基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝土構件測量設備和方法

基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝土構件測量設備和方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝土構件測量設備和方法。等效電路測量設備與被測一維同軸鋼筋混凝土構件的內、外導體共同完成測量。等效電路測量設備由控制服務器、微處理器、信號源、功分器、反向信號隔離器、測量連接端口、定向耦合器、程控衰減器、信號解析器、開關電路組成，通過連接電纜的兩端連接到被測一維同軸鋼筋混凝土構件兩端。測量時，通過控制服務器對微處理器的控制完成控制流程，在微處理器的參數計算子程序構件等效電路模型，方便、準確地推測監測一維同軸鋼筋混凝土的病變狀態。本發明利用混凝土材料自身成為一種傳感材料，等效電路模型測量、計算自動化程度高，操作簡單、可靠，易于推廣。
【專利說明】
基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝土構件測量設備和方法 (一)
技術領域
[0001] 本發明屬于建筑材料檢測范疇，涉及混凝土質量監測，具體是基于等效電路的一 維同軸鋼筋混凝土構件測量設備和方法。 (二)
【背景技術】
[0002] 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。
[0003] 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 有待提尚。
[0004] 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。
[0005] 專利號ZL201210199 249.0《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)

【發明內容】

[0006] 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，使混凝土構件自身成 為一種智能傳感材料，采用基于等效電路模型的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。
[0007] 本發明的目的是這樣達到的：
[0008] -種基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝土構件測量設備，其特征在于:等效電路 測量設備與被測一維同軸鋼筋混凝土構件的內、外導體共同完成測量。
[0009] -維同軸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，縱筋沿一維同軸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。
[0010] 等效電路測量設備由控制服務器、微處理器、信號源、功分器、反向信號隔離器、測 量連接端口、定向耦合器、程控衰減器、信號解析器、開關電路組成。控制服務器連接通信接 口，通過通信接口與微處理器進行通信。
[0011] 兩根連接電纜分別將等效電路測量設備的兩個測量連接端口連接到被測一維同 軸鋼筋混凝土構件兩端，被測一維同軸鋼筋混凝土兩端的內導體與連接電纜內導體連接， 外導體與連接電纜外導體連接相連。
[0012] 微處理器連接信號源、開關電路、反向信號隔離器、程控衰減器、信號解析器，并對 信號源、反向信號隔離器、程控衰減器、信號解析器的工作模式進行控制，接收信號解析器 的數據。
[0013] 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，一路送到開關電路， 一路送入程控衰減器C;開關電路的控制線連接微處理器，輸入連接功分器1，輸出分別連接 功分器2和功分器3的輸入，在微處理器的控制下，開關電路將功分器1傳來的信號連接到功 分器2或功分器3;信號解析器1的兩個輸入分別連接定向耦合器A(15-l)和功分器4的輸出
[0014] 功分器2的輸出分別連接到反向信號隔離器A和程控衰減器A的輸入。反向信號隔 離器A的控制線連接到微處理器，并接受微處理器的控制;反向信號隔離器A的輸出連接到 定向耦合器A;定向耦合器A將輸入信號送給測量連接端口 A，并從測量連接端口 A接收信號， 將接收到的測量連接端口 A的信號送給信號解析器1;測量連接端口 A通過連接電纜與被測 一維同軸鋼筋混凝土連接。信號解析器1的兩個輸入信號分別連接定向耦合器A和功分器4 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4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，
[0015] 功分器3的輸出分別連接到反向信號隔離器B和程控衰減器B的輸入;反向信號隔 離器B的控制線連接到微處理器，并接受微處理器的控制;反向信號隔離器B的輸出連接到 定向耦合器B。定向耦合器B將輸入信號送給測量連接端口 B，并從測量連接端口 B接收信號， 將接收到的測量連接端口 B的信號送給信號解析器4。測量連接端口 B通過連接電纜與被測 一維同軸鋼筋混凝土連接。信號解析器4的兩個輸入信號分別連接定向耦合器B和功分器4 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的輸入連接功分器3的輸出，控制線連接微處理器，輸出連接到信號解析器 3。信號解析器3的兩個輸入信號分別連接程控衰減器B和功分器4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。
[0016] 程控衰減器C的控制線連接到微處理器，并接受微處理器控制，輸入連接到功分器 1的輸出，輸出連接到功分器4的輸入;功分器4的輸入連接到程控衰減器C的輸出，輸出連接 到信號解析器1、信號解析器2、信號解析器3、信號解析器4。
[0017] 被測一維同軸鋼筋混凝土構件的內、外導體縱筋數量均不小于6根。
[0018] 一維同軸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。
[0019] 測量前，將等效電路測量設備的兩個測量連接端口分別連接到兩根連接電纜，通 過兩根連接電纜分別連接到被測一維同軸鋼筋混凝土構件的兩端，被測一維同軸鋼筋混凝 土兩端的內導體與連接電纜內導體連接，外導體與連接電纜外導體連接相連。
[0020] 測量時，控制服務器通過通信接口與微處理器進行通信，對測量進行控制。
[0021] 等效電路測量設備對被測一維同軸鋼筋混凝土構件的測量流程包括控制服務器 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。
[0022]控制服務器程序流程：
[0023]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A、反向隔離器B、程控衰減器A、程控衰減器B、程控衰減器C的放大 倍數，信號解析器1、信號解析器2、信號解析器3、信號解析器4的工作模式;設反向隔離器A 的放大倍數為KFa，反向隔離器B的放大倍數為KFb，程控衰減器A的放大倍數為KCa，程控衰 減器B的放大倍數為KCb。進入第二步；
[0024]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。
[0025] 微處理器主程序：
[0026] 第一步:通過通信接口接收控制服務器命令，進入第二步；
[0027] 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A、反向 隔離器B、程控衰減器A、程控衰減器B、程控衰減器C的放大倍數，信號解析器1、信號解析器 2、信號解析器3、信號解析器4的工作模式，進入第三步；
[0028] 第三步:控制開關電路，使得功分器1的輸出連接到功分器2的輸入，進入第四步；
[0029] 第四步:接收信號解析器1解析得到的定向耦合器A與功分器4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_Ila，正交分量為DATA_ Qla;接收信號解析器2解析得到的程控衰減器A與功分器4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_12a，正交分量為DATA_Q2a;接收信號 解析器4解析得到的定向耦合器B與功分器4輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q;設信 號解析器4解析得到的同相分量為DATA_I4a，正交分量為DATA_Q4a。進入第五步；
[0030] 第五步:控制開關電路，使得功分器1的輸出連接到功分器3的輸入，進入第六步；
[0031] 第六步:接收信號解析器4解析得到的定向耦合器B與功分器4輸出信號之間的同 相分量I和正交分量Q;設信號解析器4解析得到的同相分量為DATA_I4b，正交分量為DATA_ Q4b;接收信號解析器3解析得到的程控衰減器B與功分器4輸出信號之間的同相分量I和正 交分量Q;設信號解析器3解析得到的同相分量為DATA_13b，正交分量為DATA_Q3b;接收信號 解析器1解析得到的定向耦合器A與功分器4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 lb，正交分量為DATA_Qlb;進入第七步；
[0032] 第七步:調用參數計算子程序，進入第八步；
[0033] 第八步:將參數計算結果送給控制服務器，返回第一步。
[0034]參數計算子程序：
[0035]第一步：計算測量連接端口 A( 14-1)反射參數XI1，正向傳輸參數X21，反向傳輸參 數X12,測量連接端口 B(14-2)的反射系數乂22411412 421422都是復數;令1為虛數單位， XII，X12，X21，X22復數計算公式如下：
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 式中，
[00411 信號解析器1解析得到的端口 A同相分量為DATA_I la，端口 A正交分量為DATA_Qla;
[0042] 信號解析器2解析得到的端口 A同相分量為DATA_I2a，端口 A正交分量為DATA_Q2a;
[0043] 信號解析器4解析得到的端口 A同相分量為DATA_I4a，端口 A正交分量為DATA_Q4a;
[0044] 信號解析器4解析得到的端口 B同相分量為DATA_I4b，端口 B正交分量為DATA_Q4b;
[0045] 信號解析器3解析得到的端口 B同相分量為DATA_I3b，端口 B正交分量為DATA_Q3b;
[0046] 信號解析器1解析得到的端口 B同相分量為DATA_I lb，端口 B正交分量為DATA_Qlb;
[0047] 第二步:計算一維同軸鋼筋混凝土構件的導納參數Y11，Y12，Y21，Y22，并由導納參 數構成導納矩陣
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 當k = 0.36時，Z = 50;當k = 0.54時，Z = 75;k為內徑計算系數，Z為特征阻抗
[0054]第三步:根據電路理論，由一維同軸鋼筋混凝土構件的導納矩陣計算一維同軸鋼 筋混凝土構件的等效電路模型。
[0055] 被測一維同軸鋼筋混凝土構件內導體需滿足如下要求：
[0056] 設混凝土介電常數為ε，令k = 0.36，或者0.54，令x = keQ·5，k為內徑計算系數，X為 內徑計算指數；
[0057] 一維同軸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 命名為圓形一維同軸鋼筋混凝土構件、橢圓形一維同軸鋼筋混凝土構件、正方形一維同軸 鋼筋混凝土構件、長方形一維同軸鋼筋混凝土構件；
[0058] 對于圓形一維同軸鋼筋混凝土構件，內導體的外徑r等于外導體的內徑R除以10的 X 次方，即:r = R/10x，
[0059] 對于橢圓形一維同軸鋼筋混凝土，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等于A除以10的X次方，b等于B除以10的X次方，
[0060] 即：a=A/l〇x;b = B/10x
[0061] 對于正方形一維同軸鋼筋混凝土，設外導體的邊長為LN，內導體最外部一圈邊長 為1;貝1J1等于LN除以10的X次方，
[0062] 即：l = LN/10x
[0063] 對于長方形一維同軸鋼筋混凝土，設外導體的長為Y，寬為W，內導體長為y，寬為w， 貝ijy等于Y除以10的X次方，w等于W除以10的X次方
[0064] 即：y = Y/i〇x;w=w/i〇x。
[0065] 所述設混凝土介電常數為ε，令k = 0.36,或者0.54,令X = kεQ·5，
[0066] 當k = 0.36時，被測一維同軸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；
[0067]當k = 0.54時，被測一維同軸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。
[0068]本發明的積極效果是：
[0069] 1、一維同軸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。
[0070] 2、采用等效電路檢測，在對混凝土構件檢測時，可以根據等效電路建立等效電路 模型，根據等效電路模型方便、準確地推測監測一維同軸鋼筋混凝土的病變狀態。
[0071] 3、隨時對混凝土健康狀況實時監控，實現對非正常健康狀況的預警預報。
[0072] 4、測量設備簡單可靠，采用等效電路模型測量、計算自動化程度高，操作簡單、可 靠，易于推廣。 (四）
【附圖說明】
[0073]圖1是本發明的圓形一維同軸鋼筋混凝土結構示意圖。
[0074]圖2是本發明中正方形一維同軸鋼筋混凝土構件結構示意圖。
[0075] 圖3是采用等效電路設備測量被測一維同軸鋼筋混凝土構件時的連接圖。
[0076] 圖4是等效電路測量設備結構圖。
[0077]圖5是控制服務器程序流程圖。
[0078]圖6是微處理器主程序圖。
[0079]圖7是信號源電路圖。
[0080]圖8是反向信號隔離器電路圖。
[0081]圖9程控衰減器電路圖。
[0082]圖10~11是信號解析器電路圖。
[0083]圖中，1是橫截面為圓形的一維鋼筋混凝土構件內導體、Γ是橫截面為正方形一維 鋼筋混凝土構件內導體，2-1~2-n是橫截面為圓形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 一維鋼筋混凝土構件外導體縱筋、4 '-1~4 '-η是橫截面為正方形一維鋼筋混凝土構件外導 體箍筋、5等效電路測量設備、6-1連接電纜Α、6-2連接電纜Β、7被測一維同軸鋼筋混凝土、9 通信接口、10微處理器、11信號源、12-1~12-4功分器、13-1反向信號隔離器Α、13-2反向信 號隔離器Β、14-1測量連接端口 Α、14-2測量連接端口 Β、15-1定向耦合器Α、15-2定向耦合器 Β、16-1程控衰減器Α、16-2程控衰減器Β、16-3程控衰減器C、17-1信號解析器1、17-信號解析 器2、17-3信號解析器3、17-4信號解析器4、18開關電路、20控制服務器。 (五)
【具體實施方式】
[0084]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。
[0085] 一維同軸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圓形一維鋼筋混凝土構件、橢圓形一維鋼筋 混凝土構件、正方形一維鋼筋混凝土構件、長方形一維鋼筋混凝土構件。無論哪種一維鋼筋 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。內導體設計還需滿足 如下要求：
[0086]設混凝土介電常數為ε，令k = 0.36，或者0.54，令x = keQ·5，k為內徑計算系數，X為 內徑計算指數，即X等于0.36乘以混凝土介電常數的0.5次方，或等于0.54乘以混凝土介電 常數的0.5次方。
[0087]當k = 0.36時，測量時的連接電纜6-1，6_2采用50歐姆同軸電纜。
[0088]當k = 0.54時，測量時的連接電纜6-1，6-2采用75歐姆同軸電纜。
[0089] 實施例1。參見附圖1、3。
[0090]圓形一維同軸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。
[0091] 對于圓形一維同軸鋼筋混凝土，內導體的外徑r等于外導體的內經R除以10的X次 方，即：r = R/10x
[0092] 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。對于橢圓形一維同軸鋼筋混凝土，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等于A除以10的X次方，b等于B除以10的X次方。
[0093] 即：a=A/10x;b = B/10x。
[0094] 實施例2。參見附圖2、3。
[0095]對于正方形一維同軸鋼筋混凝土構件，設外導體的邊長為LN，內導體最外部一圈 邊長為1;則1等于LN除以10的X次方，
[0096] 即：1 = LN/(10X)。
[0097] 對于長方形一維同軸鋼筋混凝土構件，設外導體的長為Y，寬為W，內導體長為y，寬 為w。貝ijy等于Y除以10的X次方，w等于W除以10的X次方
[0098] 即：y = Y/(i〇x);w=w/(i〇x)。
[0099] 無論對哪種一維鋼筋混凝土構件進行測量，其使用的等效電路測量設備5完全相 同，測量過程與流程完全一致。
[0100] 參見附圖3。測量前，將等效電路測量設備的兩個測量連接端口 14-1、14-2連接到 兩根連接電纜6-1、6-2,通過連接電纜分別連接到被測一維同軸鋼筋混凝土構件的兩端，被 測一維同軸鋼筋混凝土兩端的內導體與連接電纜內導體連接，外導體與連接電纜外導體連 接相連。
[0101] 測量時，控制服務器20通過通信接口 9與微處理器10進行通信，對測量進行控制。 [0102] 參見附圖4。等效電路測量設備5由控制服務器20、微處理器10、信號源11、功分器 12-1~12-4、反向信號隔離器13-1~13-2、測量連接端口 14-1~14-2、定向耦合器15-1~ 15- 2、程控衰減器16-1~16-3、信號解析器17-1~17-4、開關電路18組成。控制服務器連接 通信接口 9，通過通信接口 9與微處理器10進行通信。
[0103] 微處理器10連接信號源11、開關電路18、反向信號隔離器13-1~13-2、程控衰減器 16- 1~16-3、信號解析器17-1~17-4,并對信號源11、反向信號隔離器13-1~13-2、程控衰 減器16-1~16-3、信號解析器17-1~17-4的工作模式進行控制，接收信號解析器的數據。
[0104] 信號源11的信號輸入功分器1，功分器1將信號源信號分成兩路，一路送到開關電 路18,一路送入程控衰減器C;開關電路18的控制線連接微處理器，輸入連接功分器1，輸出 分別連接功分器2和功分器3的輸入，在微處理器的控制下，開關電路將功分器1傳來的信號 連接到功分器2或功分器3;
[0105] 功分器2的輸出分別連接到反向信號隔離器A和程控衰減器A的輸入。反向信號隔 離器A的控制線連接到微處理器，并接受微處理器的控制。反向信號隔離器A的輸出連接到 定向耦合器A;定向耦合器A將輸入信號送給測量連接端口 A，并從測量連接端口 A接收信號， 將接收到的測量連接端口 A的信號送給信號解析器1。測量連接端口 A通過連接電纜與被測 一維同軸鋼筋混凝土連接。信號解析器1的兩個輸入信號分別連接定向耦合器A和功分器4 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4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。
[0106] 功分器3的輸出分別連接到反向信號隔離器B和程控衰減器B的輸入;反向信號隔 離器B的控制線連接到微處理器，并接受微處理器的控制。反向信號隔離器B的輸出連接到 定向耦合器B;定向耦合器B將輸入信號送給測量連接端口 B，并從測量連接端口 B接收信號， 將接收到的測量連接端口 B的信號送給信號解析器4;測量連接端口 B通過連接電纜與被測 一維同軸鋼筋混凝土連接;信號解析器4的兩個輸入信號分別連接定向耦合器B和功分器4 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的輸入連接功分器3的輸出，控制線連接微處理器，輸出連接到信號解析器 3;信號解析器3的兩個輸入信號分別連接程控衰減器B和功分器4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。
[0107] 程控衰減器C的控制線連接到微處理器，并接受微處理器控制，輸入連接到功分器 1的輸出，輸出連接到功分器4的輸入;功分器4的輸入連接到程控衰減器C的輸出，輸出連接 到信號解析器1、信號解析器2、信號解析器3、信號解析器4。
[0108] 等效電路測量設備5中的微處理器10采用美國XILINX公司生產的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，功分器4采用相同的型號，均為上 海華湘計算機通訊工程有限公司生產的SHX-GF2-100。測量連接端口 14-1、14-2采用相同型 號，為BNC連接器。定向耦合器15-1、15-2采用相同型號：3^310-003060，生產廠家為上海華 湘計算機通訊工程有限公司。開關電路18采用上海華湘計算機通訊工程有限公司：SHX801-01。控制服務器使用普通臺式計算機或筆記本電腦。
[0109] 信號源電路圖參見附圖7。
[0110] 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。
[0111] CLKA，DATAA，LEA，CLKB，DATAB，LEB，MUXS，MUX0，LD 連接到 ZC706 的 10引腳。
[0112] 參見附圖8反向信號隔離器電路圖。
[0113] 反向信號隔離器13-1、13-2采用相同電路。其中，1^1，1^3:集成電路，型號：_8-400,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，GL0UT:連接定向親合器 輸入。
[0114] △0，厶1，厶2,00,01，02,03,04,05,06,51，0^，1^，卩/5連接到2〇706的10引腳。
[0115] 參見圖9程控衰減器電路圖。程控衰減器16-1、16-2、16-3采用相同電路。圖中， UD6:集成電路，型號：PE43704,由美國Peregrine Semiconductor Corp公司生產。
[0116] △0，厶1，厶2,00,01，02,03,04,05,06,51，0^，1^，卩/5連接到2〇706的10引腳。
[0117] 參見圖10~11信號解析器電路圖。信號解析器1、信號解析器2、信號解析器3、信號 解析器4采用相同電路。
[0118] 圖中，AD9361用做兩路信號解析器，所以整個等效測量設備采用了兩組由上述電 路組成的模塊，構成四路信號解析器。
[0119] UR1:美國Analog Devices公司生產的AD9361。
[0120] UR2，UR3:美國Mini-Circuits 公司生產的 TCM1-63AX+
[0121] 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。
[0122] 兩組電路的JP1分別連接:定向耦合器A和定向耦合器B;
[0123] 兩組電路的JP2分別連接:程控衰減器A和程控衰減器B;
[0124] 兩組電路的JP3分別連接:功分器4的兩路輸出。
[0125] 兩組電路中的名為AUXADC，AUXDAC1，AUXDAC2，RX_F_N，RX_F_P，TX_F_N，TX_F_P， SPIDO，SPIDI，SPICLK，SPIΕΝ，CLK0UT，RE SETB，ΕΝ，ENAGC，F_CLK_N，F_CLK_P，D_CLK_N，D_ CLK_P，TXNRX，P0_D[0:11]，P1_D[0:11]，GPI0[0:3]，CTRLIN[0:3]，CTRL0UT[0:7]的連接網 絡都連接到ZC706的10引腳。
[0126] 使用等效電路測量設備對被測一維同軸鋼筋混凝土構件的測量，根據等效電路測 量設備測量得到的被測一維同軸鋼筋混凝土構件的測量結果，可方便、準確地推測監測一 維同軸鋼筋混凝土的病變。
[0127] 測量流程包括控制服務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。
[0128] 參見附圖5。
[0129] 控制服務器程序流程：
[0130] 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A、反向隔離器B、程控衰減器A、程控衰減器B、程控衰減器C的放大 倍數，信號解析器1、信號解析器2、信號解析器3、信號解析器4的工作模式;設反向隔離器A 的放大倍數為KFa，反向隔離器B的放大倍數為KFb，程控衰減器A的放大倍數為KCa，程控衰 減器B的放大倍數為KCb。進入第二步；
[0131] 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。
[0132] 參見附圖6。
[0133]微處理器主程序：
[0134] 第一步:通過通信接口接收控制服務器命令，進入第二步；
[0135] 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A、反向 隔離器B、程控衰減器A、程控衰減器B、程控衰減器C的放大倍數，信號解析器1、信號解析器 2、信號解析器3、信號解析器4的工作模式，進入第三步；
[0136] 第三步:控制開關電路，使得功分器1的輸出連接到功分器2的輸入，進入第四步；
[0137] 第四步:接收信號解析器1解析得到的定向耦合器A與功分器4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_Ila，正交分量為DATA_ Qla;接收信號解析器2解析得到的程控衰減器A與功分器4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_12a，正交分量為DATA_Q2a;接收信號 解析器4解析得到的定向耦合器B與功分器4輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q;設信 號解析器4解析得到的同相分量為DATA_I4a，正交分量為DATA_Q4a。進入第五步；
[0138] 第五步:控制開關電路，使得功分器1的輸出連接到功分器3的輸入，進入第六步；
[0139] 第六步:接收信號解析器4解析得到的定向耦合器B與功分器4輸出信號之間的同 相分量I和正交分量Q;設信號解析器4解析得到的同相分量為DATA_I4b，正交分量為DATA_ Q4b;接收信號解析器3解析得到的程控衰減器B與功分器4輸出信號之間的同相分量I和正 交分量Q;設信號解析器3解析得到的同相分量為DATA_13b，正交分量為DATA_Q3b;接收信號 解析器1解析得到的定向耦合器A與功分器4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 lb，正交分量為DATA_Qlb;進入第七步；
[0140] 第七步:調用參數計算子程序，進入第八步；
[0141] 第八步:將參數計算結果送給控制服務器，返回第一步。
[0142] 參見附圖7。
[0143] 參數計算子程序：
[0144]第一步:計算測量連接端口 A( 14-1)反射參數XI1，正向傳輸參數X21，反向傳輸參 數X12,測量連接端口 B(14-2)的反射系數乂22411412 421422都是復數;令1為虛數單位， XII，X12，X21，X22復數計算公式如下：
[0145]
[0146]
[0147]
[0148]
[0149] 式中，反向隔離器A的放大倍數為KFa，反向隔離器B的放大倍數為KFb;
[0150] 程控衰減器A的放大倍數為KCa，程控衰減器B的放大倍數為KCb;
[0151] 信號解析器1解析得到的端口 A同相分量為DATA_I la，端口 A正交分量為DATA_Qla;
[0152] 信號解析器2解析得到的端口 A同相分量為DATA_I2a，端口 A正交分量為DATA_Q2a;
[0153] 信號解析器4解析得到的端口 A同相分量為DATA_I4a，端口 A正交分量為DATA_Q4a;
[0154] 信號解析器4解析得到的端口 B同相分量為DATA_I4b，端口 B正交分量為DATA_Q4b;
[0155] 信號解析器3解析得到的端口 B同相分量為DATA_I3b，端口 B正交分量為DATA_Q3b;
[0156] 信號解析器1解析得到的端口 B同相分量為DATA_I lb，端口 B正交分量為DATA_Qlb;
[0157] 第二步:計算一維同軸鋼筋混凝土構件的導納參數Y11，Y12，Y21，Y22，并由導納參 數構成導納矩陣
[0158]
[0159]
[0160]
[0161]
[0162]
[0163] 當k = 〇.36時，Z = 50;當k = 0.54時，Z = 75;
[0164] 第三步:根據電路理論，由一維同軸鋼筋混凝土構件的導納矩陣計算一維同軸鋼 筋混凝土構件的等效電路模型。
[0165] 根據等效電路模型方便、準確地推測監測一維同軸鋼筋混凝土的病變狀態。
【主權項】
1. 一種基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝±構件測量設備，其特征在于：等效電路測 量設備(5)與被測一維同軸鋼筋混凝±構件(7)的內、外導體共同完成測量； 一維同軸鋼筋混凝±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 導體均由若干髓筋、縱筋組合而成，縱筋沿一維同軸鋼筋混凝±構件軸向分布，髓筋沿橫截 面方向分布，內導體位于鋼筋混凝±構件內部的中屯、位置、與外導體形狀一致但髓筋尺寸 小于外導體，外導體位于混凝±構件的外邊，并滿足一維混凝±構件設計規范的要求； 等效電路測量設備(5)由控制服務器(20)、微處理器（10)、信號源（11)、功分器（12-1~ 12- 4)、反向信號隔離器（13-1~13-2)、測量連接端口（14-1~14-2)、定向禪合器（15-1~ 15-2)、程控衰減器(16-1~16-3)、信號解析器(17-1~17-4)、開關電路(18)組成，控制服務 器連接通信接口（ 9 )，通過通信接口（ 9)與微處理器(10)進行通信； 兩根連接電纜(6-U6-2)分別將等效電路測量設備的兩個測量連接端口（14-U14-2) 連接到被測一維同軸鋼筋混凝±構件兩端，被測一維同軸鋼筋混凝±兩端的內導體與連接 電纜內導體連接，外導體與連接電纜外導體連接相連； 微處理器（10)連接信號源（11)、開關電路（18)、反向信號隔離器（13-1~13-2)、程控衰 減器（16-1~16-3)、信號解析器（17-1~17-4)，并對信號源（11)、反向信號隔離器（13-1~ 13- 2)、程控衰減器（16-1~16-3)、信號解析器（17-1~17-4)的工作模式進行控制，接收信 號解析器的數據。2. 如權利要求1所述的基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝±構件測量設備，其特征在 于:信號源（11)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，一路送到開關 電路（18)，一路送入程控衰減器C(16-3);開關電路（18)的控制線連接微處理器，輸入連接 功分器1(12-1)，輸出分別連接功分器2(12-2)和功分器3(12-3)的輸入，在微處理器的控制 下，開關電路將功分器1傳來的信號連接到功分器2或功分器3; 功分器2(12-2)的輸出分別連接到反向信號隔離器A(13-l)和程控衰減器A(16-l)的輸 入;反向信號隔離器A(13-l)的控制線連接到微處理器，并接受微處理器的控制；反向信號 隔離器A(13-l)的輸出連接到定向禪合器A(15-l);定向禪合器A將輸入信號送給測量連接 端口 A(14-l)，并從測量連接端口 A(14-l)接收信號，將接收到的測量連接端口 A的信號送給 信號解析器1(17-1);測量連接端口A(14-l)通過連接電纜與被測一維同軸鋼筋混凝±連 接;信號解析器1(17-1)的兩個輸入信號分別連接定向禪合器A(15-l)和功分器4(12-4)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-l)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(17-2)的兩個輸入信號分別連接程控衰減器A(16-l)和 功分器4(12-4)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； 功分器3(12-3)的輸出分別連接到反向信號隔離器B(13-2)和程控衰減器B(16-2)的輸 入;反向信號隔離器B(13-2)的控制線連接到微處理器，并接受微處理器的控制；反向信號 隔離器B(13-2)的輸出連接到定向禪合器B(15-2);定向禪合器B將輸入信號送給測量連接 端口 B(14-2)，并從測量連接端口 B接收信號，將接收到的測量連接端口 B的信號送給信號解 析器4(17-4);測量連接端口 B(14-2)通過連接電纜與被測一維同軸鋼筋混凝±連接;信號 解析器4(17-4)的兩個輸入信號分別連接定向禪合器B(15-2)和功分器4(12-4)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)的輸入連接功分器3(12-3)的輸出，控制線連接微處理器，輸出連接到信號解 析器3(17-3);信號解析器3的兩個輸入信號分別連接程控衰減器B(16-2)和功分器4(12-4) 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C(16-3)的控制線連接到微處理器，并接受微處理器控制，輸入連接到功分 器1 (12-1)的輸出，輸出連接到功分器4( 12-4)的輸入;功分器4( 12-4)的輸入連接到程控衰 減器C(16-3)的輸出，輸出連接到信號解析器1(17-1)、信號解析器2(17-2)、信號解析器3 (17-3)、信號解析器4(17-4)。3. 如權利要求1所述的基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝±構件測量設備，其特征在 于:被測一維同軸鋼筋混凝±構件(7)的內、外導體縱筋數量均不小于6根。4. 如權利要求1所述的基于頻域反射的一維同軸鋼筋混凝±構件的測量設備，其特征 在于:一維同軸鋼筋混凝±構件橫截面為圓形或楠圓形或正方形或長方形。5. -種如權利要求1所述的基于等效電路的一維同軸鋼筋混凝±構件測量設備的測量 方法，其特征在于:測量前，將等效電路測量設備的兩個測量連接端口（ 14-1、14-2)分別連 接到兩根連接電纜(6-1、6-2)，通過兩根連接電纜分別連接到被測一維同軸鋼筋混凝±構 件的兩端，被測一維同軸鋼筋混凝±兩端的內導體與連接電纜內導體連接，外導體與連接 電纜外導體連接相連； 測量時，控制服務器（20)通過通信接口（9)與微處理器（10)進行通信，對測量進行控 制； 等效電路測量設備對被測一維同軸鋼筋混凝±構件的測量流程包括控制服務器程序 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； 控制服務器程序流程： 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A、反向隔離器B、程控衰減器A、程控衰減器B、程控衰減器C的放大倍數， 信號解析器1、信號解析器2、信號解析器3、信號解析器4的工作模式;設反向隔離器A的放大 倍數為K化，反向隔離器B的放大倍數為KFb，程控衰減器A的放大倍數為KCa，程控衰減器B的 放大倍數為KCb;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服務器命令，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A、反向隔離 器B、程控衰減器A、程控衰減器B、程控衰減器C的放大倍數，信號解析器1、信號解析器2、信 號解析器3、信號解析器4的工作模式，進入第Ξ步； 第Ξ步:控制開關電路，使得功分器1的輸出連接到功分器2的輸入，進入第四步； 第四步:接收信號解析器1解析得到的定向禪合器A與功分器4輸出信號之間的同相分 量巧日正交分量Q;設信號解析器1解析得到的同相分量為DATA_Ila，正交分量為DATA_Qla; 接收信號解析器2解析得到的程控衰減器A與功分器4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;接收信號解析 器4解析得到的定向禪合器B與功分器4輸出信號之間的同相分量I和正交分量Q;設信號解 析器4解析得到的同相分量為DATA_I4a，正交分量為DATA_Q4a;進入第五步； 第五步:控制開關電路，使得功分器1的輸出連接到功分器3的輸入，進入第六步； 第六步:接收信號解析器4解析得到的定向禪合器B與功分器4輸出信號之間的同相分 量巧日正交分量Q;設信號解析器4解析得到的同相分量為DATA_I4b，正交分量為DATA_Q4b; 接收信號解析器3解析得到的程控衰減器B與功分器4輸出信號之間的同相分量I和正交分 量Q;設信號解析器3解析得到的同相分量為DATA_I3b，正交分量為DATA_Q3b;接收信號解析 器1解析得到的定向禪合器A與功分器4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_nb，正交分量為DATA_Q化;進入第屯步； 第屯步:調用參數計算子程序，進入第八步； 第八步:將參數計算結果送給控制服務器，返回第一步； 參數計算子程序： 第一步：計算測量連接端口 A( 14-1)反射參數XI1，正向傳輸參數X21，反向傳輸參數 乂12，測量連接端口8(14-2)的反射系數乂22，乂11，乂12，乂21，乂22都是復數;令1為虛數單位， XII，X12，X21，X22復數計算公式如下：式中，反向隔離器A的放大倍數為KFa，反向隔離器B的放大倍數為KFb; 程控衰減器A的放大倍數為KCa，程控衰減器B的放大倍數為KCb; 信號解析器1解析得到的端口 A同相分量為DATA_Ila，端口 A正交分量為DATA_Qla; 信號解析器2解析得到的端口 A同相分量為DATA_12a，端口 A正交分量為DATA_Q2a; 信號解析器4解析得到的端口 A同相分量為DATA_I4a，端口 A正交分量為DATA_Q4a; 信號解析器4解析得到的端口 B同相分量為DATA_I4b，端口 B正交分量為DATA_Q4b; 信號解析器3解析得到的端口 B同相分量為DATA_I3b，端口 B正交分量為DATA_Q3b; 信號解析器1解析得到的端口 B同相分量為DATA_nb，端口 B正交分量為DATA_Q化； 第二步:計算一維同軸鋼筋混凝±構件的導納參數Y11，Y12，Y21，Y22，并由導納參數構 成導納矩陣當k = ο. 36時，Z = 50;當k = ο. 54時，Z = 75;其中，k內徑計算系數，Z為特征阻抗 第Ξ步:根據電路理論，由同軸一維鋼筋混凝±構件的導納矩陣計算同軸一維鋼筋混 凝±構件的等效電路模型。6. 如權利要求5所述的測量方法，其特征在于:所述被測一維同軸鋼筋混凝±構件(7) 的內、外導體的縱筋數量不小于6根； 被測一維同軸鋼筋混凝±構件內導體需滿足如下要求： 設混凝±介電常數為ε，令k = 0.36，或者0.54，令x = kε<^'5，k為內徑計算系數，x為內徑 計算指數； 一維同軸鋼筋混凝±構件按照橫截面分別為圓形、楠圓形、正方形、長方形，分別命名 為圓形一維同軸鋼筋混凝±構件、楠圓形一維同軸鋼筋混凝±構件、正方形一維同軸鋼筋 混凝±構件、長方形一維同軸鋼筋混凝±構件； 對于圓形一維同軸鋼筋混凝±構件，內導體的外徑r等于外導體的內徑R除W10的X次 方，即:r = R/l〇x， 對于楠圓形一維同軸鋼筋混凝±，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等于A除W10的X次方，b等于B除W10的X次方， 即：a=A/l〇x;b = B/l〇x 對于正方形一維同軸鋼筋混凝±，設外導體的邊長為LN，內導體最外部一圈邊長為1; 貝1J1等于LN除W10的X次方， 即：l = LN/l〇x 對于長方形一維同軸鋼筋混凝±，設外導體的長為Y，寬為W，內導體長為y，寬為W，則y 等于Y除W10的X次方，W等于W除W10的X次方 即：y = Y/l〇x;w=W/l〇x。7. 如權利要求6所述的基于頻域反射的一維同軸鋼筋混凝±構件的測量方法，其特征 在于:所述設混凝±介電常數為6，令4 = 0.36，或者0.54，令^ = 46<^'5， 當k = 0.36時，被測一維同軸鋼筋混凝±構件的內、外導體連接的連接電纜采用50歐姆 同軸電纜； 當k = 0.54時，被測一維同軸鋼筋混凝±構件的內、外導體連接的連接電纜采用75歐姆 同軸電纜。
【文檔編號】G01N27/00GK105973944SQ201610585808
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】莫思特, 楊森, 李碧雄, 王熙月, 蘇其瑜, 柳銀, 張展
【申請人】四川大學