CN110530898A - 岩石试件内外起裂非接触实时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其包括：探测模块，其用于向岩石试件发送微波信号以使微波信号与岩石试件耦合时，岩石试件中的分布电感和分布电容改变探测模块的谐振频率进而改变探测模块的微波电流；测量模块，其与所述探测模块电性连接，用于检测所述微波电流大小；计算机模块，其与所述测量模块电性连接，用于处理所述测量模块测量获得的微波电流的大小；其中，所述计算机模块通过将所述微波电流与预储存的标准信号进行比较以获得所述岩石试件的裂缝深度。本发明能实时对岩石试件内部的裂缝进行方便、快捷检测，并且具有分辨率、灵敏高，可以分辩50微米的裂纹的特点。
Description
技术领域
本发明涉及岩石断裂检测领域。更具体地说，本发明涉及一种岩石试件内外起裂非接触实时检测装置。
背景技术
裂纹是天然岩石材料的一种基本现象。岩体材料中裂纹的分布多种多样，非常复杂。根据裂纹出现的位置可以简单地分为表面裂纹和内部裂纹。内部裂纹是隐藏的，很容易被忽视。隐藏的裂纹在外力作用下发展演化，可能成为宏观表面裂纹，甚至发生破坏，最终威胁岩体结构工程的稳定性。因此，隐藏的裂纹是岩石工程实践安全的潜在威胁。裂纹研究在土木工程和采矿工程中发挥着越来越重要的作用。
准确检测隐藏裂纹深度可以帮助人们及时了解内部裂纹的更多信息，从而有助于减少工程经济损失。无损检测(NDT)技术能够在不破坏岩体结构的情况下对岩石材料进行无损诊断，从而实现相关的预防性保护措施，如支撑或加固等。相关的无损检测(NDT)方法包括超声脉冲波速度(UPV)测量，声发射(AE)监测，X射线计算机断层扫描(CT)，感应热成像)，涡流测试(ECT)，和交流电场测量(ACFM)等。
如今，先进的电磁无损检测技术在裂纹检测中发挥着重要作用。电磁方法广泛用于检测金属表面上的裂纹。对于裂纹深度的检测，大多数文献都关注表面裂纹的深度，而隐藏裂纹深度的研究则相对较少。由此可知，用于检测隐藏裂纹深度的可用方法有限。
为了检测岩石材料中隐藏裂纹深度，本发明通过实验验证了基于微波共振电路模型检测岩石隐藏裂纹深度的方法。以混凝土材料试件和花岗岩材料试件为实施例。证明了该方法可以有效的测量隐藏裂纹深度。基于微波共振电路模型检测岩石隐藏裂纹深度的方法，可以实时快速的实现检测目的。为检测岩石材料内部裂纹的起裂提供新的手段。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其能够实时、快速的对岩石试件内部的裂缝深度检测。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其包括：
探测模块，其用于向岩石试件发送微波信号以使微波信号与岩石试件耦合时，岩石试件中的分布电感和分布电容改变探测模块的谐振频率进而改变探测模块的微波电流；
测量模块，其与所述探测模块电性连接，用于检测所述微波电流信号；
计算机模块，其与所述测量模块电性连接，用于处理所述测量模块测量获得的微波电流信号；
其中，所述计算机模块通过将所述微波电流与预储存的标准信号进行比较以获得所述岩石试件的裂缝深度。
优选的是，所述探测模块由电源+Vcc、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电阻R1、晶体三极管T1、变容二极管D以及有源晶体振荡器JT组成5倍基频的振荡器电路，所述振荡器电路的信号频率高于4GHz，且连续可调。
优选的是，电感L1的端1与电阻R1的端1和电容C1的端1以及电源+Vcc相连，电感L1的端2与电感L2的端1和晶体三极管T1的集电极以及电容C3的端1相连，电感L2的端2和电容C1的端2相连，电阻R1的端2和晶体三极管T1的基极、电容C2的端1以及有源晶体振荡器JT的端2相连，电容C2的端2以及T1的发射极相连，并与电源地连接，有源晶体振荡器JT的端1与变容二极管D的端2连接，变容二极管D的端1与连接频率测量及调节电路模块的输出端2。
优选的是，所述电感L1包括：
壳体件，其横截面为凸字形，所述壳体件的内部设置有凹槽；
探测线圈，其设置在所述凹槽内，所述探测线圈为单层探测线圈，所述探测线圈所形成的平面与所述壳体件的底面平行设置。
优选的是，所述探测线圈的线径为0.4-0.5cm，线圈砸数为7-9圈，砸间系数≥0.9。
优选的是，还包括频率测量与调节模块，所述频率测量与调节模块与所述探测模块电性连接，用于测量与调节所述探测模块的输出频率。
优选的是，还包括信号转换模块，所述信号转换模块包括数字模拟转换模块与模拟数字转换模块，所述模拟数字转换模块与所述测量模块电性连接，用于将所述测量模块输出的模拟信号转换为数字信号，所述数字模拟转换模块与所述频率测量与调节模块电性连接，用于向所述频率测量与调节模块输出模拟信号。
优选的是，还包括信号放大模块，所述信号放大模块与所述探测模块电性连接，用于将所述探测模块的微波电流信号放大。
本发明至少包括以下有益效果：本装置的检测机理是微波分布电感和电容耦合共振法，即电感器L1中有微波电流流动，当微波信号与非金属试件耦合时，非金属试件中的分布电感和分布电容会改变电感器L1和C1的谐振频率，进而该改变L1中的微波电流，晶体管T1的集电极电压Uce也随之改变；通过电容C3把这个信号放大，在经过整流对电阻R6供电，测出电功率、电压幅值以及相位角进行裂纹有无判断，裂纹埋深，从而通过三维数据判断裂纹的走向；通过频率测量与调节模块，对探测模块发送的电磁信号的大小进行调节，使探测模块适宜不同岩石试件的检测；本发明通过使用微波分布电感和电容耦合共振法，实现了对金属材料的裂缝有无及延展深度的检测，又实现了对非金属物体内部缺陷隐藏深度及走向的检测。本发明能实时对岩石试件内部的裂缝进行方便、快捷检测，并且具有分辨率、灵敏高，可以分辩50微米的裂纹的特点。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明电路的示意性电路图；
图2说明的是电感L1的结构示意图。
1、壳体件；2、探测线圈；3、凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
在本说明书中，当一个元件被提及为“连接至或耦接至”另一个元件或“设置在另一个元件中”时，其可以“直接”连接至或耦接至另一元件或“直接”设置在另一元件中。或以其他元件介于其间的方式连接至或耦接至另一元件或设置在另一元件中，除非其被体积为“直接耦接至或连接至”另一元件或“直接设置”在另一元件中。此外，应理解，当一个元件被提及为“在另一元件上”、“在另一元件上方”、“在另一元件下”或“在另一元件下方”时，其可与另一元件“直接”接触或以其间介入有其他元件的方式与另一元件接触，除非其被提及为与另一元件直接接触。当参考元件的方向被反转或改变时，其可以用作包含根据对应的相对关系术语的方向的概念的含义。
实施例
如图1-2所示，一种岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其包括：
探测模块，其用于向岩石试件发送微波信号以使微波信号与岩石试件耦合时，岩石试件中的分布电感和分布电容改变探测模块的谐振频率进而改变探测模块的微波电流信号；
测量模块，其与所述探测模块电性连接，用于检测所述微波电流信号；
计算机模块，其与所述测量模块电性连接，用于处理所述测量模块测量获得的微波电流信号；
其中，所述计算机模块通过将所述微波电流信号的电功率、电压幅值以及相位角与预储存的标准信号进行比较以获得所述岩石试件的裂缝深度。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，所述探测模块由电源+Vcc、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电阻R1、晶体三极管T1、变容二极管D以及有源晶体振荡器JT组成5倍基频的振荡器电路，所述振荡器电路的信号频率高于4GHz，且连续可调。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，电感L1的端1与电阻R1的端1和电容C1的端1以及电源+Vcc相连，电感L1的端2与电感L2的端1和晶体三极管T1的集电极以及电容C3的端1相连，电感L2的端2和电容C1的端2相连，电阻R1的端2和晶体三极管T1的基极、电容C2的端1以及有源晶体振荡器JT的端2相连，电容C2的端2以及T1的发射极相连，并与电源地连接，有源晶体振荡器JT的端1与变容二极管D的端2连接，变容二极管D的端1与连接频率测量及调节电路模块的输出端2。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，所述电感L1包括：
壳体件1，其横截面为凸字形，所述壳体件1的内部设置有凹槽3；
探测线圈2，其设置在所述凹槽3内，所述探测线圈2为单层探测线圈，所述探测线圈2所形成的平面与所述壳体件1的底面平行设置。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，所述探测线圈2的线径为0.4-0.5cm，线圈砸数为7-9圈，砸间系数≥0.9。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，还包括频率测量与调节模块，所述频率测量与调节模块与所述探测模块电性连接，用于测量与调节所述探测模块的输出频率。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，还包括信号转换模块，所述信号转换模块包括数字模拟转换模块与模拟数字转换模块，所述模拟数字转换模块与所述测量模块电性连接，用于将所述测量模块输出的模拟信号转换为数字信号，所述数字模拟转换模块与所述频率测量与调节模块电性连接，用于向所述频率测量与调节模块输出模拟信号。
在上述实施例的基础上，在一个实施例中，还包括信号放大模块，所述信号放大模块与所述探测模块电性连接，用于将所述探测模块的微波电流信号放大。
信号放大模块及测量模块由两级40GHz带宽的晶体管T2和T3放大电路以及级间变压器B、整流二极管D1、D2构建的整流电路组成；该电路模块起信号功率放大和输出功率检测前置预处理作用；探测模块的信号从电容C3的端2输出，并进入功率放大器；与功率放大及输出功率检测模块的输入端的电阻R2、R3、电容C6等的端1及晶体管T2的基极相连；电阻R2的端2接电源+Vcc；电阻R3、电容C6等的端2及晶体管T2的发射极接电源地。晶体管T2的集电极与电感L3和电容C7等的端1相连。电感L3的端2与电源+Vcc连接。电容C7的端2与电阻R4、电容C8、电感L等的端1相连。电阻R4的端2接电源+Vcc。电容C8的端2接电源地。电感L的端2与R5、电容C等的端1及晶体管T3的基极相连。晶体管T3的发射极与电源地相连。晶体管T3的集电极和级间变压器B的初级端1相连。级间变压器B的初级端2与电源+Vcc连接。级间变压器B的次级端1与整流二极管D1的端1相连。级间变压器B的次级端2与整流二极管D2的端1相连。级间变压器B的次级端3接电源地。整流二极管D1的端2与电阻R6和D2等的端2以及模拟数字转换电路模块的输入端相连。电阻R6的端1接电源地。三个模拟转数字电路模块的输出和三个数字转模拟信号。
本发明的使用方法如下：根据岩石的种类，构建出岩石的裂缝深度与微波电流信号关系的标准信号，然后在检测岩石试件时，将获得的微波电流信号信号与相应岩石的标准信号进行比较，从而获得岩石裂缝的深度。
显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，包括：
探测模块，其用于向岩石试件发送微波信号以使微波信号与岩石试件耦合时，岩石试件中的分布电感和分布电容改变探测模块的谐振频率进而改变探测模块的微波电流；
测量模块，其与所述探测模块电性连接，用于检测所述微波电流信号；
计算机模块，其与所述测量模块电性连接，用于处理所述测量模块测量获得的微波电流信号；
其中，所述计算机模块通过将所述微波电流与预储存的标准信号进行比较以获得所述岩石试件的裂缝深度。
2.根据权利要求1所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，所述探测模块为5倍基频的振荡器电路，所述振荡器电路的信号频率高于4GHz，且连续可调。
3.根据权利要求2所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，所述探测模块由电源+Vcc、电感L1、电感L2、电容C1、电容C2、电阻R1、晶体三极管T1、变容二极管D以及有源晶体振荡器JT组成；其中，电感L1的端1与电阻R1的端1和电容C1的端1以及电源+Vcc相连，电感L1的端2与电感L2的端1和晶体三极管T1的集电极以及电容C3的端1相连，电感L2的端2和电容C1的端2相连，电阻R1的端2和晶体三极管T1的基极、电容C2的端1以及有源晶体振荡器JT的端2相连，电容C2的端2以及T1的发射极相连，并与电源地连接，有源晶体振荡器JT的端1与变容二极管D的端2连接，变容二极管D的端1与连接频率测量及调节电路模块的输出端2。
4.根据权利要求3所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，所述电感L1包括：
壳体件，其横截面为凸字形，所述壳体件的内部设置有凹槽；
探测线圈，其设置在所述凹槽内，所述探测线圈为单层探测线圈，所述探测线圈所形成的平面与所述壳体件的底面平行设置。
5.根据权利要求4所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，所述探测线圈的线径为0.4-0.5cm，线圈砸数为7-9圈，砸间系数≥0.9。
6.根据权利要求1所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，还包括频率测量与调节模块，所述频率测量与调节模块与所述探测模块电性连接，用于测量与调节所述探测模块的输出频率。
7.根据权利要求6所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，还包括信号转换模块，所述信号转换模块包括数字模拟转换模块与模拟数字转换模块，所述模拟数字转换模块与所述测量模块电性连接，用于将所述测量模块输出的模拟信号转换为数字信号，所述数字模拟转换模块与所述频率测量与调节模块电性连接，用于向所述频率测量与调节模块输出模拟信号。
8.根据权利要求1所述的岩石试件内外起裂非接触实时检测装置，其特征在于，还包括信号放大模块，所述信号放大模块与所述探测模块电性连接，用于将所述探测模块的微波电流信号放大。
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