CN107941829A - 混凝土浇筑质量ct检测仪系统以及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法，混凝土浇筑质量CT检测仪系统采用分布集成式架构，是一种采用嵌入式系统以及基于无线数据传输的CT检测仪，包括一个控制总站、若干个采集子站和一个震源触发子站；各个所述采集子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；所述震源触发子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；各个所述采集子站与所述震源触发子站之间由无线网络通讯连接。优点为：本发明提供的混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法，基于嵌入式技术和无线传输技术，是一种无需电缆和主机电源的轻便小巧、通道数和功能多变的混凝土浇筑质量CT检测仪，可广泛推广使用。

Description

混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法

技术领域

本发明属于混凝土浇筑质量检测技术领域，具体涉及一种混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法。

背景技术

目前，混凝土浇筑质量CT检测仪系统主要包括中央主机、布置于各个观测点的检波器以及布置于震源激发点的触发器；其中，各个观测点的检波器和中央主机之间采用电缆连接方式，通过电缆将各个观测点的检波器检测到的振动信号传输到中央主机，由中央主机进行现场的数据采集和一些简单的处理。由于中央主机耗电量很大，因此在野外工作时，还需给中央主机配备体积较大且笨重的蓄电池，以保持中央主机足够的工作时间。

上述结构具有以下不足：电缆和主机电源不仅大幅度地增加了仪器设备的重量，也给现场工作带来了极大的麻烦：其一是需要花费大量的人力和时间铺设和回收电缆；其二是增加了整套设备的重量和体积，为野外工作带为不便。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种混凝土浇筑质量CT检测仪系统，所述混凝土浇筑质量CT检测仪系统采用分布集成式架构，是一种采用嵌入式系统以及基于无线数据传输的CT检测仪，包括一个控制总站、若干个采集子站和一个震源触发子站；各个所述采集子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；所述震源触发子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；各个所述采集子站与所述震源触发子站之间由无线网络通讯连接；

其中，所述控制总站包括1台计算机和第一无线模块；每个所述采集子站均包括8个采集点传感器、数据采集模块和第二无线模块；所述震源触发子站包括触发点传感器、震源和第三无线模块。

优选的，各个所述采集子站采取分布排列方式，通过无线网络与所述控制总站和所述震源触发子站进行通讯。

优选的，所述控制总站通过433M无线网络监测各个所述采集子站的工作状态；设置系统工作参数；发布时钟同步命令、采集命令和接收处理数据。

优选的，每个所述采集子站包括依次相连的采集点传感器、信号调理电路、模数转换器、单片机和第二无线模块；所述采集点传感器、所述信号调理电路、所述模数转换器、所述单片机和所述第二无线模块均与采集点供电电源连接。

优选的，所述单片机采用低功耗，嵌入式CPU负责整个采集子站的控制和管理；所述采集点传感器采用频率范围为0.5-12kHz的压电式加速度传感器；所述第二无线模块用于进行数据的接收和发送，建立与所述控制总站和所述震源触发子站之间的通讯连接。

本发明还提供一种基于混凝土浇筑质量CT检测仪系统的混凝土浇筑质量CT检测方法，包括以下步骤：

步骤1，混凝土浇筑质量CT检测仪系统启动后，各个采集子站和震源触发子站加入到以控制总站为中心的无线网络，形成星形无线网络架构；

步骤2，星形无线网络架构建立后，控制总站测试缺省设置下各采集子站和震源触发子站的上行信号强度与通信质量；并根据测试到的上行信号强度与通信质量，调节各采集子站和震源触发子站的发射功率；

步骤3，控制总站设置系统工作参数，包括：设置采样率、采样持续时间、各采集子站的前置放大器增益、各采集子站和震源触发子站的站点位置和采集起始时延；

步骤4，控制总站使各采集子站和震源触发子站进行时钟同步；

步骤5，时钟同步完成后，同时进行以下两个操作：

操作一：在时钟同步完成后，各采集子站启动模数转换器，按预设置的采样率和采样持续时间开始进行数据采集工作，不断读取到采集数据，并将采集数据保存到缓冲区，同时等待来自于震源触发子站的有效数据采集命令；

操作二：震源触发子站激发人工地震波，同时，震源触发子站向各采集子站发送有效数据采集命令，该有效数据采集命令包含地震波激发时刻时间戳；

步骤6，各采集子站接收到所述有效数据采集命令后，根据有效数据采集命令中的地震波激发时刻时间戳和当前系统时钟，计算出地震波激发时刻的采集数据在缓冲区的存储地址，以该存储地址为起点，后续采集数据为有效的地震波采集数据；

步骤7，对于每个采集子站，当到达所述采样持续时间后，所述采集子站向所述控制总站发送采样完成的通知消息；

步骤8，所述控制总站在接收到所述采样完成的通知消息后，向各个所述采集子站发送采样数据上传的命令；

步骤9，所述采集子站将缓存区中的有效的地震波采集数据上传给所述控制总站；所述控制总站基于有效的地震波采集数据绘制地震波波形图，得到本次混凝土浇筑质量CT检测结果。

优选的，步骤3中，所述采集起始时延是指：从震源触发子站发出有效数据采集命令开始到采集子站解析出该有效数据采集命令之间的延迟时间。

优选的，步骤4中，控制总站使各采集子站和震源触发子站进行时钟同步，具体为：

控制总站分别向各采集子站和震源触发子站发送时钟同步命令；所述时钟同步命令中携带总站系统时间戳信息；

各采集子站和震源触发子站收到所述时钟同步命令时，记录下本地时间戳信息以及所述总站系统时间戳信息；然后，使本地系统时钟与所述总站系统时间戳信息对齐；由此实现各采集子站和震源触发子站之间的时钟同步。

本发明提供的混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法具有以下优点：

本发明提供的混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法，基于嵌入式技术和无线传输技术，是一种无需电缆和主机电源的轻便小巧、通道数和功能多变的混凝土浇筑质量CT检测仪，可广泛推广使用。

附图说明

图1为本发明提供的混凝土浇筑质量CT检测仪系统的整体结构示意图；

图2为本发明提供的控制总站的结构图；

图3为本发明提供的采集子站的结构图；

图4为一个角度下的剖面测线布置示意图；

图5为另一个角度下的剖面测线布置示意图；

图6为剖面射线分布图；

图7为21号右塔柱侧面单炮激发波形图；

图8为右塔柱Y1水平剖面CT成果图；

图9为右塔柱左斜剖面CT检测成果图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种混凝土浇筑质量CT检测仪系统，参考图1，所述混凝土浇筑质量CT检测仪系统采用分布集成式架构，是一种采用嵌入式系统以及基于无线数据传输的CT检测仪，包括一个控制总站、若干个采集子站和一个震源触发子站；各个所述采集子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；所述震源触发子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；各个所述采集子站与所述震源触发子站之间由无线网络通讯连接；

其中，所述控制总站包括1台计算机和第一无线模块；每个所述采集子站均包括8个采集点传感器、数据采集模块和第二无线模块；所述震源触发子站包括触发点传感器、震源和第三无线模块。在信号触发时，第三无线模块分别与第二无线模块和第一无线模块连接通信，数据采集模块开始采集数据，数据采集完毕后通过无线网络传输回控制总站。控制总站用于设置系统工作参数；发布时钟同步命令；用于向各采集子站和震源触发子站发布命令，指挥系统工作，并回收采集数据，绘制波形曲线。采集子站负责波形的数据采集和传送。震源触发子站在激发时向检测子站发出数据采集命令。

本发明中，各个所述采集子站采取分布排列方式，通过无线网络与所述控制总站和所述震源触发子站进行通讯。

参考图2，所述控制总站通过433M无线网络监测各个所述采集子站的工作状态。CT仪的控制总站由计算机和无线模块组成，负责发布命令和接收数据并处理。电路模块如图2所示。操作人员通过计算机(PC，Personal Computer)发布命令，经过USB传输到嵌入式微程序控制器MCU(Microprogrammed Control Unit)，MCU驱动无线模块将命令广播出去。各采集子站和震源触发子站收到命令后，完成相关的操作，并返回操作结果或状态。在工作过程中，该系统一般处于正常工作状态，在长时间没有操作命令发布时，会自动进入低功耗模式。

参考图3，每个所述采集子站包括依次相连的采集点传感器、信号调理电路、模数转换器、单片机和第二无线模块；所述采集点传感器、所述信号调理电路、所述模数转换器、所述单片机和所述第二无线模块均与采集点供电电源连接。其中，单片机采用低功耗，嵌入式CPU负责整个采集子站的控制和管理；所述采集点传感器采用频率范围为0.5-12kHz的压电式加速度传感器；所述第二无线模块用于进行数据的接收和发送，建立与所述控制总站和所述震源触发子站之间的通讯连接。当第二无线模块接收到来自控制总站的指令后，传输给单片机，由单片机指挥系统工作。

为了适应野外工作的特点，控制总站、采集子站和震源触发子站都必须轻便，不易携带大容量电源。所以，低功耗设计成为电源管理的一个关键问题。控制总站处于主动状态，电路结构也相对简单，所以该模块的电源管理比较简单。电源管理设计主要是针对检测子站进行的。

本发明还提供一种基于混凝土浇筑质量CT检测仪系统的混凝土浇筑质量CT检测方法，包括以下步骤：

步骤1，混凝土浇筑质量CT检测仪系统启动后，各个采集子站和震源触发子站加入到以控制总站为中心的无线网络，形成星形无线网络架构；

星形无线网络架构建立后，混凝土浇筑质量CT检测仪系统采用以控制总站为中心的呼叫、应答方式控制系统工作。由控制总站发送命令，各个采集子站和震源触发子站收到命令后完成相应的操作并作出应答。具体步骤见步骤2-步骤9。

步骤2，星形无线网络架构建立后，控制总站测试缺省设置下各采集子站和震源触发子站的上行信号强度与通信质量；并根据测试到的上行信号强度与通信质量，调节各采集子站和震源触发子站的发射功率；

步骤3，控制总站设置系统工作参数，包括：设置采样率、采样持续时间、各采集子站的前置放大器增益、各采集子站和震源触发子站的站点位置和采集起始时延；其中，所述采集起始时延是指：从震源触发子站发出有效数据采集命令开始到采集子站解析出该有效数据采集命令之间的延迟时间。理论上，触发和采集之间应该是同步进行没有延迟的，采集起始时延的设置就是为了消除掉这个延迟时间。

步骤4，控制总站使各采集子站和震源触发子站进行时钟同步；

在震源触发子站激发地震波的同时，由震源触发子站向各采集子站发送数据采集命令。然而，从激发到各采集子站解析出该命令大约有2ms的时延，且这个时延是不确定的，如果存在信道干扰，时延可能更长，所以必须进行时钟同步。

时钟同步有多种算法，本发明采用了简化的网络结构，所以时钟同步设计较为方便。具体为：

控制总站分别向各采集子站和震源触发子站发送时钟同步命令；所述时钟同步命令中携带总站系统时间戳信息；

各采集子站和震源触发子站收到所述时钟同步命令时，记录下本地时间戳信息以及所述总站系统时间戳信息；然后，使本地系统时钟与所述总站系统时间戳信息对齐；由此实现各采集子站和震源触发子站之间的时钟同步，其中，虽然因为数据传输时延，子站时钟没有真正意义上与总站对齐，但各子站间是严格对齐的。

步骤5，时钟同步完成后，同时进行以下两个操作：

操作一：在时钟同步完成后，各采集子站启动模数转换器，按预设置的采样率和采样持续时间开始进行数据采集工作，不断读取到采集数据，并将采集数据保存到缓冲区，同时等待来自于震源触发子站的有效数据采集命令；其中，各采集子站在MCU外部扩展了1024k字节数据存储器作为缓冲区，用于暂存数据。该缓冲区被循环利用，当缓冲区被用尽后，返回到超始位置覆盖前一循环的数据。

操作二：震源触发子站激发人工地震波，同时，震源触发子站向各采集子站发送有效数据采集命令，该有效数据采集命令包含地震波激发时刻时间戳；

步骤6，各采集子站接收到所述有效数据采集命令后，根据有效数据采集命令中的地震波激发时刻时间戳和当前系统时钟，计算出地震波激发时刻的采集数据在缓冲区的存储地址，以该存储地址为起点，后续采集数据为有效的地震波采集数据；也就是说，在缓冲区，是根据时间戳来提取触发时间点的地震波数据。

步骤7，对于每个采集子站，当到达所述采样持续时间后，所述采集子站向所述控制总站发送采样完成的通知消息；

步骤8，所述控制总站在接收到所述采样完成的通知消息后，向各个所述采集子站发送采样数据上传的命令；

步骤9，所述采集子站将缓存区中的有效的地震波采集数据上传给所述控制总站；所述控制总站基于有效的地震波采集数据绘制地震波波形图，得到本次混凝土浇筑质量CT检测结果。

下面介绍本发明一个具体实施例：

对某混凝土结构塔柱右塔柱实心段布置了6个水平CT剖面，编号自下而上分别为Y1～Y6，沿长边布置了2个斜剖面，编号分别为Y7、Y8。左塔柱实心段布置了1个水平CT剖面，编号为Z1，沿长边布置2个斜剖面，编号为Z2、Z3。为兼顾检测精度及工作量，取激发点、检波点间距均为0.5m。剖面测线布置示意图如图4和图5所示。

水平剖面截面尺寸约为11.4×8.2m，每个剖面激发点数为40个，检波点数为40个，射线条数为40×40＝1600条，斜剖面射线条数稍多，也粗略按1600条计算。剖面射线分布图如图6所示。

声波CT检测结果：

通过检波器获取初至波的波形图，如图7所示，为21号右塔柱侧面单炮激发波形图。通过对各检波器接收波形图进行处理、分析成图，得出剖面的检测CT成果图。图中红色、黄色为高波速区，表示混凝土浇筑质量较好；绿色、蓝色为低波速区，表示混凝土浇筑质量较差。特别是蓝色区域，波速(波的传播速度V，单位m/s)小于2500m/s，往往存在裂缝、空洞。

如图8所示，为右塔柱Y1水平剖面CT成果图，波速整体偏高，未发现明显贯通的低波速带，推测该剖面混凝土浇筑密实，均匀性好，整体浇筑质量较好。但在部分边、角浅层处存在零星低波速区，是由于混凝土开裂或不密实引起的，但其开裂主要集中于塔柱表面。

图9所示，为右塔柱左斜剖面CT检测成果图，波速整体偏高，未发现明显贯通的低波速带，推测该剖面混凝土浇筑密实，均匀性好，整体浇筑质量较好。但在部分边、角浅层处存在零星低波速区，是由于混凝土开裂或不密实引起的，主要集中在大里程一侧，且分布较小，位于塔柱表层范围内。

本发明提供的混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法具有以下优点：

本发明提供的混凝土浇筑质量CT检测仪系统以及检测方法，基于嵌入式技术和无线传输技术，是一种无需电缆和主机电源的轻便小巧、通道数和功能多变的混凝土浇筑质量CT检测仪，可广泛推广使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种混凝土浇筑质量CT检测仪系统，其特征在于，所述混凝土浇筑质量CT检测仪系统采用分布集成式架构，是一种采用嵌入式系统以及基于无线数据传输的CT检测仪，包括一个控制总站、若干个采集子站和一个震源触发子站；各个所述采集子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；所述震源触发子站与所述控制总站之间由无线网络通讯连接；各个所述采集子站与所述震源触发子站之间由无线网络通讯连接；

其中，所述控制总站包括1台计算机和第一无线模块；每个所述采集子站均包括8个采集点传感器、数据采集模块和第二无线模块；所述震源触发子站包括触发点传感器、震源和第三无线模块。

2.根据权利要求1所述的混凝土浇筑质量CT检测仪系统，其特征在于，各个所述采集子站采取分布排列方式，通过无线网络与所述控制总站和所述震源触发子站进行通讯。

3.根据权利要求1所述的混凝土浇筑质量CT检测仪系统，其特征在于，所述控制总站通过433M无线网络监测各个所述采集子站的工作状态；设置系统工作参数；发布时钟同步命令、采集命令和接收处理数据。

4.根据权利要求1所述的混凝土浇筑质量CT检测仪系统，其特征在于，每个所述采集子站包括依次相连的采集点传感器、信号调理电路、模数转换器、单片机和第二无线模块；所述采集点传感器、所述信号调理电路、所述模数转换器、所述单片机和所述第二无线模块均与采集点供电电源连接。

5.根据权利要求1所述的混凝土浇筑质量CT检测仪系统，其特征在于，所述单片机采用低功耗，嵌入式CPU负责整个采集子站的控制和管理；所述采集点传感器采用频率范围为0.5-12kHz的压电式加速度传感器；所述第二无线模块用于进行数据的接收和发送，建立与所述控制总站和所述震源触发子站之间的通讯连接。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述的混凝土浇筑质量CT检测仪系统的混凝土浇筑质量CT检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，混凝土浇筑质量CT检测仪系统启动后，各个采集子站和震源触发子站加入到以控制总站为中心的无线网络，形成星形无线网络架构；

步骤2，星形无线网络架构建立后，控制总站测试缺省设置下各采集子站和震源触发子站的上行信号强度与通信质量；并根据测试到的上行信号强度与通信质量，调节各采集子站和震源触发子站的发射功率；

步骤3，控制总站设置系统工作参数，包括：设置采样率、采样持续时间、各采集子站的前置放大器增益、各采集子站和震源触发子站的站点位置和采集起始时延；

步骤4，控制总站使各采集子站和震源触发子站进行时钟同步；

步骤5，时钟同步完成后，同时进行以下两个操作：

操作一：在时钟同步完成后，各采集子站启动模数转换器，按预设置的采样率和采样持续时间开始进行数据采集工作，不断读取到采集数据，并将采集数据保存到缓冲区，同时等待来自于震源触发子站的有效数据采集命令；

操作二：震源触发子站激发人工地震波，同时，震源触发子站向各采集子站发送有效数据采集命令，该有效数据采集命令包含地震波激发时刻时间戳；

步骤6，各采集子站接收到所述有效数据采集命令后，根据有效数据采集命令中的地震波激发时刻时间戳和当前系统时钟，计算出地震波激发时刻的采集数据在缓冲区的存储地址，以该存储地址为起点，后续采集数据为有效的地震波采集数据；

步骤7，对于每个采集子站，当到达所述采样持续时间后，所述采集子站向所述控制总站发送采样完成的通知消息；

步骤8，所述控制总站在接收到所述采样完成的通知消息后，向各个所述采集子站发送采样数据上传的命令；

步骤9，所述采集子站将缓存区中的有效的地震波采集数据上传给所述控制总站；所述控制总站基于有效的地震波采集数据绘制地震波波形图，得到本次混凝土浇筑质量CT检测结果。

7.根据权利要求6所述的混凝土浇筑质量CT检测方法，其特征在于，步骤3中，所述采集起始时延是指：从震源触发子站发出有效数据采集命令开始到采集子站解析出该有效数据采集命令之间的延迟时间。

8.根据权利要求6所述的混凝土浇筑质量CT检测方法，其特征在于，步骤4中，控制总站使各采集子站和震源触发子站进行时钟同步，具体为：

控制总站分别向各采集子站和震源触发子站发送时钟同步命令；所述时钟同步命令中携带总站系统时间戳信息；

各采集子站和震源触发子站收到所述时钟同步命令时，记录下本地时间戳信息以及所述总站系统时间戳信息；然后，使本地系统时钟与所述总站系统时间戳信息对齐；由此实现各采集子站和震源触发子站之间的时钟同步。