CN101802585A - 无损测量固体耐压强度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损测量固体耐压强度的方法和装置。描述了通过回弹确定固体的耐压强度的装置和方法。该方法和装置具有对误差源，即，重力、内部摩擦力和操作者干涉(不稳固地保持仪器)而言减小的灵敏度。通过不接触地测量撞击之前和之后立刻记录的回弹速度对到达速度的商来获得改进。锤(3)与活塞(5)的质量匹配产生更高的效率、撞击能量的更小的角度变化和更轻的重量。本发明的更多好处是：测量范围的延伸和机械调节、校准和维护的简化。

Description

无损测量固体耐压强度的方法和装置

技术领域

本发明涉及无损测量固体耐压强度的方法和装置，尤其是测量混凝土的耐压强度的方法和装置。

背景技术

已经有五十种方法用于评估混凝土的耐压强度，这些方法使用具有限定的尖端的装置来撞击待测表面。

最为人所知的方法是所谓的施密特锤，施密特锤通过拉伸弹簧并使其驱动锤而产生限定的撞击能量。这个锤随后打击活塞，活塞将撞击传递到待测表面。

撞击之后混凝土被压缩而部分能量被塑性变形吸收。剩余能量被返回并使活塞回弹。回弹接着被传递回到锤。锤于是压缩弹簧直到锤的动能被全部传递成弹簧的变形能。借助于拖曳指针(drag pointer)来记录弹簧的这个最大压缩点。从仪器外面可读出最大压缩点的位置。将这个仪器读数表达为R值，R值意味着锤的最大回弹行程。典型的R值范围从R＝20到R＝55。

图3示出怎样将锤的回弹值转换成耐压强度的指示。注意到正如三条曲线所指示的那样，存在单元操作所处角度的重大的影响。当测量倾斜表面时，必须估计角度并且必须对曲线组进行内插值替换。

在现有技术中，感兴趣的信号由于几种误差因素而被错误地描述。通常这些可合计至测量值的15％，甚至20％。回弹能量越小，百分比误差贡献越大。尤其对于小于20的回弹值，被重力和摩擦力吸收的能量接近于回弹能量(K.歌德博士的论文，德国钢筋混凝土委员会论文第154卷，article Dr.K.Gaede，volume 154 Schriften des DeutschenAusschusses für stahlbeton).

为了使摩擦力的影响保持为最小，必须对装置小心调节，经常清洁和检查——所有这些因素都会增加设备成本并导致回弹方法的有限承受力(limited acceptance)。

随着数字电子器件和LCD显示器的出现，许多公司已经“数字化”了他们的仪器。这些单元以数字显示器特征，而非必须读取机械拖曳指针的位置。直到此时这种仪器已经通过接触式方法或非接触式方法(光学的，霍尔传感器等)将拖曳指针的最终位置简单地转换成电性值。指示器电子器件可以是单独的盒或被适当地安装在仪器上。这种单元已经出现在市场上超过10年。

图1是配备有线性电位计1以将拖曳指针2的位置转换成电性值的典型施密特锤的剖视图，经由连接器将电性值传输给外部指示器单元。所有其它机械部件都100％等同于原始的机械施密特锤。我们注意到锤3，锤3行进在导杆4上并打击被撞击弹簧6牵引的活塞5。出于完整性的目的述及外壳7和释放/重载机构8。

具有数字读数的“集成化”模型是基于标准机械单元，该单元配备有用于拖曳指针的感测电路。

所有这些解决方案都遇到机械拖曳指针指示器固有的问题：

1)回弹值依赖于被测表面的倾斜度(重力作用于锤的影响)。

2)读数仍依赖于装置的内部摩擦力(行进在导杆上的锤加上拖曳指针的摩擦力)。

3)由于两个质量不匹配，锤与活塞之间动能的传递效率不是常数。

4)必须手动调节撞击能量(弹簧的长度)和每个仪器的起始位置(zero position)，这增加了成本和失调的机会。

5)由于重力的缘故，撞击能量依赖于冲角(angle ofincidence)。

6)读数仍依赖于操作者起动装置的方式-有力地或是犹豫不决地(外壳相对于固定坐标系的速度)。

US 5,176,026(Leeb，Brunnner)(图2)描述了一种借助于转能器测量锤的回弹行程的装置，转能器包含反射光学检测器7a和锤3，锤3的特征是套8在其整个长度上填充有不透明物质。这个方法消除了拖曳指针及其摩擦力，但其它误差源(重力作用于锤的影响，锤在导杆上的摩擦力，弹簧的起始位置)仍影响结果。另外，缺乏反射性传感器方案，因为其易受灰尘和指印的影响。这类设备已经获得了有限的商业成功。虽然它的设计“较为简陋”，但图1中示出的实施方式仍是本领域技术发展水平。

已经进行过对施密特锤应用一种用于评估金属硬度的技术(US4,034,603)的尝试—迄今为止这些努力都失败了。

在这个技术中-希望用于工厂(shop)使用-锤直接冲击样本而撞击设备的外壳停留在被测表面上。

注意：

a)施密特锤主要在室外条件下使用并且必须密封以防止灰尘和潮湿，因此锤不能直接冲击被测表面，而必须经由活塞5传递其能量。这个设计提供了可移动的活塞5与仪器外壳7之间的密封部9。

b)施密特锤的装载和触发机构是单元停留在活塞上而非仪器的外壳上。

发明内容

因此，本发明的一般目的是提供上述类型的装置，所述装置测量更准确的参数，参数表示被测固体的耐压强度。

通过独立权利要求所述的装置和方法达到这个目的。

从而，所述装置配备有传感器，传感器在锤的回弹动作期间的不同时刻测量锤的至少两个回弹速度。使用至少两个被测速度，所述装置的控制单元接着计算表示固体的耐压强度的参数。

这个技术是基于对撞击之后立刻测量速度比回弹高度的传统测量法更准确的理解，因为可在回弹动作的更早阶段测量回弹速度，并因此更不易于产生归因于重力和摩擦力的误差。另外，这个技术是基于对回弹速度的单次测量将遭遇误差的理解，这是由于仪器在回弹期间遭受强大机械干扰的缘故。这些干扰首先是由于锤与活塞之间以及活塞与固体之间的撞击的相互作用(repercussion)。不过，由于机械干扰仅在测量中引起短暂性小故障(temporary glitch)，因此检测两个或更多个速度能够有效地识别和/或消除它们的影响。

有利地是，所述装置进一步适于测量在锤向活塞撞击之前锤的至少一个，尤其是至少两个到达速度(inbound velocity)。一个或多个到达速度可用于进一步改善被测参数，因为获知到达速度能够在撞击之前解释误差，诸如重力、摩擦力和弹簧疲劳度。

有利地是，所述装置进一步适于计算回弹速度对到达速度的商，每个商在锤与外壳之间的同一相对位置处获得。

有利地是，活塞具有基本等于锤的质量的质量。这个测量的优点是一举两得。一方面，这些质量的相等确保锤与活塞之间的完全能量传递并因此提高仪器的准确度。尤其是，撞击使锤基本停止，同时其全部动能被传递给活塞。在锤基本静止的同时，活塞打击固体并弹回以将其全部剩余能量传递回活塞。与此对照，在现有技术的仪器中，锤一般比活塞更重。因此，传递给活塞的能量更小，而且撞击之后锤达不到停止而是试图打击活塞数次，因此使测量不可预测。另外，仅活塞的部分能量被传递回锤，因而降低了设备的灵敏度。最终，使用比现有技术的仪器更轻的锤能够使其加速到更高速度，由此降低重力影响其动作的时间跨度并进一步提高仪器的准确度。撞击速度/能量的减小的变化有助于确保撞击能量处于国家标准规定的容许范围内。同样，所述仪器具有更小的整体质量。

本发明尤其适于测量混凝土耐压强度。

本发明涉及一种仪器以及一种方法。尤其是，要注意与所述装置有关的权利要求的特征相关的任何方法都可以阐述为与所述方法有关的权利要求，反之亦然。

附图说明

当对下面本发明的详细描述进行考虑时将会更好地理解本发明和不同于如上所述的目的。这种描述要参考附图，其中：

图1示出配备有线性电位计的第一现有技术的仪器，

图2是配备有锤的第二现有技术的仪器，锤在其整个长度上具有反射模式(pattern)，

图3示出现有技术的施密特锤的转换曲线的图，

图4是装置的优选实施例的关键组件的透视图，

图5示出用于处理来自光学检测器的信号的电路，

图6是设备的分解图，

图7是传感器检测到的采样波形，和

图8示出“Q”因子到耐压强度的转换图。

具体实施方式

图4示出撞击时设备的有利实施例的相关部件。出于简化的目的已将外壳省略(图6示出完整的锤单元)。我们注意到锤3，锤3在导杆4上沿着轴A行进并冲击被撞击弹簧6牵引的活塞5，而撞击弹簧6用做驱动机构以便面向活塞5来驱动锤3。这些部件实质上等同于例如US 5 176 026中描述的典型实施方式。不过，现在减小锤3的质量以匹配活塞的质量。这是为了确保在锤朝着活塞行进和返回时从活塞到锤的一次打击中将锤的能量传递给活塞。在典型单元中存在随机数量的多次接触，由此损失了一部分能量。已经在上面描述了这个设计的进一步优点。

注意到撞击弹簧6与现有技术的仪器中的一样；其特征是弹簧常数为0.79N/mm并被拉伸到75mm，产生的撞击能量为：E＝2.22Nm。

锤3仅重115克，因此它以更高速度行进。V＝sqrt(2×E/m)＝6.21m/s。因此行进时间减小，重力使锤加速或减速的影响也同样地减小。

为了测量锤3的速度，锤3配备有梯形切口的许多圆周的肋部(rib)11，肋部11在锤3的圆柱形外表面上形成突出部。将这些肋部定位成在经过时，这些肋部遮断双重光栅(dual light barrier)12的光束。将光束定向成与锤3正切。

双重光栅12包含红外光源13和双重光检测器14，双重光检测器14具有两个1mm²的传感器区域并被布置成在锤3经过且锤3的肋部11处在光栅12的位置时使每个光检测器14被交替照射或遮蔽。

如图5所示，将两个传感器区域的输出连接到差分放大器16(TIINA321)。将差分放大器16的输出连接到控制单元24(TI MSP430G)的A/D端口，其中控制单元24布置在设备内的印刷电路板17上。

注意编码器的固定部分，也就是光栅12如何同样直接位于电路板17上。电路板17进一步载有所有其它电子组件，尤其是点阵显示器18，点阵显示器18带有其控制器23、电池22和用于控制该单元的单按钮19。

还将两个轴加速计20布置在电路板17上。轴加速计20服务于多项任务。轴加速计20在测量阶段监视外壳的加速度并提供对其运动的补偿。轴加速计20还检测倾斜角度并可对被测参数进行精细调节。

其还被进一步使用来替代光标键用以翻滚(移动)、交换或定位显示器18上显示的文字和符号。尤其是，轴加速计20可检测设备的哪侧在上和哪侧在下，并基于此来转动显示器中的文字，以便获得最佳可读性。当使用者在限定的方向上倾斜显示器时，轴加速计20还可使文本上显示的长文本或图像沿着显示器翻滚或移动。

提供USB连接器21来给电池充电并使单元与例如PC的外设接口。

图6示出当前设计怎样将整个单元封装到外壳7中，外壳7完全密封整个单元以防止灰尘和潮湿。

图7示出由控制单元24的12位A/D转换器采样的典型信号，图中锤与活塞之间撞击的大约瞬间(instant)用线X表示。

如图所见，在撞击之前和锤的回弹期间检测到一系列信号振荡。这些振荡的频率或周期表示锤的速度。

在当前实施例中，在撞击之前至少检测两次绝对速度，并且在回弹期间至少检测两次绝对速度。通过计算信号的零相交(zerocrossings)和通过计算连续上升或下降的零相交之间的距离来测量速度。

在图7的示例中，在撞击之前，从时间段I_N1和从时间段I_P1计算不同时刻的至少第一和第二平均到达速度，时间段I_N1在最后两个下降的零相交之间，时间段I_P1在最后两个上升的零相交之间。同样，在回弹期间，从时间段R_P1和时间段R_N1计算不同时刻的第一和第二平均回弹速度，时间段R_P1在开始的两个上升的零相交之间，时间段R_N1在开始的两个下降的零相交之间。

在图7中用点指示的来自放大器16的信号的采样率相对于待分析的波形而言是比较低的。为了获得足够的分辨率，通过在零线Z任一侧上的两个样本之间线性插值来获得零相交的精确发生。

光遮断器检测到的波形其实是对称的。右侧因为到达/回弹速度的因素而被伸展。

不过，仔细观察可看出，作为摩擦力、重力和弹簧反作用力的结果，当波形从撞击点X进一步移开时速度减小。

因此，有利地是，通过成对地除靠近撞击点的相应时间段，我们确定回弹速度对到达速度的商，“Q”因子。通过用在锤的相同部分上测量的回弹速度和撞击速度来除而最佳执行成对地除。即，从时间段R_P1获得的第一回弹速度V_r1被从时间段I_N1获得的第一到达速度V_i1除，来计算第一Q因子Q₁＝100×(I_N1/R_P1)，因为V_r1和V_i1都是在锤3的同一肋部11上测量的。因此，将消除由于灰尘或肋部的机械缺陷导致的误差。同样，从时间段R_N1获得的第二回弹速度V_r2被从时间段I_P1获得的第二到达速度V_i2除，来计算第二Q因子Q₂＝100×(I_P1/R_N1)。将用于计算固体耐压强度的最终的Q因子计算成平均值Q＝(Q₁+Q₂)/2。

可以使用统计学来平均或处理更多商，但必须考虑到，由于摩擦力、重力和弹簧力的缘故，随着样本进一步离开撞击时刻，速度将改变。

另一方面，回弹速度的减小可被评估并用于警告使用者系统中存在过大摩擦。

可将“Q”因子视为“真正的”回弹系数，因为它实质上不受上述副作用(side effect)的影响。本发明的方法因此不为评估混凝土耐压强度设置新标准，但将对延伸的范围产生更可靠的结果。

到达速度可进一步用于验证由国际标准规定的撞击能量为2.207Nm±6％。

通常：E＝0.5×0.115kg×(6.21m/s)²＝2.22Nm。

由于锤的质量是常数，因此监视撞击能量基本上相当于对到达速度与到达速度的允许的范围进行比较(或等价地，对诸如I_N1或I_P1的图7的到达信号轨迹的时间段之一与允许的时间范围进行比较)。如果到达速度未落入允许的范围内，则设备可发出警告。通过读取加速计输出，设备可区分到达速度的哪部分是由重力引起的，哪部分是由驱动机构引起的。

(此时读取者可看到与使用反射性光学方案的现有技术US5,176,026(Leeb，Brunner)之间的重要差异，现有技术是评估锤的回弹行程而非其速度，不管回弹速度对到达速度的商)。

Q因子是表示固体耐压强度的参数。可通过执行大量的实验室和现场测试而将Q因子转换到象N/mm²这样的物理单位，利用发明的设备对150×150×150mm的测量立方体进行评估并随后借助于压力将其压碎(crush)。

在图8中给出一幅图，示出耐压强度与“Q”因子之间的关系。注意到对于被测表面的所有可能的角度方向仅存在一条转换曲线。出于上述原因，该曲线与可应用于机械施密特锤的曲线类似。(作为粗略的近似，可设置：Q≈R×1.12)。“Q”的范围适应耐压强度的宽范围，从5至150N/mm和更大。

可将描述图8曲线的校准数据存储到当前设备的控制单元中，由此能够将被测“Q”因子转换成立方体的耐压强度。在已经计算了足够数量的“Q”因子的平均值之后，完成了耐压强度的转换。

可在显示器18上将测量结果显示成条(bar)的形式和/或数字。结果可以例如是“Q”因子，通过图8曲线获得的立方体的耐压强度，或描述被测材料强度的任何其它适当的值。

如从图4可看到的那样，还如从图7中信号得出的那样，将突出部或肋部11布置成使它们在撞击时位于光栅12的范围内，这允许在撞击之前、和恰在回弹动作开始时立刻测量到达速度和回弹速度。因此，被测速度以最适宜的方式表示在撞击期间的情形，并且不会由于摩擦力、重力或弹簧6对锤3的反作用而被错误描述。

如上所述，在当前设备中提供加速计20。加速计20的输出信号被控制单元用来修正被测参数。

有利地是，加速计20应该至少能够测量沿着轴A的加速度，这能够评估重力和设备外壳的突然动作对锤的运动的影响，并能够修正被测结果。

尤其是，如果加速计20测量一个常数，在锤动作的测量期间(即，在释放锤与上述示例中的时间段I_P1和R_N1之间的时间跨度期间)沿着轴A的非零加速度，则假设在测量期间外壳未被加速，但不变的重力分量正在影响锤3的动作。在这种情况下，不需要修正到达速度V_i1和V_i2以及回弹速度V_r1和V_r2。

如果沿着轴A测量并非常数的很大的加速度，则可将同样的情况分解成表示重力的常数贡献和表示外壳加速度的非常数贡献。常数加速度归因于重力，同时在测量到达速度和回弹速度时可结合非常数加速度分量来计算外壳的速度，并且可从同样的情况中加上/减去非常数加速度分量，从而：

${v^{\′}}_{\mathrm{rk}}=v_{\mathrm{rk}}+\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{rk}}}{\∫}}\mathrm{adt}$ 和

${v^{\′}}_{\mathrm{ik}}=v_{\mathrm{ik}}-\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{ik}}}{\∫}}\mathrm{adt}$

这里k＝1...N，而N是撞击之前和之后速度测量的次数(对于上述示例而言N＝2)，v’表示被修正的速度测量，t_rk是测量v_rk与释放锤之间的时间跨度，t_ik是测量v_ik与释放锤之间的时间跨度，而a是沿着轴A的被测加速度。

撞击的时刻以及撞击期间锤的能量依赖于活塞在那一时刻的位置。尤其是，必须注意到在导杆4与活塞5之间布置了一个小弹簧(在图1的现有技术的实施例中用附图标记10表示)用于在撞击期间使活塞5与导杆4分开。依据使用者多么用力地向被测固体压下仪器，弹簧的长度会变化，而因此活塞5的撞击位置会变化(因为导杆4固定连接于外壳7)。例如，如果使用者向固体用力地压下设备，则活塞将更深地停留在仪器内，并且用于加速锤3的路径长度将比使用者向固体不用力地压下设备的情况更短。

可从撞击X之前和之后图7的第一个和最后一个信号振荡的位置得到撞击期间活塞的位置。在图7的示例中，撞击X之前最后一个下降的零交叉与撞击之后第一个上升的零交叉之间的时间间隔Δt依赖于撞击期间活塞5的位置。这个时间间隔Δt相当于撞击之前肋部11的最后边缘经过传感器13的时刻、与回弹期间同一边缘经过传感器13的时刻之间的时间跨度。除了肋部边缘之外，锤上的任何其它可检测的标志都可用于这个测量。

在有利的实施例中，利用仪器对于不同的活塞位置针对已知耐压强度的样本执行参考测量。对于每个测量，记录时间间隔Δt和被测参数对参数修正值的偏离。这能够建立启发式校准数据，启发式校准数据描述怎样将被测参数值修正为时间段Δt的函数。将这个校准数据存储在控制单元24中。

所述设备具有许多优点。尤其是，它准确地记录了表示耐压强度的参数而不需要修正装置的角度倾斜。它以非接触的方式在撞击之前和之后立刻准确地测量锤的速度，由此产生结果，该结果基本不受重力和摩擦力以及回弹期间弹簧6的反作用的影响。它为高于和低于目前可得到的值，例如5至150N/mm²的耐压强度的范围产生可靠的结果。它提供显示，其特征是正好在单元上的使用者友好的读数。另外，该设备易于装配、校准和服务。

虽然已经示出和描述了本发明当前的优选实施例，但显然要明白，本发明不限于此，多种具体和实际的实施例都在所附权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种用于无损测量固体尤其是混凝土的耐压强度的装置，包含：

活塞(5)，其能够沿着轴(A)移动并具有用于探测固体的前端，

锤(3)，其能够沿着所述轴(A)移动以便向所述活塞(5)撞击，

驱动机构(6)，用于向所述活塞(5)驱动所述锤(3)，由此使所述活塞(5)向所述固体撞击并产生所述锤(3)的回弹，

传感器(12)，其在所述回弹期间的不同时刻测量所述锤(3)的至少两个回弹速度，和

控制单元(24)，其依赖所述至少两个回弹速度而计算表示所述固体的耐压强度的参数。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器(13)进一步适于在向所述活塞(5)撞击之前测量所述锤(3)的至少一个到达速度，并且其中所述控制单元(24)适于依赖于所述至少一个到达速度而计算所述参数。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述控制单元(24)进一步适于对所述到达速度与到达速度的允许范围进行比较，而如果所述到达速度未落入所述到达速度的允许范围内则产生警告。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述控制单元(24)适于产生所述到达速度与至少一个所述回弹速度之间的商(Q)。

5.如任何一项上述权利要求所述的装置，其中所述传感器(13)进一步适于在撞击之前的不同时刻测量所述锤(3)的至少两个到达速度，并且其中所述控制单元(24)适于依赖于所述至少两个到达速度而计算所述参数。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述传感器(13)适于在所述活塞(5)的第一部分经过所述传感器(13)时测量至少第一到达速度和第一回弹速度，在所述活塞(5)的第二部分经过所述传感器(13)时测量至少第二到达速度和第二回弹速度，并且其中所述控制单元(24)适于计算至少所述第一回弹速度与撞击速度的第一比率(Q₁)、以及所述第二回弹速度与撞击速度的第二比率(Q₂)。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述控制单元(24)适于计算所述比率(Q₁，Q₂)的平均值。

8.如任何一项上述权利要求所述的装置，其中所述活塞(5)具有基本等于所述锤(3)的质量的质量。

9.如任何一项上述权利要求所述的装置，进一步包含至少一个加速计(20)，其中所述控制单元(24)适于依赖于所述加速计产生的信号而修正所述参数。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述加速计(20)适于沿着所述轴(A)测量加速度。

11.如权利要求9或10的任何一项所述的装置，进一步包含用于显示至少所述参数的显示器(18)，其中所述装置适于依赖于所述加速计(20)测量的所述装置的方向而定向和/或移动被显示文字。

12.如任何一项上述权利要求所述的装置，其中所述控制单元(24)适于测量所述锤(3)向所述活塞(5)的撞击位置，并在计算所述参数时使用所述撞击位置。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述传感器(13)适于检测所述活塞(5)上第一标记的经过，其中所述控制单元(24)适于从第一标记在撞击之前和回弹期间的经过之间经历的时间间隔(ΔT)来测量所述撞击位置。

14.如任何一项上述权利要求所述的装置，包含所述锤(3)表面上的多个突出部(11)，并且其中所述传感器(13)包含产生至少一束光的光栅，所述至少一束光被所述突出部遮断。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述传感器(13)包含至少两个光检测器(14)和一个放大器电路(16)，随后所述光检测器(14)在所述锤(3)经过期间被所述突出部(13)遮蔽，所述放大器电路(16)测量来自所述两个光检测器(14)的信号的差异。

16.如权利要求14或15的任何一项所述的装置，其中所述突出部(11)围绕所述锤(3)的圆柱形外表面延伸。

17.如权利要求14至16的任何一项所述的装置，其中所述突出部(11)被定位成在所述撞击的时刻位于所述光栅的范围内。

18.一种用于无损测量固体尤其是混凝土的耐压强度的方法，所述方法包含：

将活塞(5)的前端向该固体放置，

移动能够沿着轴(A)移动的锤(3)以便向所述活塞(5)撞击，由此产生所述锤(3)的回弹，

在所述回弹期间的不同时刻测量所述锤(3)的至少两个回弹速度，和

使用所述至少两个回弹速度计算表示所述固体的耐压强度的参数。

19.如权利要求18所述的方法，其中测量向所述活塞(5)撞击之前所述锤(3)的至少一个到达速度，并且其中所述到达速度用于计算所述参数。

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