CN105973944A - 基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备和方法。等效电路测量设备与被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体共同完成测量。等效电路测量设备由控制服务器、微处理器、信号源、功分器、反向信号隔离器、测量连接端口、定向耦合器、程控衰减器、信号解析器、开关电路组成，通过连接电缆的两端连接到被测一维同轴钢筋混凝土构件两端。测量时，通过控制服务器对微处理器的控制完成控制流程，在微处理器的参数计算子程序构件等效电路模型，方便、准确地推测监测一维同轴钢筋混凝土的病变状态。本发明利用混凝土材料自身成为一种传感材料，等效电路模型测量、计算自动化程度高，操作简单、可靠，易于推广。

Description

基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备和方法

(一)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，具体是基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备和方法。

(二)背景技术

混凝土是土木工程结构中使用最为广泛的结构材料，混凝土结构材料的损伤会严重破坏结构的整体性、影响结构的耐久性、甚至直接危害工程结构的安全性，因此，混凝土材料损伤检测或监测是工程质量检查与结构健康监测的重要内容。对混凝土构件进行实时有效检测和实时监测，科学地掌握混凝土构件结构性能的动态变化，对及时采取灾害防治措施、提高结构的运营效率、实现混凝土结构全生命周期的可持续绿色发展、保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。

在当今社会飞速发展的形势下，各种混凝土的质量检测有了不同程度的提高。专利号ZL201520402418.5《钢筋同轴电缆结构一维混凝土健康监测阶跃测试》，给出了一种对钢筋同轴电缆结构一维混凝土的健康监测方法，但是不论测试精度还是可靠性、稳定性还有待提高。

专利号ZL201310029782.7《以钢筋为电极的混凝土监控检测仪及其监控检测方法》利用钢筋做电极，检测两个钢筋电极之间的电参数，判断混凝土裂缝。本发明提出了一种方法，但没有根据钢筋混凝土的不同结构给出不同的测试方法。

专利号ZL201210199249.0《以钢筋为电极的混凝土裂缝检测仪》，利用发射电极激励信号和接收电极的响应信号之间的关系，判断混凝土裂缝。本发明主要局限在检测混凝土的裂缝，没有检测其他的异常行为，存在局限性。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种不需改变混凝土材料和设计方法，使混凝土构件自身成为一种智能传感材料，采用基于等效电路模型的方法对混凝土构件动态变化进行检测。解决现有技术检测还不全面，测量精度和稳定性、可靠性还有待提高的问题，满足日益增加的混凝土构件动态检测的需求。

本发明的目的是这样达到的：

一种基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：等效电路测量设备与被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体共同完成测量。

一维同轴钢筋混凝土构件内的钢筋为同轴电缆结构，有外导体和内导体，外导体与内导体均由若干箍筋、纵筋组合而成，纵筋沿一维同轴钢筋混凝土构件轴向分布，箍筋沿横截面方向分布，内导体位于钢筋混凝土构件内部的中心位置、与外导体形状一致但箍筋尺寸小于外导体，外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土构件设计规范的要求。

等效电路测量设备由控制服务器、微处理器、信号源、功分器、反向信号隔离器、测量连接端口、定向耦合器、程控衰减器、信号解析器、开关电路组成。控制服务器连接通信接口，通过通信接口与微处理器进行通信。

两根连接电缆分别将等效电路测量设备的两个测量连接端口连接到被测一维同轴钢筋混凝土构件两端，被测一维同轴钢筋混凝土两端的内导体与连接电缆内导体连接，外导体与连接电缆外导体连接相连。

微处理器连接信号源、开关电路、反向信号隔离器、程控衰减器、信号解析器，并对信号源、反向信号隔离器、程控衰减器、信号解析器的工作模式进行控制，接收信号解析器的数据。

信号源的信号输入功分器1，功分器1将信号源信号分成两路，一路送到开关电路，一路送入程控衰减器C；开关电路的控制线连接微处理器，输入连接功分器1，输出分别连接功分器2和功分器3的输入，在微处理器的控制下，开关电路将功分器1传来的信号连接到功分器2或功分器3；信号解析器1的两个输入分别连接定向耦合器A(15-1)和功分器4的输出

功分器2的输出分别连接到反向信号隔离器A和程控衰减器A的输入。反向信号隔离器A的控制线连接到微处理器，并接受微处理器的控制；反向信号隔离器A的输出连接到定向耦合器A；定向耦合器A将输入信号送给测量连接端口A，并从测量连接端口A接收信号，将接收到的测量连接端口A的信号送给信号解析器1；测量连接端口A通过连接电缆与被测一维同轴钢筋混凝土连接。信号解析器1的两个输入信号分别连接定向耦合器A和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。程控衰减器A的输入连接功分器2的输出，控制线连接微处理器，输出连接到信号解析器2；信号解析器2的两个输入信号分别连接程控衰减器A和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据，

功分器3的输出分别连接到反向信号隔离器B和程控衰减器B的输入；反向信号隔离器B的控制线连接到微处理器，并接受微处理器的控制；反向信号隔离器B的输出连接到定向耦合器B。定向耦合器B将输入信号送给测量连接端口B，并从测量连接端口B接收信号，将接收到的测量连接端口B的信号送给信号解析器4。测量连接端口B通过连接电缆与被测一维同轴钢筋混凝土连接。信号解析器4的两个输入信号分别连接定向耦合器B和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。程控衰减器B的输入连接功分器3的输出，控制线连接微处理器，输出连接到信号解析器3。信号解析器3的两个输入信号分别连接程控衰减器B和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。

程控衰减器C的控制线连接到微处理器，并接受微处理器控制，输入连接到功分器1的输出，输出连接到功分器4的输入；功分器4的输入连接到程控衰减器C的输出，输出连接到信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4。

被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体纵筋数量均不小于6根。

一维同轴钢筋混凝土构件横截面为圆形或椭圆形或正方形或长方形。

测量前，将等效电路测量设备的两个测量连接端口分别连接到两根连接电缆，通过两根连接电缆分别连接到被测一维同轴钢筋混凝土构件的两端，被测一维同轴钢筋混凝土两端的内导体与连接电缆内导体连接，外导体与连接电缆外导体连接相连。

测量时，控制服务器通过通信接口与微处理器进行通信，对测量进行控制。

等效电路测量设备对被测一维同轴钢筋混凝土构件的测量流程包括控制服务器程序流程和微处理器程序流程；微处理器程序流程中包括微处理器主程序和参数计算子程序。

控制服务器程序流程：

第一步：通过通信接口向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器A、反向隔离器B、程控衰减器A、程控衰减器B、程控衰减器C的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4的工作模式；设反向隔离器A的放大倍数为KFa，反向隔离器B的放大倍数为KFb，程控衰减器A的放大倍数为KCa，程控衰减器B的放大倍数为KCb。进入第二步；

第二步：通过通信接口接收微处理器计算得到的数据，返回第一步。

微处理器主程序：

第一步：通过通信接口接收控制服务器命令，进入第二步；

第二步：设置系统参数，所设置的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器A、反向隔离器B、程控衰减器A、程控衰减器B、程控衰减器C的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4的工作模式，进入第三步；

第三步：控制开关电路，使得功分器1的输出连接到功分器2的输入，进入第四步；

第四步：接收信号解析器1解析得到的定向耦合器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器1解析得到的同相分量为DATA_I1a，正交分量为DATA_Q1a；接收信号解析器2解析得到的程控衰减器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器2解析得到的同相分量为DATA_I2a，正交分量为DATA_Q2a；接收信号解析器4解析得到的定向耦合器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器4解析得到的同相分量为DATA_I4a，正交分量为DATA_Q4a。进入第五步；

第五步：控制开关电路，使得功分器1的输出连接到功分器3的输入，进入第六步；

第六步：接收信号解析器4解析得到的定向耦合器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器4解析得到的同相分量为DATA_I4b，正交分量为DATA_Q4b；接收信号解析器3解析得到的程控衰减器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器3解析得到的同相分量为DATA_I3b，正交分量为DATA_Q3b；接收信号解析器1解析得到的定向耦合器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器1解析得到的同相分量为DATA_I1b，正交分量为DATA_Q1b；进入第七步；

第七步：调用参数计算子程序，进入第八步；

第八步：将参数计算结果送给控制服务器，返回第一步。

参数计算子程序：

第一步：计算测量连接端口A(14-1)反射参数X11，正向传输参数X21，反向传输参数X12,测量连接端口B(14-2)的反射系数X22，X11，X12，X21，X22都是复数；令i为虚数单位，X11，X12，X21，X22复数计算公式如下：

$X11=\frac{KCa\·DATA\_I1a+\left(KCa\·DATA\_Q1a\right)i}{KFa\·DATA\_I2a+\left(KFa\·DATA\_Q2a\right)i}$

$X21=\frac{KCa\·DATA\_I4a+\left(KCa\·DATA\_Q4a\right)i}{KFb\·DATA\_I2a+\left(KFb\·DATA\_Q2a\right)i}$

$X12=\frac{KCb\·DATA\_I1b+\left(KCb\·DATA\_Q1b\right)i}{KFa\·DATA\_I3b+\left(KFa\·DATA\_Q3b\right)i}$

$X22=\frac{KCb\·DATA\_I4b+(KCb\·DATA\_Q4b)i}{KFb\·DATA\_I3b+(KFb\·DATA\_Q3b)i};$

式中，

信号解析器1解析得到的端口A同相分量为DATA_I1a，端口A正交分量为DATA_Q1a；

信号解析器2解析得到的端口A同相分量为DATA_I2a，端口A正交分量为DATA_Q2a；

信号解析器4解析得到的端口A同相分量为DATA_I4a，端口A正交分量为DATA_Q4a；

信号解析器4解析得到的端口B同相分量为DATA_I4b，端口B正交分量为DATA_Q4b；

信号解析器3解析得到的端口B同相分量为DATA_I3b，端口B正交分量为DATA_Q3b；

信号解析器1解析得到的端口B同相分量为DATA_I1b，端口B正交分量为DATA_Q1b；

第二步：计算一维同轴钢筋混凝土构件的导纳参数Y11,Y12,Y21,Y22，并由导纳参数构成导纳矩阵

ΔX＝(1+X11)(1+X22)-X12·X21

$Y11=\frac{1}{Z}\frac{(1-X11)(1+X22)+X12\·X21}{\mathrm{\Δ}X}$

$Y12=\frac{1}{Z}\frac{-2X12}{\mathrm{\Δ}X}$

$Y21=\frac{1}{Z}\frac{-2X21}{\mathrm{\Δ}X}$

$Y22=\frac{1}{Z}\frac{(1+X11)(1-X22)+X12\·X21}{\mathrm{\Δ}X}$

当k＝0.36时，Z＝50；当k＝0.54时，Z＝75；k为内径计算系数，Z为特征阻抗

第三步：根据电路理论，由一维同轴钢筋混凝土构件的导纳矩阵计算一维同轴钢筋混凝土构件的等效电路模型。

被测一维同轴钢筋混凝土构件内导体需满足如下要求：

设混凝土介电常数为ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε^0.5,k为内径计算系数，x为内径计算指数；

一维同轴钢筋混凝土构件按照横截面分别为圆形、椭圆形、正方形、长方形，分别命名为圆形一维同轴钢筋混凝土构件、椭圆形一维同轴钢筋混凝土构件、正方形一维同轴钢筋混凝土构件、长方形一维同轴钢筋混凝土构件；

对于圆形一维同轴钢筋混凝土构件，内导体的外径r等于外导体的内径R除以10的x次方，即:r＝R/10^x，

对于椭圆形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的长轴为A，短轴为B，内导体长轴为a，短轴为b，则a等于A除以10的x次方，b等于B除以10的x次方，

即:a＝A/10^x；b＝B/10^x

对于正方形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的边长为LN，内导体最外部一圈边长为l；则l等于LN除以10的x次方，

即:l＝LN/10^x

对于长方形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的长为Y，宽为W，内导体长为y，宽为w，则y等于Y除以10的x次方，w等于W除以10的x次方

即:y＝Y/10^x；w＝W/10^x。

所述设混凝土介电常数为ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε^0.5，

当k＝0.36时，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体连接的连接电缆采用50欧姆同轴电缆；

当k＝0.54时，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体连接的连接电缆采用75欧姆同轴电缆。

本发明的积极效果是：

1、一维同轴钢筋混凝土构件在不需改变混凝土材料和设计方法的基础上，使得混凝土材料自身成为一种传感材料。

2、采用等效电路检测，在对混凝土构件检测时，可以根据等效电路建立等效电路模型，根据等效电路模型方便、准确地推测监测一维同轴钢筋混凝土的病变状态。

3、随时对混凝土健康状况实时监控，实现对非正常健康状况的预警预报。

4、测量设备简单可靠，采用等效电路模型测量、计算自动化程度高，操作简单、可靠，易于推广。

(四)附图说明

图1是本发明的圆形一维同轴钢筋混凝土结构示意图。

图2是本发明中正方形一维同轴钢筋混凝土构件结构示意图。

图3是采用等效电路设备测量被测一维同轴钢筋混凝土构件时的连接图。

图4是等效电路测量设备结构图。

图5是控制服务器程序流程图。

图6是微处理器主程序图。

图7是信号源电路图。

图8是反向信号隔离器电路图。

图9程控衰减器电路图。

图10～11是信号解析器电路图。

图中，1是横截面为圆形的一维钢筋混凝土构件内导体、1’是横截面为正方形一维钢筋混凝土构件内导体，2-1～2-n是横截面为圆形一维钢筋混凝土构件外导体箍筋、3-1～3-m是为横截面为圆形一维钢筋混凝土构件外导体纵筋、3’-1～3’-m是为横截面为正方形一维钢筋混凝土构件外导体纵筋、4’-1～4’-n是横截面为正方形一维钢筋混凝土构件外导体箍筋、5等效电路测量设备、6-1连接电缆A、6-2连接电缆B、7被测一维同轴钢筋混凝土、9通信接口、10微处理器、11信号源、12-1～12-4功分器、13-1反向信号隔离器A、13-2反向信号隔离器B、14-1测量连接端口A、14-2测量连接端口B、15-1定向耦合器A、15-2定向耦合器B、16-1程控衰减器A、16-2程控衰减器B、16-3程控衰减器C、17-1信号解析器1、17-信号解析器2、17-3信号解析器3、17-4信号解析器4、18开关电路、20控制服务器。

(五)具体实施方式

本发明在不需改变混凝土材料和设计方法的基础上，使得混凝土材料自身成为一种传感材料。这些混凝土内的钢筋设计成同轴电缆形式，即设计成外导体和内导体的形式。外导体与内导体均由若干箍筋、纵筋组合而成。纵筋沿一维钢筋混凝土构件轴向分布，箍筋沿横截面方向分布，内导体位于钢筋混凝土构件内部的中心位置、与外导体形状一致但箍筋尺寸小于外导体，外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土设计规范的设计要求。

一维同轴钢筋混凝土构件可以是横截面分别为圆形、椭圆形、正方形、长方形的一维钢筋混凝土构件。根据其横截面将其命名为圆形一维钢筋混凝土构件、椭圆形一维钢筋混凝土构件、正方形一维钢筋混凝土构件、长方形一维钢筋混凝土构件。无论哪种一维钢筋混凝土构件的外导体设计遵循混凝土结构设计规范要求，在可以保证外导体最少6根纵筋时，按照正常的混凝土结构设计标准设计。如果按正常的混凝土结构设计标准设计处理纵筋少于6根，则设计6根纵筋。内导体结构与外导体类似，但横截面比外导体横截面小。内导体纵筋采用的钢筋直径可以比外导体纵筋采用的钢筋直径小或者相同，内导体纵筋间距可以跟外导体相同，或比外导体间距小，但是内导体最少保证6根纵筋。内导体设计还需满足如下要求：

设混凝土介电常数为ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε^0.5,k为内径计算系数，x为内径计算指数，即x等于0.36乘以混凝土介电常数的0.5次方，或等于0.54乘以混凝土介电常数的0.5次方。

当k＝0.36时，测量时的连接电缆6-1，6-2采用50欧姆同轴电缆。

当k＝0.54时，测量时的连接电缆6-1，6-2采用75欧姆同轴电缆。

实施例1。参见附图1、3。

圆形一维同轴钢筋混凝土构件的外导体由圆形箍筋2-1～2-n、纵筋3-1～3-m组合而成。内导体1是与外导体结构相似的圆形箍筋纵筋组合而成，但圆形箍筋直径比外导体圆形箍筋小，内导体位于钢筋混凝土构件内部的轴心位置。

对于圆形一维同轴钢筋混凝土，内导体的外径r等于外导体的内经R除以10的x次方，即:r＝R/10^x

椭圆形一维钢筋混凝土构件与圆形一维钢筋混凝土构件类似，只是箍筋为椭圆形。对于椭圆形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的长轴为A，短轴为B，内导体长轴为a，短轴为b。则a等于A除以10的x次方，b等于B除以10的x次方。

即:a＝A/10^x；b＝B/10^x。

实施例2。参见附图2、3。

对于正方形一维同轴钢筋混凝土构件，设外导体的边长为LN，内导体最外部一圈边长为l；则l等于LN除以10的x次方，

即:l＝LN/(10^x)。

对于长方形一维同轴钢筋混凝土构件，设外导体的长为Y，宽为W，内导体长为y，宽为w。则y等于Y除以10的x次方，w等于W除以10的x次方

即:y＝Y/(10^x)；w＝W/(10^x)。

无论对哪种一维钢筋混凝土构件进行测量，其使用的等效电路测量设备5完全相同，测量过程与流程完全一致。

参见附图3。测量前，将等效电路测量设备的两个测量连接端口14-1、14-2连接到两根连接电缆6-1、6-2，通过连接电缆分别连接到被测一维同轴钢筋混凝土构件的两端，被测一维同轴钢筋混凝土两端的内导体与连接电缆内导体连接，外导体与连接电缆外导体连接相连。

测量时，控制服务器20通过通信接口9与微处理器10进行通信，对测量进行控制。

参见附图4。等效电路测量设备5由控制服务器20、微处理器10、信号源11、功分器12-1～12-4、反向信号隔离器13-1～13-2、测量连接端口14-1～14-2、定向耦合器15-1～15-2、程控衰减器16-1～16-3、信号解析器17-1～17-4、开关电路18组成。控制服务器连接通信接口9，通过通信接口9与微处理器10进行通信。

微处理器10连接信号源11、开关电路18、反向信号隔离器13-1～13-2、程控衰减器16-1～16-3、信号解析器17-1～17-4，并对信号源11、反向信号隔离器13-1～13-2、程控衰减器16-1～16-3、信号解析器17-1～17-4的工作模式进行控制，接收信号解析器的数据。

信号源11的信号输入功分器1，功分器1将信号源信号分成两路，一路送到开关电路18，一路送入程控衰减器C；开关电路18的控制线连接微处理器，输入连接功分器1，输出分别连接功分器2和功分器3的输入，在微处理器的控制下，开关电路将功分器1传来的信号连接到功分器2或功分器3；

功分器2的输出分别连接到反向信号隔离器A和程控衰减器A的输入。反向信号隔离器A的控制线连接到微处理器，并接受微处理器的控制。反向信号隔离器A的输出连接到定向耦合器A；定向耦合器A将输入信号送给测量连接端口A，并从测量连接端口A接收信号，将接收到的测量连接端口A的信号送给信号解析器1。测量连接端口A通过连接电缆与被测一维同轴钢筋混凝土连接。信号解析器1的两个输入信号分别连接定向耦合器A和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。程控衰减器A的输入连接功分器2的输出，控制线连接微处理器，输出连接到信号解析器2；信号解析器2的两个输入信号分别连接程控衰减器A和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。

功分器3的输出分别连接到反向信号隔离器B和程控衰减器B的输入；反向信号隔离器B的控制线连接到微处理器，并接受微处理器的控制。反向信号隔离器B的输出连接到定向耦合器B；定向耦合器B将输入信号送给测量连接端口B，并从测量连接端口B接收信号，将接收到的测量连接端口B的信号送给信号解析器4；测量连接端口B通过连接电缆与被测一维同轴钢筋混凝土连接；信号解析器4的两个输入信号分别连接定向耦合器B和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。程控衰减器B的输入连接功分器3的输出，控制线连接微处理器，输出连接到信号解析器3；信号解析器3的两个输入信号分别连接程控衰减器B和功分器4的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据。

程控衰减器C的控制线连接到微处理器，并接受微处理器控制，输入连接到功分器1的输出，输出连接到功分器4的输入；功分器4的输入连接到程控衰减器C的输出，输出连接到信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4。

等效电路测量设备5中的微处理器10采用美国XILINX公司生产的ZC706开发板。通信接口9为ZC706的串行接口。功分器1，功分器2，功分器3，功分器4采用相同的型号，均为上海华湘计算机通讯工程有限公司生产的SHX-GF2-100。测量连接端口14-1、14-2采用相同型号，为BNC连接器。定向耦合器15-1、15-2采用相同型号：SHX310-003060，生产厂家为上海华湘计算机通讯工程有限公司。开关电路18采用上海华湘计算机通讯工程有限公司:SHX801-01。控制服务器使用普通台式计算机或笔记本电脑。

信号源电路图参见附图7。

图中，US1为ADF4350,美国ANALOG DEVICES公司生产。US2为26MHZ有源晶体振荡器，US3为ADF4153，美国ANALOG DEVICES公司生产。

CLKA,DATAA,LEA,CLKB,DATAB,LEB,MUXS,MUXO,LD连接到ZC706的IO引脚。

参见附图8反向信号隔离器电路图。

反向信号隔离器13-1、13-2采用相同电路。其中，UA1，UA3：集成电路，型号：NBB-400，由美国RF Micro Devices,Inc.公司生产。UA2：集成电路，型号：PE43704，由美国Peregrine Semiconductor Corp公司生产。GLIN：连接功分器输出，GLOUT：连接定向耦合器输入。

A0,A1,A2,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,SI,CLK,LE,P/S连接到ZC706的IO引脚。

参见图9程控衰减器电路图。程控衰减器16-1、16-2、16-3采用相同电路。图中，UD6：集成电路，型号：PE43704，由美国Peregrine Semiconductor Corp公司生产。

A0,A1,A2,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,SI,CLK,LE,P/S连接到ZC706的IO引脚。

参见图10～11信号解析器电路图。信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4采用相同电路。

图中，AD9361用做两路信号解析器，所以整个等效测量设备采用了两组由上述电路组成的模块，构成四路信号解析器。

UR1：美国Analog Devices公司生产的AD9361。

UR2，UR3：美国Mini-Circuits公司生产的TCM1-63AX+

JP1，JP2，JP3：BNC接插件。JP1连接定向耦合器，JP2连接程控衰减器，JP3连接功分器3的输出。

两组电路的JP1分别连接：定向耦合器A和定向耦合器B；

两组电路的JP2分别连接：程控衰减器A和程控衰减器B；

两组电路的JP3分别连接：功分器4的两路输出。

两组电路中的名为AUXADC,AUXDAC1,AUXDAC2,RX_F_N,RX_F_P,TX_F_N,TX_F_P,SPIDO,SPIDI,SPICLK,SPIEN,CLKOUT,RESETB,EN,ENAGC,F_CLK_N,F_CLK_P，D_CLK_N,D_CLK_P,TXNRX,P0_D[0:11],P1_D[0:11],GPIO[0:3],CTRLIN[0:3],CTRLOUT[0:7]的连接网络都连接到ZC706的IO引脚。

使用等效电路测量设备对被测一维同轴钢筋混凝土构件的测量，根据等效电路测量设备测量得到的被测一维同轴钢筋混凝土构件的测量结果，可方便、准确地推测监测一维同轴钢筋混凝土的病变。

测量流程包括控制服务器程序流程和微处理器程序流程；微处理器程序流程中包括微处理器主程序和参数计算子程序。

参见附图5。

控制服务器程序流程：

第一步：通过通信接口向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器A、反向隔离器B、程控衰减器A、程控衰减器B、程控衰减器C的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4的工作模式；设反向隔离器A的放大倍数为KFa，反向隔离器B的放大倍数为KFb，程控衰减器A的放大倍数为KCa，程控衰减器B的放大倍数为KCb。进入第二步；

第二步：通过通信接口接收微处理器计算得到的数据，返回第一步。

参见附图6。

微处理器主程序：

第一步：通过通信接口接收控制服务器命令，进入第二步；

第二步：设置系统参数，所设置的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器A、反向隔离器B、程控衰减器A、程控衰减器B、程控衰减器C的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4的工作模式，进入第三步；

第三步：控制开关电路，使得功分器1的输出连接到功分器2的输入，进入第四步；

第四步：接收信号解析器1解析得到的定向耦合器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器1解析得到的同相分量为DATA_I1a，正交分量为DATA_Q1a；接收信号解析器2解析得到的程控衰减器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器2解析得到的同相分量为DATA_I2a，正交分量为DATA_Q2a；接收信号解析器4解析得到的定向耦合器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器4解析得到的同相分量为DATA_I4a，正交分量为DATA_Q4a。进入第五步；

第五步：控制开关电路，使得功分器1的输出连接到功分器3的输入，进入第六步；

第六步：接收信号解析器4解析得到的定向耦合器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器4解析得到的同相分量为DATA_I4b，正交分量为DATA_Q4b；接收信号解析器3解析得到的程控衰减器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器3解析得到的同相分量为DATA_I3b，正交分量为DATA_Q3b；接收信号解析器1解析得到的定向耦合器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器1解析得到的同相分量为DATA_I1b，正交分量为DATA_Q1b；进入第七步；

第七步：调用参数计算子程序，进入第八步；

第八步：将参数计算结果送给控制服务器，返回第一步。

参见附图7。

参数计算子程序：

第一步：计算测量连接端口A(14-1)反射参数X11，正向传输参数X21，反向传输参数X12,测量连接端口B(14-2)的反射系数X22，X11，X12，X21，X22都是复数；令i为虚数单位，X11，X12，X21，X22复数计算公式如下：

$X11=\frac{KCa\·DATA\_I1a+\left(KCa\·DATA\_Q1a\right)i}{KFa\·DATA\_I2a+\left(KFa\·DATA\_Q2a\right)i}$

$X21=\frac{KCa\·DATA\_I4a+\left(KCa\·DATA\_Q4a\right)i}{KFb\·DATA\_I2a+\left(KFb\·DATA\_Q2a\right)i}$

$X12=\frac{KCb\·DATA\_I1b+\left(KCb\·DATA\_Q1b\right)i}{KFa\·DATA\_I3b+\left(KFa\·DATA\_Q3b\right)i}$

$X22=\frac{KCb\·DATA\_I4b+(KCb\·DATA\_Q4b)i}{KFb\·DATA\_I3b+(KFb\·DATA\_Q3b)i};$

式中，反向隔离器A的放大倍数为KFa，反向隔离器B的放大倍数为KFb；

程控衰减器A的放大倍数为KCa，程控衰减器B的放大倍数为KCb；

信号解析器1解析得到的端口A同相分量为DATA_I1a，端口A正交分量为DATA_Q1a；

信号解析器2解析得到的端口A同相分量为DATA_I2a，端口A正交分量为DATA_Q2a；

信号解析器4解析得到的端口A同相分量为DATA_I4a，端口A正交分量为DATA_Q4a；

信号解析器4解析得到的端口B同相分量为DATA_I4b，端口B正交分量为DATA_Q4b；

信号解析器3解析得到的端口B同相分量为DATA_I3b，端口B正交分量为DATA_Q3b；

信号解析器1解析得到的端口B同相分量为DATA_I1b，端口B正交分量为DATA_Q1b；

第二步：计算一维同轴钢筋混凝土构件的导纳参数Y11,Y12,Y21,Y22，并由导纳参数构成导纳矩阵

ΔX＝(1+X11)(1+X22)-X12·X21

$Y11=\frac{1}{Z}\frac{(1-X11)(1+X22)+X12\·X21}{\mathrm{\Δ}X}$

$Y12=\frac{1}{Z}\frac{-2X12}{\mathrm{\Δ}X}$

$Y21=\frac{1}{Z}\frac{-2X21}{\mathrm{\Δ}X}$

$Y22=\frac{1}{Z}\frac{(1+X11)(1-X22)+X12\·X21}{\mathrm{\Δ}X}$

当k＝0.36时，Z＝50；当k＝0.54时，Z＝75；

第三步：根据电路理论，由一维同轴钢筋混凝土构件的导纳矩阵计算一维同轴钢筋混凝土构件的等效电路模型。

根据等效电路模型方便、准确地推测监测一维同轴钢筋混凝土的病变状态。

Claims (7)

1.一种基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：等效电路测量设备(5)与被测一维同轴钢筋混凝土构件(7)的内、外导体共同完成测量；

一维同轴钢筋混凝土构件内的钢筋为同轴电缆结构，有外导体和内导体，外导体与内导体均由若干箍筋、纵筋组合而成，纵筋沿一维同轴钢筋混凝土构件轴向分布，箍筋沿横截面方向分布，内导体位于钢筋混凝土构件内部的中心位置、与外导体形状一致但箍筋尺寸小于外导体，外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土构件设计规范的要求；

等效电路测量设备(5)由控制服务器(20)、微处理器(10)、信号源(11)、功分器(12-1～12-4)、反向信号隔离器(13-1～13-2)、测量连接端口(14-1～14-2)、定向耦合器(15-1～15-2)、程控衰减器(16-1～16-3)、信号解析器(17-1～17-4)、开关电路(18)组成，控制服务器连接通信接口(9)，通过通信接口(9)与微处理器(10)进行通信；

两根连接电缆(6-1、6-2)分别将等效电路测量设备的两个测量连接端口(14-1、14-2)连接到被测一维同轴钢筋混凝土构件两端，被测一维同轴钢筋混凝土两端的内导体与连接电缆内导体连接，外导体与连接电缆外导体连接相连；

微处理器(10)连接信号源(11)、开关电路(18)、反向信号隔离器(13-1～13-2)、程控衰减器(16-1～16-3)、信号解析器(17-1～17-4)，并对信号源(11)、反向信号隔离器(13-1～13-2)、程控衰减器(16-1～16-3)、信号解析器(17-1～17-4)的工作模式进行控制，接收信号解析器的数据。

2.如权利要求1所述的基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：信号源(11)的信号输入功分器1(12-1)，功分器1将信号源信号分成两路，一路送到开关电路(18)，一路送入程控衰减器C(16-3)；开关电路(18)的控制线连接微处理器，输入连接功分器1(12-1)，输出分别连接功分器2(12-2)和功分器3(12-3)的输入，在微处理器的控制下，开关电路将功分器1传来的信号连接到功分器2或功分器3；

功分器2(12-2)的输出分别连接到反向信号隔离器A(13-1)和程控衰减器A(16-1)的输入；反向信号隔离器A(13-1)的控制线连接到微处理器，并接受微处理器的控制；反向信号隔离器A(13-1)的输出连接到定向耦合器A(15-1)；定向耦合器A将输入信号送给测量连接端口A(14-1)，并从测量连接端口A(14-1)接收信号，将接收到的测量连接端口A的信号送给信号解析器1(17-1)；测量连接端口A(14-1)通过连接电缆与被测一维同轴钢筋混凝土连接；信号解析器1(17-1)的两个输入信号分别连接定向耦合器A(15-1)和功分器4(12-4)的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据；程控衰减器A(16-1)的输入连接功分器2(12-2)的输出，控制线连接微处理器，输出连接到信号解析器2(17-2)；信号解析器2(17-2)的两个输入信号分别连接程控衰减器A(16-1)和功分器4(12-4)的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据；

功分器3(12-3)的输出分别连接到反向信号隔离器B(13-2)和程控衰减器B(16-2)的输入；反向信号隔离器B(13-2)的控制线连接到微处理器，并接受微处理器的控制；反向信号隔离器B(13-2)的输出连接到定向耦合器B(15-2)；定向耦合器B将输入信号送给测量连接端口B(14-2)，并从测量连接端口B接收信号，将接收到的测量连接端口B的信号送给信号解析器4(17-4)；测量连接端口B(14-2)通过连接电缆与被测一维同轴钢筋混凝土连接；信号解析器4(17-4)的两个输入信号分别连接定向耦合器B(15-2)和功分器4(12-4)的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据；程控衰减器B(16-2)的输入连接功分器3(12-3)的输出，控制线连接微处理器，输出连接到信号解析器3(17-3)；信号解析器3的两个输入信号分别连接程控衰减器B(16-2)和功分器4(12-4)的输出信号，控制线与数据输出与微处理器连接，接受微处理器控制，向微处理器输出数据；

程控衰减器C(16-3)的控制线连接到微处理器，并接受微处理器控制，输入连接到功分器1(12-1)的输出，输出连接到功分器4(12-4)的输入；功分器4(12-4)的输入连接到程控衰减器C(16-3)的输出，输出连接到信号解析器1(17-1)、信号解析器2(17-2)、信号解析器3(17-3)、信号解析器4(17-4)。

3.如权利要求1所述的基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：被测一维同轴钢筋混凝土构件(7)的内、外导体纵筋数量均不小于6根。

4.如权利要求1所述的基于频域反射的一维同轴钢筋混凝土构件的测量设备，其特征在于：一维同轴钢筋混凝土构件横截面为圆形或椭圆形或正方形或长方形。

5.一种如权利要求1所述的基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备的测量方法，其特征在于：测量前，将等效电路测量设备的两个测量连接端口(14-1、14-2)分别连接到两根连接电缆(6-1、6-2)，通过两根连接电缆分别连接到被测一维同轴钢筋混凝土构件的两端，被测一维同轴钢筋混凝土两端的内导体与连接电缆内导体连接，外导体与连接电缆外导体连接相连；

测量时，控制服务器(20)通过通信接口(9)与微处理器(10)进行通信，对测量进行控制；

等效电路测量设备对被测一维同轴钢筋混凝土构件的测量流程包括控制服务器程序流程和微处理器程序流程；微处理器程序流程中包括微处理器主程序和参数计算子程序；

控制服务器程序流程：

第一步：通过通信接口向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器A、反向隔离器B、程控衰减器A、程控衰减器B、程控衰减器C的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4的工作模式；设反向隔离器A的放大倍数为KFa，反向隔离器B的放大倍数为KFb，程控衰减器A的放大倍数为KCa，程控衰减器B的放大倍数为KCb；进入第二步；

第二步：通过通信接口接收微处理器计算得到的数据，返回第一步；

微处理器主程序：

第一步：通过通信接口接收控制服务器命令，进入第二步；

第二步：设置系统参数，所设置的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器A、反向隔离器B、程控衰减器A、程控衰减器B、程控衰减器C的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2、信号解析器3、信号解析器4的工作模式，进入第三步；

第三步：控制开关电路，使得功分器1的输出连接到功分器2的输入，进入第四步；

第四步：接收信号解析器1解析得到的定向耦合器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器1解析得到的同相分量为DATA_I1a，正交分量为DATA_Q1a；接收信号解析器2解析得到的程控衰减器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器2解析得到的同相分量为DATA_I2a，正交分量为DATA_Q2a；接收信号解析器4解析得到的定向耦合器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器4解析得到的同相分量为DATA_I4a，正交分量为DATA_Q4a；进入第五步；

第五步：控制开关电路，使得功分器1的输出连接到功分器3的输入，进入第六步；

第六步：接收信号解析器4解析得到的定向耦合器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器4解析得到的同相分量为DATA_I4b，正交分量为DATA_Q4b；接收信号解析器3解析得到的程控衰减器B与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器3解析得到的同相分量为DATA_I3b，正交分量为DATA_Q3b；接收信号解析器1解析得到的定向耦合器A与功分器4输出信号之间的同相分量I和正交分量Q；设信号解析器1解析得到的同相分量为DATA_I1b，正交分量为DATA_Q1b；进入第七步；

第七步：调用参数计算子程序，进入第八步；

第八步：将参数计算结果送给控制服务器，返回第一步；

参数计算子程序：

第一步：计算测量连接端口A(14-1)反射参数X11，正向传输参数X21，反向传输参数X12,测量连接端口B(14-2)的反射系数X22，X11，X12，X21，X22都是复数；令i为虚数单位，X11，X12，X21，X22复数计算公式如下：

$X11=\frac{KCa\·DATA\_I1a+\left(KCa\·DATA\_Q1a\right)i}{KFa\·DATA\_I2a+\left(KFa\·DATA\_Q2a\right)i}$

$X21=\frac{KCa\·DATA\_I4a+\left(KCa\·DATA\_Q4a\right)i}{KFb\·DATA\_I2a+\left(KFb\·DATA\_Q2a\right)i}$

$X12=\frac{KCb\·DATA\_I1b+\left(KCb\·DATA\_Q1b\right)i}{KFa\·DATA\_I3b+\left(KFa\·DATA\_Q3b\right)i}$

$X22=\frac{KCb\·DATA\_I4b+(KCb\·DATA\_Q4b)i}{KFb\·DATA\_I3b+(KFb\·DATA\_Q3b)i};$

式中，反向隔离器A的放大倍数为KFa，反向隔离器B的放大倍数为KFb；

程控衰减器A的放大倍数为KCa，程控衰减器B的放大倍数为KCb；

信号解析器1解析得到的端口A同相分量为DATA_I1a，端口A正交分量为DATA_Q1a；

信号解析器2解析得到的端口A同相分量为DATA_I2a，端口A正交分量为DATA_Q2a；

信号解析器4解析得到的端口A同相分量为DATA_I4a，端口A正交分量为DATA_Q4a；

信号解析器4解析得到的端口B同相分量为DATA_I4b，端口B正交分量为DATA_Q4b；

信号解析器3解析得到的端口B同相分量为DATA_I3b，端口B正交分量为DATA_Q3b；

信号解析器1解析得到的端口B同相分量为DATA_I1b，端口B正交分量为DATA_Q1b；

第二步：计算一维同轴钢筋混凝土构件的导纳参数Y11,Y12,Y21,Y22，并由导纳参数构成导纳矩阵

ΔX＝(1+X11)(1+X22)-X12·X21；

$Y11=\frac{1}{Z}\frac{(1-X11)(1+X22)+X12\·X21}{\mathrm{\Δ}X};$

$Y12=\frac{1}{Z}\frac{-2X12}{\mathrm{\Δ}X};$

$Y21=\frac{1}{Z}\frac{-2X21}{\mathrm{\Δ}X};$

$Y22=\frac{1}{Z}\frac{(1+X11)(1-X22)+X12\·X21}{\mathrm{\Δ}X};$

当k＝0.36时，Z＝50；当k＝0.54时，Z＝75；其中，k内径计算系数，Z为特征阻抗

第三步：根据电路理论，由同轴一维钢筋混凝土构件的导纳矩阵计算同轴一维钢筋混凝土构件的等效电路模型。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述被测一维同轴钢筋混凝土构件(7)的内、外导体的纵筋数量不小于6根；

被测一维同轴钢筋混凝土构件内导体需满足如下要求：

设混凝土介电常数为ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε^0.5,k为内径计算系数，x为内径计算指数；

一维同轴钢筋混凝土构件按照横截面分别为圆形、椭圆形、正方形、长方形，分别命名为圆形一维同轴钢筋混凝土构件、椭圆形一维同轴钢筋混凝土构件、正方形一维同轴钢筋混凝土构件、长方形一维同轴钢筋混凝土构件；

对于圆形一维同轴钢筋混凝土构件，内导体的外径r等于外导体的内径R除以10的x次方，即:r＝R/10^x，

对于椭圆形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的长轴为A，短轴为B，内导体长轴为a，短轴为b，则a等于A除以10的x次方，b等于B除以10的x次方，

即:a＝A/10^x；b＝B/10^x

对于正方形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的边长为LN，内导体最外部一圈边长为l；则l等于LN除以10的x次方，

即:l＝LN/10^x

对于长方形一维同轴钢筋混凝土，设外导体的长为Y，宽为W，内导体长为y，宽为w，则y等于Y除以10的x次方，w等于W除以10的x次方

即:y＝Y/10^x；w＝W/10^x。

7.如权利要求6所述的基于频域反射的一维同轴钢筋混凝土构件的测量方法，其特征在于：所述设混凝土介电常数为ε，令k＝0.36,或者0.54,令x＝kε^0.5，

当k＝0.36时，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体连接的连接电缆采用50欧姆同轴电缆；

当k＝0.54时，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内、外导体连接的连接电缆采用75欧姆同轴电缆。