6根。
被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件內導體需滿足如下要求：
設混凝土介電常數為ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε0.5,k為內徑計算係數，x為內徑計算指數，
智能同軸一維鋼筋混凝土構件按照橫截面分別為圓形、橢圓形、正方形、長方形，分別命名為圓形智能同軸一維鋼筋混凝土構件、橢圓形智能同軸一維鋼筋混凝土構件、正方形智能同軸一維鋼筋混凝土構件、長方形智能同軸一維鋼筋混凝土構件；
對於圓形智能同軸一維鋼筋混凝土構件，內導體的外徑r等於外導體的內徑R除以10的x次方，即:r＝R/10x，
對於橢圓形智能同軸一維鋼筋混凝土，設外導體的長軸為A，短軸為B，內導體長軸為a，短軸為b，則a等於A除以10的x次方，b等於B除以10的x次方，
即:a＝A/10x；b＝B/10x
對於正方形智能同軸一維鋼筋混凝土，設外導體的邊長為LN，內導體最外部一圈邊長為l；則l等於LN除以10的x次方，
即:l＝LN/10x
對於長方形智能同軸一維鋼筋混凝土，設外導體的長為Y，寬為W，內導體長為y，寬為w，則y等於Y除以10的x次方，w等於W除以10的x次方
即:y＝Y/10x；w＝W/10x。
本發明的積極效果是：
1、同軸一維鋼筋混凝土構件在不需改變混凝土材料和設計方法的基礎上，使得混凝土材料自身成為一種智能傳感材料。
2、混凝土材料在不同齡期、不同健康狀況下呈現出不同混凝土介電常數，通過實時監測智能同軸一維鋼筋混凝土的混凝土介電常數，根據混凝土介電常數的變化，監測混凝土各階段的健康狀況。
3、對混凝土健康狀況實時監控，科學地掌握混凝土構件結構性能的動態變化，解決現有混凝土檢測的測量精度和穩定性、可靠性還有待提高的問題，滿足日益增加的混凝土構件動態檢測的需求，實現對非正常健康狀況的預警。
4、測量設備簡單可靠，測量計算自動化程度高，操作簡單，易於推廣。
(四)附圖說明
圖1是本發明中圓形智能同軸一維鋼筋混凝土構件結構示意圖。
圖2是本發明中正方形智能同軸一維鋼筋混凝土構件結構示意圖。
圖3是採用介電常數測量設備測量被測智能一維鋼筋混凝土構件時的連接圖。
圖4是混凝土介電常數測量設備結構圖。
圖5是控制伺服器程序流程圖。
圖6是微處理器主程序。
圖7是信號源電路圖。
圖8是反向信號隔離器電路圖。
圖9是程控衰減器電路圖。
圖10～圖11是信號解析器電路圖。
圖中，1是橫截面為圓形的智能一維鋼筋混凝土構件內導體、1』為橫截面為正方形智能一維鋼筋混凝土構件內導體，2-1～2-n是橫截面為圓形智能一維鋼筋混凝土構件外導體箍筋、3-1～3-m是為橫截面為圓形智能一維鋼筋混凝土構件外導體縱筋、3』-1～3』-m是為橫截面為正方形智能一維鋼筋混凝土構件外導體縱筋、4』-1～4』-n是橫截面為正方形智能一維鋼筋混凝土構件外導體箍筋、5介電常數測量設備、6連接電纜、7被測智能一維鋼筋混凝土構件、9通信接口、10微處理器、11信號源、12-1功分器1、12-2功分器2、12-3功分器3、13反向信號隔離器、14測量連接埠、15定向耦合器、16-1程控衰減器A、16-2程控衰減器B、17-1信號解析器1、17-2信號解析器2、20控制伺服器。
(五)具體實施方式
本發明在不需改變混凝土材料和設計方法的基礎上，使得混凝土材料自身成為一種傳感材料。這些混凝土內的鋼筋設計成同軸電纜形式，即設計成外導體和內導體的形式。外導體與內導體均由若干箍筋、縱筋組合而成。縱筋沿一維鋼筋混凝土構件軸向分布，箍筋沿橫截面方向分布，內導體位於鋼筋混凝土構件內部的中心位置、與外導體形狀一致但箍筋尺寸小於外導體，外導體位於混凝土構件的外邊，並滿足一維混凝土設計規範的設計要求。
智能同軸一維鋼筋混凝土構件可以是橫截面分別為圓形、橢圓形、正方形、長方形的一維鋼筋混凝土構件。根據其橫截面將其命名為智能圓形一維鋼筋混凝土構件、智能橢圓形一維鋼筋混凝土構件、智能正方形一維鋼筋混凝土構件、智能長方形一維鋼筋混凝土構件。無論哪種智能一維鋼筋混凝土構件的外導體設計遵循混凝土結構設計規範要求，在可以保證外導體最少6根縱筋時，按照正常的混凝土結構設計標準設計。如果按正常的混凝土結構設計標準設計處理縱筋少於6根，則設計6根縱筋。內導體結構與外導體類似，但橫截面比外導體橫截面小。內導體縱筋採用的鋼筋直徑可以比外導體縱筋採用的鋼筋直徑小或者相同，內導體縱筋間距可以跟外導體相同，或比外導體間距小，但是內導體最少保證6根縱筋。內導體設計還需滿足如下要求：
設混凝土介電常數為ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε0.5,k為內徑計算係數，x為內徑計算指數，
即x等於0，36乘以混凝土介電常數的0.5次方，或等於0，54乘以混凝土介電常數的0.5次方。
實施例1。
參見附圖1、3。
智能圓形同軸一維鋼筋混凝土構件的外導體由圓形箍筋2-1～2-n、縱筋3-1～3-m組合而成。內導體1是與外導體結構相似的圓形箍筋縱筋組合而成，但圓形箍筋直徑比外導體圓形箍筋小，內導體位於鋼筋混凝土構件內部的軸心位置。
對於智能圓形同軸一維鋼筋混凝土，內導體的外徑r等於外導體的內經R除以10的x次方，即:r＝R/10x
智能橢圓形一維鋼筋混凝土構件與圓形一維鋼筋混凝土構件類似，只是箍筋為橢圓形。對於橢圓形同軸一維鋼筋混凝土，設外導體的長軸為A，短軸為B，內導體長軸為a，短軸為b。則a等於A除以10的x次方，b等於B除以10的x次方。
即:a＝A/10x；b＝B/10x。
實施例2。參見附圖2、3。
對於智能正方形同軸一維鋼筋混凝土構件，設外導體的邊長為LN，內導體最外部一圈邊長為l；則l等於LN除以10的x次方，
即:l＝LN/(10x)。
對於智能長方形同軸一維鋼筋混凝土構件，設外導體的長為Y，寬為W，內導體長為y，寬為w。則y等於Y除以10的x次方，w等於W除以10的x次方
即:y＝Y/(10x)；w＝W/(10x)。
無論對哪種一維鋼筋混凝土構件進行測量，其使用的介電常數測量設備5完全相同，測量過程與流程完全一致。
測量時，介電常數測量設備5連接在連接電纜6上,被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件7的測量端與連接電纜6相連，被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的外導體與連接電纜6外導體連接，被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的內導體與連接電纜6的內導體連接。
參見附圖4。
控制伺服器20連接通信接口9，通過通信接口9與微處理器10進行通信。
介電常數測量設備5中，微處理器連接信號源11、反向信號隔離器13、程控衰減器16-1、16-2、信號解析器17-1、17-2，並對信號源11、反向信號隔離器13、程控衰減器16-1～16-2、信號解析器17-1～17-2的工作模式進行控制，接收信號解析器的數據；信號源的信號輸入功分器1 12-1，功分器1將信號源信號分成兩路，一路送到功分器2 12-2，一路送入程控衰減器B 16-2。
功分器2 12-2的輸出分別連接到反向信號隔離器13和程控衰減器A 16-1的輸入，反向信號隔離器13的控制線連接到微處理器，並接受微處理器的控制，反向信號隔離器13的輸出連接到定向耦合器15，定向耦合器15將輸入信號送給測量連接埠14，並從測量連接埠接收信號，將接收到的測量連接埠的信號送給信號解析器1 17-1。測量連接埠通過連接電纜6與被測智能同軸一維鋼筋混凝土7連接，信號解析器117-1的兩個輸入信號分別連接定向耦合器15和功分器12-3的輸出信號，控制線與數據輸出與微處理器連接，接受微處理器控制，向微處理器輸出數據，程控衰減器A 16-1的輸入連接功分器2 12-2的輸出，控制線連接微處理器，輸出連接到信號解析器2 17-2；信號解析器2的兩個輸入信號分別連接程控衰減器A 16-1和功分器3 12-3的輸出信號，控制線與數據輸出與微處理器連接，接受微處理器控制，向微處理器輸出數據。
程控衰減器B 16-2的控制線連接到微處理器10，並接受微處理器控制，輸入連接到功分器1 12-1的輸出，輸出連接到功分器3 12-3的輸入；功分器3的輸入連接到程控衰減器B 16-2的輸出，輸出連接到信號解析器1 17-1、信號解析器2 17-2。
介電常數測量設備5中的控制伺服器通過與微處理器的通信，對被測智能一維鋼筋混凝土構件的測量進行控制，控制伺服器對微處理器下達控制命令，設置測量參數，同時微處理器將測量結果發送給控制伺服器。
介電常數測量設備對被測智能同軸一維鋼筋混凝土構件的測量流程包括控制伺服器程序流程和微處理器程序流程；微處理器程序流程中包括微處理器主程序和參數計算子程序。
參見附圖5。控制伺服器程序流程：
第一步：通過通信接口向微處理器發出設置系統參數命令，發出的系統參數包括：信號源頻率，反向隔離器、程控衰減器A、程控衰減器B的放大倍數，信號解析器1、信號解析器2的工作模式，設反向隔離器的放大倍數為KFa，程控衰減器A的放大倍數為KCa，進入第二步；
第二步：通過通信接口接收微處理器計算得到的數據，返回第一步。
參見附圖6。微處理器主程序：
第一步，通過通信接口接收控制伺服器命令，進入第二步；
第二步，設置系統參數，所設置的系統參數包括：信號源頻率，反向隔離器、程控衰減器A、程控衰減器B的放大倍數，信號解析器1、信號解析器2的工作模式，進入第三步；本實施例中程控衰減器A、程控衰減器B的放大倍數根據實驗測試確定
第三步，接收信號解析器1解析得到的定向耦合器A與功分器3輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q；設信號解析器1解析得到的同相分量為DATA_I 1a，正交分量為DATA_Q1a；接收信號解析器2解析得到的程控衰減器A與功分器3輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q；設信號解析器2解析得到的同相分量為DATA_I2a，正交分量為DATA_Q2a，進入第四步；
第四步，調用參數計算子程序，進入第五步；
第五步，將參數計算結果送給控制伺服器，返回第一步。
參數計算子程序：
第一步計算反射參數X11，X11是複數，令i為虛數單位，X11複數計算公式如下：
式中：
DATA_I1a為信號解析器1解析得到的同相分量，
DATA_I2a為信號解析器2解析得到的同相分量，
DATA_Q1a為信號解析器1解析得到的正交分量；
DATA_Q2a為信號解析器2解析得到的正交分量；
KCa為程控衰減器A的放大倍數,根據實驗測試確定；
KFa為反向隔離器的放大倍數,根據實驗測試確定；
第二步計算復電導Y，Y為複數，計算為複數計算
<![CDATA[ Y = 2.655 10 - 3 ( 1 - X 11 ) L ( 1 + X 11 ) ]]>
L為智能同軸一維鋼筋混凝土構件的長度；
第三步：計算混凝土復介電常數E，E為複數，計算為複數計算
<![CDATA[ E = Y 2.78 10 - 11 f a r c t a n ( 2 Re Y Im Y ) ]]>
f為信號源頻率，ReY為複數Y的實部，ImY為複數Y的虛部。
介電常數測量設備5中的微處理器10採用美國XILINX生產的ZC706開發板。通信接口9為ZC706的串行接口。功分器1，功分器2，功分器3採用相同的型號，均為上海華湘計算機通訊工程有限公司:生產的SHX-GF2-100。測量連接埠14為BNC連接器。定向耦合器15型號為SHX310-003060，生產廠家：上海華湘計算機通訊工程有限公司。控制伺服器使用普通臺式計算機或筆記本電腦。
信號源電路圖參見附圖7。圖中，US1為ADF4350,美國ANALOG DEVICES公司生產。US2為26MHZ有源晶體振蕩器，US3為ADF4153，美國ANALOG DEVICES公司生產。
CLKA,DATAA,LEA,CLKB,DATAB,LEB,MUXS,MUXO,LD連接到ZC706的IO引腳。
RFOUTA連接到功分器的輸入。
反向信號隔離器電路圖參見圖8。其中，UA1，UA3：集成電路，型號：NBB-400，由美國RF Micro Devices,Inc.公司生產。UA2：集成電路，型號：PE43704，由美國Peregrine Semiconductor Corp公司生產。GLIN：連接功分器輸出，GLOUT：連接定向耦合器輸入。
A0,A1,A2,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,SI,CLK,LE,P/S連接到ZC706的IO引腳。
程控衰減器電路圖參見圖9。圖中，UD6：集成電路，型號：PE43704，由美國Peregrine Semiconductor Corp公司生產。A0,A1,A2,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,SI,CLK,LE,P/S連接到ZC706的IO引腳。
信號解析器電路圖參見圖10～圖11。
圖中，AD9361用做兩路信號解析器，信號解析器1和信號解析器2由一片AD9361實現。
UR1：美國Analog Devices公司生產的AD9361。
UR2，UR3：美國Mini-Circuits公司生產的TCM1-63AX+JP1，JP2，JP3：BNC接插件。JP1連接定向耦合器，JP2連接程控衰減器，JP3連接功分器3的輸出。
電路中的名為AUXADC,AUXDAC1,AUXDAC2,RX_F_N,RX_F_P,TX_F_N,TX_F_P,SPIDO,SPIDI,SPICLK,SPIEN,CLKOUT,RESETB,EN,ENAGC,F_CLK_N,F_CLK_P，D_CLK_N,D_CLK_P,TXNRX,P0_D[0:11],P1_D[0:11],GPIO[0:3],CTRLIN[0:3],CTRLOUT[0:7]的連接網絡都連接到ZC706的IO引腳。