CN102692431B - 以钢筋为电极的混凝土裂缝检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了以钢筋为电极的混凝土裂缝检测仪。钢筋发射电极和接收电极均埋在混凝土中。发射电极通过发射电缆与发射电路相连接，发射电路发出的信号经过发射电极在混凝土中发出，接收电极通过接收电缆与接收电路相连接，接收电路对接收电极收到的信号进行放大和滤波。发射电路的输出信号通过发射通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和发射电路间双向通信控制。接收电路的输出信号通过接收通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块与接收电路间双向通信控制。本发明采用钢筋作为电极，不会改变混凝土的既有结构特点和受力特点，不需改变施工过程和施工方法，电极寿命与混凝土结构寿命等长。设计简单、施工方便、成本低、寿命长。

Description

以钢筋为电极的混凝土裂缝检测仪

技术领域

本发明属于建筑材料检测范畴，涉及混凝土质量监测。

背景技术

混凝土是广泛用于房屋建筑、桥梁工程、水利工程等的一种重要的工程材料，而混凝土裂缝的发生往往难以避免。裂缝的发生发展会严重破坏结构的整体性，直接危害工程结构的安全，故裂缝检测是工程安全监测的重要内容。公路、桥梁、大坝以及其他工用民用建筑，都需进行定期的或实时的裂缝检测。然而，混凝土结构裂缝的预测与预报，混凝土裂缝的诊断与监测是当今国际上急需攻克的主要难题之一。 中国专利号200610020932.8 《基于阻抗成像的混凝土损伤检测方法与设备》提供了一种混凝土损伤检测方法和设备，这种方法采用了阻抗成像技术得出混凝土的健康状况，但在实际使用中由于需要嵌入检测电极，嵌入的检测电极与混凝土不能很好的兼容，而且，改变了施工过程和施工方法，因此，存在一定的应用局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、使用方便，检测效果好的混凝土裂缝检测器。

本发明的目的是这样达到的：检测仪由发射电极、发射电缆、发射电路、发射通信控制接口、控制与计算模块、接收通信控制接口、接收电路、接收电缆和接收电极组成；发射电极和接收电极采用的均是钢筋电极，发射电极和接收电极埋在混凝土中，发射电极通过发射电缆与发射电路相连接，接收电极通过接收电缆与接收电路连接；发射电路的输出信号通过发射通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和发射电路间双向通信；接收电路的输出信号通过接收通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和接收电路间双向通信；发射电路的输出信号通过发射电极在混凝土中传播，接收电极接收发射电极发出的在混凝土中传播的信号。

发射电路由单片机控制，发射电路含单片机，波形产生器和功率放大电路，单片机连接有调试接口、单片机复位电路和通信接口，通信接口通过发射通信与控制接口连接到控制与计算模块。

接收电路由单片机控制，接收电路含单片机和放大与滤波电路，单片机连接有调试接口、单片机复位电路和通信接口，通信接口通过接收通信与控制接口连接到控制与计算模块。

控制与计算模块中含有微处理器芯片和存储器，控制与计算模块通过发射通信控制接口对发射电路进行控制，通过发射通信控制接口接收发射电路发射的信号；控制与计算模块通过接收通信控制接口对接收电路进行控制，通过接收通信控制接口接收接收电路收到的信号。

所述发射电路的单片机通过通信接口连接波形产生器、并通过通信接口对波形产生器进行控制，波形产生器输出信号到功率放大电路，并同时输出给AD转换器，由AD转换器进行模数转换后，通过发射通信与控制接口将数字信号传输到控制与计算模块，功率放大电路将波形产生器产生的信号进行功率放大，通过发射电缆连接到发射电极。     所述接收电路的单片机通过IO引脚连接到放大与滤波电路、并通过IO引脚对放大与滤波电路进行控制；放大与滤波电路输出信号输出给AD转换器，由AD转换器进行模数转换后，将数字信号通过接收通信控制接口传输给控制与计算模块。

所述发射电路的波形产生器输出的模拟信号通过发射通信与控制接口直接输出到控制与计算模块。所述接收电路的单片机通过IO引脚连接到放大与滤波电路、并通过IO引脚对放大与滤波电路进行控制后直接将模拟信号传输给控制与计算模块。

所述发射电极和接收电极的钢筋电极是对偶形或环形电极。

所述发射电路的通信接口为RS232接口或RS485接口或并行通信接口。接收电路的通信接口为RS232接口或RS485接口或并行通信接口。

所述控制与计算模块中含有的微处理器芯片是信号处理器芯片或ARM处理器芯片。 

本发明的有益效果是：应用钢筋作为电极，不会改变既有的结构特点和受力特点，不需改变施工过程和施工方法，电极寿命与结构寿命等长。与其他嵌入传感器的检测技术相比，应用钢筋作电极，具有设计简单、施工方便、成本低、寿命长等特点，并可以实时地计算裂缝分布，对裂缝的产生与发展进行记录与分析，预测、监测裂缝的形成与发展，使得混凝土的裂缝能得到及时的预报、察觉、诊断，对于确保混凝土结构物在裂缝产生的初期得到及时修复和控制、保证混凝土结构物在使用寿命期内能满足预定的各项功能要求，甚至于延长混凝土结构物的使用年限、避免建筑的灾难性破坏具有重大意义。

附图说明

图1是本检测仪的结构方框图。

图2是本检测仪的使用状态示意图。

图3是本检测仪的发射电极为对偶型电极示意图，其中，A1、A2为与发射电缆连接口 。

图4是本检测仪的发射电极为环型电极示意图，其中，B1、B2为与发射电缆连接口。

图5是本检测仪的发射电路通信接口电路。

图6是本检测仪的发射电路单片机调试接口电路图。

图7是本检测仪的发射电路单片机复位电路。

图8是本检测仪的发射电路单片机电路图。

图9是本检测仪的发射电路波形产生电路示意图。

图10是本检测仪的发射电路功率放大电路图。

图11-1、图11-2、图11-3、图11-4是控制与计算模块中数字信号处理电路图。

图12本检测仪的控制与计算模块的复位电路图。

图13是控制与计算模块的调试与仿真接口电路。

图14是控制与计算模块的RS232通信接口电路。

图15控制与计算模块的存储器电路图。

图16是接收电路的放大与滤波电路图。

图17是接收电路的通信接口电路图。

图18是接收电路单片机调试接口电路图。

图19是接收电路单片机复位电路图。

图20是接收电路单片机电路图。

具体实施方式

附图给出了本发明的实施例。

实施例1。

检测仪由发射电极，发射电缆，发射电路，发射通信控制接口，控制与计算模块，接收通信控制接口，接收电路，接收电缆，接收电极组成。发射电极通过发射电缆与发射电路相连接，发射电路的信号由发射电极发出，接收电极通过接收电缆与接收电路相连接，接收电路对接收电极收到的信号进行放大与滤波。发射电路通过发射通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和发射电路间双向通信控制。接收电路通过接收通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和接收电路间双向通信控制。

控制与计算模块控制发射电路产生检测所需的发射信号并产生同步控制信号，发射电路发射指定的功率、指定信号格式的电波，并通过发射电缆传送给发射电极，控制与计算模块对发射电路的控制是通过发射通信控制接口实现的。控制与计算模块同时控制接收电路，向接收电路发出控制信号与同步信号，接收电极接收发射电极发出的电磁波信号；接收电缆将接收电极的接收信号传输给接收电路，接收电路将接收的信号放大、滤波并进行模数转换，将转换后的数字信号通过接收通信控制接口传输给控制与计算模块。控制与计算模块通过分析计算发射信号和接收信号，推导混凝土的内部结构特点，接收电路也可将模拟信号传输给控制与计算模块，由控制与计算模块完成模数转换。

本例的发射电极和接收电极均采用对偶性电极，发射电极和接收电极在混凝土浇灌时就被埋在混凝土中。发射电缆连接在发射电极的A1、A2处，接收电缆连接在接收电极的A1、A2处。发射电缆和接收电缆同为普通的电线或同轴电缆，发射电缆将发射电路产生的信号输送给发射电极，接收电缆将接收电极接收信号传送给接收电路。

各模块的功能是：发射电路在控制与计算模块的控制下发射指定功率、指定信号格式的电波。发射通信控制接口将控制与计算模块的通信信息和控制信号传送给发射电路。控制与计算模块根据混凝土的特点设计检测所需的发射信号，并产生同步控制信号，通过发射通信控制接口控制发射电路产生所需的发射信号。通过接收通信控制接口，向接收电路发出控制信号与同步信号，并通过接收通信控制接口采集接收电路的数据。控制与计算模块通过分析发射信号和接收信号，分析计算混凝土是否有裂缝？是否存在其它的损伤？并计算裂缝与其他损伤的分布。接收通信控制接口将控制与计算模块的通信信息和控制信号传送给接收电路。将接收电路的数据传送给控制与计算模块。接收电路接收、放大、滤波接收电极收到的信号。接收电极接收发射电极发出的电磁波。

参见附图5、14、17。

控制与计算模块和发射电路间采用的通信接口是RS232接口。接收电路和控制与计算模块间采用的通信接口也是RS232接口。控制与计算模块通过接收通信控制接口向接收电路发出控制信号与同步信号。

参见附图6~10。

发射电路包括单片机电路、波形产生电路、功率放大电路、单片机复位电路和单片机调试接口电路。单片机连接的RS232通信接口通过发射通信与控制接口连接到控制与计算模块。本例的单片机如图8中U14，采用的是美国ATMEL公司生产的型号为ATMEGA64单片机。波形产生器采用由美国Analog Devices 公司生产的DDS芯片 AD9852如图9中U1所示。发射电路的功率放大器为运算放大器，由美国  National Semiconductor  公司生产的LM6181运算放大器，如图10所示。图6是单片机调试接口电路，图中J6为调试接口插件。发射电路在控制与计算模块的控制下产生检测所需的信号，通过发射电缆将信号传输给发射电极，由发射电极在混凝土中发出发射电路的输出信号。

参见附图11~15。

控制与计算模块由数字信号处理电路、复位电路、调试与仿真接口电路、存储器、RS232通信接口电路组成。图11-1、图11-2、图11-3、图11-4是控制与计算模块中数字信号处理电路图。UC1是数字信号处理芯片，型号为TMS320F2812，由美国TI公司出品。通信接口电路仍然采用RS232通信接口，如图14所示，UC2为MAX3232CSE通信接口，用于RS232通信接口，由美国TI公司生产。在控制与计算模块中设置有复位电路和调试与仿真接口电路，如图12、13 所示。控制与计算模块的存储器是CY1021，电路如图15所示。控制与计算模块通过发射通信控制接口对发射电路进行控制，通过发射通信控制接口接收发射电路发射的信号。通过接收通信控制接口对接收电路进行控制，通过接收通信控制接口接收接收电路收到的信号。

参见附图16~图20。

接收电路由单片机控制，接收电路含单片机和放大与滤波电路，单片机连接有调试接口、单片机复位电路和RS232通信接口，RS232通信接口通过接收通信与控制接口连接到控制与计算模块。接收电路的单片机是通过IO引脚连接到放大与滤波电路、并通过IO引脚对放大与滤波电路进行控制。放大与滤波电路输出信号输出给AD转换器，由AD转换器进行模数转换后，将数字信号通过接收通信控制接口传输给控制与计算模块。接收电路使用的单片机是ATMEGA64，如图20所示。图16是接收电路的放大器电路，图中，UD1、UD2:是运算放大器，型号为 AD603，厂商是美国Analog Devices 公司。UD3是多路开关，型号为ADG5204，厂商是美国Analog Devices 公司。图18是接收电路单片机调试接口电路，图中，JD6为调试接口插件。图19是接收电路单片机复位电路图，用于单片机的复位。图17是接收电路的通信接口电路，图中，UD2为RS232通信接口 MAX3232CSE芯片，JD9为通信接口接插件，实现接收电路与接收通信控制接口的信号传输。接收电路接收与放大接收电极收到的信号，在AD转换器中进行模数转换，然后进行信号放大、滤波，将放大后的数字信号通过接收通信控制接口传输给控制与计算模块。

检测时，控制与计算模块根据混凝土的特点，设计检测所需的发射信号，并产生同步控制信号，通过发射通信控制接口控制发射电路产生所需的发射信号。发射电路在控制与计算模块的控制下产生所需的激励信号，通过发射电缆将激励信号传输给发射电极，由发射电极在混凝土中发出激励信号。接收电极接收发送电极发出的，经由混凝土传输的信号，通过接收电缆将接收信号传输给接收电路，接收电路将收到的信号放大与滤波，然后进行模数转换，将转换后的数字信号通过接收通信控制接口传输给控制与计算模块。控制与计算模块根据接收电路的接收信号和发射电路的发射信号对混凝土内部的结构进行计算分析。

实施例2。

发射电极和接收电极均采用环形电极，电极在混凝土浇灌时就被埋在混凝土中。发射电缆连接在发射电极的B1、B2处，接收电缆连接在接收电极的B1、B2处。发射电路的波形产生器输出的模拟信号通过发射通信与控制接口直接输出到控制与计算模块。接收电路的单片机通过IO引脚连接到放大与滤波电路、并通过IO引脚对放大与滤波电路进行控制后直接将模拟信号传输给控制与计算模块。发射电路和接收电路的通信接口采用的是并行通信接口。控制与计算模块中含有的微处理器芯片采用了ARM处理器芯片。ARM处理器芯片采用美国Atmel Corporation 公司的ARM9200型芯片。

实施例3。

发射电极采用对偶型钢筋电极，接收电极采用环性钢筋电极。电极在混凝土浇灌时就被埋在混凝土中。发射电缆连接在发射电极的A1、A2处，接收电缆连接在接收电极的B1、B2处。

Claims (9)

1.一种以钢筋为电极的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：检测仪由发射电极、发射电缆、发射电路、发射通信控制接口、控制与计算模块、接收通信控制接口、接收电路、接收电缆和接收电极组成；发射电极和接收电极采用的均是钢筋电极，发射电极和接收电极埋在混凝土中，发射电极通过发射电缆与发射电路相连接，接收电极通过接收电缆与接收电路连接；发射电路的输出信号通过发射通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和发射电路间双向通信；接收电路的输出信号通过接收通信控制接口连接到控制与计算模块，控制与计算模块和接收电路间双向通信；发射电路的输出信号通过发射电极在混凝土中传播，接收电极接收发射电极发出的在混凝土中传播的信号； 

发射电路由单片机控制，发射电路含单片机，波形产生器和功率放大电路，单片机连接有调试接口、单片机复位电路和通信接口，通信接口通过发射通信控制接口连接到控制与计算模块； 

接收电路由单片机控制，接收电路含单片机和放大与滤波电路，单片机连接有调试接口、单片机复位电路和通信接口，通信接口通过接收通信控制接口连接到控制与计算模块； 

控制与计算模块中含有微处理器芯片和存储器，控制与计算模块通过发射通信控制接口对发射电路进行控制，通过发射通信控制接口接收发射电路发射的信号；控制与计算模块通过接收通信控制接口对接收电路进行控制，通过接收通信控制接口接收接收电路收到的信号； 

所述发射电路的单片机通过通信接口连接波形产生器、并通过通信接口对波形产生器进行控制，波形产生器输出信号到功率放大电路，并同时输出给AD转换器，由AD转换器进行模数转换后，通过发射通信控制接口将数字信号传输到控制与计算模块，功率放大电路将波形产生器产生的信号进行功率放大，通过发射电缆连接到发射电极； 

所述接收电路的单片机通过IO引脚连接到放大与滤波电路、并通过IO引脚对放大与滤波电路进行控制；放大与滤波电路输出信号输出给AD转换器，由AD转换器进行模数转换后，将数字信号通过接收通信控制接口传输给控制与计算模块。 

2.如权利要求1所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述发射电路的波形产生器输出的模拟信号通过发射通信控制接口直接输出到控制与计算模块；所述接收电路的单片机通过IO引脚连接到放大与滤波电路、并通过IO引脚对放大与滤波电路进行控制后直接将模拟信号传输给控制与计算模块。 

3.如权利要求1所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述发射电极和接收电极的钢筋电极是对偶形或环形电极。 

4.如权利要求1所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述发射电路的通信接口为RS232接口或RS485接口，接收电路的通信接口为RS232接口或RS485接口。 

5.如权利要求1所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述发射电路的通信接口为并行通信接口，所述接收电路的通信接口为并行通信接口。 

6.如权利要求1所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述控制与计算模块中含有的微处理器芯片是信号处理器芯片或ARM处理器芯片。 

7.如权利要求1所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述发射电路的单片机是ATMEGA64，波形产生器DDS芯片为AD9852；接收电路的单片机是ATMEGA64，放大器是运算放大器AD603。 

8.如权利要求1或6所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述控制与计算模块中的微处理器芯片是信号处理器芯片TMS320F2812，存储器是CY1021。 

9.如权利要求1或6所述的混凝土裂缝检测仪，其特征在于：所述控制与计算模块中的微处理器芯片是ARM处理器芯片ARM9200。 

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