專利名稱：智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，更具體地涉及一種能對鋼筋混凝土結構進行無損檢測的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)。
背景技術：
無損檢測技術是在不破壞被測對象的前提下，檢查被測對象的宏觀缺陷或測量其屬性特征的各種技術方法的統(tǒng)稱。利用無損檢測技術，不僅可以了解結構質量的現(xiàn)狀，還為養(yǎng)護、加固、維修等工作提供科學依據，這樣才能真正做到防患于未然。每年，由于保護層厚度不夠而引起混凝土中鋼筋銹蝕，導致修補所花的費用巨大。任何混凝土結構，不論是新結構還是老結構，都存在著隱患，對安全使用構成威脅。鋼筋保護層測量系統(tǒng)是對混凝土結構進行無損檢測的常用設備之一，它能夠快速準確地確定鋼筋位置，測定保護層厚度，使工程技術人員能夠掌握關于建筑結構質量現(xiàn)狀的第一手資料。這將有助于管理養(yǎng)護部門提前采取預防措施，確保結構物的使用安全。

發(fā)明內容
本實用新型的目的是提供一種智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其由傳感器和保護層測量儀和PC機構成，其中保護層測量儀內部主要包含有激勵電路、信號調理電路、SOC控制器，傳感器實時地將被測結構物的保護層厚度轉換成電壓信號，電壓信號經信號調理電路調理后送SOC控制器處理，經運算處理后顯示保護層厚度信息。與保護層測量儀聯(lián)接的PC機的主要作用是可視化顯示測量結果并進行數據統(tǒng)計分析和評價，同時也可對保護層測量的數據形成報表。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比其有益效果是在不破壞結構物的前提下，使人們了解到其內部鋼筋的位置，鋼筋的保護層厚度，甚至鋼筋的直徑。即讓人們了解到肉眼不可見的結構物內部的信息，又不破壞結構物本身。本實用新型提供的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，還具有使技術人員從整個測區(qū)的角度，更直觀更全面的了解結構物內部的鋼筋分布狀況，并能得到對結構物耐久性的一個評估結果。


圖1是保護層測量系統(tǒng)原理框圖；圖2的傳感器結構原理示意圖；圖3是行走機構正視圖；圖4是行走機構俯視圖；圖5是保護層測量儀的主機系統(tǒng)原理框圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)由傳感器1、保護層測量儀2、PC機3三大部分構成，其中保護層測量儀2內部主要包含有激勵電路21、信號調理電路22、SOC控制器23等等，保護層測量儀2通過通信接口與PC機3相連。此外，為了進行圖形測量，傳感器1還可以配以行走機構11，行走機構11內含光電編碼器43并與保護層測量儀2中的信號調理電路22相連。與保護層測量儀2聯(lián)接的PC機3的主要作用是可視化顯示測量結果和進行數據統(tǒng)計分析和評價，同時也可對保護層測量的數據形成報表。SOC控制器23是一個高度集成的系統(tǒng)級單片機，內含A/D模塊、可編程增益放大器、可編程計數器陣列、D/A模塊、計數器/定時器、比較器、flash存儲器等多種資源。信號調理電路22包括模擬信號調理電路(未示出)和數字信號調理電路56。
智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)的工作原理是在SOC控制器23的控制下，傳感器1實時地將被測結構物的保護層厚度(從鋼筋邊緣至混凝土表面最近點的距離)轉換成電壓信號，電壓信號經信號調理電路22調理后送SOC控制器23處理；行走機構11將結構內部鋼筋位置信息轉換成脈沖相位信號，脈沖相位信號送至鑒相電路(未示出)，經其處理后供SOC控制器23使用。在SOC控制器23中對所述信號經過處理之后，測量結果可實時顯示在保護層測量儀2的液晶圖形顯示器52上。而當測量為圖形方式時，則經由保護層測量儀中的RS232總線驅動51與計算機串行總線相連，將實測數據傳至PC機3，在PC機3的屏幕上顯示出被測面積內的保護層厚度及鋼筋分布狀態(tài)。
下面接合圖2說明本實用新型所使用的傳感器1的結構與工作原理。
傳感器1的測量原理是傳感器1在激勵電路作用下，產生一對對稱閉環(huán)磁路，在初始狀態(tài)下，兩對稱磁路磁阻相等，傳感器1此時無電壓輸出；當鋼筋12進入傳感器的探測范圍時，有鋼筋12的一側磁阻變小，這導致兩對稱磁路磁阻不等，傳感器1便有電壓信號輸出；鋼筋12越靠近傳感器1，兩對稱磁路磁阻相差越大，傳感器1的電壓信號也就越大；距離不變，鋼筋12越粗信號也越大。該信號經模擬信號調理、A/D變換后，以數字信號方式送入SOC控制器23，經運算處理后顯示保護層厚度信息。
具體地說，傳感器1是以兩組線圈的T字型結構作為基本結構形式。它以鋼筋12對磁路磁阻的改變，從而改變線圈中的感生電動勢為其基本工作原理。如圖所示，傳感器1內有兩組線圈，其中LJ為激勵線圈，LC為測量線圈。LJ的激勵電壓為VJ，LC的測量電壓為VC。測量線圈LC被圖中的O點一分為二，上半部分的線圈稱為N上，而下半部分的線圈稱為N下，且上、下兩部分線圈的匝數亦用N上、N下表示。
在激勵線圈中通以一定頻率的交變電流，則在激勵線圈的磁芯中產生一交變磁場，該交變磁場主要經過兩條磁路，其中‘上磁路’沿圖中OABQO閉合；‘下磁路’沿圖中OGEFQO閉合。上磁路中的總磁阻稱為Rm上，下磁路中的總磁阻稱為Rm下。上磁路在測量線圈的N上中產生感生電動勢為e上，下磁路在測量線圈的N下中產生感生電動勢為e下。于是有
式中F為磁動勢，設激勵線圈匝數為NJ，激勵電流的幅值為Im，激勵電流的圓頻率為ω，則F＝NJImsin(ω·t)(3)由于在測量線圈中e上與e下的作用相反，所以測量電壓VC有VC＝e下-e上(4)將公式(1)、(2)代入上式，并考慮公式(3)，最后化間得 其中P＝NJ·ω·Imcos(ω·t)(6)現(xiàn)在，仔細分析公式(5)的三大項內容，首先，由于上磁路中的總磁阻Rm上在傳感器1實際使用過程中始終不變，因此公式(5)的第二項實際為零；其次，回頭再看第一項，只有當傳感器1與鋼筋12之間有相對運動時，下磁路中的總磁阻Rm下才隨時間而變化，且由于實際的Rm下的值很大，并考慮分母中的平方項，故公式(5)第一項的值，在傳感器1與鋼筋12之間有相對運動時，近似于無窮小，可忽略不計；在傳感器1與鋼筋12之間相對靜止時，該值為零。
則公式(5)可進一步簡化為只余第三項，即 在理想情況下，N上＝N下＝Nhc，所以
由上式可見，當下磁路中沒有鋼筋12時，Rm下等于Rm上，VC＝0；當下磁路中有鋼筋12時，Rm下是鋼筋12直徑d與保護層S的函數，故VC也是保護層S與鋼筋12直徑d的函數，即VC＝f(S·d)(9)這樣，只要固定S和d二者中的任一參數，便可找出另一參數與VC之間的對應關系。
在傳感器中，激勵線圈與測量線圈的相對位置，對傳感器的各項性能指標有很大的影響。為了保證在使用過程中，其相對位置保持不變，有必要用填充材料將兩線圈的位置固定，且該填充材料應該對溫度不敏感，固化后硬度大，不變形。經試驗選用了原子灰作填充材料。
原子灰在其由軟到硬的固化過程中，會產生內部應力，并在其固化后會有殘存應力一直存在。這種內部應力會對傳感器內的線圈產生兩方面的影響。一方面這種內部應力若直接作用于磁性材料，會降低磁性材料的起始磁導率，從而直接影響傳感器的靈敏度。另一方面這種內部應力作用會使兩線圈的相對位置，相對于調試工序時發(fā)生微小的變化，這種變化足以改變測量線圈上下感生電動勢的平衡度，從而使初始讀數值偏大，從而減小后級測量電路的有效量程。
克服問題的辦法有兩種。第一，對兩線圈中磁性材料暴露的部分，加裝保護套管。注意套管與磁性材料間留有足夠的空隙，從而消除填充材料對磁性材料的直接的應力作用。第二，在測量線圈的一端留一個電路端口，可通過此端口對測量線圈加繞微調繞組。這樣，可在填充材料固化以后，通過微調繞組對測量線圈上下感生電動勢的平衡度進行調節(jié)，從而調整初始讀數值使達到最小值。
填充材料固化以后與線圈形成一個整體，構成傳感器的內核。在傳感器的內核與外殼之間加入泡沫軟墊作為隔溫層，可以有效的提高傳感器對外界溫度變化的適應性。在外界溫度強烈變化時，隔溫層可使傳感器輸出的信號電壓具有更好的穩(wěn)定性。
下面結合圖3和4說明傳感器1的行走機構11的結構。
行走機構的功能和要求主要有如下三條運載傳感器，使傳感器能夠在結構物表面沿一確定的方向作直線運動；將傳感器運動的軌跡轉化成電信號，使儀器系統(tǒng)能直接測量出傳感器運動的距離；由于結構物表面是凸凹不平的，這就要求行走機構對結構物表面的不平整性具有一定的適應能力。上述三項可簡稱為行走軌跡的直線性、行走距離的可測性、不平整度適應性。
為了滿足這三項要求，我們設計出了三輪框架式結構的行走機構。其中A1為傳感器艙，B1為編碼器艙，C1為從動輪框架部分。從圖3中可知，與編碼器43相連的前輪41較大，直徑例如為50mm。兩個從動輪為后輪42，直徑例如為35mm。前后輪41、42中心水平距離例如為118mm。傳感器艙A1底盤高例如為6mm。從圖4中可知，前輪41處于傳感器艙A1的長邊中線上，編碼器43被置于編碼器艙B1中。后輪42相對于傳感器艙A1的長邊中線兩側對稱布置，后輪42為共軸設計，且后輪42的軸不僅可轉動，還可前后滑動。
編碼器43可以選用無錫市瑞普科技公司生產的型號為ZSP3.806-01G-600BZ的編碼器。該編碼器的主軸旋轉一周，其信號線上可輸出600個電脈沖。當與編碼器43相連的前輪直徑為50mm時，前輪的周長為157.08mm。600個脈沖相當于將前輪周長分為600等分，每份長度為0.26mm。儀器系統(tǒng)只要記錄脈沖的個數，將脈沖數乘0.26mm，便可計算出行走機構運動的距離了。
傳感器艙A1底盤高可以為6mm。這使行走機構可以適應結構物表面小于6毫米的凸凹不平。且由于傳感器艙被置于前后輪的中間，這樣當前輪與后輪的高差為5mm時，根據相似三角形的幾何原理，傳感器艙實際的高度變化量只有2.5mm。這就可以減小由于結構物表面局部的不平整而帶來的測量誤差。
保護層測量儀2是以SOC控制器23為核心的軟件和硬件有機結合的測試系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)的集成如圖5所示。
其中液晶圖形顯示器52和鍵盤接口53屬于人機交互界面部分，由此人可以控制測量儀完成各種特定的測試任務。RS232總線驅動51負責完成與PC機3的串口通信工作，圖形測量的數據就是由此通路傳輸給計算機做進一步處理的。模擬電路57包含激勵電路21與模擬信號調理電路，它與傳感器1結合起來負責對鋼筋保護層信息的采集。數字信號調理電路56與行走機構11的編碼器43相連，完成對圖形定位信息的采集。JTAG接口54是SOC控制器23的編程、在線調試和系統(tǒng)維護的專用接口。電源55與SOC控制器23相連。SOC控制器23作為核心部件，它在軟件的控制下，可以對各種模擬信號、數字信號完成采集、變換和運算處理的工作；可以響應人機界面的各種信息；可以管理和控制各個部件的協(xié)調運轉；可以完成與計算機的數字通信。SOC控制器23即是整個保護層測量儀的中樞，也是測量儀全部智能功能的承載者。
下面說明本實用新型的具體應用。本實用新型的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)能實現(xiàn)保護層厚度測量、鋼筋定位和直徑估測，以及鋼筋分布圖的測量，其中保護層厚度測量是該儀器的基本功能，鋼筋定位和直徑估測是保護層測量原理的擴展和應用，鋼筋分布圖的測量是鋼筋定位功能的擴展和應用。
首先說明保護層厚度測量。將保護層測量儀2與傳感器1相連接，將傳感器1置于被測結構物表面。在結構物表面緩慢移動傳感器1，保護層測量儀2的液晶圖形顯示器52上將顯示出數值，與最小值相對應的傳感器1的所在位置下即有一鋼筋，最小值即為此處鋼筋的保護層厚度值?？梢詫⒈Ｗo層測量儀2設計成自動鎖定最小值。
鋼筋定位實際是采用測量保護層的辦法實現(xiàn)鋼筋定位。當傳感器1在被測物表面平行移動時，如果向靠近鋼筋12的方向移動，傳感器1的感生電壓會由小變大，而保護層讀數值則由大變?。环粗?，遠離鋼筋方向移動，顯示的保護層讀數值由小變大。當儀器顯示最小值時，也即保護層為最小值時，傳感器所在的位置就是被測鋼筋的位置。當移動傳感器1越過被測鋼筋12時，保護層測量儀2可以自動鎖定剛才的保護層最小值，這樣傳感器1只要反向移動到最小值的位置，即定位了一根鋼筋。
以下說明直徑的估測。在無資料可查的情況下，若要確定鋼筋直徑，只好將鋼筋混凝土結構物鑿開，進行破壞性檢驗。這樣既費力費工，又傷害了結構物本身。但對舊橋檢查和進行結構驗算，又往往需要知道鋼筋直徑。為此尋求一種方法，既能估測出鋼筋直徑，又不破壞結構物，就顯得十分有意義。估測方法為由保護層反推鋼筋直徑，具體步驟如下a、首先準確地確定出鋼筋的位置。在要量取保護層的地方用色筆做上標記。
b、用6mm沖擊鉆在標記處垂直結構物表面鉆孔，手感碰到鋼筋立即停止。
c、用深度卡尺精確測量鉆孔深度。
選取不同直徑檔，在鉆孔處測量保護層厚度。理論上應為保護層顯示值最靠近卡尺測量的深度值的直徑檔，即為此處鋼筋直徑的估測值。
最后說明鋼筋分布圖的測量，用直尺在結構物表面畫長直線，縱橫兩方向各2～5條(畫線條數和直線間距離視實際需要而定)；將傳感器1與行走機構11相結合；保護層測量儀置于圖形測量狀態(tài)。按下行走機構上的按鈕，并使行走機構的前輪41一直保持沿長直線運動，當行走機構駛出測量范圍時，松開按鈕表示該直線測量結束，可進行下一條直線的測量。
上面已經說明的本實用新型的最佳實施方式，但本領域普通技術人員能明白，在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，能對其進行各種改變，這些改變都落入本實用新型的保護范圍中。
權利要求1.一種智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其由傳感器(1)、保護層測量儀(2)構成，其中保護層測量儀(2)內部主要包含有激勵電路(21)、信號調理電路(22)、SOC控制器(23)，其特征在于傳感器(1)實時地將被測結構物的保護層厚度轉換成電壓信號，電壓信號經信號調理電路(22)調理后送SOC控制器(23)處理，經運算處理后顯示保護層厚度信息。
2.如權利要求1所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于還包括與保護層測量儀(2)相連的PC機(3)，用來顯示出被測面積內的保護層厚度及鋼筋(12)的分布狀態(tài)。
3.如權利要求1所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于傳感器(1)還配以行走機構(11)，行走機構(11)內含編碼器(43)并與保護層測量儀(2)中的信號調理電路(22)相連。
4.如權利要求3所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于行走機構為三輪框架式結構，其中包括傳感器艙(A1)、編碼器艙(B1)和從動輪框架部分(C1)。
5.如權利要求4所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于，傳感器艙(A1)底盤高可以為6mm，在編碼器艙(B1)中放置編碼器(43)。
6.如權利要求1到5中任一個所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于SOC控制器(23)是一個高度集成的系統(tǒng)級單片機，內含A/D模塊、可編程增益放大器、可編程計數器陣列、D/A模塊、計數器/定時器、比較器、flash存儲器。
7.如權利要求1到5中任一個所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于，信號調理電路(22)包括模擬信號調理電路和數字信號調理電路(56)。
8.如權利要求1到5中任一個所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于，傳感器(1)是以兩組線圈的T字型結構作為基本結構形式，所述兩組線圈分別為激勵線圈(LJ)和測量線圈(LC)。
9.如權利要求8所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于，傳感器(1)中選用了原子灰作填充材料。
10.如權利要求9所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于，在測量線圈(LC)的一端留一個電路端口，可通過此端口對測量線圈加繞微調繞組。
11.如權利要求9所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于，對所述兩組線圈中磁性材料暴露的部分，加裝保護套管。
12.如權利要求5所述的智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其特征在于保護層測量儀(2)還包括液晶圖形顯示器(52)和鍵盤接口(53)，負責完成與PC機(3)的串口通信工作的RS232總線驅動(51)，與傳感器(1)相連的包含激勵電路(21)與模擬信號調理電路的模擬電路(57)，與行走機構(11)的編碼器(43)相連的數字信號調理電路(56)，作為SOC控制器(23)的編程、在線調試和系統(tǒng)維護的專用接口的JTAG接口(54)。
專利摘要一種智能鋼筋保護層測量系統(tǒng)，其由傳感器(1)、保護層測量儀(2)構成，其中保護層測量儀(2)內部主要包含有激勵電路(21)、信號調理電路(22)、SOC控制器(23)，傳感器(1)實時地將被測結構物的保護層厚度轉換成電壓信號，電壓信號經信號調理電路(22)調理后送SOC控制器(23)處理，經運算處理后顯示保護層厚度信息。
文檔編號G01V3/10GK2861956SQ20052010315
公開日2007年1月24日 申請日期2005年8月1日 優(yōu)先權日2005年8月1日
發(fā)明者何玉珊, 劉京, 石琴俠, 張勁泉 申請人:交通部公路科學研究所