CN112305074A - 一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，包括用于盛装水泥混凝土的容器，所述容器上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽；以及支撑杆，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。本发明利用超声波的优异特性，通过对发射和接收超声信号的传感器的设计，可以适合各种不同情况的混凝土结构，适用范围广，对不同类型的混凝土水化可以实现很好的在线监测。

Description

一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置
技术领域
本发明涉及一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，属于水泥混凝土质量监测技术领域。
背景技术
水泥混凝土是一种由多种矿物组成的体系，其水化及硬化是一个非常复杂的多相化学反应过程，在不同的水化阶段具有不同的水化特征，其水化特点决定了水泥混凝土结构众多重要的物理性质。目前的研究已经表明，水泥混凝土各项性能的发展都是基于水泥水化这一过程开始的，水泥水化的机制直接影响其水化放热量和放热速率，并影响混凝土的各个物理性能的发展。为了确保混凝土优异的工程性能，需要实时监测水泥混凝土内部的水泥水化特征，这对于保证海洋、隧道、高铁等工程的安全具有重要意义。
现有的混凝土水化监测方法包括水化热法、水化动力学法、扫描电镜法、X射线衍射法等。水化热法适用于水泥水化进程的研究，但是此方法并不适用于水泥基复合体系中水泥水化程度的测定；并且水化热法适用于早期水泥水化进程的监测，并不适用于长龄期水泥水化程度的测试，这是因为水化若干天之后，水泥水化热放热量降低，水化热曲线趋于平缓。水化动力学法一般是针对理想情况而言，对于实际系统的研究不是很准确，但是可以作为一种工程近似来参考。扫描电镜及X射线衍射法制样环节会对水泥混凝土结构部造成破坏，并且不能反映水泥混凝土内部的结构信息及水化程度。
发明内容
针对目前混凝土水化监测领域所存在的不足，本发明提供了一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，该压电超声装置结构可变，使用方便，能够实现各种不同类型水泥混凝土水化进程的在线监测，监测灵敏、准确度高，便于获取水泥混凝土水化进程中的结构信息、预测水泥混凝土结构强度的演变规律，对保障水泥混凝土水化进程中的结构安全、维护人民生命财产安全具有极大的意义。
为了获取水泥混凝土内部结构信息，并且提取水泥混凝土水化不同时间段的水化信息，建立水化强度演化规律，保障水泥混凝土内部结构安全、建筑物安全，保护人民财产安全，非常有必要对水泥混凝土结构进行在线监测。
超声波具有能量高、穿透能力强、方向性好等优点，在水泥混凝土浆体中传播时，会携带丰富的结构信息及水化信息。超声波的传播速度与水泥混凝土的密度、弹性模量、泊松比等有密切的关系，水泥混凝土在水化进程中，由于水泥石颗粒等的存在会产生大量的界面，超声波在其中传播时，受到界面散射、反射等因素的影响，将会不可避免的产生能量损失，使超声波的物理参数发生改变，具体为波速幅值等的改变。通过研究超声波在混凝土中传播的波速、振幅及频率的变化，就可以获得有关水泥混凝土的水化信息。
因此，基于超声波在水泥混凝土浆体中传播的特点，本发明采用超声波原理设计水泥混凝土水化进程在线监测装置，本发明共提供了三种不同类型的水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，具体技术方案如下：
一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器、支撑杆和球形压电超声传感器。其中，用于盛装水泥混凝土的容器的上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽；支撑杆的作用是将球形压电超声传感器固定在容器的中心位置，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。
进一步的，所述球形压电超声传感器与信号发生模块和信号采集系统相连，用于超声波信号的发射和接收，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。该压电超声装置利用球形压电超声传感器向各个方向发射超声波，球形压电超声传感器位于装置的中心位置，超声波抵达容器边缘时发生反射，携带丰富结构信息的超声波再次被同一个球形压电超声传感器接收。该球形压电超声发射传感器既能发射超声波信号，又能接收超声波信号，结构简单。
进一步的，所述球形压电超声传感器的压电元件为球状的压电陶瓷或压电复合材料，极化方向沿球壁直径方向，电极面分别为内外表面。球形压电超声传感器的谐振频率可以根据需要进行选择，例如30-150kHz。这种球形压电超声传感器在现有技术中已经有相关报道，可以直接从现有技术中进行选择。
进一步的，所述限位槽突出于容器底壁或低于容器底壁。限位槽的尺寸优选与支撑杆匹配，以便更好的将支撑杆固定。
进一步的，所述支撑杆贯穿球形压电超声传感器,从而对其固定。支撑杆上的支架的作用是将支撑杆稳定在容器中，从而在倾倒混凝土的时候能够保证球形压电超声传感器一直位于装置的中心位置。球形压电超声传感器固定在混凝土的中心位置，可以使其位于混凝土的中心，使360°均匀接收来自混凝土各部位的超声信号。
进一步的，支架位于支撑杆的上部，在使用时，支架正好位于容器开口处的器壁接触，从而以容器为支撑，对支撑杆进行固定。为了使支架更好的固定支撑杆，支撑杆和支架可以采用可拆卸连接或者滑动连接的方式进行连接，以便在使用时可以调整支架的位置。所述可拆卸连接和滑动连接可以采用现有技术中报道的各种可行的方式，例如卡扣连接、螺纹连接，滑槽和滑杆连接等。当采用滑槽和滑杆连接时，滑槽可以位于支撑杆上，也可以位于支架上，当滑槽位于支撑杆上时，滑杆位于支架上，当滑槽位于支架上时，滑杆位于支撑杆上。再例如，可以在支架上设置一个限位环，所述限位环位于支架与支撑杆接触的部位，支撑杆贯穿限位环，在限位环上还设置固定螺丝，以对支架进行固定。
进一步的，所述支架可以采用各种既能满足固定支撑杆又能方便倾倒混凝土的结构，优选由至少两根限位杆构成，最优选由至少3根限位杆构成。
进一步的，所述容器、支撑杆、支架均为金属材质，优选为不锈钢材质。
上述结构的水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置结构简单、布置方便、成本低，仅需一个球形压电超声传感器，可以实现360°发射和接收信号，能够对混凝土水进行进行全方位在线监测。但是该装置监测的准确性随容器体积的增加降低明显，仅适合于容器体积较小的情况。因此，这种类型的装置适合于体积较小的混凝土结构的水化情况的监测。
进一步的，本发明还提供了一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器、支撑杆和球形压电超声传感器。其中，用于盛装水泥混凝土的容器的上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽；支撑杆的作用是将球形压电超声传感器固定在容器的中心位置，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。此外，在所述容器的器壁上设有多个开口，每个开口内设有一个压电超声接收传感器，用于接收超声信号。
进一步的，所述开口的尺寸与压电超声接收传感器匹配，开口的高度与球形压电超声传感器的高度相同。优选的，开口的个数大于等于4个。
进一步的，所述压电超声接收传感器均匀分布，每个压电超声接收传感器与球形压电超声传感器的距离相等。容器的形状可以是正方形，也可以是圆柱形。当为正方形时，优选在每个器壁的中央设置一个开口，在开口上设置压电超声接收传感器。当为圆柱形时，优选在圆柱形器壁上等距设置若干压电超声接收传感器。
进一步的，在本发明某一具体实施方式中，所述容器为正方形，尺寸60cm*60cm*60cm，在容器的4个壁上分别设有一个开口，每个开口位于器壁的中央，每个开口处安置一个压电超声接收传感器，因为压电超声接收传感器的尺寸较小，且器壁具有一定的厚度，因此压电超声接收传感器可以稳定的安放在开口中。
进一步的，所述用于接收超声波的压电超声接收传感器的压电元件为长条状、圆环状、柱状或球状的压电陶瓷或压电复合材料。长条状压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的厚度方向，圆环状、柱状或球状的压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的直径方向。这些压电超声接收传感器在现有技术中也有相关报道，可以直接从现有技术中进行选择。
进一步的，所述球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，所述压电超声接收传感器与信号采集系统相连，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。球形压电超声传感器不再与信号采集系统与信号分析与处理系统相连，球形压电超声传感器仅起到发射超声信号的作用。不同方向的压电超声接收传感器将不同部位接受的超声波信号发送给信号采集系统和信号分析与处理系统进行分析，得到水化信息。
进一步的，所述支架的结构与前面所述一致。
上述结构的水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置采用球形压电超声传感器发射信号，采用压电超声接收传感器在水平方向接收信号，对于在水平方向的混凝土结构的水化情况能够比较准确的在线监测，且检测距离相较于上述第一种更远，适合于仅对水平方向的水化情况有监测要求的扁平状混凝土结构的水化情况在线监测。
进一步的，本发明还提供了一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器、支撑杆和球形压电超声传感器。其中，用于盛装水泥混凝土的容器的上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽；支撑杆的作用是将球形压电超声传感器固定在容器的中心位置，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。此外，所述支撑杆上还固定有圆环组，所述圆环组由若干直径相同或不同的圆环组成，各圆环均以球形压电超声发射传感器为球心，在圆环组上设置有若干压电超声接收传感器。
进一步的，所述圆环组上可以只有一种直径的圆环，也可以有多种不同直径的圆环。优选的，圆环组上每种直径的圆环的个数大于等于4，以实现超声信号全方位的接收。
进一步的，所述球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，所述压电超声接收传感器与信号采集系统相连，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。压电超声接收传感器围绕球形超声传感器球形分布设置，能够对混凝土结构不同方向、不同部位的水化程度进行全方位监测。
进一步的，所述支架的结构与前面所述一致。
上述结构的水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置采用球形压电超声传感器发射信号，以球形压电超声传感器为球心设置若干接收超声信号的压电超声接收传感器，球形压电超声传感器能够360°无死角发射信号，球形分布的压电传感器可以360°无死角接收信号，且可以根据距离的远近布置多层的压电超声接收传感器，以加大监测距离。该装置在360°全方位监测准确度都很高，能够获取混凝土不同方位的水化情况，数据全面，能更为准确、全面的反映混凝土的实际水化情况，监测距离可调整性强，能够适合各种类型的混凝土结构，既适合小面积的混凝土结构，也适合大面积的混凝土结构。
本发明具有以下优势：
1、本发明利用超声波的优异特性，通过超声传感器对水泥混凝土水化进程进行在线监测，采用球形压电超声传感器进行超声波发射，将其固定在水凝混凝土的中央，可以360°发射信号，无发射死角。
2、本发明结构多变，使用方便，可以重复使用，实用性强，能够比较灵敏、准确的测得水泥混凝土不同方向的水化进行，能够适合不同类型的混凝土结构的水化进程在线监测。
附图说明
图1为实施例1中所示的水泥混凝土水化进程全方位在线监测的压电超声装置的结构示意图。
图2为设有开口的压电超声装置的结构示意图。
图3为实施例3中所示的水泥混凝土水化进程全方位在线监测的压电超声装置的结构示意图。
图中， 1、容器，2、限位槽，3、支撑杆，4、支架，5、球形压电超声传感器，6、开口，7、圆环，8、压电超声接收传感器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步解释和说明，下述说明仅是示例性的，并不对其内容进行限制。
实施例1
一种水泥混凝土水化进程全方位在线监测的压电超声装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器1、支撑杆3和球形压电超声传感器5。其中，用于盛装水泥混凝土的容器的上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽2，限位槽位于容器的底壁中心位置。支撑杆的作用是将球形压电超声传感器固定在容器的中心位置，支撑杆独立存在，在使用时可以放入容器内，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，支撑杆贯穿球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。所述球形压电超声传感器与信号发生模块和信号采集系统相连，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。
在使用时，将支撑杆放入限位槽中，此时支撑杆上的支架与容器的顶端接触，将支撑杆稳定在容器中，球形压电超声发射传感器位于容器的中心位置。放好支撑杆后，将球形压电超声传感器与信号发生模块、信号采集系统相连，将信号采集系统与信号分析与处理系统相连，然后先在容器内壁、支撑杆以及传感器上涂抹脱模剂，再浇注混凝土，浇筑后实时全方位监测。因为球形压电超声传感器360°发射超声波，因此能实现超声波信号的全方位发射和接收。因为容器对超声波具有反射作用，因此超声波抵达容器边缘时发生反射，携带丰富结构信息的超声波再次被同一个球形压电超声传感器接收。监测完后，将水泥混泥土从装置中脱模，然后将固化后的水泥混凝土块破碎，将支撑杆和传感器取出。
进一步的，所述球形压电超声传感器的压电元件为球状的压电陶瓷或压电复合材料，极化方向沿球壁直径方向，电极面分别为内外表面。球形压电超声传感器的谐振频率可以根据需要进行选择，例如30-150kHz。
进一步的，所述限位槽突出于容器底壁或低于容器底壁。限位槽的尺寸优选与支撑杆匹配，以便更好的将支撑杆固定。
进一步的，支撑杆和支架可以采用可拆卸连接或者滑动连接的方式进行连接，以便在使用时可以调整支架的位置。所述可拆卸连接和滑动连接包括卡扣连接、螺纹连接，滑槽和滑杆连接等。当采用滑槽和滑杆连接时，滑槽可以位于支撑杆上，也可以位于支架上，当滑槽位于支撑杆上时，滑杆位于支架上，当滑槽位于支架上时，滑杆位于支撑杆上。
进一步的，在支架上设置一个限位环，所述限位环位于支架与支撑杆接触的部位，支撑杆贯穿限位环，在限位环上还设置固定螺丝，以对支架进行固定。
进一步的，所述支架可以采用各种既能满足固定支撑杆又能方便倾倒混凝土的结构，优选由至少两根限位杆构成，最优选由至少3根限位杆构成。
进一步的，所述容器、支撑杆、支架均为金属材质，优选为不锈钢材质。
实施例2
一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器1、支撑杆3和球形压电超声传感器5。其中，用于盛装水泥混凝土的容器的上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽2，限位槽位于容器的底壁中心位置。支撑杆的作用是将球形压电超声传感器固定在容器的中心位置，支撑杆独立存在，在使用时可以放入容器内，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，支撑杆贯穿球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。如图2所示，在容器的器壁上开设了若干个开口，开口的高度与球形压电超声传感器相同。当容器为正方形时，每个器壁上均设有开口，优选每个器壁上开设一个开口，开口位于器壁的中央。当容器为圆柱状时，开口均匀分布在整个圆柱壁上，优选开设4个开口。在每个开口内活动的放置有一个压电超声接收传感器。每个压电超声接收传感器的作用是接收球形压电超声传感器发射的超声信号，因此每个压电超声接收传感器与信号采集系统相连，信号采集系统与信号分析与处理系统相连。在此结构中，球形压电超声传感器仅用于发射超声信号，因此球形压电超声传感器仅与信号发生模块相连。
进一步的，所述开口的尺寸与压电超声接收传感器匹配。
进一步的，所述用于接收超声波的压电超声接收传感器的压电元件为长条状、圆环状、柱状或球状的压电陶瓷或压电复合材料。长条状压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的厚度方向，圆环状、柱状或球状的压电超声接收传感器的极化方向沿压电元件的直径方向。
在使用时，将支撑杆放入限位槽中，此时支撑杆上的支架与容器的顶端接触，将支撑杆稳定在容器中，球形压电超声发射传感器位于容器的中心位置。将各压电超声接收传感器放入各开口内，在器壁厚度和开口的限制下，压电超声接收传感器能稳定的停留在开口中。放好支撑杆和压电超声接收传感器后，将球形压电超声传感器与信号发生模块相连，将各压电超声接收传感器与信号采集系统相连，信号采集系统再与超声信号分析与处理系统相连，然后先在容器内壁、支撑杆、以及各传感器上涂抹脱模剂，再浇注混凝土，浇筑后实时全方位监测。监测完后，将水泥混泥土从装置中脱模，然后将固化后的水泥混凝土块破碎，将支撑杆和传感器取出。
进一步的，支撑杆和支架的连接关系，支架的结构均与实施例描述一致。
实施例3
如图3所示，一种水泥混凝土水化进程全方位在线监测的压电超声装置，该装置包括用于盛装水泥混凝土的容器1、支撑杆3和球形压电超声传感器5。其中，用于盛装水泥混凝土的容器的上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽，限位槽位于容器的底壁中心位置。支撑杆的作用是将球形压电超声传感器固定在容器的中心位置，支撑杆独立存在，在使用时可以放入容器内，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，支撑杆贯穿球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。在支撑杆上还固定有圆环组，所述圆环组由若干圆环7组成，各圆环直径相同或不同，各圆环均以球形压电超声发射传感器为球心，在圆环组上设置有若干压电超声接收传感器8，从而使压电超声接收传感器以球形压电超声发射传感器为球心进行分布。圆环组上的压电超声接收传感器的个数、圆环的直径的大小、不用直径的圆环的种类按照监测距离等实际需求进行设置，以实现超声信号全方位接收为准。
在使用时，将支撑杆放入限位槽中，此时支撑杆上的支架与容器的顶端接触，将支撑杆稳定在容器中，球形压电超声发射传感器位于容器的中心位置。放好支撑杆后，将球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，将各压电超声接收传感器与信号接收模块相连，信号接收模块与信号分析与处理模块相连，然后先在容器内壁、支撑杆、圆环以及各传感器上涂抹脱模剂，再浇注混凝土，浇筑后实时全方位监测。监测完后，将水泥混泥土从装置中脱模，然后将固化后的水泥混凝土块破碎，将支撑杆和传感器取出。
进一步的，支撑杆和支架的连接关系，支架的结构均与实施例描述一致。

Claims (10)

1.一种水泥混凝土水化进程在线监测的压电超声装置，其特征是包括：用于盛装水泥混凝土的容器，所述容器上方带有开口，所述容器底壁上设有限位槽；以及
支撑杆，所述支撑杆的上部设有支架，支撑杆的底部位于限位槽内，所述支撑杆通过限位槽和支架竖立在容器中，所述支撑杆上固定有球形压电超声传感器，所述球形压电超声传感器位于容器的中心位置。
2.根据权利要求1所述的压电超声装置，其特征是：所述球形压电超声发射传感器与信号发生模块以及信号采集系统相连，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。
3.根据权利要求1所述的压电超声装置，其特征是：所述容器的器壁上设有多个开口，每个开口内设有一个压电超声接收传感器，用于接收超声信号；优选的，开口的个数大于等于4。
4.根据权利要求3所述的压电超声装置，其特征是：所述开口的尺寸与压电超声接收传感器匹配，开口的高度与球形压电超声传感器的高度相同。
5.根据权利要求3或4所述的压电超声装置，其特征是：所述球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，所述压电超声接收传感器与信号采集系统相连，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。
6.根据权利要求1所述的压电超声装置，其特征是：所述支撑杆上还固定有圆环组，所述圆环组由若干直径相同或不同的圆环组成，各圆环均以球形压电超声发射传感器为球心，在圆环组上设置有若干压电超声接收传感器。
7.根据权利要求6所述的压电超声装置，其特征是：每种直径的圆环的个数大于等于4；优选的，所述球形压电超声发射传感器与信号发生模块相连，所述压电超声接收传感器与信号采集系统相连，所述信号采集系统与信号分析与处理系统相连。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的压电超声装置，其特征是：所述支撑杆贯穿球形压电超声传感器。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的压电超声装置，其特征是：所述支架与支撑杆可拆卸连接或滑动连接；优选的，所述支架由至少两根限位杆组成。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的压电超声装置，其特征是：所述支架与支撑杆卡扣连接、螺纹连接，或者通过滑槽和滑杆连接；优选的，所述支架与支撑杆接触的部位设有限位环，限位环上设有固定螺丝。
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