CN110832312A - 嵌入在混凝土中的金属物体的电感性表征和相关检测设备 - Google Patents
嵌入在混凝土中的金属物体的电感性表征和相关检测设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110832312A CN110832312A CN201780092405.4A CN201780092405A CN110832312A CN 110832312 A CN110832312 A CN 110832312A CN 201780092405 A CN201780092405 A CN 201780092405A CN 110832312 A CN110832312 A CN 110832312A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coil
- coils
- transmitting
- current
- receiving
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 title claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 title description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 35
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 20
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 15
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 18
- 230000006870 function Effects 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005293 ferrimagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- BTCSSZJGUNDROE-UHFFFAOYSA-N gamma-aminobutyric acid Chemical compound NCCCC(O)=O BTCSSZJGUNDROE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/023—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/12—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring diameters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
- G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
- G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
- G01N27/904—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents with two or more sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
- G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
- G01V3/101—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils by measuring the impedance of the search coil; by measuring features of a resonant circuit comprising the search coil
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
- G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
- G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
- G01N27/9013—Arrangements for scanning
- G01N27/902—Arrangements for scanning by moving the sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/20—Metals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass
- G01N33/383—Concrete or cement
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Abstract
为了表征混凝土中的导电和/或铁磁性物体，诸如钢筋，设备沿着样品的表面滚动。该设备包括例如部分重叠的发送线圈(6)和接收线圈(7)的两个行(10.1，10.2)。每对归属的发送和接收线圈(6，7)被设计为在没有任何导电和/或铁磁性物体的情况下具有减小的互阻抗。测量互阻抗的复值，例如，相位和绝对值，以便确定物体的多个参数(物体的尺寸、位置和被混凝土的覆盖度)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于表征嵌入在混凝土中的导电和/或铁磁性物体(特别是金属物体，特别是钢筋)的设备和方法。
背景技术
WO 2014/107816描述了一种用于表征嵌入在混凝土中的金属物体(特别是钢筋)的技术。它包括线圈的被布置成矩阵的阵列。该阵列被放置在要研究的物体上。然后，操作该设备以测量每个线圈的电感，以便获得关于混凝土的内部结构的信息。
发明内容
本发明要解决的问题是提供具有高可靠性的这种类型的设备和方法。
该问题通过独立权利要求所述的设备和方法来解决。
因此，在第一方面，本发明涉及一种用于借助于电感性测量来表征嵌入在混凝土中的导电和/或铁磁性物体(特别是钢筋)的设备。
该设备包括以下元件：
-壳体：这是设备的框架或外壳。
-多个发送线圈和多个接收线圈：这些线圈以至少一行布置在所述壳体中或所述壳体上。
有利地，该设备还包括布置在壳体上的轮子。轮子被定向成使壳体沿着位移方向在样品的表面上滚动。该位移方向相对于该行横向地(特别是垂直地)延伸，这允许利用线圈的仅一行或几行来扫描大的表面面积。
此外，每个接收线圈可以被设计为与至少一个所归属的发送线圈重叠。重叠使得在设备的测量范围内没有物体的情况下，接收线圈与其所归属的发送线圈之间的互阻抗为零。这种设计使设备对要检测的物体的存在更加灵敏。
有利地，至少一些接收线圈中的每一个接收线圈归属于至少两个发送线圈，并与该至少两个发送线圈重叠，从而减少了给定空间分辨率所需的接收线圈的数量。
类似地，至少一些发送线圈中的每一个发送线圈归属于至少两个接收线圈，并与该至少两个接收线圈重叠，从而减少了给定空间分辨率所需的发送线圈的数量。
在特别紧凑的设计中，每行交替地并以重叠的方式包括多个接收线圈和多个发送线圈。
也可以存在多于一行的线圈，特别是彼此平行地延伸的至少第一行和第二行。在这种情况下，有利地，这些行中的每个行交替地并以重叠的方式包括多个接收线圈和多个发送线圈。
在特别有利的设计中，行中的线圈相对于彼此错开，在这个意义上，在垂直于行的投影中，第一行的每个线圈被布置在第二行的两个重叠线圈之间的中心。因此，第二行可以在第一行的间隙中执行测量，从而提高了测量的空间分辨率，同时仍然能够使用相当大的线圈，该相当大的线圈的场深入到样品中。
在第二方面，本发明涉及一种用于操作这里描述的设备的方法。
此方法包括以下的重复步骤：
-通过发送线圈中的至少一个发送电流；以及
-测量由电流在接收线圈中的至少一个中感应的电压。
下文中描述的这些以及可选地所有其它步骤可以由设备的控制单元执行。因此，本发明还涉及一种具有控制单元的设备，该控制单元适于执行这些步骤以及可选地执行其它步骤。
电流有利地是交流电流，即，重复地改变其流动方向的电流，即，电流不是脉冲。特别地，电流是CW交流电流。在该上下文中，“CW”代表“连续波”，并且“CW交流电流”是具有至少五个(特别是至少十个)电流周期的持续时间的交流电流。
替代地，电流是脉冲电流。
在又一方面，本发明涉及一种用于借助于电感性测量来表征嵌入在混凝土中的导电和/或铁磁性物体(特别是钢筋)的方法。该方法包括以下步骤：
-测量指示发送线圈和接收线圈之间的互阻抗或指示组合的发送线圈和接收线圈的自阻抗的复值。
-使用所述复值来表征物体。
在该上下文中，指示阻抗的复值是定义阻抗的完整复值的任何一对数值，诸如实值和虚值，或幅度A和相位P。
此外，“使用所述复值”的步骤涉及在物体的表征中使用两个数值，诸如幅度以及相位，或实值以及虚值。
本发明的这个方面基于如下理解：复阻抗的相位P是能够提供关于嵌入物体的有价值的信息的参数。
第三方面的方法可以用能够确定发送线圈和接收线圈之间的互阻抗的设备(例如上述的设备)来执行。或者它可以用其中发送线圈和接收线圈是相同线圈的设备(例如像在WO 2014/107816中描述的设备)来执行。
第三方面的方法可以是根据本发明的第二方面的用于操作设备的方法的一部分，但是它也可以是与不同类型的设备一起使用的独立方法。
有利地，该方法可以用于计算以下参数中的至少一个参数：
c：由混凝土对物体的覆盖度(coverage)，
p：所述物体在平行于所述混凝土的表面的平面内的位置，
d：物体的直径，
μ：物体的磁导率，
σ：所述物体的电导率。
这样的计算可以基于使用数学模型，该数学模型使幅度参数A和相位参数P与参数c、p、d、μ、σ相关。
在这种情况下，磁导率μ和/或所述电导率σ特别令人关注，因为它们强烈影响阻抗的相位。因此：
-在一个有利的实施例中，该方法包括根据数学模型计算磁导率μ和/或电导率σ的步骤。由于磁导率和电导率强烈影响相位参数，因此可以从提供阻抗的这样的相位的测量中很好地估算出它们中的一个或两者。
-在另一个有利的实施例中，可以询问用户来提供磁导率μ和/或电导率σ。在这种情况下，数学模型的自由度降低，这允许以更高的准确度导出其它参数中的至少一个，诸如覆盖度c和/或直径d。
第三方面的方法可以例如通过使用第一方面的用于测量复阻抗的设备来执行。
附图说明
在考虑到本发明的以下详细描述时，将更好地理解本发明，并且除上述目的之外的目的将变得显然。本描述参考了附图，其中：
图1是用于表征混凝土中的导电和/或铁磁性物体的设备，
图2是设备的示意性剖视图，
图3是设备的线圈组件的视图，
图4是设备的一些部件的框图，
图5是具有零互阻抗的发送线圈和接收线圈的第一实施例，
图6是具有零互阻抗的发送线圈和两个接收线圈的第二实施例，
图7是具有零互阻抗和同心几何形状的发送线圈和接收线圈的第三实施例，
图8是钢筋直径与相位的关系图，
图9是对于不同的钢筋磁导率的钢筋直径与相位的关系图，
图10是覆盖厚度与相位的关系图，
图11是钢筋位置与阻抗(绝对值)的关系图，以及
图12是钢筋位置与相位的关系图。
具体实施方式
设备设计：
图1和图2的设备包括壳体1，壳体1载有如下所述的电子器件和传感器。它配备有一个或多个轮子2，借助于这一个或多个轮子2，它可以沿着方向X在要测试的混凝土的样品3上位移。
如图2中最佳地看到的，该设备包括线圈组件4。当轮子2与样品3接触时，线圈组件4位于设备的面向样品的一侧。
线圈组件4包括多个发送线圈6和多个接收线圈7。在图2的实施例中，作为示例，这些线圈被布置在承载板8(诸如印刷电路板)的相对侧上，使得发送线圈6和接收线圈7可以容易地以重叠的方式布置。
替代地，发送线圈6和接收线圈7可以例如在多层印刷电路板的同一侧上的不同层中实现。
图3示出了线圈组件4的实施例的示例。在这个示例中，发送线圈6(分别由附图标记6.1至6.6标示)以实线示出，而接收线圈7(标示为7.1至7.8)以虚线示出。每个线圈都被示出为圆形，但实际上，它会是一个或多个绕组的线圈，并且它可以具有圆形或非圆形(例如，矩形)的设计。
如所提到的，线圈6、7可以例如被实现为印刷电路板上的金属引线，即使分立线圈也可以如此使用。
图3图示了发送线圈6和接收线圈7的重叠设计。如可以看到的，在所示的实施例中，每个发送线圈6与两个接收线圈7重叠，而除外围的接收线圈7之外的每个接收线圈7与两个发送线圈6重叠。
如可以看到的，只有外围的接收线圈(即线圈7.1、7.4、7.5和7.8)仅与一个发送线圈重叠。
发送线圈和接收线圈之间的重叠的区域对应于其中相应的线圈对对嵌入在样品3中的导电和/或铁磁性物体具有最高灵敏度的位置。
如从图3还可以看到的，线圈被布置在两个平行的行10.1、10.2中。
每个行10.1、10.2由多个接收线圈7和多个发送线圈6交替地并以重叠的方式组成。
两个行10的线圈相互偏移，即使得(在沿着方向X的投影中)第一行10.1的每个线圈被布置在第二行10.2的两个重叠线圈之间的中心，并且反之亦然。这允许相互错开两个行10.1和10.2的重叠的区域，从而随着设备在样品3上沿着方向X移动时，增加沿着方向Y(与方向X垂直)的空间分辨率。
其中发送线圈6与接收线圈7重叠的每个区域形成了对要检测的物体具有高灵敏度的区域。具有最高灵敏度的点位于该重叠的区域的几何中心(质心)。该点被称为感测节点S。图3的实施例的所有感测节点由小十字表示，其中一个用S标记。
如图3所示，感测节点S沿着两个行10.1和10.2布置，但是也可以设想具有单个行或多于两个行的实施例。这些行彼此平行。
各个行10.1、10.2的感测节点S相互偏移小于同一行的相邻节点S之间的距离，即，使得它们(在沿着方向X的投影中)沿着方向Y以规则间隔V布置。因此，随着设备在样品3上沿着方向X移动，实现沿着方向Y(与方向X垂直)的增加的空间分辨率。
如在图2中可以看到的，线圈6、7被布置在设备的壳体1的第一侧1a。在操作中，这是面对样品3的一侧。它也是轮子2的一侧。壳体1还包括与第一侧1a相对的第二侧1b。
图2的设备还示出了布置在线圈6、7的至少一侧处的导电和/或铁磁性屏蔽件9a。屏蔽件9a被安置在线圈6、7和壳体1的第二侧1b之间，使得它屏蔽线圈6、7免受位于屏蔽件9a的背离线圈6、7的一侧处的设备的任何部件或外部物体的影响。
特别地，屏蔽件9a位于线圈6、7和设备的电子电路系统9b的至少一些之间。
有利地，屏蔽件9a位于距线圈6、7一定距离处，特别是至少1cm(特别是至少2cm)的距离处。
屏蔽件9a可以是例如铁氧体(亚铁磁)片或任何其它导电和/或铁磁性材料。
图4示出了设备的一些部件。
如可以看到的，它包括控制单元20，该控制单元20包括例如微处理器21以及程序和数据存储器22。
控制单元20还包括驱动器23，用于选择性地向发送线圈6.1至6.6中的每一个发送线圈发送交流信号电流和/或脉冲电流。
更具体而言，驱动器23适于一次在发送线圈6.1至6.6之一中生成交流信号电流或脉冲电流，并且控制单元20适于随后通过发送线圈6.1-6.6中的每一个发送线圈发送信号电流。
例如，如图4中所示，驱动器23可以包括振荡器24，其输出信号被发送到多路复用器25的输入端。发送器线圈连接到多路复用器的输出端。控制单元20(例如，微处理器21)控制多路复用器25，以将振荡器24连接到发送线圈6.1-6.6中的任一发送线圈。
但是，必须注意的是，驱动器23也可以被不同地配置。例如，微处理器21可以配备有直接连接(可选地经由放大器电路系统和/或滤波器电路系统)到发送线圈6.1-6.1中的每一个发送线圈的足够数量的输出端，并且它可以被编程为激活期望的输出端，以在相应的发送线圈中生成信号。替代地，驱动器23的部分或全部功能可以在FPGA电路中实现。
控制单元20还包括用于测量在接收线圈7.1-7.8中感应的电压的接收器27。
更具体而言，接收器27适于测量当信号电流通过发送器线圈发送时耦合到每个接收线圈7.1-7.8中的电压，所述发送器线圈与所述每个接收线圈7.1-7.8重叠。
例如，以及如图4中所示，接收器27可以包括信号解复用器28，该信号解复用器28的输入端连接到接收线圈7.1-7.8。控制单元20(有利地微处理器21)连接到解复用器28，用于选择该解复用器28的输入端中的哪一个输入端连接到该解复用器28的输出端，以进一步处理。解复用器28的输出端可以例如被馈送到滤波器和/或放大器29和/或模拟-数字转换器30。
同样，接收器27也可以被不同地配置。例如，其大部分功能可以通过微处理器21的硬件和软件来实现，或者可以被实现为FPGA，或者可以在接收线圈7和解复用器28之间布置附加的滤波器和/或放大器级。
图4还示出了借助于(有线的或无线的)接口33连接到控制单元20的输入/输出设备32。输入/输出设备32允许设备显示其结果和/或向用户询问输入。
输入/输出设备32可以形成本设备的一部分，或者它可以被实现为单独的独立装备。
最后，图4以及图2示出了能够检测轮子2中的至少一个轮子的旋转的编码器35。这允许使在设备沿着位移方向X在样品上滚动时进行的测量在空间上相互关联。
操作：
为了探测给定的样品3，用户首先将设备的轮子2放置在该样品3的表面之一上，其中线圈组件4面向该表面。
设备例如在手动或自动触发之后开始扫描操作。
在扫描期间，控制单元20随后通过发送线圈6.1-6.1中的每一个发送线圈例如按6.1...6.6的顺序发送信号电流。有利地，为了避免不期望的串扰，一次仅通过单个发送线圈6发送信号电流。
信号电流是交流电流，有利地是单频率的交流电流，即正弦电流，即使具有谐波频谱分量或多个正弦电流的叠加的信号也可以使用。
替代地，信号电流是脉冲电流。
在通过给定发送线圈(例如，发送线圈6.1)发送信号电流时，测量在该发送线圈的所归属的重叠的接收线圈(例如，接收线圈7.1和7.2)中感应的电压。换句话说，当通过单个发送线圈发送电流时，在与该单个发送线圈重叠的至少两个接收线圈中测量感应电压。
该测量允许根据以下等式确定发送线圈和接收线圈之间的互阻抗M：
U＝M·I
其中U是接收线圈中的复电压，并且I是发送线圈中的复电流。在互阻抗M是纯电感性的情况下，值M变为纯虚，并且其值可以根据以下等式确定：
U＝L·dI/dt (1)
以及
M＝i·ω·L
以及其中U为接收线圈中的电压，并且dI/dt为发送线圈中的电流的时间导数。
代替明确地测量阻抗M，可以使用指示阻抗M的任何其它参数(即，可以根据其计算阻抗的任何其它参数)。
换句话说，本发明有利地包括以下步骤：根据接收线圈中的测量的电压确定测量的参数，该测量的参数指示至少一个发送线圈和一个接收线圈的互阻抗。
如果电流I是正弦信号，则电流I和电压U可以被表达为复数：
I＝I0·exp(iωt) (2)
U＝U0·exp(iωt)
其中ω标示电流的角频率，并且I0和U0是复数，分别标示电流和电压的幅度和相位。在这种情况下，互阻抗M也是复数，并且它可以(忽略常数值ω以及因子i)被定义为：
M＝U0/I0。 (3)
在这种情况下，互阻抗M是复值量，其绝对值A描述两个线圈的电感性耦合的强度，并且其相位P描述耦合的相移，即，
M＝A·exp(i·P) (4)
等效地，复互阻抗M可以例如由它的实值Re(M)以及它的虚值Im(M)表达。
互阻抗或跨阻抗M的复值取决于样品3在发送线圈和接收线圈之间延伸的磁场的区域处的结构。特别地，它强烈地受到该区域中任何导电和/或铁磁性物体的影响。
线圈设计：
有利地，每对归属的发送和接收线圈6、7的几何形状和相互位置被选择为使得在所述区域中不存在导电和/或铁磁性物体的情况下，互阻抗M为零，特别是在它比发送线圈和接收线圈的自阻抗的阻抗小至少五倍(特别是小至少十倍，特别是小至少三十倍)的意义上为零。
在如图3中所示的相等半径r的圆形单圈线圈的情况下，以及如图5中更详细示出的，如果线圈的中心之间的距离D大约为例如1.6.r，则为零的互阻抗M可以实现，这在很大程度上取决于线圈绕组的数量和分布。
更一般而言，在这种设计中，发送线圈和接收线圈被布置为覆盖若干区域，即：
-仅由发送线圈覆盖的第一区域40。
-由发送线圈和所述接收线圈两者覆盖的重叠区域41。
-仅由接收线圈覆盖的第二区域42。
如上面提到的，图5的线圈设计的具有最大灵敏度的区域位于重叠区域41的几何中心，即质心处，在该重叠区域41中发送线圈和接收线圈两者重叠。该点形成感测节点S，并在图5中由小十字表示。
如图3和图6中所示，图5的设计可以用于构建重叠的发送线圈和接收线圈6、7的行。
图7示出了在测量的区域中没有导电和/或铁磁性物体的情况下具有零互阻抗M的发送线圈6和接收线圈7的设计的另一个示例。
在所示的实施例中，两个线圈中的一个线圈(例如，发送线圈6)形成第一电流回路6a和第二电流回路6b，其中该第一电流回路6a被布置在该第二电流回路6b内，特别是同心地布置在该第二电流回路6b内。两个电流回路6a、6b被连接为承载相反的电流。第二线圈(例如接收线圈7)形成布置在该第一电流回路6a和该第二电流回路6b之间的第三电流回路7a。
在图7的实施例中，感测节点S被布置在三个电流回路6a、7b、7a的中心。
回路6a、6b、7a可以由单个绕组或多个绕组组成。
校准：
为了提高信号准确度，可以对设备进行校准，并且校准数据可以存储在存储器22中。
例如，校准测量可在测量范围内不存在任何导电和/或铁磁性物体的情况下进行。对于每对发送线圈6和所归属的接收线圈7，测量互阻抗M0。即使该互阻抗M0应为零，实际上始终会存在与该值很小的偏差。所有这样的线圈对的偏差在存储器22中存储为校准参数。
在执行测量时，将所测量的参数M(即指示两个归属的发送和接收线圈之间的互阻抗的参数)与同一对线圈的相应校准参数M0进行比较，例如，通过计算差M-M0，并且使用该结果来表征样品3中的导电和/或铁磁性物体。
信号处理：
如式(4)中所示，复互阻抗M可以例如用幅度参数A以及相位参数P表达。
有利地，本发明不仅涉及幅度参数A的测量，而且涉及相位参数P的测量(或者，例如，复阻抗的实值和虚值)，因为相位信息提供了用于表征嵌入在样品3中的导电和/或铁磁性物体的附加的重要了解。参考图8-图11对此进行了图示。
图8示出了作为钢筋的直径的函数的相位P的模拟数据和所测量的数据，该钢筋具有相对磁导率μ＝65，并且在c＝50mm的覆盖度下被嵌入在混凝土中。
如可以看到的，相位P在很大程度上取决于直径d。
图9示出了相位P也取决于钢筋的磁导率。
另一方面，图10示出了相位P仅微弱地随着覆盖深度c变化。
图11示出了作为钢筋位置(即，图5的发送线圈的中心和钢筋沿着方向X的相对位置)的函数的幅度参数A(阻抗的绝对值)。如可以看到的，该值随位置强烈地改变，并且峰的宽度是覆盖度c和直径d的函数。
图12示出了与图11相同倒数针对相位的相关性(dependence)。如可以看到的，相位P改变较不强烈。
图9至图12图示了相位P以及幅度A的特性(behavior)是以下参数的函数：
c：物体的覆盖度，即，其在混凝土样品内的深度；
p：所述物体在平行于混凝土的表面的平面内的位置；
d：物体的直径；
μ：物体的磁导率；
σ：所述物体的电导率。
这种相关性可以在数学模型中表达，即
A＝A(c,p,d,μ,σ) (5)
P＝P(c,p,d,μ,σ)。
考虑到励磁电流的不同频率f，这种相关性可以用更复杂的数学模型来表达，即
A＝A(c,p,d,μ,σ,f) (6)
P＝P(c,p,d,μ,σ,f)。
通过使用如由式(6)表达的频率相关的模型，可以获得附加的信息，特别是因为磁导率μ以及电导率σ(较不如此)是频率相关的参数。
因此，有利地，本发明包括测量描述在多个频率处的互阻抗和/或自阻抗的复值的步骤，例如通过依次施加这些频率，或者通过施加这些频率的叠加并过滤所返回的信号。
函数A和P可以使用模拟方法(诸如有限元模拟，例如，如由美国Burlington的Comsol公司的Comsol
建模软件提供的)来计算。
因此，对A和P在某些频率f处的测量值的知晓允许使用标准曲线拟合技术或均衡微积分来确定参数c、p、d、σ和μ中的至少一个。
特别地，如从图9中的强相关性可以看到的，对相位P的知晓允许以良好的准确度确定磁导率μ和/或电导率σ。
另一方面，如果该磁导率μ和/或电导率σ是已知的，则测量的方法可以包括以下步骤：询问用户为给定的要表征的物体提供这些值中的一个或两个，例如，通过在输入/输出设备32上输入值。这允许以更高的准确度确定参数c和/或d。
通过在样品3上沿着方向X平移设备以及连续测量作为轮子的位置的函数的幅度A和相位P的值，可以记录空间分辨图像。
因此，本发明还涉及一种操作该设备的方法，其中所述方法包括以下步骤：在位移方向X上相对于线圈的至少一个行10.1、10.2横向地(特别是垂直地)使设备位移，同时记录物体的空间分布。记录在行10.1、10.2的方向Y上(通过使用不同互阻抗的结果)以及在位移方向X上(通过在沿着X使设备位移的同时重复测量)进行。
该过程允许例如检测平行于位移方向X延伸的钢筋。(对于仅使用单个线圈或单对线圈的常规设计，检测这种类型的钢筋是困难的，或者甚至是不可能的。)
考虑两个行10.1和10.2(图3)之间的偏移，以使这些行中的线圈的测量值相互关联。
以这种方式记录的数据可以用于使用由S.Quek等人在NDT&E International 36(2003),7-18中描述的技术来生成导电和/或铁磁性物体的三维模型。
备注：
必须注意的是，因为从给定线圈到另一个线圈的互阻抗与从另一个线圈到给定线圈的互阻抗相同，因此发送线圈6和接收线圈7的角色可以互换。因此，例如在图3中，线圈6.x可以充当接收线圈，并且线圈7.x可以充当发送线圈。类似地，在图5-图7中，线圈7可以充当发送线圈，并且线圈6可以充当接收线圈。
虽然示出并描述了本发明的当前优选实施例，但是应当清楚地理解的是，本发明不限于此，而是可以在以下权利要求的范围内以其它方式不同地实施和实践。
Claims (29)
1.一种用于借助于电感性测量来表征嵌入在混凝土中的导电和/或铁磁性物体的设备，所述导电和/或铁磁性物体特别是钢筋，所述设备包括：
壳体(1)，
多个发送线圈(6)和多个接收线圈(7)，以至少一个行(10.1，10.2)布置在所述壳体(1)内或所述壳体(1)上。
2.如权利要求1所述的设备，还包括布置在所述壳体(1)上的轮子(2)，其中所述轮子(2)被定向成使所述壳体沿着横向于所述行(10.1，10.2)的位移方向(X)在样品的表面上滚动。
3.如权利要求2所述的设备，还包括检测所述轮子(3)中的至少一个轮子的旋转的编码器(35)。
4.如权利要求2或3中的任一项所述的设备，其中所述位移方向(X)垂直于所述行(10.1，10.2)。
5.如前述权利要求中的任一项所述的设备，还包括：
驱动器(23)，适于并构造成在所述发送线圈(6)中生成交流电流和/或脉冲电流，以及
接收器(27)，适于并构造成测量由所述电流在所述接收线圈(7)中感应的电压。
6.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中每个接收线圈(7)在重叠区域(41)中与至少一个所归属的发送线圈(6)重叠，其中所述接收线圈(7)和所述所归属的发送线圈(6)之间的互阻抗在所述设备的测量范围内没有物体的情况下为零。
7.如权利要求6所述的设备，其中至少一些接收线圈(7)中的每一个接收线圈归属于至少两个发送线圈(6)，并与所述至少两个发送线圈(6)重叠。
8.如权利要求6或7中的任一项所述的设备，其中至少一些发送线圈(6)中的每一个发送线圈归属于至少两个接收线圈(7)，并与所述至少两个接收线圈(7)重叠。
9.如权利要求7或8中的任一项所述的设备，其中所述接收线圈及所述接收线圈的所归属的发送线圈覆盖
仅由所述发送线圈(6)覆盖的第一区域(40)，
由所述发送线圈和所述接收线圈(6，7)二者覆盖的重叠区域(41)，以及
仅由所述接收线圈(7)覆盖的第二区域(42)。
10.如权利要求7或8中的任一项所述的设备，其中
所述所归属的接收线圈(7)和发送线圈(6)中的第一个形成第一电流回路(6a)和第二电流回路(6b)，其中所述第一电流回路(6a)被布置在所述第二电流回路(6b)内，特别是同心地布置在所述第二电流回路(6b)内，并且其中所述第一电流回路和所述第二电流回路被连接为承载相反的电流，
所述所归属的接收线圈(7)和发送线圈(6)中的第二个形成布置在所述第一电流回路和所述第二电流回路(6a，6b)之间的第三电流回路(7a)。
11.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中每个接收线圈(7)在重叠区域(41)中与至少一个所归属的发送线圈(6)重叠，其中每个重叠区域(41)限定在所述重叠区域(41)的几何中心处的感测节点(S)，
其中所述感测节点(S)被布置在若干平行的行(10.1，10.2)中，并且相互偏移小于同一行的相邻节点(S)之间的距离，使得在沿着垂直于所述行(10.1，10.2)的方向(X)的投影中，感测节点(S)以规则的间隔(V)布置。
12.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述至少一个行(10.1，10.2)交替地并以重叠的方式包括多个所述接收线圈(7)和多个所述发送线圈(6)。
13.如前述权利要求中的任一项所述的设备，包括所述线圈的至少第一(10.1)行和第二(10.2)行，其中所述行(10.1，10.2)彼此平行地延伸。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述行(10.1，10.2)中的每个行交替地并以重叠的方式包括多个所述接收线圈(7)和多个所述发送线圈(6)。
15.如权利要求14所述的设备，其中在垂直于所述行(10.1，10.2)的投影中，所述第一行(10.1)的每个线圈被布置在所述第二行(10.2)的两个重叠线圈之间的中心。
16.如前述权利要求中的任一项所述的设备，其中所述线圈(6，7)被布置在所述壳体(1)的第一侧(1a)，并且其中所述壳体(1)还包括与所述第一侧(1a)相对的第二侧(1b)，并且其中所述设备包括
被安置在所述线圈(6，7)与所述壳体(1)的所述第二侧(1b)之间的导电和/或铁磁性屏蔽件(9a)，
并且特别地，其中所述屏蔽件(9a)位于距线圈(6，7)一定距离处，并且/或者其中所述屏蔽件(9a)位于线圈(6，7)与所述设备的至少一些电子电路系统(9b)之间。
17.一种用于操作如前述权利要求中的任一项所述的设备的方法，包括以下的重复步骤：
通过所述发送线圈(6)中的至少一个发送线圈发送电流，以及
测量由所述电流在所述接收线圈(7)中的至少一个接收线圈中感应的电压。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述电流是交流电流和/或脉冲电流，特别是CW交流电流。
19.如权利要求17或18中的任一项所述的方法，其中所述电流一次仅通过所述发送线圈(6)中的单个发送线圈发送。
20.如权利要求19所述的方法，包括以下步骤：在通过所述单个发送线圈发送所述电流的同时，测量与所述单个发送线圈重叠的至少两个接收线圈(7)中的感应电压。
21.如权利要求17至20中的任一项所述的方法，包括以下步骤：根据所述电压确定指示所述发送线圈(6)中的至少一个发送线圈和所述接收线圈(7)中的一个接收线圈的互阻抗的测量参数。
22.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：将所述测量参数与校准参数进行比较，所述校准参数指示在没有所述物体的情况下所述发送线圈(6)中的所述一个发送线圈和所述接收线圈(7)中的所述一个接收线圈之间的互阻抗。
23.如权利要求17至22中的任一项所述的方法，包括以下步骤：横向于，特别是垂直于所述至少一个行(10.1，10.2)在位移方向(X)上使所述设备位移，同时记录所述物体在所述至少一个行的方向(Y)上以及在所述位移方向(X)上的空间分布。
24.一种用于借助于电感性测量来表征嵌入在混凝土中的导电和/或铁磁性物体的方法，特别是如权利要求17至23中的任一项所述的方法，所述导电和/或铁磁性物体特别是钢筋，所述方法包括以下步骤
测量指示发送线圈(6)和接收线圈(7)之间的互阻抗或指示组合的发送线圈和接收线圈的自阻抗的复值，
使用所述复值来表征物体。
25.如权利要求24所述的方法，包括计算以下参数中的至少一个参数的步骤
c：由所述混凝土对所述物体的覆盖度，
p：所述物体在平行于所述混凝土的表面的平面内的位置，
d：所述物体的直径，
μ：所述物体的磁导率，
σ：所述物体的电导率，
使用使所述幅度参数A和所述相位参数P与所述参数c、p、d、μ、σ相关的数学模型。
26.如权利要求25所述的方法，包括根据所述数学模型计算所述磁导率μ和/或所述电导率σ的步骤。
27.如权利要求25所述的方法，包括询问用户以提供给定的要表征的物体的所述磁导率μ和/或所述电导率σ的步骤。
28.如权利要求24至27中的任一项所述的方法，包括使用如权利要求1至16中的任一项所述的设备来测量所述复阻抗。
29.如权利要求24至28中的任一项所述的方法，包括在多个频率(f)处测量所述复值的步骤。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/CH2017/000060 WO2018232533A1 (en) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | INDUCTIVE CHARACTERIZATION OF A METALLIC OBJECT INCORPORATED IN CONCRETE AND DETECTION DEVICE THEREOF |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110832312A true CN110832312A (zh) | 2020-02-21 |
Family
ID=59296654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201780092405.4A Pending CN110832312A (zh) | 2017-06-20 | 2017-06-20 | 嵌入在混凝土中的金属物体的电感性表征和相关检测设备 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20200124550A1 (zh) |
| EP (1) | EP3612824A1 (zh) |
| JP (1) | JP2020524284A (zh) |
| KR (1) | KR20200016867A (zh) |
| CN (1) | CN110832312A (zh) |
| RU (1) | RU2019142486A (zh) |
| WO (1) | WO2018232533A1 (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7421072B2 (ja) * | 2019-12-18 | 2024-01-24 | 日本製鉄株式会社 | 鋼材表層検査装置 |
| CN111457953A (zh) * | 2020-04-01 | 2020-07-28 | 深圳市四方电气技术有限公司 | 一种旋转编码器自动校准检测系统以及方法 |
| WO2022061475A1 (en) * | 2020-09-28 | 2022-03-31 | Atomic Energy Of Canada Limited / Énergie Atomique Du Canada Limitée | Deep electromagnetic rebar probe |
| FR3131380B1 (fr) * | 2021-12-23 | 2024-05-10 | Centre Detudes Et De Rech De Lindustrie Du Beton | Procede de determination de la concentration et de l’orientation de fibres metalliques contenues dans une piece en beton |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4417931C1 (de) * | 1994-05-19 | 1995-08-17 | Inst Umwelttechnologien Gmbh | Schaltungsanordnung zur Wahrnehmung und Ortung von Metallgegenständen |
| EP1092988B1 (en) * | 1999-10-13 | 2007-04-11 | HILTI Aktiengesellschaft | Inductive sensor arrangement and method for detecting ferrous objects |
| DE10122741A1 (de) * | 2001-05-10 | 2002-11-14 | Bosch Gmbh Robert | Detektor zur Ortung metallischer Gegenstände |
| JP4327745B2 (ja) * | 2005-02-18 | 2009-09-09 | 株式会社日立製作所 | 渦電流探傷プローブ及び渦電流探傷装置 |
| US9726518B2 (en) * | 2012-07-13 | 2017-08-08 | Qualcomm Incorporated | Systems, methods, and apparatus for detection of metal objects in a predetermined space |
| CN104969062B (zh) | 2013-01-14 | 2018-01-19 | 博势股份有限公司 | 带有二维线圈阵列的基于阻抗的测量装置 |
| EP3217193A1 (en) * | 2016-03-07 | 2017-09-13 | HILTI Aktiengesellschaft | Scanning detector and control method |
-
2017
- 2017-06-20 JP JP2019570543A patent/JP2020524284A/ja active Pending
- 2017-06-20 EP EP17736870.1A patent/EP3612824A1/en not_active Withdrawn
- 2017-06-20 CN CN201780092405.4A patent/CN110832312A/zh active Pending
- 2017-06-20 RU RU2019142486A patent/RU2019142486A/ru unknown
- 2017-06-20 KR KR1020197037231A patent/KR20200016867A/ko unknown
- 2017-06-20 WO PCT/CH2017/000060 patent/WO2018232533A1/en active Application Filing
- 2017-06-20 US US16/624,392 patent/US20200124550A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20200124550A1 (en) | 2020-04-23 |
| WO2018232533A1 (en) | 2018-12-27 |
| JP2020524284A (ja) | 2020-08-13 |
| EP3612824A1 (en) | 2020-02-26 |
| RU2019142486A (ru) | 2021-07-20 |
| KR20200016867A (ko) | 2020-02-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110832312A (zh) | 嵌入在混凝土中的金属物体的电感性表征和相关检测设备 | |
| CA2308166C (en) | Absolute property measurement with air calibration | |
| US11791659B2 (en) | Inductive power transmitter | |
| EP1196737B1 (en) | Method and apparatus for inductive measurement of a dimension of an object | |
| US7511485B2 (en) | Magnetic field measurement method and system | |
| US10509003B2 (en) | Conductivity sensor and method for determining the electrical conductivity of a liquid medium | |
| CN102870011B (zh) | 金属的或磁性对象的检测 | |
| WO2001029500A9 (en) | A digital eddy current proximity system: apparatus and method | |
| Angani et al. | Transient eddy current oscillations method for the inspection of thickness change in stainless steel | |
| EP3139161B1 (en) | Multi-element sensor array calibration method | |
| JP2011185623A (ja) | 表面処理評価装置 | |
| JP6843430B2 (ja) | 鉄筋コンクリートの鉄筋径とかぶりの測定装置 | |
| US7417424B2 (en) | Magnetic-field-measuring device | |
| EP3896495B1 (en) | Locator self-test | |
| US12003117B2 (en) | Foreign object detection in wireless power transfer | |
| JP2007139498A (ja) | 比抵抗測定装置 | |
| JP2020038113A (ja) | 電流測定装置および電流測定方法 | |
| US20030193346A1 (en) | Sensor device for determining the layer thickness of a thin layer | |
| CN104685381B (zh) | 用于确定物体深度的定位装置 | |
| US20230366870A1 (en) | Deep electromagnetic rebar probe | |
| JP4680572B2 (ja) | 磁界測定方法及び磁界測定システム | |
| JP2020501147A (ja) | 自動車電池電流検知システム | |
| JP2000002732A (ja) | 電波可視化方法及び装置 | |
| WO2022167013A1 (en) | Portable device for measuring the impedance spectrum of steels and method of measurement | |
| Heinzle | Eddy current testing using the bode 100 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200221 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |