CN114459331B - 一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法，属于磁测量领域。本方法以铁磁物质在外磁场作用下的磁化效应为理论基础，首先分别计算了圆柱形永磁体原磁场与钢筋磁化磁场的空间磁场理论值，从而得到在钢筋影响下的空间磁场强度叠加值，其次利用仿真软件建立精细化模型进行分析计算，验证理论计算结果并得到钢筋参数与检测值之间的关系，最后根据最小平方误差式对仿真值进行拟合，利用拟合函数式反演钢筋参数。这种方法依据理论计算及仿真验证，为混凝土内钢筋检测提供理论依据，同时提高了混凝土构件内钢筋的参数测量的精确度，对实际工程中的应用具有重要意义。

Description

一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法

技术领域

本发明属于磁测量领域，涉及一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法。

背景技术

钢筋混凝土结构广泛应用于各类建筑设施及电力基础设施中，其内部钢筋埋深及直径的规范与否对钢筋混凝土耐久性有较大影响。当混凝土内钢筋直径过埋深不符合设计规范时将直接导致混凝土结构抗压、抗冲击等能力大打折扣。因此，准确掌握混凝土内部钢筋的直径以及埋深精确值，能够对各类钢筋混凝土设施进行质量评估具有重要意义。

对钢筋埋深进行测量及直径进行测量，现阶段检测方法包括探地雷达法、红外检测法、射线检测以及电磁感应测量法。探地雷达能够对钢筋参数进行直观精确的测量，但限制其广泛应用的一个主要原因就是昂贵的设备价格。红外线成像探测的面积大，能够较短时间内完成较大面积的探测工作，但是其原理本身的限制导致很难提供精确的保护层厚度、钢筋直径等数据，只能获得混凝土内部结构的成像。基于放射线的测量方法探测深度最深可达1000mm，检测结果成像直观，但是探测设备体积大、价格高，其本身带来的放射性很可能由于操作不当损害操作人员的身体健康。电磁感应测量虽然探测深度相对较小，但设备轻便、价格便宜，被广泛使用，需要注意的是只有当钢筋分布比较稀疏的并且位于混凝土近表面时，才能得到不错的测量结果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算圆柱形永磁体空间磁场；

S2：计算钢筋磁化磁场；

S3：钢筋参数函数的拟合及反演。

可选的，所述S1具体为：

对于底面半径为r₀、高为h且饱和剩磁为B_r的圆柱形永磁体，依据毕奥萨伐尔定律对其外部空间磁场进行计算；

在圆柱形永磁体的曲面上取大小为dz₀dθ的等效磁化电流节点，则整体曲面上的的闭合磁化电流对外部空间一点P(x,y,z)产生的磁感应强度B₁由节点电流的二重积分计算得到，并由x,y,z上的分量B_x,B_y,B_z表示空间磁场的分布情况，结果如式(1)所示：

圆柱形永磁体的磁场是有关其尺寸(r₀,h)、空间位置P(x,y,z)及剩磁强度B_r的函数，如式(2)所示：

B₁＝f(r₀,h,x,y,z,B_r) (2)。

可选的，所述S2具体为：

钢筋因磁化产生的二次磁场如式(3)所示：

式中，M为铁磁物质磁极化强度，μ₀为真空磁导率，r为磁化区域到空间某点的矢径；式中的积分范围V′及S′与钢筋直径d成正相关关系，而矢径r与钢筋埋深l呈负相关关系，钢筋磁化磁场与钢筋直径、埋深相关；将钢筋产生的二次磁场与原磁场叠加得到，在钢筋存在的情况下，空间中任意一点处的磁感应强度，如式(4)所示：

B′＝B₁+B₂ (4)。

可选的，所述S3具体为：

根据仿真参数化扫描进行计算，得到钢筋埋深及直径与检测值的数值关系；利用最小平方误差公式如式(5)所示：

式中，f(x)为多次拟合函数，Loss函数为误差计算函数，a₀～a_k为各次项系数，x_i为第i个检测值；对其求偏导并为0时拟合函数最优；拟合得到相对应的理论函数关系式B′＝ξ(d,l)，作为判定依据，将实际中利用磁测量元件测得的数据带入到拟合曲线的函数表达式中，求出混凝土内部钢筋对应直径及埋深。

本发明的有益效果在于：本方法以铁磁物质在外磁场作用下的磁化效应为理论基础，首先分别计算量永磁体原磁场与钢筋磁化磁场的空间磁场理论值，从而得到在钢筋影响下的空间磁场强度叠加值，其次利用仿真软件建立精细化模型进行分析计算，验证理论计算结果并得到钢筋参数与检测值之间的关系，最后根据最小平方误差式对仿真值进行拟合，利用拟合函数式反演钢筋参数。这种方法依据理论计算及仿真验证，大大提高了混凝土构件内钢筋的参数测量的精确度，对实际工程中的应用具有重要意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为钢筋直径及埋深计算流程图；

图2为圆柱形永磁体磁场计算模型；

图3为钢筋磁化仿真分析三维模型图；

图4为埋深、直径与检测点磁场强度之间的关系图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本文提出了一种基于磁化效应的钢筋直径及埋深计算方法，旨在实现混凝土内部钢筋参数的精确测量，保证钢筋混凝土结构的质量。图1为钢筋直径及埋深的计算整体流程图，下面根据流程图对本发明的具体实施方式进行介绍。

图2为圆柱形永磁体的磁场计算模型，对于底面半径为r₀、高为h且饱和剩磁为B_r的圆柱形永磁体，可依据毕奥萨伐尔定律对其外部空间磁场进行计算。如图所示，在圆柱形永磁体的曲面上取大小为dz₀dθ的等效磁化电流节点，则整体曲面上的的闭合磁化电流对外部空间一点P(x,y,z)产生的磁感应强度B₁可以由节点电流的二重积分计算得到，并由x,y,z上的分量B_x,B_y,B_z表示空间磁场的分布情况，结果如式(1)所示：

圆柱形永磁体的磁场是有关其尺寸(r₀,h)、空间位置P(x,y,z)及剩磁强度B_r的函数，如式(2)所示：

B₁＝f(r₀,h,x,y,z,B_r) (2)

其次，对钢筋因磁化产生的二次磁场如式(3)所示：

式中，M为铁磁物质磁极化强度，μ₀为真空磁导率，r为磁化区域到空间某点的矢径。式中的积分范围V′及S′与钢筋直径d成正相关关系,而矢径r与钢筋埋深l呈负相关关系，因此钢筋磁化磁场与钢筋直径、埋深相关。将钢筋产生的二次磁场与原磁场叠加可得到在钢筋存在的情况下，空间中任意一点处的磁感应强度如式(4)所示：

B′＝B₁+B₂ (4)

钢筋磁化效应使有效增强原磁场，增强程度与钢筋直径及埋深相关，且根据永磁体原磁场与磁化磁场可以得到叠加磁场强度值。

图3为钢筋磁化仿真分析三维图，首先分别对圆柱形永磁体和钢筋的参数进行设定，圆柱形永磁体为半径r₀、高度h及剩磁强度B_r，钢筋直径d，埋深为l。设定完成后，保持永磁体尺寸及剩磁参数不变，改变钢筋直径与埋深，进行参数化扫描。仿真分析的三维结果如图所示，其中由于钢筋磁导率远大于空气，磁场沿着钢筋分布，同时，在靠近钢筋表面的地方磁场强度发生变化。

图4为埋深、直径与检测点之磁场强度之间的关系图。根据仿真参数化扫描进行计算，可以得到如图(4)所示的数值关系图。进一步利用利用最小平方误差公式进行拟合，拟合式如(5)所示：

式中，f(x)为多次拟合函数，Loss函数为误差计算函数，a₀～a_k为各次项系数，x_i为第i个检测值。对其求偏导并为0时拟合函数最优。拟合可以得到相对应的理论函数关系式B′＝ξ(d,l)。以此为判定依据，将实际中利用磁测量元件测得的数据带入到拟合曲线的函数表达式中，便可求出混凝土内部钢筋对应直径及埋深。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种基于磁化效应的混凝土内钢筋埋深及直径测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：计算圆柱形永磁体空间磁场；

S2：计算钢筋磁化磁场；

S3：钢筋参数函数的拟合及反演；

所述S1具体为：

对于底面半径为r₀、高为h且饱和剩磁为B_r的圆柱形永磁体，依据毕奥萨伐尔定律对其外部空间磁场进行计算；

在圆柱形永磁体的曲面上取大小为dz₀dθ的等效磁化电流节点，则整体曲面上的的闭合磁化电流对外部空间一点P(x,y,z)产生的磁感应强度B₁由节点电流的二重积分计算得到，并由x,y,z上的分量B_x,B_y,B_z表示空间磁场的分布情况，结果如式(1)所示：

圆柱形永磁体的磁场是有关其尺寸(r₀,h)、空间位置P(x,y,z)及剩磁强度B_r的函数，如式(2)所示：

B₁＝f(r₀,h,x,y,z,B_r) (2)

所述S2具体为：

钢筋因磁化产生的二次磁场如式(3)所示：

式中，M为铁磁物质磁极化强度，μ₀为真空磁导率，r为磁化区域到空间某点的矢径；式中的积分范围V′及S′与钢筋直径d成正相关关系，而矢径r与钢筋埋深l呈负相关关系，钢筋磁化磁场与钢筋直径、埋深相关；将钢筋产生的二次磁场与原磁场叠加得到，在钢筋存在的情况下，空间中任意一点处的磁感应强度，如式(4)所示：

B′＝B₁+B₂ (4)

所述S3具体为：

根据仿真参数化扫描进行计算，得到钢筋埋深及直径与检测值的数值关系；利用最小平方误差公式如式(5)所示：

式中，f(x)为多次拟合函数，Loss函数为误差计算函数，a₀～a_k为各次项系数，x_i为第i个检测值；对其求偏导并为0时拟合函数最优；拟合得到相对应的理论函数关系式B′＝ξ(d,l)，作为判定依据，将实际中利用磁测量元件测得的数据带入到拟合曲线的函数表达式中，求出混凝土内部钢筋对应直径及埋深。