專利名稱：便攜式樁基無(wú)損檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種檢測(cè)樁基礎(chǔ)質(zhì)量的裝置。
土建工程中，在高大建筑物日益增多的情況下，自然地基已不能滿足要求，當(dāng)前廣泛采用了樁基礎(chǔ)，對(duì)混凝土樁基強(qiáng)度和承載力的要求也越來(lái)越高。如何檢測(cè)在施工過(guò)程中混凝土樁基產(chǎn)生的斷裂等缺陷和承載力，是一項(xiàng)重要的工作。目前，國(guó)外檢測(cè)樁基的質(zhì)量及其承載力，都采用大應(yīng)變的方法，其專用的設(shè)備是打樁分析儀，這種設(shè)備除價(jià)格昂貴外，而且要求要有開(kāi)闊的場(chǎng)地;而小應(yīng)變動(dòng)測(cè)方法所采用的樁基檢測(cè)儀，如中國(guó)專利所公開(kāi)的“混凝土樁基無(wú)損動(dòng)測(cè)儀”(專利號(hào)88212156.1)，它是在PC-1500計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)的一種測(cè)樁設(shè)備。它由激振裝置，信號(hào)傳感器，控制器，采樣器和袖珍計(jì)算機(jī)組成，利用機(jī)器語(yǔ)言和BASIC語(yǔ)言混合編程，使采樣、處理一體化。但是，該設(shè)備不能進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)屏幕顯示和編輯，不能在時(shí)域上任意截取有效信號(hào)，也缺乏有效信號(hào)局部增強(qiáng)的功能。同時(shí)還存在計(jì)算速度慢，配套性差，操作不方便，因此，它很難得到高精度可靠的測(cè)量結(jié)果。
因此本裝置的目的在于提出一種由傳感器，放大器，濾波器，12比特高分辨率的A/D變換器，接口板，計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)磁帶機(jī)以及打印機(jī)所組成的樁基質(zhì)量檢測(cè)裝置，并將設(shè)計(jì)的程序固化在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的蕊片上。從而可以提高各參數(shù)的檢測(cè)精度，形成了具備計(jì)算分析速度快，攜帶方便，功能齊全的特點(diǎn)。
測(cè)量混凝土樁基質(zhì)量，是采用水中放電，或力錘，或球等作激振源對(duì)樁體施以作用力，使樁和樁-土體系產(chǎn)生振動(dòng)。然后用水聽(tīng)器，或加速度計(jì)，或速度計(jì)作傳感器檢測(cè)出樁體中的各種反射波與振動(dòng)信號(hào)。將這些信號(hào)放大到需要值，再經(jīng)濾波器排除高頻干擾信號(hào)，由12比特高分辨率的A/D變換器把模擬量變?yōu)閿?shù)字量。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)域波形予以顯示，以便觀察檢查激勵(lì)力是否適當(dāng)。在顯示出完整波形時(shí)，可以準(zhǔn)確觀測(cè)到各種反射波的到時(shí)、相位和幅值。并根據(jù)不同的分析目的，利用屏幕進(jìn)行編輯，選取不同部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行譜分析最后得到各譜成份的主頻率及其幅值，然后判斷樁基質(zhì)量和它的承載力。與此同時(shí)，可以計(jì)算分析結(jié)果自動(dòng)記錄在磁帶機(jī)上，以便作二次處理以及在打印機(jī)上給出波形和各測(cè)試參數(shù)。
測(cè)量樁體斷裂位置及水平與垂直方向的承載力，就要排除各種干擾波頻率f1，測(cè)準(zhǔn)樁體本身固有振動(dòng)頻率f2和樁-土體系的振動(dòng)頻率F3.然后利用公式L＝C/2f2求出斷裂位置L，其中c為聲波在樁體中傳播的速度。再利用公式動(dòng)剛度Kd＝αF(2πf)求出Kd;最后根據(jù)Pa＝αKd求出容許承載力Pa，其中α為比例系數(shù)。因此頻率f2和f3測(cè)量的準(zhǔn)確性，直接影響到承載力的測(cè)量精度。本裝置采用計(jì)算功率譜和傳遞函數(shù)方法以及固化蕊片內(nèi)的程序可以做到采樣周期的準(zhǔn)確性，從而保證了反射波到時(shí)、f2和f3精度。
為了準(zhǔn)確分析測(cè)量f2與f3，本裝置可以利用計(jì)算機(jī)的屏幕進(jìn)行編輯;當(dāng)計(jì)算機(jī)采集完傳感器所接收的信號(hào)之后立即顯示，對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行判別，如果遇到由于激勵(lì)過(guò)大而出現(xiàn)的超限信號(hào)以及由于激勵(lì)不足而無(wú)法使樁體和樁-土休系起振的信號(hào)都棄之不用，因?yàn)榍罢邘?lái)的計(jì)算誤差較大，而后者無(wú)法測(cè)到頻率f2和f3.從而可以重新激勵(lì)樁體，重新信號(hào)采集，直到采集到理想的信號(hào)為止，如圖5所示。圖中T1-T2之間信號(hào)為沖激信號(hào)，與測(cè)量無(wú)關(guān);T2-T3信號(hào)包含樁體振動(dòng)的固有頻率，利用它進(jìn)行FFT，求出頻率f2;T3-T4包含樁-土體系的振動(dòng)頻率，同樣利用FFT，求出頻率f3。
本裝置通過(guò)固化蕊片，可以對(duì)弱信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行疊加，去掉無(wú)規(guī)干擾信號(hào)，突出有效信號(hào);排除沖擊強(qiáng)信號(hào)而對(duì)弱信號(hào)放大2，4，8，16或32倍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的同步增強(qiáng)作用。
通過(guò)樁底反射信號(hào)能量的計(jì)算，可以推算出樁底沉渣的厚度。樁底反射信號(hào)常常表現(xiàn)為圖6中T′1-T′2的波形形式。它包含的面積與樁底反射信號(hào)幅度以及信號(hào)的拖散有關(guān)，而幅度與拖散與樁底沉渣性狀有關(guān)外，還與沉渣厚度有關(guān)。通過(guò)面積計(jì)算，可以推測(cè)其厚度。
這些檢測(cè)和計(jì)算，都通過(guò)安裝在EPSON HX-20型計(jì)算機(jī)中的專用固化蕊片EPROM 27C64來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本裝置由于各部分設(shè)計(jì)合理，因此其突出特點(diǎn)在于具有時(shí)域波形捕捉，分幅全景顯示，信號(hào)可以疊加，從而可以提高信噪比;采樣頻率在20KHz以下可以對(duì)內(nèi)觸發(fā)予置點(diǎn)在1至127點(diǎn)以內(nèi)任意設(shè)定，在50μS至12.7秒范圍內(nèi)都能保證采集到完整波形和準(zhǔn)確記錄反射波到達(dá)時(shí)間，以及對(duì)弱信號(hào)產(chǎn)生同步增強(qiáng);可以進(jìn)行數(shù)據(jù)屏幕編輯，選取有效數(shù)據(jù)，除去無(wú)用數(shù)據(jù)，使分析準(zhǔn)確可靠;計(jì)算速度快，512點(diǎn)FFT計(jì)算功率譜大約只需5秒時(shí)間;光標(biāo)掃描，搜索，可以顯示信號(hào)到達(dá)時(shí)間、頻率和幅度?？梢赃x取樁底反射信號(hào)進(jìn)行積分，求出面積及估算出樁底沉渣厚度。本裝置可以單獨(dú)作計(jì)算機(jī)用，并備有標(biāo)準(zhǔn)BASIC語(yǔ)言，也可以由用戶自編各種判斷應(yīng)用程序。從傳感器，放大器，低通濾波器，高分辨率高速A/D變換器，計(jì)算機(jī)，打印機(jī)到磁帶機(jī)一次配齊集于一手提箱內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶十分方便。因此本裝置可以廣泛地作為土建施工過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)樁基質(zhì)量的重要設(shè)備。


圖1為本裝置的方框圖。它由傳感器(1)，放大器(2)，低通濾波器(3)，A/D變換器(4)，計(jì)算機(jī)(5)，打印機(jī)(6)和磁帶機(jī)(7)所組成。圖1中的(8)為被測(cè)樁體，(9)是樁邊土。本裝置的傳感器(1)，可以是水聽(tīng)器，加速度計(jì)或速度計(jì)。它可以將從樁體中所檢測(cè)到的樁體機(jī)械振動(dòng)波變?yōu)殡娦盘?hào)送入放大器(2)，放大器(2)分11檔，可以放大1×2000倍。將信號(hào)放大到需要值后，再送入低通濾波器(3)，該低通濾波器(3)的截止頻率可以分120Hz、300Hz、1000Hz和2000Hz四檔，也可以自行設(shè)定。通過(guò)濾波器(3)，將不需要的干擾信號(hào)排除掉，然后由圖2所示的12比特或8比特的A/D變換器(4)將信號(hào)的模擬量變?yōu)閿?shù)字量。其采樣頻率可以是1至20KHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為30μS。12位高分辨率高速A/D變換器(4)，是一種與EPSON HX-20計(jì)算機(jī)配備的專用板，在地址設(shè)計(jì)上是針對(duì)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，把數(shù)據(jù)采集口安排在系統(tǒng)接口未用的地址上，從而可以避免地址復(fù)用帶來(lái)的干擾。本裝置還配有數(shù)據(jù)傳送的專用接口板，如圖3所示。通過(guò)這一接口，系統(tǒng)可以與帶有緩存器，采樣數(shù)率為20KHz至10MHz，甚至更高采樣頻率的采集器相接，使之能把如此高速采集器所采集的數(shù)據(jù)送入本裝置進(jìn)行分析計(jì)算。這樣使得本裝置還可以進(jìn)行對(duì)金屬或非金屬的探傷檢測(cè)。因此本裝置又是可以成為一個(gè)高分辨率的超聲探傷儀。由A/D變換器(4)采集的數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)(5)進(jìn)行各種計(jì)算分析。該計(jì)算機(jī)(5)是一種日本產(chǎn)EPSON HX-20型計(jì)算機(jī)。本裝置的程序方框圖如圖4所示，并且將這一程序設(shè)計(jì)固化在8KB的EPROM 27C64蕊片上。由此可以在屏幕上進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯和對(duì)波形的重新采樣，直觀地選取需要處理的波形部分，拼棄不必要的部分，使分析可靠;同時(shí)可以在參數(shù)設(shè)定中，使予置點(diǎn)在1-127點(diǎn)之間任意設(shè)定，使之可以準(zhǔn)確測(cè)得激勵(lì)的起始時(shí)間，從而保證了樁體缺陷部分的測(cè)量精度。此外，可以使用光標(biāo)掃描，直觀地測(cè)量波形有效部分的幅度，反射波到時(shí)以及計(jì)算出其特征頻率。最后由計(jì)算推得樁基缺陷位置和樁基的承載力。并經(jīng)打印機(jī)(6)打印出各種計(jì)算結(jié)果。同時(shí)利用磁帶機(jī)(7)自動(dòng)記錄各種數(shù)據(jù)。
圖2為本裝置的A/D變換器的電路結(jié)構(gòu)圖。它由AD7501，74LS75，LF398，74LS138，AD574等型號(hào)的集成塊、各種與非門、電阻和電容等元器件所組成。
圖3為本裝置的接口板電路線構(gòu)圖。它由LS138、LS244、LS123、各種與非門、電阻、電容，時(shí)鐘接口等元器件所組成。
圖4為本裝置的程序設(shè)計(jì)方塊圖。
圖5為供本裝置計(jì)算分析反射波到時(shí)，頻率及幅度的示意圖。其中A為信號(hào)幅值，t為時(shí)間。
圖6為供本裝置計(jì)算分析樁底沉渣厚度的示意圖。其中A為信號(hào)幅值，t為時(shí)間。
本裝置的一個(gè)最佳實(shí)施例在于在某一住宅工地，用30公斤的小錘離樁體上方頂面30公分的高度自由落體，錘擊樁體上頂面，然后由加速度計(jì)作為傳感器在樁體上頂面測(cè)得各種反射波波形，接收的信號(hào)經(jīng)放大1倍后送入截止頻率為120Hz的低通放大器，濾掉各種高頻干擾信號(hào)，然后將信號(hào)送入12比特的高分辨率高速A/D變換器，使用1.6KHz的采樣頻率，觸發(fā)電平為0.5v，將信號(hào)的模擬量變?yōu)閿?shù)字量，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算分析各種參數(shù)，并測(cè)得容許承載力為28.1噸。顯見(jiàn)，本裝置還可以有其它方案的實(shí)施結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種由激振裝置向樁體施力，使樁體產(chǎn)生各種振動(dòng)波，這種波由傳感器(1)接收并將其變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大器(1)放大，再經(jīng)高分辨率高速A/D變換器(4)采樣，使這種連續(xù)波形數(shù)字化，然后由計(jì)算機(jī)(5)存儲(chǔ)和分析判斷，最后經(jīng)打印機(jī)給出其分析結(jié)果等各部件所組成的樁基無(wú)損檢測(cè)裝置，其特征在于它還包含有一個(gè)可以排除高頻干擾信號(hào)，使所測(cè)波形清晰的低通濾波器(3)，在計(jì)算機(jī)(5)內(nèi)還有一個(gè)固化有分析判斷程序的EPROM芯片，一個(gè)在A/D變換器(4)與計(jì)算機(jī)(5)之間安裝有一個(gè)接口板，使所采集的數(shù)據(jù)有效地送入計(jì)算機(jī)(5)，從而使本裝置可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕觀察激勵(lì)力是否適當(dāng)，各種反射波的到時(shí)，相位和幅值，進(jìn)而利用屏幕進(jìn)行編輯，直到滿足最佳檢測(cè)效果，從中提取有效的數(shù)據(jù)來(lái)判斷樁基質(zhì)量及其承載力以及一個(gè)能自動(dòng)記錄計(jì)算機(jī)(5)分析所得的各種參數(shù)的磁帶機(jī)(7)。
2.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的裝置，其特征在于所說(shuō)的傳感器(1)可以是水聽(tīng)器。
3.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的裝置，其特征在于所說(shuō)的低頻濾波器(3)的截止頻率可以是120Hz，300Hz，1000Hz，和2000Hz，也可以任意設(shè)定。
4.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的裝置，其特征在于所說(shuō)的高分辨率高速A/D變換器(4)可以是12比特位，也可以是8比特位，其采樣頻率可以在1至20KHz范圍內(nèi)任意設(shè)定。
5.按照權(quán)利要求1所說(shuō)的裝置，其特征在于所說(shuō)的接口板，它可以與采樣頻率為10MHz或更高的采集器相接。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種檢測(cè)樁基礎(chǔ)質(zhì)量的裝置。它是由傳感器，放大器，低頻濾波器、12比特高分辨率高速A/D變換器，計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和磁帶機(jī)所組成。其特征在于將計(jì)算各種參數(shù)的程序固化在計(jì)算機(jī)的EPROM芯片上，使得本裝置具有波形時(shí)域的全景顯示，進(jìn)行數(shù)據(jù)屏幕編輯，光標(biāo)掃描、搜索，直接測(cè)量各反射波到時(shí)，相位，特征頻率和幅度，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算分析，最后獲得樁體缺陷部位和性狀，以及樁體的垂直與水平的承載力。
文檔編號(hào)G01N27/00GK1057338SQ9010414
公開(kāi)日1991年12月25日 申請(qǐng)日期1990年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月8日
發(fā)明者單汝政 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所