本實用新型屬于建筑材料檢測范疇,涉及混凝土質量監測,具體是同軸一維鋼筋混凝土構件混凝土介電常數測量設備。
(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,對及時采取災害防治措施、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。本法明提出了一種方法,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系,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:
本實用新型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傳感材料,根據混凝土材料在不同齡期、不同健康狀況下呈現出不同介電常數,采用基于頻域反射的方法對混凝土構件的介電常數進行檢測,監測混凝土各階段的健康狀況。
本實用新型的目的是這樣達到的:混凝土介電常數測量設備與被測同軸一維鋼筋混凝土構件的內、外導體共同完成測量。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,內導體位于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于外導體,外導體位于混凝土構件的外邊,并滿足一維混凝土構件設計規范的要求。
混凝土介電常數測量設備由控制服務器、微處理器、信號源、功分器、信號放大器、測量連接端口和定向耦合器、反射信號處理電路、混頻器、混頻信號處理電路、模數轉換電路以及程控衰減器組成。微處理器通過通信接口連接控制服務器上。
混凝土介電常數測量設備連接在連接電纜上,被測同軸一維鋼筋混凝土構件的測量端的內、外導體與連接電纜相連,被測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,被測同軸一維鋼筋混凝土構件的內導體與連接電纜內導體連接。
微處理器連接信號源、程控衰減器和模數轉換電路,信號源的信號輸入功分器,功分器將信號源信號分成兩路,一路送到混頻器,一路送入信號放大器組和程控衰減器組連接的電路;信號放大器組和程控衰減器組連接的電路的輸出信號連接到定向耦合器,定向耦合器將輸入信號送給測量連接端口,并從測量連接端口接收反射信號,將接收到的測量連接端口的反射信號送給反射信號放大濾波電路,反射信號放大濾波電路的輸出信號連接到混頻器;混頻器的輸出信號送入混頻信號處理電路,混頻信號處理電路輸出送入模數轉換電路,模數轉換電路的輸出送給微處理器。
被測同軸一維鋼筋混凝土構件的內、外導體縱筋數量均不小于6根。
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。
本實用新型的積極效果是:
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,測量混凝土介電常數的變化,從而可以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、混凝土介電常數測量設備結構簡單、使用方便可靠,適用范圍廣,易于推廣。
(四)附圖說明
圖1是本實用新型中圓形同軸一維鋼筋混凝土構件結構示意圖。
圖2是本實用新型中正方形同軸一維鋼筋混凝土構件結構示意圖。
圖3是采用混凝土介電常數測量設備測量被測同軸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是信號源電路圖。
圖6是信號放大器電路圖。
圖7是程控衰減器電路圖。
圖8是反射信號處理電路
圖9是混頻器電路圖。
圖10是模數轉換電路圖。
1是橫截面為圓形同軸一維鋼筋混凝土構件內導體、1’為橫截面為正方形同軸一維鋼筋混凝土構件內導體,2-1~2-n是橫截面為圓形同軸一維鋼筋混凝土構件外導體箍筋、3-1~3-m是為橫截面為圓形同軸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同軸一維鋼筋混凝土構件外導體縱筋、4’-1~4’-n是橫截面為正方形同軸一維鋼筋混凝土構件外導體箍筋、5混凝土介電常數測量設備、6連接電纜、7被測同軸一維鋼筋混凝土構件、9通信接口、10微處理器、11信號源、12功分器、13-1~13-3信號放大器、14測量連接端口、15定向耦合器、16反射信號處理電路、17混頻器、18混頻信號處理電路、19模數轉換電路、20控制服務器、21-1~21-2程控衰減器。
(五)具體實施方式
混凝土介電常數測量設備5與被測同軸一維鋼筋混凝土構件7的內、外導體共同完成測量。
參見附圖4。
混凝土介電常數測量設備由控制服務器20、微處理器10、信號源11、功分器12、信號放大器13-1~13-3、測量連接端口14和定向耦合器15、反射信號處理電路16、混頻器17、混頻信號處理電路18、模數轉換電路19、程控衰減器21-1~21-2組成,微處理器10通過通信接口9連接控制服務器20,控制服務器20通過通信接口9與微處理器10進行通信。
混凝土介電常數測量設備5連接在連接電纜6上,被測同軸一維鋼筋混凝土構件的測量端的內、外導體與連接電纜6相連,被測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,被測同軸一維鋼筋混凝土構件的內導體與連接電纜內導體連接;
微處理器連接信號源11、程控衰減器21-1,21-2和模數轉換電路19,信號源的信號輸入功分器12,功分器將信號源信號分成兩路,一路送到混頻器17,一路送入信號放大器組13-1~13-3和程控衰減器組21-1~21-2連接的電路。信號放大器組13-1~13-3和程控衰減器組21-1~21-2連接的電路輸出信號連接到定向耦合器15,定向耦合器將輸入信號送給測量連接端口,并從測量連接端口接收反射信號,將接收到的測量連接端口的反射信號送給反射信號處理電路16,反射信號處理電路的輸出信號連接到混頻器17;混頻器的輸出信號送入混頻信號處理電路18,混頻信號處理電路輸出送入模數轉換電路19,模數轉換電路的輸出送給微處理器。
微處理器采用美國XILINX公司生產的ZC706開發板。通信接口采用ZC706的串行接口。控制服務器為普通的臺式計算機或筆記本電腦信號源的電路圖參見附圖5。
其中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。
信號放大器電路圖參見附圖6。
其中UA10集成電路為型號NBB-40,由美國RF Micro Devices,Inc.公司生產。
功分器采用深圳市百納(深圳)有限公司生產,型號為ZN2PD2-63-S+MINI 0.35-6.0。功分器輸入連接到信號源RFOUTA,輸出分別連接到混頻器的RF_INA和信號放大器組的第一級的輸入。
程控衰減器參見圖7。
圖中,UA2集成電路為型號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。
反向信號處理電路參見附圖8。
其中,ULP1為ADL5523,美國ANALOG DEVICES公司生產。RX_IN:連接到定向耦合器的反射信號;RX_OUT連接到混頻器VOUTA。
混頻器信號處理電路與反射信號放大濾波電路相同。其中,RX_IN:連接到混頻器S_OUT,RX_OUT連接到模數轉換電路輸入。
定向耦合器采用了由上海華湘計算機通訊工程有限公司生產,型號為SHX310-003060。
混頻器的電路參見附圖9。
其中。UH1為ADL5350由美國ANALOG DEVICES公司生產。
S_OUT連接到混頻信號處理電路的輸入端。
模數轉換電路參見附圖10。
其中,U5為AD9643,由美國ANALOG DEVICES公司生產。
VINA+連接到混頻信號處理電路RX_OUT,
SCLK,SDO,CLK+,CLK-,D0+,D1+,……,D13+,D0-,D1-,……,D13-,都連接到ZC706的IO接口。
測量時,被測同軸一維鋼筋混凝土構件的測量端的內、外導體與連接電纜6相連,被測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,被測同軸一維鋼筋混凝土構件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端口14與連接電纜6連接。
本實用新型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,內導體位于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于外導體,外導體位于混凝土構件的外邊,并滿足一維混凝土設計規范的設計要求。
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、長方形的同軸一維鋼筋混凝土構件。根據其橫截面將其命名為圓形同軸一維鋼筋混凝土構件、橢圓形同軸一維鋼筋混凝土構件、正方形同軸一維鋼筋混凝土構件、長方形同軸一維鋼筋混凝土構件。無論哪種同軸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范要求,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于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。內導體縱筋采用的鋼筋直徑可以比外導體縱筋采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。
實施例1。參見附圖1、3。
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,內導體位于鋼筋混凝土構件內部的軸心位置。
橢圓形同軸一維鋼筋混凝土構件與圓形同軸一維鋼筋混凝土構件類似,只是箍筋為橢圓形。
被測圓形或橢圓形同軸一維鋼筋混凝土構件的內、外導體連接的連接電纜采用50歐姆同軸電纜。
實施例2。參見附圖2、3。
一維鋼筋混凝土構件7為正方形同軸一維鋼筋混凝土構件。
被測正方形同軸一維鋼筋混凝土構件的內、外導體連接的連接電纜采用75歐姆同軸電纜。
對于長方形同軸一維鋼筋混凝土構件,其內、外導體連接的連接電纜采用75歐姆同軸電纜。
由于混凝土材料在不同齡期、不同健康狀況下呈現出不同介電常數,測量混凝土介電常數的變化,就可監測混凝土各階段的健康狀況。