CN106018486A - 基于频域反射的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于频域反射的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备和方法。一维同轴钢筋混凝土构件内的钢筋为同轴电缆结构，由若干纵筋和箍筋构成内、外导体。频域反射测量设备含控制服务器、微处理器、信号源、功分器、反向信号隔离器、测量连接端口。控制服务器通过通信接口与微处理器通信，对被测一维同轴钢筋混凝土的测量进行控制。测量流程包括控制服务器程序流程和微处理器程序流程。根据微处理器程序流程的参数计算子程序得到混凝土构件的损伤位置和个数。本发明在不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。可实时监测混凝土构件的病变状态和病变位置，满足混凝土构件健康监测需求。

Description

基于频域反射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，具体是基于频域反射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，将混凝土构件自身成为一种传感材料，采用基于频域反射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：频域反射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。

频域反射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、测量连接端口和定向耦合器、反射信号放大滤波电路、混频器、混频器放大滤波电路、模数转换电路组成。微处理器通过通信接口连接控制服务器上。

被测一维同轴钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，被测一维同轴钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接。

微处理器连接信号源、反向信号隔离器和模数转换电路，信号源的信号输入功分器，功分器将信号源信号分成两路，一路送到混频器，一路送入反向信号隔离器；反向信号隔离器的输出信号连接到定向耦合器，定向耦合器将输入信号送给测量连接端口，并从测量连接端口接收反射信号，将接收到的测量连接端口的反射信号送给反射信号放大滤波电路，反射信号放大滤波电路的输出信号连接到混频器；测量连接端口与连接电缆(6)连接，并将连接电缆返回的反射信号送给定向耦合器；混频器的输出信号送入混频器放大滤波电路，混频器放大滤波电路输出送入模数转换电路，模数转换电路的输出送给微处理器。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。

被测一维同轴钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，其电阻的阻值取50欧姆；连接电缆采用50欧姆同轴电缆。

所述被测一维同轴钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，其电阻的阻值取75欧姆；连接电缆采用75欧姆同轴电缆。

采用频域反射测量设备对被测一维同轴钢筋混凝土构件进行测量；在测量前，将被测一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，连接电缆为同轴电缆；被测一维同轴钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接；频域反射测量设备的测量连接端口与连接电缆连接。

频域反射测量设备中的控制服务器通过与微处理器的通信，对被测一维同轴钢筋混凝土构件的测量进行控制，控制服务器对微处理器下达控制命令，设置测量参数，同时微处理器将测量结果发送给控制服务器。

频域反射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、定时器A中断程序、定时器B中断程序、参数计算子程序。

控制服务器程序流程：

第一步：向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数包括：模数转换采样频率Fadc，信号源最低频率Flow，信号源最高频率Fhigh，信号源步进次数Cstep，信号源步进时间间隔Tstep，混凝土介电常数ε，FFT峰值判断门限Gfft，被测混凝土构件长度LA，反向信号隔离器衰减参数，进入第二步；

第二步：接收微处理器测量数据，返回第一步；

其中，混凝土介电常数ε，FFT峰值判断门限Gfft根据实验确定；

微处理器主程序：

第一步，接收控制服务器发出的控制参数命令，并执行控制服务器发出的参数命令；令Dmax等于Fadc乘以Cstep乘以Tstep；定义模数转换电路数据存储数组，用DATAadc表示，数组长度为Dmax，进入第二步；

第二步，设置定时器A的定时时间为1除以Fadc；设置定时器B的定时时间为Tstep，进入第三步；

第三步，设置如下变量的值，CntStep等于0；Fsignal等于Flow；Fcnt等于0；Idata等于0；Fcal等于0，设置Fstep等于Fhigh减去Flow，其差除以Cstep，进入第四步；

其中：：CntStep：步进次数；Fsignal：信号源频率；Fcnt：计数标志；Idata：数组下标；Fcal：计算标志；Fstep：步进频率

第四步，设置信号源频率为Fsignal，进入第五步；

第五步，设置定时器A在到达定时时间时产生中断，设置定时器A中断时调用定时器A中断程序；设置定时器B在到达定时时间时产生中断，设置定时器B中断时调用定时器B中断程序，进入第六步；

第六步，判断Fcal是否等于1？如果等于1，则进入第七步，如果不等于1，返回第六步；

第七步，设置Fcal等于0，调用参数计算子程序，将参数计算结果送给控制服务器，返回第六步。

微处理器程序流程中的定时器A中断程序：

第一步：采集模数转换器数据，将模数转换器数据存储到模数转换数组DATAadc[Idata],令Idata等于Idata+1，进入第二步；

第二步：判断CntStep是否等于0？如果CntStep等于0则进入第三步，如果CntStep不等于0则令Fcnt等于1，并结束定时器A产生的终端程序；

第三步：，判断Fcnt是否等于1？如果等于1，则进入第四步，如果不等于1，则结束定时器A产生的终端程序；

第四步，令Fcnt等于0；令Idata等于0；令Fcal等于1，结束定时器A产生的中断程序；

所述微处理器程序流程中的定时器B中断程序：

第一步设置Fsignal等于Fsignal加Fstep；设置CntStep等于CntStep加1，进入第二步；

第二步，设置信号源频率为Fsignal，进入第三步；

第三步，判断CntStep是否等于Cstep？如果相等，进入第四步，如果不相等，中断程序结束；

第四步，设置CntStep等于0，设置Fsignal等于Flow，中断程序结束。

所述参数计算子程序：

第一步：对数组DATAadc进行快速傅里叶变换，设快速傅里叶变换结果为数组FFTadc，进入第二步；

第二步：定义数组GATAadc和数组FFTadc等长，数组GATAadc的值计算方法为：通过相同下标的FFTadc作为计算依据，如果相同下标的FFTadc的值大于等于FFT峰值判断门限Gfft，则该下标的GATAadc值等于1，如果相同下标的FFTadc的值小于FFT峰值判断门限Gfft，则该下标的GATAadc值等于0，进入第三步；

第三步：在GATAadc中，如果相邻位置出现连续的1,当连续出现的1为奇数个时，保留最中间的数为1，其他相邻的数据1变为数据0；如果连续出现的1为偶数个，保留最中间两个1中下标小的GATAadc为1，其他相邻的数据1变为数据0。进入第四步；

第四步：根据GATAadc中数据为1的下标计算损伤点与被测一维同轴钢筋混凝土构件连接测量设备一端的距离，用L表示，下标用Index表示；计算方法为：设A等于Index-1,B等于Dmax-1，C等于Fhigh减去Flow，D等于1除以C，E等于Cstep除以C，F等于D减去E。L等于A乘以F，再乘以光在真空中的传播速度，然后除以B，再除以ε的0.5次方，用公式表示为L＝A×F×光速/B/(ε^0.5)进入第五步；

第五步：按照第四步的方法，对所有GATAadc数组元素值为1的数据，计算L，进入第六步；

第六步，去除L大于被测一维同轴钢筋混凝土构件长度的计算值，余下的各个L值，分别表示多个混凝土构件中损伤中单个混凝土损伤的位置到连接测量设备一端的距离，余下的L值的数量，表示混凝土损伤的数量。参数计算子程序结束。

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；

对于圆形同轴一维钢筋混凝土构件，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，

对于椭圆形同轴一维钢筋混凝土，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

对于正方形同轴一维钢筋混凝土，设外导体的边长为LN，内导体边长为l；则l等于LN除以10的x次方，

即:l＝LN/10^x

对于长方形同轴一维钢筋混凝土，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。

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一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取50欧姆；被测一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、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一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取75欧姆；被测一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、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、及时发现混凝土处于不正常状态的数量以及对应的位置，有针对性的对混凝土构件缺陷或损伤所处具体位置进行修复、完善。

3、对混凝土健康状况实时监控，科学地掌握混凝土构件结构性能的动态变化，解决现有混凝土检测的测量精度和稳定性、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，实现对非正常健康状况的预警。

(四)附图说明

图1是本发明中圆形一维同轴钢筋混凝土构件结构示意图。

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是采用频域反射设备测量被测一维同轴钢筋混凝土构件时的连接图。

图4是频域反射测量设备结构图。

图5是控制服务器程序流程图。

图6是微处理器主程序。

图7是定时器A中断程序图。

图8是定时器B中断程序图。

图9是参数计算子程序图。

图10是信号源电路图。

图11是反向信号隔离器电路图。

图12是反射信号放大滤波电路

图13是混频器电路图。

图14是模数转换电路图。

1是横截面为圆形一维同轴钢筋混凝土构件内导体、1，为横截面为正方形一维同轴钢筋混凝土构件内导体，2-1～2-n是横截面为圆形一维同轴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同轴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同轴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同轴钢筋混凝土构件外导体箍筋、5频域反射测量设备、6连接电缆、7被测一维同轴钢筋混凝土构件、8电阻、9通信接口、10微处理器、11信号源、12功分器、13反向信号隔离器、14测量连接端口、15定向耦合器、16反射信号放大滤波电路、17混频器、18混频器放大滤波电路、19模数转换电路、20控制服务器。

(五)具体实施方式

本发明基于频域反射，采用频域反射测量设备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。

参见附图4。

频域反射测量设备5由连接控制服务器20、微处理器10、信号源11、功分器12、反向信号隔离器13、测量连接端口14、定向耦合器15、反射信号放大滤波电路16、混频器17、混频器放大滤波电路18和模数转换电路19组成。

微处理器10通过通信接口9连接控制服务器20，控制服务器20通过通信接口9与微处理器10进行通信。微处理器上连接信号源11、反向信号隔离器13、模数转换电路19，微处理器对信号源11和反向信号隔离器13的工作模式和模数转换电路19的工作模式进行控制。

信号源的信号输入功分器，功分器将信号源信号分成两路，一路送到混频器，一路送入反向信号隔离器；反向信号隔离器的输出信号连接到定向耦合器，定向耦合器将输入信号送给测量连接端口，并从测量连接端口接收反射信号，将接收到的测量连接端口的反射信号送给反射信号放大滤波电路，反射信号放大滤波电路的输出信号连接到混频器；混频器的输出信号送入混频器放大滤波电路，混频器放大滤波电路输出送入模数转换电路，模数转换电路的输出送给微处理器。

微处理器采用美国XILINX公司生产的ZC706开发板。通信接口采用ZC706的串行接口。控制服务器为普通的台式计算机或笔记本电脑

信号源的电路图参见附图10。

其中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。RFOUTA连接到功分器的输入。

功分器采用深圳市百纳(深圳)有限公司生产的产品，型号为ZN2PD2-63-S+MINI0.35-6.0。功分器输入连接到信号源RFOUTA，输出分别连接到混频器的RF_INA和反向信号隔离器的输入。

反向信号隔离器电路图参见附图11。

图中，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。

频域反射测量设备5中的测量连接端口14采用BNC连接器。

定向耦合器采用了由上海华湘计算机通讯工程有限公司生产的产品，型号为SHX310-003060。

反射信号放大滤波电路参见附图12。

其中，ULP1为ADL5523,美国ANALOG DEVICES公司生产。RX_IN:连接到定向耦合器的反射信号；RX_OUT连接到混频器VOUTA。

混频器放大滤波电路与反射信号放大滤波电路相同。其中，RX_IN:连接到混频器S_OUT，RX_OUT连接到模数转换电路输入；。

混频器的电路参见附图13。

其中。UH1为ADL5350由美国ANALOG DEVICES公司生产。

S_OUT连接到混频器放大滤波电路的输入端RX_IN。

模数转换电路参见附图14。

其中，U5为AD9643，由美国ANALOG DEVICES公司生产。

VINA+连接到混频器放大滤波电路RX_OUT，

SCLK,SDO,CLK+,CLK-,D0+,D1+,……,D13+,D0-,D1-,……,D13-,都连接到ZC706的IO接口。

测量时，将被测一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆6相连，连接电缆为同轴电缆；被测一维同轴钢筋混凝土的外导体与连接电缆外导体连接，被测一维同轴钢筋混凝土的内导体与连接电缆内导体连接；频域反射测量设备的测量连接端口14与连接电缆6连接。

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。无论哪种一维同轴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，内导体纵筋间距跟外导体相同，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

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。

对于圆形同轴一维钢筋混凝土，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

椭圆形一维同轴钢筋混凝土与圆形一维同轴钢筋混凝土类似，只是箍筋为椭圆形。对于椭圆形同轴一维钢筋混凝土，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。

当k＝0.36时，被测圆形或椭圆形一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取50欧姆；被测圆形或椭圆形一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用50欧姆同轴电缆。

当k＝0.54时，被测圆形或椭圆形一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取75欧姆；被测圆形或椭圆形一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用75欧姆同轴电缆。

实施例2。参见附图2、3。

正方形同轴一维钢筋混凝土构件的内导体为1，，外导体由3，-1～3，-m纵筋和4，-1～4，-n外导体箍筋组合而成。内导体位于正方形钢筋混凝土构件内部的轴心位置。

对于正方形同轴一维钢筋混凝土构件，设外导体的边长为LN，内导体边长为l；则l等于LN除以10的x次方，

即:l＝LN/(10^x)。

同样的，当k＝0.36时，被测正方形一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取50欧姆；被测正方形一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用50欧姆同轴电缆；

当k＝0.54时，被测正方形一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取75欧姆；被测正方形一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用75欧姆同轴电缆。

对于长方形同轴一维钢筋混凝土构件，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)。

电阻取值与连接同轴电缆取值与方形同轴一维钢筋混凝土构件一致。

无论对哪种一维同轴钢筋混凝土构件进行测量，其测量过程与流程完全相同。

频域反射测量设备5中的控制服务器通过与微处理器的通信，对被测一维同轴钢筋混凝土的测量进行控制，控制服务器对微处理器下达控制命令，设置测量参数，同时微处理器将测量结果发送给控制服务器。

频域反射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、定时器A中断程序、定时器B中断程序、参数计算子程序。

参见附图5。

控制服务器程序流程：

第一步：向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数包括：模数转换采样频率Fadc，信号源最低频率Flow，信号源最高频率Fhigh，信号源步进次数Cstep，信号源步进时间间隔Tstep，混凝土介电常数ε，FFT峰值判断门限Gfft，被测一维同轴混凝土构件长度LA，反向信号隔离器衰减参数，进入第二步；

第二步：接收微处理器测量数据，返回第一步；

其中，混凝土介电常数ε，FFT峰值判断门限根据实验确定；

参见附图6。

微处理器主程序：

第一步，接收控制服务器发出的控制参数命令，并执行控制服务器发出的参数命令；令Dmax等于Fadc乘以Cstep乘以Tstep；定义模数转换电路数据存储数组，用DATAadc表示，数组长度为Dmax，进入第二步；

第二步，设置定时器A的定时时间为1除以Fadc；设置定时器B的定时时间为Tstep，进入第三步；

第三步，设置如下变量的值，CntStep等于0；Fsignal等于Flow；Fcnt等于0；Idata等于0；Fcal等于0，设置Fstep等于Fhigh减去Flow，其差除以Cstep，进入第四步；

其中：：CntStep：步进次数；Fsignal：信号源频率；Fcnt：计数标志；Idata：数组下标；Fcal：计算标志；Fstep：步进频率。

第四步，设置信号源频率为Fsignal，进入第五步；

第五步，设置定时器A在到达定时时间时产生中断，设置定时器A中断时调用定时器A中断程序；设置定时器B在到达定时时间时产生中断，设置定时器B中断时调用定时器B中断程序，进入第六步；

第六步，判断Fcal是否等于1？如果等于1，则进入第七步，如果不等于1，返回第六步；

第七步，设置Fcal等于0，调用参数计算子程序，将参数计算结果送给控制服务器，返回第六步。

参见附图7。

微处理器程序流程中的定时器A中断程序：

第一步：采集模数转换器数据，将模数转换器数据存储到模数转换数组DATAadc[Idata],令Idata等于Idata+1，进入第二步；

第二步：判断CntStep是否等于0？如果CntStep等于0则进入第三步，如果CntStep不等于0则令Fcnt等于1，并结束定时器A产生的终端程序；

第三步：，判断Fcnt是否等于1？如果等于1，则进入第四步，如果不等于1，则结束定时器A产生的终端程序；

第四步，令Fcnt等于0；令Idata等于0；令Fcal等于1，结束定时器A产生的终端程序。

参见附图8。

微处理器程序流程中的定时器B中断程序：

第一步设置Fsignal等于Fsignal加Fstep；设置CntStep等于CntStep加1，进入第二步；

第二步，设置信号源频率为Fsignal，进入第三步；

第三步，判断CntStep是否等于Cstep？如果相等，进入第四步，如果不相等，中断程序结束；

第四步，设置CntStep等于0，设置Fsignal等于Flow，中断程序结束；

参见附图9。

参数计算子程序：

第一步：对数组DATAadc进行快速傅里叶变换，设快速傅里叶变换结果为数组FFTadc，进入第二步；

第二步：定义数组GATAadc和数组FFTadc等长，数组GATAadc的值计算方法为：通过相同下标的FFTadc作为计算依据，如果相同下标的FFTadc的值大于等于FFT峰值判断门限Gfft，则该下标的GATAadc值等于1，如果相同下标的FFTadc值小于FFT峰值判断门限Gfft，则该下标的GATAadc值等于0，进入第三步；

第三步：在GATAadc中，如果相邻位置出现连续的1,当连续出现的1为奇数个时，保留最中间的数为1，其他相邻的数据1变为数据0；如果连续出现的1为偶数个，保留最中间两个1中下标小的GATAadc为1，其他相邻的数据1变为数据0。进入第四步；

第四步：根据GATAadc中数据为1的下标计算损伤点与被测一维同轴钢筋混凝土连接测量设备一端的距离，用L表示，下标用Index表示；计算方法为：设A等于Index-1,B等于Dmax-1，C等于Fhigh减去Flow，D等于1除以C，E等于Cstep除以C，F等于D减去E。L等于A乘以F，再乘以光在真空中的传播速度，然后除以B，再除以ε^1/2。用公式表示为L＝A×F×光速/B/(ε^0.5)进入第五步；

第五步：按照第四步的方法，对所有GATAadc数组元素值为1的数据，计算L值，进入第六步；

第六步，去除L大于被测一维同轴钢筋混凝土构件长度LA的计算值，余下的各个L值，分别表示多个混凝土构件的损伤中，各个损伤位置到连接测量设备一端的距离，而余下的L值的数量，则表示混凝土构件损伤的个数。参数计算子程序结束。

通过计算，不仅能得到一维同轴钢筋混凝土构件中损伤的个数，同时清楚的知道损伤的具体位置，达到对混凝土构件的病变状态和病变位置、健康状况实时监测，科学地掌握混凝土构件结构性能的动态变化，实现对非正常健康状况的预警，满足日益增加的混凝土构件动态检测的需求。

Claims (9)

1.一种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：频域反射测量设备(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；

频域反射测量设备(5)由控制服务器(20)、微处理器(10)、信号源(11)、功分器(12)、反向信号隔离器(13)、测量连接端口(14)和定向耦合器(15)、反射信号放大滤波电路(16)、混频器(17)、混频器放大滤波电路(18)、模数转换电路(19)组成，微处理器(10)通过通信接口(9)连接控制服务器(20)；

被测一维同轴钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻(8)，另一端的内、外导体与连接电缆(6)相连，被测一维同轴钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接；

微处理器连接信号源(11)、反向信号隔离器(13)和模数转换电路(19)，信号源的信号输入功分器，功分器将信号源信号分成两路，一路送到混频器，一路送入反向信号隔离器；反向信号隔离器的输出信号连接到定向耦合器(15)，定向耦合器将输入信号送给测量连接端口，并从测量连接端口接收反射信号，将接收到的测量连接端口的反射信号送给反射信号放大滤波电路(16)，反射信号放大滤波电路的输出信号连接到混频器(17)；测量连接端口与连接电缆(6)连接，并将连接电缆返回的反射信号送给定向耦合器(15)；混频器(17)的输出信号送入混频器放大滤波电路(18)，混频器放大滤波电路输出送入模数转换电路(19)，模数转换电路的输出送给微处理器。

2.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：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。

3.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。

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：所述被测一维同轴钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻(8)，另一端的内、外导体与连接电缆(6)相连，电阻(8)的阻值取50欧姆；连接电缆(6)采用50欧姆同轴电缆。

5.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：所述被测一维同轴钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻(8)，另一端的内、外导体与连接电缆(6)的内、外导体相连，电阻(8)的阻值取75欧姆；连接电缆(6)采用75欧姆同轴电缆。

6.一种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：采用如权利要求1所述的频域反射测量设备(5)对被测一维同轴钢筋混凝土构件进行测量；在测量前，将被测一维同轴钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆(6)相连，连接电缆(6)为同轴电缆；被测一维同轴钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆(6)外导体连接，被测一维同轴钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆(6)内导体连接；频域反射测量设备的测量连接端口(14)与连接电缆连接(6)；

频域反射测量设备(5)中的控制服务器通过与微处理器的通信，对被测一维同轴钢筋混凝土构件的测量进行控制，控制服务器对微处理器下达控制命令，设置测量参数，同时微处理器将测量结果发送给控制服务器；

频域反射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、定时器A中断程序、定时器B中断程序、参数计算子程序；

控制服务器程序流程：

第一步：向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数包括：模数转换采样频率Fadc，信号源最低频率Flow，信号源最高频率Fhigh，信号源步进次数Cstep，信号源步进时间间隔Tstep，混凝土介电常数ε，FFT峰值判断门限Gfft，被测一维同轴钢筋混凝土构件长度LA，反向信号隔离器衰减参数，进入第二步；

第二步：接收微处理器测量数据，返回第一步；

其中，混凝土介电常数ε，FFT峰值判断门限Gfft根据实验确定；

微处理器主程序：

第一步，接收控制服务器发出的控制参数命令，并执行控制服务器发出的参数命令；令Dmax等于Fadc乘以Cstep乘以Tstep；定义模数转换电路数据存储数组，用DATAadc表示，数组长度为Dmax，进入第二步；

第二步，设置定时器A的定时时间为1除以Fadc；设置定时器B的定时时间为Tstep，进入第三步；

第三步，设置如下变量的值，CntStep等于0；Fsignal等于Flow；Fcnt等于0；Idata等于0；Fcal等于0，设置Fstep等于Fhigh减去Flow，其差除以Cstep，进入第四步；

其中：：CntStep：步进次数；Fsignal：信号源频率；Fcnt：计数标志；Idata：数组下标；Fcal：计算标志；Fstep：步进频率

第四步，设置信号源频率为Fsignal，进入第五步；

第五步，设置定时器A在到达定时时间时产生中断，设置定时器A中断时调用定时器A中断程序；设置定时器B在到达定时时间时产生中断，设置定时器B中断时调用定时器B中断程序，进入第六步；

第六步，判断Fcal是否等于1？如果等于1，则进入第七步，如果不等于1，返回第六步；

第七步，设置Fcal等于0，调用参数计算子程序，将参数计算结果送给控制服务器，返回第六步。

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：所述微处理器程序流程中的定时器A中断程序：

第一步：采集模数转换器数据，将模数转换器数据存储到模数转换数组DATAadc[Idata],令Idata等于Idata+1，进入第二步；

第二步：判断CntStep是否等于0？如果CntStep等于0则进入第三步，如果CntStep不等于0则令Fcnt等于1，并结束定时器A产生的终端程序；

第三步：，判断Fcnt是否等于1？如果等于1，则进入第四步，如果不等于1，则结束定时器A产生的终端程序；

第四步，令Fcnt等于0；令Idata等于0；令Fcal等于1，结束定时器A产生的中断程序；

所述微处理器程序流程中的定时器B中断程序：

第一步设置Fsignal等于Fsignal加Fstep；设置CntStep等于CntStep加1，进入第二步；

第二步，设置信号源频率为Fsignal，进入第三步；

第三步，判断CntStep是否等于Cstep？如果相等，进入第四步，如果不相等，中断程序结束；

第四步，设置CntStep等于0，设置Fsignal等于Flow，中断程序结束；

所述参数计算子程序：

第一步：对数组DATAadc进行快速傅里叶变换，设快速傅里叶变换结果为数组FFTadc，进入第二步；

第二步：定义数组GATAadc和数组FFTadc等长，数组GATAadc的值计算方法为：通过相同下标的FFTadc作为计算依据，如果相同下标的FFTadc的值大于等于FFT峰值判断门限Gfft，则该下标的GATAadc值等于1，如果相同下标的FFTadc的值小于FFT峰值判断门限Gfft，则该下标的GATAadc值等于0，进入第三步；

第三步：在GATAadc中，如果相邻位置出现连续的1,当连续出现的1为奇数个时，保留最中间的数为1，其他相邻的数据1变为数据0；如果连续出现的1为偶数个，保留最中间两个1中下标小的GATAadc为1，其他相邻的数据1变为数据0；进入第四步；

第四步：根据GATAadc中数据为1的下标计算损伤点与被测一维同轴钢筋混凝土构件连接测量设备一端的距离，用L表示，下标用Index表示；计算方法为：设A等于Index-1,B等于Dmax-1，C等于Fhigh减去Flow，D等于1除以C，E等于Cstep除以C，F等于D减去E；L等于A乘以F，再乘以光在真空中的传播速度，然后除以B，再除以ε的0.5次方，用公式表示为L＝A×F×光速/B/(ε^0.5)，进入第五步；

第五步：按照第四步的方法，对所有GATAadc数组元素值为1的数据，计算L，进入第六步；

第六步，去除L大于被测一维同轴钢筋混凝土构件长度LA的计算值，余下的各个L值，分别表示多个混凝土构件中损伤中单个混凝土损伤的位置到连接测量设备一端的距离，余下的L值的数量，表示混凝土损伤的数量。参数计算子程序结束。

8.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：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。

9.如权利要求8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一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取50欧姆；被测一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、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一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取75欧姆；被测一维同轴钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用75欧姆同轴电缆。