CN109056851B - 基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统及方法，该混凝土超灌监测系统包括：灌浆钢筋笼，灌浆前灌浆钢筋笼内部介质为泥浆；灌浆管，灌浆管被布置为伸入到灌浆钢筋笼的下部，用于向灌浆钢筋笼中灌注混凝土，并形成灌浆位置；灌浆位置控制器，其设置于灌浆管的上方，灌浆位置控制器用于控制灌浆位置的逐步上移；声波发生器，其与灌浆位置控制器相连接，用于发射声波信号；两个声波换能器，两个声波换能器间隔固定于灌浆钢筋笼的内壁上，声波换能器通过记录声波信号在不同介质中的传播时差来获取灌浆位置；以及信号采集与分析器，其与声波发生器及声波换能器相连接，用于声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度。

Description

基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统及方法

技术领域

本发明涉及工程建筑技术领域，特别是涉及一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统及方法。

背景技术

随着基建工程的飞速发展，基桩的灌浆施工过程是整个工程的关键环节，是施工进度顺利执行及安全性的重要保障，混凝土的超灌过程关系到整个工程的安全与工程进度。

然而，在混凝土超灌过程中，基于声测管的超灌监测方法需要将发射换能器与接收换能器分别置于两根管道中，且需要多个测点的同步控制换能器，依次测取各测点处声波穿过两管道之间介质的所用声时、波幅与频率等，因此，其监测结果受声测管安装与灌浇施工现状影响较大。浇灌过程中造成的冲击会影响两声测管的平行性，混凝土的挤压则会形成声测管的倾斜或弯曲，声测管焊接加工情况、畅通性及管中不易排出的内封空气都将影响声波传播，两个换能器也必须被精确地同步移动控制，这些都制约着基于声测管的超灌监测技术应用的可靠性与稳定性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统，其能够实现混凝土超灌过程中的灌浆位置的实时监测与精确控制。

本发明的另一目的在于提供一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统，包括：灌浆钢筋笼，灌浆前灌浆钢筋笼内部介质为泥浆；灌浆管，灌浆管被布置为伸入到灌浆钢筋笼的下部，用于向灌浆钢筋笼中灌注混凝土，并形成灌浆位置；灌浆位置控制器，其设置于灌浆管的上方，灌浆位置控制器用于控制灌浆位置的逐步上移；声波发生器，其与灌浆位置控制器相连接，用于发射声波信号；两个声波换能器，两个声波换能器间隔固定于灌浆钢筋笼的内壁上，声波换能器通过记录声波信号在不同介质中的传播时差来获取灌浆位置；以及信号采集与分析器，其与声波发生器及声波换能器相连接，用于声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度。

在一优选的实施方式中，混凝土超灌监测系统还包括功率放大器，功率放大器分别与声波换能器及信号采集与分析器相连接，能够分析混凝土超灌监测系统所接收到的声波信号的衰减情况，并进行声波信号发射功率的增益调整。

在一优选的实施方式中，其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。

在一优选的实施方式中，通过交替声波发射端所形成的正向传播与反向传播，并通过分析混凝土超灌监测系统的两种传播方向上所获得的多普勒效应来反演混凝土的超灌速度，从而精准控制灌浆速度。

本发明还公开了一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测方法，包括如下步骤：S1：开启声波发生器发出声波信号；S2：通过灌浆管向灌浆钢筋笼的下部灌注混凝土，并形成灌浆位置；S3：通过灌浆位置控制器控制灌浆位置逐步上移；S4：通过信号采集与分析器采集分析声波信号在两个声波换能器之间的传播时间；S5：根据下述公式计算声波信号在两个声波换能器之间传播的时差变化ΔT来识别两个声波换能器之间的介质变化，以确定灌浆位置：

ΔT＝Δt₁-Δt₂

其中，l为两个声波换能器之间的距离，v₁和v₂分别为声波信号在泥浆和混凝土中的传播速度，Δt₁为灌浆位置还未抵达声波换能器位置时，两个声波换能器之间的介质为泥浆时声波信号的传播时间，l₁和l₂分别为当灌浆位置抵达两个声波换能器之间时泥浆和混凝土的深度，Δt₂为灌浆位置抵达两个声波换能器之间时声波信号在两个声波换能器之间的传播时间；以及S6：当ΔT达到门限值时，灌浆位置已达到设定区域，从而完成灌浆操作。

在一优选的实施方式中，混凝土超灌监测方法还包括：灌浆过程中，在灌浆钢筋笼内部形成泥浆、泥浆与混凝土混合区及混凝土三种介质层；通过信号采集与分析器实时采集声波信号的频率并分析声波信号的衰减程度；以及根据下述公式计算分析混凝土超灌监测系统所接收到的声波信号的衰减情况，并通过功率放大器进行发射功率的增益调整：

α_i＝α_i·f^y y∈[0,2]

其中，h₁、h₂和h₃分别为泥浆、泥浆与混凝土混合区及混凝土三种介质层的深度，f为声波发生器所发出的声波信号的频率，α_i为声波信号分别穿越泥浆、泥浆与混凝土混合区及混凝土三种介质层时声波能量衰减率，ΔE为声波信号依次穿越上述三种介质层的衰减总能量，k为功率放大器的增益倍数。

在一优选的实施方式中，其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。

在一优选的实施方式中，通过交替声波发射端所形成的正向传播与反向传播，并通过分析混凝土超灌监测系统的两种传播方向上所获得的多普勒效应来反演混凝土的超灌速度，从而精准控制灌浆速度。

与现有技术相比，根据本发明的基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统及方法：通过实时掌握声波信号传播过程中的衰减情况进行声波信号发射功率的调整，无需预埋声测管，不受声测管焊接工艺及工程实施水平的限制，缩短了施工周期，节省了施工材料，无需同步控制换能器。进行混凝土超灌过程的监测过程中，通过交替声波发射端并采集分析声波信号能够快速获得灌浆位置，降低了系统的控制与监测难度，提高了系统的可靠性，并通过实时采集分析声波信号快速获得灌浆位置，且能够避免声波信号衰减造成的监测误差，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的混凝土超灌监测系统的灌浆位置还未抵达声波换能器位置时的示意图。

图2是根据本发明一实施方式的混凝土超灌监测系统的灌浆位置抵达两个声波换能器之间时的示意图。

图3是根据本发明一实施方式的混凝土超灌监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图2所示，根据本发明优选实施方式的基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统，包括：灌浆钢筋笼1、灌浆管2、灌浆位置控制器3、声波发生器4、两个声波换能器5、信号采集与分析器6以及功率放大器7。

其中，灌浆前灌浆钢筋笼1内部介质为泥浆8，灌浆前灌浆钢筋笼1外部为周围土体11；灌浆管，灌浆管被布置为伸入到灌浆钢筋笼1的下部，用于向灌浆钢筋笼1中灌注混凝土9，并形成灌浆位置，同时在灌浆钢筋笼1内部形成了泥浆8、混凝土9以及泥浆与混凝土混合区12三种介质层。灌浆位置控制器3设置于灌浆管2的上方，灌浆位置控制器3用于控制灌浆位置的逐步上移。声波发生器4与灌浆位置控制器3相连接，用于发射声波信号。两个声波换能器5间隔固定于灌浆钢筋笼1的内壁上，并固定于换能器固定支架10上，声波换能器5通过记录声波信号在不同介质中的传播时差来获取灌浆位置。信号采集与分析器6与声波发生器4及声波换能器5相连接，声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度，从而精准控制灌浆速度。

上述方案中，功率放大器7分别与声波换能器5及信号采集与分析器6相连接，能够分析混凝土超灌监测系统所接收到的声波信号的衰减情况，并进行声波信号发射功率的增益调整，进而反推出灌浆位置。

在一优选的实施方式中，两个声波换能器5中，其中一个声波换能器可以作为声波发射端，另一个声波换能器可以作为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。通过交替声波发射端所形成的正向传播与反向传播，并通过分析混凝土超灌监测系统的两种传播方向上所获得的多普勒效应来反演混凝土的超灌速度，从而精准控制灌浆速度。

本发明的混凝土超灌监测系统的各模块间可保持良好的时间同步性，可进行声波传播时间及频率的追踪，同时信号采集分析器同时包含信号采集、分析及控制功能。

如图3所示，本发明还公开了一种基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测方法，包括如下步骤：

S1：开启声波发生器发出声波信号；

S2：通过灌浆管向灌浆钢筋笼的下部灌注混凝土，并形成灌浆位置；

S3：通过灌浆位置控制器控制灌浆位置逐步上移；

S4：通过信号采集与分析器采集分析声波信号在两个声波换能器之间的传播时间；

S5：根据公式计算声波信号在两个声波换能器之间传播的时差变化ΔT来识别两个声波换能器之间的介质变化，以确定灌浆位置：

设两个换能器间的距离为l，声波信号在泥浆和混凝土中的传播速度分别为v₁和v₂，以位于上端的声波换能器为发射端，位于下端的声波换能器为接收端，则灌浆还未抵达位于下端的声波换能器位置时，两个声波换能器之间的介质主要为泥浆，声波信号的传播用时为Δt₁，其中，Δt₁通过以下公式计算：

当灌浆抵达两个声波换能器之间时，此时泥浆和混凝土的深度分别为l₁和l₂(以泥浆与混凝土的混合区中线为界，上部属于泥浆区，下部属于混凝土区)，则声波传播用时为Δt₂，其中，Δt₂通过以下公式计算：

则两个声波换能器之间发生介质变化时会产生的时差变化ΔT通过一下公式计算：

ΔT＝Δt₁-Δt₂

以及S6：当ΔT达到门限值时，灌浆位置已达到设定区域，从而完成灌浆操作。

上述方案中，混凝土超灌监测方法还包括：灌浆过程中，在灌浆钢筋笼内部形成泥浆、泥浆与混凝土混合区及混凝土三种介质层；通过信号采集与分析器实时采集声波信号的频率并分析声波信号的衰减程度；以及根据下述公式计算分析混凝土超灌监测系统所接收到的声波信号的衰减情况，并通过功率放大器进行发射功率的增益调整：

α_i＝α_i·f^y y∈[0,2]

其中，h₁、h₂和h₃分别为泥浆、泥浆与混凝土混合区及混凝土三种介质层的深度，f为声波发生器所发出的声波信号的频率，α_i为声波信号分别穿越泥浆、泥浆与混凝土混合区及混凝土三种介质层时声波能量衰减率，ΔE为声波信号依次穿越上述三种介质层的衰减总能量，k为功率放大器的增益倍数。

在一优选的实施方式中，其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。通过交替声波发射端所形成的正向传播与反向传播，并通过分析混凝土超灌监测系统的两种传播方向上所获得的多普勒效应来反演混凝土的超灌速度，从而精准控制灌浆速度。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (3)

1.基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测方法，其特征在于，所述方法采用基于声电耦合谐振系统的混凝土超灌监测系统，所述系统包括灌浆钢筋笼，灌浆前所述灌浆钢筋笼内部介质为泥浆；

灌浆管，所述灌浆管被布置为伸入到所述灌浆钢筋笼的下部，用于向所述灌浆钢筋笼中灌注混凝土，并形成灌浆位置；

灌浆位置控制器，其设置于所述灌浆管的上方，所述灌浆位置控制器用于控制所述灌浆位置的逐步上移；

声波发生器，其与所述灌浆位置控制器相连接，用于发射声波信号；两个声波换能器，所述两个声波换能器间隔固定于所述灌浆钢筋笼的内壁上，所述声波换能器通过记录所述声波信号在不同介质中的传播时差来获取所述灌浆位置；以及

信号采集与分析器，其与所述声波发生器及所述声波换能器相连接，用于声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度；

所述混凝土超灌监测方法包括如下步骤：

S1：开启声波发生器发出声波信号；

S2：通过灌浆管向灌浆钢筋笼的下部灌注混凝土，并形成灌浆位置；

S3：通过灌浆位置控制器控制所述灌浆位置逐步上移；

S4：通过信号采集与分析器采集分析所述声波信号在两个声波换能器之间的传播时间；

S5：根据下述公式计算所述声波信号在所述两个声波换能器之间传播的时差变化ΔT来识别所述两个声波换能器之间的介质变化，以确定灌浆位置：

ΔT＝Δt₁-Δt₂

其中，l为两个声波换能器之间的距离，v₁和v₂分别为声波信号在泥浆和混凝土中的传播速度，Δt₁为灌浆位置还未抵达声波换能器位置时，两个声波换能器之间的介质为泥浆时声波信号的传播时间，l₁和l₂分别为当灌浆位置抵达两个声波换能器之间时泥浆和混凝土的深度，Δt₂为灌浆位置抵达两个声波换能器之间时声波信号在两个声波换能器之间的传播时间；以及

S6：当ΔT达到门限值时，所述灌浆位置已达到设定区域，从而完成灌浆操作。

2.如权利要求1所述的混凝土超灌监测方法，其特征在于，其中一个所述声波换能器为声波发射端，另一个所述声波换能器为声波接收端，所述声波发射端与所述声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。

3.如权利要求2所述的混凝土超灌监测方法，其特征在于，通过交替所述声波发射端所形成的正向传播与反向传播，并通过分析所述混凝土超灌监测系统的两种传播方向上所获得的多普勒效应来反演混凝土的超灌速度，从而精准控制灌浆速度。