CN114929446A - 用于使用机电致动器监测新拌混凝土的探测器和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于监测在新拌混凝土搅拌机的滚筒中容纳的新拌混凝土的探测器。该探测器通常具有：机电致动器，其具有安装在滚筒内的框架和可致动地安装到框架的移动元件，该移动元件具有新拌混凝土界面，该新拌混凝土界面暴露在滚筒内并且在用电信号致动机电致动器时经受对滚筒内移动的阻力；以及测量单元，其测量致动期间的阻力响应，并基于测量的阻力响应生成响应信号，如果有的话，所生成的响应信号包括关于滚筒内的新拌混凝土的监测信息。

Description

用于使用机电致动器监测新拌混凝土的探测器和方法
技术领域
改进总体上涉及处理在新拌混凝土搅拌机的滚筒中容纳的新拌混凝土，更具体地涉及在滚筒旋转时测量关于新拌混凝土的信息。
背景技术
新拌混凝土由至少包括给定比例的水泥基材料和水的成分的混合物形成。这些成分通常在搅拌车的滚筒内运输，在滚筒内，新拌混凝土可在浇注之前混合。
即使搅拌车可以延长新拌混凝土的寿命，搅拌车也不能使新拌混凝土无限期地维持。通常，混凝土搅拌机中的新拌混凝土的特性(例如粘度、屈服、坍落度、空气含量和密度)可能随着时间变化。容纳在滚筒内的新拌混凝土的体积也可能变化，因为搅拌车通常也会在行进过程中进行局部卸料。由于应该基于测量的信息来有根据地决定如何处理新拌混凝土，因此存在专门为搅拌车设计的探测器。10,156,547B2号美国专利和公开的PCT/IB2010/054542号国际专利申请(仅举几个例子)中描述了这些探测器的示例。
尽管用于搅拌车或其它新拌混凝土搅拌机的现有探测器在一定程度上是令人满意的，但是仍然存在改进的空间。
发明内容
在一个方面，描述了用于监测在新拌混凝土搅拌机(例如搅拌车)的滚筒中容纳的新拌混凝土的探测器。该探测器通常具有机电致动器，该机电致动器具有安装在滚筒内的框架和可致动地安装到框架的移动元件。该移动元件具有新拌混凝土界面，该新拌混凝土界面暴露在滚筒内并且在用电信号致动机电致动器时经受对滚筒内移动的阻力。在致动期间新拌混凝土界面所经受的阻力在存在新拌混凝土时可能更强，在存在水时可能更弱，并且在存在空气时可能最弱。还设置了测量单元。在使用期间，测量电路测量移动元件的致动期间的阻力响应，并且基于测量的阻力响应生成响应信号。如果有的话，预期所生成的响应信号具有关于滚筒内的新拌混凝土和/或水的监测信息。在一些实施例中，测量电路包括加速度计，其测量新拌混凝土界面的机械响应，在这种情况下，所测量的阻力响应是机械的。另外地或替代地，测量电路包括功率计，其测量在致动期间由机电致动器消耗的电功率的量，在这种情况下，测量的阻力响应是电的。
根据本发明的第一方面，提供了用于监测在新拌混凝土搅拌机的滚筒中容纳的新拌混凝土的探测器，该探测器包括：机电致动器，其具有安装在滚筒内的框架和可致动地安装到框架的移动元件，该移动元件具有新拌混凝土界面，该新拌混凝土界面暴露在所述滚筒内并且在用电信号致动机电致动器时经受对所述滚筒内移动的阻力；以及测量单元，其测量所述致动期间的阻力响应，并基于所述测量的阻力响应生成响应信号，如果有的话，所生成的响应信号包括关于滚筒内的新拌混凝土的监测信息。
进一步根据本发明的第一方面，框架例如可以是围封移动元件的壳体，壳体例如可以具有至少一个给定的壁，该壁具有机械地耦合到移动元件的内侧和用作新拌混凝土界面的外侧。
更进一步，根据本发明的第一方面，给定壁例如可以以具有低于给定厚度阈值的厚度的膜的形式来设置。
更进一步，根据本发明的第一方面，测量单元例如可以具有电气响应传感器，其测量所述机电致动器在所述致动期间的电气响应。
更进一步，根据本发明的第一方面，电气响应传感器例如可以具有电功率计，其测量指示在所述致动期间由所述机电致动器消耗的电功率的电功率值。
更进一步，根据本发明的第一方面，测量单元例如可以具有机械响应传感器，其测量所述机电致动器在所述致动期间的机械响应。
更进一步，根据本发明的第一方面，机械响应传感器例如可以具有位置传感器，其测量指示所述移动元件在所述致动期间的移动振幅的振幅值。
更进一步，根据本发明的第一方面，探测器例如可以进一步具有控制器，其通信地耦合到测量单元，控制器具有处理器和非瞬态存储器，该非瞬态存储器上面存储有指令，当由处理器执行时，这些指令执行基于所述生成的响应信号监测在滚筒中容纳的新拌混凝土的步骤。
更进一步，根据本发明的第一方面，所述致动和测量例如可以在滚筒的至少一次旋转期间执行多次，所述监测例如可以包括：基于在滚筒的至少一次旋转期间所经受的所述阻力响应来确定滚筒内的新拌混凝土的体积。
更进一步，根据本发明的第一方面，所述监测例如可以包括：确定所述新拌混凝土的流变特性，所述流变特性例如可以选自包括粘度、屈服和坍落度的流变特性的组。
更进一步，根据本发明的第一方面，所述监测例如可以包括：确定所述新拌混凝土的物理特性，所述物理特性例如可以选自包括空气含量和密度的物理特性的组。
更进一步，根据本发明的第一方面，所述监测例如可以基于与作为新拌混凝土的不同特性的函数的不同阻力响应有关的校准数据。
更进一步，根据本发明的第一方面，所述电信号是具有随时间振荡的振幅的振荡电信号，在用所述振荡电信号进行的所述致动期间，新拌混凝土界面所经受的阻力响应随时间振荡。
更进一步，根据本发明的第一方面，所述振荡电信号例如可以具有范围在约20Hz至约20kHz之间的频率。
更进一步，根据本发明的第一方面，新拌混凝土搅拌机例如可以是搅拌车。
根据本发明的第二方面，提供了监测在新拌混凝土搅拌机的滚筒中容纳的新拌混凝土的方法，该方法包括：暴露所述滚筒内的新拌混凝土界面；将机电致动器的移动元件机械地耦合到所述新拌混凝土界面；用电信号致动机电致动器，所述致动包括使所述移动元件相对于新拌混凝土界面移动，所述移动元件从而经受经由所述新拌混凝土界面的移动阻力；测量所述致动期间的阻力响应，并且基于所述测量的阻力响应生成响应信号，如果有的话，所生成的响应信号包括关于滚筒内的新拌混凝土的监测信息。
进一步根据本发明的第二方面，所述测量阻力响应例如可以包括：测量所述机电致动器在所述致动期间的电气响应。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述测量电气响应例如可以包括：测量指示在所述致动期间由所述机电致动器消耗的电功率的电功率值。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述测量阻力响应例如可以包括：测量所述机电致动器在所述致动期间的机械响应。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述测量机械响应例如可以包括：测量指示所述移动元件在所述致动期间的移动振幅的振幅值。
更进一步，根据本发明的第二方面，该方法例如可以进一步包括：基于所生成的响应信号来监测所述新拌混凝土。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述致动和所述测量例如可以在滚筒的至少一次旋转期间执行多次，所述监测例如可以包括：基于在滚筒的至少一次旋转期间所经受的所述阻力响应来确定滚筒内的新拌混凝土的体积。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述监测例如可以包括：确定所述新拌混凝土的流变特性，所述流变特性例如可以选自包括粘度、屈服和坍落度的流变特性的组。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述监测包括：确定所述新拌混凝土的物理特性，所述物理特性例如可以选自包括空气含量和密度的物理特性的组。
更进一步，根据本发明的第二方面，所述电信号例如可以是具有随时间振荡的振幅的振荡电信号，所述致动例如可以包括：以至少来回的顺序抵靠新拌混凝土界面移动所述移动元件。
更进一步，根据本发明的第二方面，新拌混凝土搅拌机例如可以是搅拌车。
在阅读本发明之后，本领域技术人员将清楚关于本改进的许多另外特征及其组合。
附图说明
在附图中，
图1是根据一个或多个实施例的用于监测在搅拌车的滚筒中容纳的新拌混凝土的系统的示例的示意图，该系统具有控制器和安装在滚筒内部的探测器；
图2是根据一个或多个实施例的沿着图1的截面2-2截取的图1的滚筒的剖视图；
图3是根据一个或多个实施例的图1的系统的框图，其中探测器具有机电致动器和测量该机电致动器的机械响应的测量单元；
图4是根据一个或多个实施例的图1的控制器的计算设备的示例的示意图；
图5A是根据一个或多个实施例的用于监测在搅拌车的滚筒中容纳的新拌混凝土的探测器的示例的剖视图，示出了具有用作新拌混凝土界面的给定壁的壳体；
图5B是根据一个或多个实施例的图5A的探测器的顶视图；
图6是根据一个或多个实施例的结合有图5A的探测器和控制器的系统的示意图；
图7A是根据一个或多个实施例的示出了作为振荡信号的频率的函数的平均加速度计幅度的曲线图；
图7B是根据一个或多个实施例的示出了在给定频带上积分的图7A的平均加速度计幅度的积分值的曲线图；
图8A是根据一个或多个实施例的示出了作为振荡信号的频率的函数的平均加速度计幅度的曲线图；
图8B是根据一个或多个实施例的示出了在给定频带上积分的图8A的平均加速度计幅度的积分值的曲线图；以及
图9是根据一个或多个实施例的用于监测在搅拌车的滚筒中容纳的新拌混凝土的系统的示例的框图，该系统具有探测器，该探测器具有机电致动器和测量该机电致动器的电气响应的测量单元。
具体实施方式
图1示出了用于处理新拌混凝土12的新拌混凝土搅拌车10(下文中称为“搅拌车10”)的示例。如图所示，搅拌车10具有车架14和可旋转地安装到车架14的旋转滚筒16。由此可见，滚筒16可围绕相对于垂直线20至少部分水平定向的旋转轴线18旋转。
如图例示，滚筒16具有安装在滚筒16内的向内突出的叶片22，当滚筒16沿卸载方向旋转时，叶片迫使新拌混凝土12沿着排出方向24朝向滚筒16的排出口26移动，以便例如在施工现场排出。相反，当滚筒16沿与卸载方向相反的混合方向旋转时，新拌混凝土12保持并在滚筒16内混合。
在一些实施例中，混凝土成分(例如水泥、集料和水)被装载在滚筒16中，之后滚筒16可以在混合方向上以一定的旋转速度旋转一定的转数，以便将混凝土成分彼此适当地混合，因此产生新拌混凝土12。在其它实施例中，将已经混合的新拌混凝土装载到滚筒16内，在这种情况下，新拌混凝土12在排出之前仍可在滚筒16内进一步混合。
如图所示，搅拌车具有用于监测在搅拌车10的滚筒16中容纳的新拌混凝土12的系统100。如下面将描述的，系统100可用于测量关于在滚筒16中容纳的新拌混凝土12的信息。然后，测量的信息可以用于令人满意地处理新拌混凝土12。系统100所测量的信息的示例可包括但不限于物理特性(例如空气含量、密度、温度)、流变特性(例如粘度、屈服、坍落度)或关于新拌混凝土12的其它信息(例如在给定时刻在滚筒16中容纳的新拌混凝土12的体积)。基于所监测的信息，例如可以通过向滚筒16中加入水、向滚筒16中加入混凝土成分、向滚筒16中加入辅助剂、在给定的滚筒转数下以高速范围混合混凝土成分、在给定的时间段内以低速范围搅拌新拌混凝土、以及在施工现场全部或部分地排出新拌混凝土12，来处理新拌混凝土12。
如该实施例所述，系统100具有探测器102，其具有可在新拌混凝土12内致动的机电致动器104和测量机电致动器104在致动期间的响应的测量单元106。系统100还结合有控制器108，其通信地耦合到探测器102，用于基于测量的响应来监测新拌混凝土12。
如图例示，控制器108安装到车架14。在该具体示例中，控制器104安装在搅拌车10的驾驶室内，并且在该示例中具有接收和/或显示信息或警报的用户接口110。尽管在所例示的实施例中控制器108在车上，甚至在驾驶室内，但是应注意，控制器108可以远离搅拌车10，在这种情况下，控制器108与探测器102之间的通信可以是无线的。在一些实施例中，可以省略控制器108。
如图2中最佳看到的，机电致动器104具有固定地安装到滚筒16的探测器框架112。因此，当滚筒16旋转时，机电致动器104以圆周方式在连续的圆周位置上与其一起旋转。作为参考，图2所示的探测器位于180°的任意圆周位置，即，在滚筒16的底部。在该示例中，滚筒16可具有部分地或全部地容纳探测器框架112的开口114。然而，在一些其它实施例中，探测器框架112本身固定地安装到滚筒的内壁30。
机电致动器104具有可致动地安装到探测器框架112的移动元件116。因此，在用电信号致动机电致动器104时，机电致动器104可通过移动元件116的移动将由电信号承载的电能转换为机械能。这种机电致动器104的示例可以包括但不限于线性运动致动器、旋转运动电机、振动致动器、音圈、压电元件、凸轮轴、曲轴等。
如该示例所示，移动元件116具有暴露在滚筒16内的新拌混凝土界面118。预期新拌混凝土界面118可以暴露滚筒16内的新拌混凝土12。实际上，当滚筒16随着时间旋转时，机电致动器104可以移动到新拌混凝土界面118浸入新拌混凝土12中的一些圆周位置，例如，当探测器102在滚筒16的底部时。然而，在一些其它圆周位置处，新拌混凝土界面118可能暴露于空气，例如当探测器102在滚筒16的顶部时。因此，新拌混凝土界面118将总是暴露于周围物质，该周围物质在滚筒16的一些圆周位置处将是新拌混凝土12或其它地方的空气32。在两种情况下，在用电信号致动机电致动器104时，移动元件116的新拌混凝土界面118在其移动通过滚筒16内的周围物质时经受移动阻力。
测量单元106测量机电致动器104在致动期间对该阻力的响应(下文中称为“阻力响应”)，并且基于所测量的阻力响应生成响应信号。由于阻力响应指示新拌混凝土界面118相对于周围物质的移动阻力，因此所生成的响应信号承载关于滚筒16内的新拌混凝土12(如果有的话)的信息。在用给定电信号致动时阻力响应是更大还是更弱可有助于监测滚筒16内的新拌混凝土12，如将在以下段落中描述的。
下面描述可以使用探测器102测量和监测的示例信息：
-在一些实施例中，所测量的阻力响应可用于确定探测器102是暴露于滚筒16内的新拌混凝土12还是空气32。例如，当测量的阻力响应高于(或低于)给定阈值t1时，控制器可确定探测器102暴露于新拌混凝土12。相反，当测量的阻力响应低于(或高于)给定阈值t1时，控制器可确定探测器102暴露于空气32。在一些实施例中，给定阈值t1可以是0.2(归一化任意单位)，在这种情况下，当测量的阻力响应是0.5(或0.1)时，可以确定探测器102暴露于新拌混凝土12，或者当测量的阻力响应是0.1(或0.5)时，可以确定探测器暴露于空气32。根据实施例，例如，在确定探测器102暴露于空气时，控制器可以生成一个或多个警报。
-在一些实施例中，所测量的阻力响应可用于确定探测器102是暴露于滚筒16内的新拌混凝土12、水还是空气。例如，当测量的阻力响应高于(或低于)第一阈值t1和第二阈值t2时，控制器可以确定探测器102暴露于新拌混凝土12。相反，当测量的阻力响应低于(或高于)第一阈值t1和第二阈值t2时，控制器可以确定探测器102暴露于空气。当测量的阻力响应在第一阈值t1与第二阈值t2之间时，控制器可以确定探测器102暴露于水，因为水的密度高于空气的密度但低于新拌混凝土的密度。根据实施例，例如，在确定探测器102暴露于空气或水时，控制器可以生成一个或多个警报。
-在一些实施例中，当滚筒16旋转时，可以监测所测量的阻力响应。因此，可以在对应数量的时间戳或滚筒16的圆周位置处测量给定数量的测量阻力响应。探测器102可以结合有探测器位置传感器(例如一个或多个加速度计)，其在任何给定时间直接或间接测量探测器102的圆周位置，以便与对应的测量阻力响应相关联。在这些实施例中，探测器102进入和离开新拌混凝土12的圆周位置可以通过监测在滚筒16的单次旋转期间测量的阻力响应在哪个圆周位置处越过和返回越过给定阈值t1来确定。然而，在一些其它实施例中，可以省略探测器位置传感器。不管是否使用探测器位置传感器，所测量的阻力响应都可用于确定探测器102在滚筒16的哪个圆周位置θenter和θexit处进入和离开新拌混凝土12。例如，控制器可以确定在滚筒16的给定旋转期间，测量的阻力响应指示探测器102已经在给定的持续时间Δt内保持浸入在新拌混凝土12内。在一些实施例中，对于在滚筒16的单次旋转内测量的阻力响应，持续时间Δt指示在测量响应越过给定阈值t1的时间戳与测量响应返回越过给定阈值t1的另一时间戳之间的时间戳差。在一些其它实施例中，曲线可拟合到测量的阻力响应，然后求解，以获得其与给定阈值t1的交点。如果认为必要，可以有利地基于滚筒16的旋转速度归一化持续时间Δt。在一些实施例中，然后可以将这样的信息与校准数据进行比较，以检索探测器102进入或离开新拌混凝土12的圆周位置θenter和θexit。下面呈现的表1示出了用于这种测量的示例性校准数据。
表1-用于确定探测器102在滚筒16的哪个θenter和θexit进入或离开新拌混凝土12的示例性校准数据
Figure BDA0003573031350000081
在一些实施例中，探测器102进入和离开新拌混凝土12的圆周位置θenter和θexit可与校准数据进行比较，以检索指示滚筒16内的新拌混凝土12的体积的体积值。下面呈现的表2示出了用于这种测量的示例性校准数据。
表2-用于确定滚筒内新拌混凝土体积的示例性校准数据
Figure BDA0003573031350000082
-在一些实施例中，测量的阻力响应可用于确定新拌混凝土界面118暴露于的新拌混凝土12的特性。例如，实验已经证实，假定滚筒16的旋转速度、探测器102上方的混凝土量、新拌混凝土12的粘度、屈服和温度对于容纳在滚筒16中的新拌混凝土12是恒定的，可以将测量的阻力响应与校准数据进行比较，以便确定指示滚筒16内的新拌混凝土12的空气含量的空气含量值。下面呈现的表3示出了用于这种测量的示例性校准数据。
表3-用于确定滚筒内新拌混凝土的空气含量的示例性校准数据
Figure BDA0003573031350000091
在至少一些情况下，新拌混凝土12可以是加气的，这意味着新拌混凝土12每立方英尺含有显著数量(例如数十亿)的微观气隙。已知这些气隙可以通过在新拌混凝土12中提供微小的腔室来释放新拌混凝土12内部的内部压力。发现，这些微小腔室(例如它们的体积和/或密度)可能影响新拌混凝土12对探测器102的新拌混凝土界面118的移动的阻力。应当注意，这些微小的腔室可能容纳水，然后在冷冻温度下膨胀。因此，已经发现，在冷冻和融化循环影响不是微不足道的北方气候环境中，监测给定批次的新拌混凝土内的空气含量是特别相关的。
在一些实施例中，预测所测量的阻力响应也可用于确定新拌混凝土界面118暴露于的新拌混凝土12的其它类型的特性。例如，可以预测，假定滚筒16的旋转速度、探测器102上方的混凝土量、新拌混凝土12的空气含量、屈服和温度对于容纳在滚筒16中的新拌混凝土12是恒定的，可以将测量的阻力响应与校准数据进行比较，以便确定指示滚筒16内的新拌混凝土12的粘度的粘度值。下面呈现的表4示出了用于这种测量的示例性校准数据。
表4-用于确定滚筒内新拌混凝土粘度的示例性校准数据
Figure BDA0003573031350000092
在一些其它实施例中，可以预测，假定滚筒16的旋转速度、上方的混凝土量、新拌混凝土12的空气含量、粘度和温度对于容纳在滚筒16中的新拌混凝土12是恒定的，可以将测量的阻力响应与校准数据进行比较，以便确定指示滚筒16内的新拌混凝土12的屈服的屈服值。下面呈现的表5示出了用于这种测量的示例性校准数据。
表5-用于确定滚筒内新拌混凝土屈服的示例性校准数据
Figure BDA0003573031350000101
根据测量单元106的实施例，应当注意，阻力响应可以作为机械响应和电气响应中的一者或两者来测量。
在阻力响应是机械的情况下，测量单元106可以具有位置传感器，其测量机电致动器104在致动期间的机械响应。在这种情况下，机械响应通常具有指示移动元件在致动期间的移动振幅的振幅值。对于给定的电信号，当周围物质是空气32时，移动元件116的移动振幅可大于当周围物质是新拌混凝土12时的振幅，因为新拌混凝土12将可能提供比空气32更多的移动阻力。因此，测量的响应例如可以指示探测器102是浸入到新拌混凝土12中还是空气32中。
在阻力响应是电气的情况下，测量单元106可以具有电功率计，其测量机电致动器104在致动期间的电气响应。由此可见，电气响应可以包括指示在致动期间由机电致动器104消耗的电功率的电功率值。在至少一些情况下，当周围物质是新拌混凝土时，由机电致动器104消耗的电功率可能比空气更大，因为新拌混凝土将提供比空气大得多的移动阻力。应当注意，这种比例性可能不总是适用的，因为有时振荡电信号可能产生新拌混凝土界面118相对于周围物质的自然共振响应，在这种情况下，机电致动器104可能消耗比在失去共振时更少的电功率。
应当理解，上面提出的给定阈值t1和校准数据仅作为示例提出。显然，取决于所测量的阻力响应是机械的还是电气的，校准数据可以不同。例如，当测量的阻力响应是机械的时，测量的阻力响应大于给定阈值t1可以指示探测器102暴露于空气，因为对于给定的电信号，新拌混凝土界面118可以移动得更远离其静止位置。然而，当测量的阻力响应是电气的时，测量的阻力响应大于给定阈值t1可以指示探测器102暴露于新拌混凝土12，因为抵靠新拌混凝土12移动新拌混凝土界面118可能需要更多的电功率。
如将在接下来的段落中描述的，探测器102测量机械的阻力响应。下面将参考图9描述测量电气阻力响应的另一个探测器实施例。
图3示出了根据一个或多个实施例的探测器的框图。如所描述的，机电致动器104的移动元件116经由机械联接件132耦合到新拌混凝土界面118。机械联接的示例可以包括但不限于直接或间接物理联接、弹簧加载联接、阻尼联接等。
如图所示，探测器框架112以从滚筒16的内壁30向内突出的壳体120的形式设置。如图所示，壳体130至少围封移动元件116和测量单元106。在该示例中，壳体120具有至少一个给定壁122，其具有机械地耦合到移动元件116的内侧118a和用作新拌混凝土界面118的外侧118b。这样，在致动机电致动器104时，移动元件116抵靠给定壁122移动，这又导致新拌混凝土界面118抵靠滚筒16内的周围物质移动。在这样的实施例中，新拌混凝土界面118是移动元件116的一部分，因为它们彼此机械地联接(例如制成一体)。在一些实施例中，给定壁122以具有低于给定厚度阈值的厚度t的振动膜124的形式来设置。例如，在一些实施例中，振动膜124由钢制成并且具有大约1mm的厚度t。在该示例中，振动膜124经由聚氨酯密封件密封地安装到给定壁122，以允许振动运动。在这样的实施例中，机电致动器104可以类似于电声换能器等。
致动机电致动器104所用的电信号可以因实施例而异。例如，电信号可以具有固定的振幅、时变的振幅和/或振荡变化的振幅。当电信号是具有随时间振荡的振幅的振荡电信号时，新拌混凝土界面118所经受的阻力响应可对应地随时间振荡。电信号的振荡变化振幅变化的频率可以因实施例而异。例如，振荡电信号的频率范围可以在约0Hz至约50kHz之间，优选在约20Hz至约20kHz之间，最优选在约100Hz至约2000Hz之间。在一些实施例中，频率可以扫过给定的频率范围。在以电声换能器的形式设置机电致动器104的实施例中，电信号的频率可以从20Hz变化到20kHz。
在该实施例中，测量单元106包括一个或多个机械响应传感器(例如位置传感器134)，其在该情况下机械地耦合到新拌混凝土界面118。这种机械响应传感器的示例包括但不限于一个或多个幅度传感器、一个或多个速度传感器、一个或多个加速度计等。这些机械响应传感器可以基于一种或多种不同的技术(例如压电、微机电系统(MEMS)、光学、电容和电感或其任意组合)。在该示例中示出的位置传感器134以一个或多个加速度计的形式设置，当新拌混凝土界面118抵靠周围物质移动时，加速度计测量在一个或多个正交轴上的加速度，并且生成对应的响应信号。
在该具体实施例中，系统100具有通信单元136，其接收由位置传感器134生成的响应信号，并将该信号朝向控制器108的通信单元140传输，在该实施例中，该控制器在车上。在接收到所生成的响应信号时，控制器然后可以发送指令和/或存储所生成的响应信号，以便立即或稍后监测新拌混凝土12。
如所描述的，设置信号发生器142，以生成电信号，机电致动器104将利用该电信号来致动。在该实施例中，信号发生器142远离壳体120。然而，在一些其它实施例中，信号发生器142可以被围封在壳体120内。信号发生器142可以被配置为生成不同振幅、频率、持续时间和/或任何任意形状的电信号。例如，一个或多个电信号可以具有任何合适类型的形状，包括但不限于脉冲形状、阶梯形状、谐波形状等。在一些实施例中，控制器108与信号发生器142通信地联接，并且向信号发生器142发送关于要生成的电信号的指令。
系统100可以具有为组件供电的电源144。在该示例中，电源144远离壳体120。然而，在一些其它实施例中，电源144可以围封在壳体120中。在这样的实施例中，电源144可以以电池或电池组和/或太阳能电池板的形式设置。预期电源144为信号发生器142、机电致动器104、测量系统106和/或系统100的其它组件供电。在一些其它实施例中，电源144以从搅拌车的电池汲取功率的电源的形式设置。
控制器108可以设置为硬件和软件组件的组合。硬件组件可以实现成计算设备400的形式，参考图4描述了其示例。
参考图4，计算设备400可以具有处理器402、存储器404和I/O接口406。用于监测新拌混凝土的指令408可以存储在存储器404上，并且可以由处理器402访问。
处理器402可以是例如通用微处理器或微控制器、数字信号处理(DSP)处理器、集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)、可重新配置的处理器、可编程只读存储器(PROM)或其任何组合。
存储器404可以包括位于内部或外部的任何类型的计算机可读非瞬态存储器的适当组合，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘只读存储器(CDROM)、电光存储器、磁光存储器、可擦可编程只读存储器(EPROM)和电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、铁电RAM(FRAM)等。
各个I/O接口406使得计算设备400能够与一个或多个输入设备(例如一个或多个鼠标、一个或多个键盘、一个或多个位置传感器、一个或多个功率计)或一个或多个输出设备(例如用户接口、非瞬态存储器或远程网络)互连。在一些实施例中，用户接口被配置为基于所生成的响应信号来生成一个或多个警报。例如，预期可以基于所生成的响应信号与参考数据的比较来生成这一个或多个警报。这一个或多个警报可以是视觉的、听觉的、振动的等。
各个I/O接口406使得控制器108能够通过连接到网络(或多个网络)来与其他组件通信，与其他组件交换数据，访问并连接到网络资源，服务于应用，以及执行其他计算应用，网络能够承载数据，包括因特网、以太网、普通老式电话服务(POTS)线路、公共交换电话网(PSTN)、综合服务数字网(ISDN)、数字用户线(DSL)、同轴电缆、光纤、卫星、移动、无线(例如Wi-Fi、WiMAX)、SS7信令网、固定线路、局域网、广域网、以及其他网络，包括这些网络的任意组合。
上述计算设备400仅意指示例。如本领域技术人员将清楚的，还可以提供控制器108的其他合适的实施例。
图5A和图6B示出了根据一个或多个实施例的用于监测在搅拌车的滚筒16中容纳的新拌混凝土的探测器502的另一示例。如图所示，探测器502具有机电致动器504，其具有安装到滚筒16内的内壁30的框架512和可致动地安装到框架512的移动元件。在该示例中，框架512是至少围封移动元件的壳体520。
如图5A中最佳示出的，壳体520具有给定的壁522，其具有机械地耦合到移动元件的内侧和用作机电致动器504的新拌混凝土界面118的外侧。壁以具有低于给定厚度阈值的厚度的膜524的形式来设置。由此可见，在使用期间，暴露在滚筒内的新拌混凝土界面118将在用电信号致动机电致动器104时经受对滚筒16内移动的阻力。
如图例示，探测器502具有测量单元506，其包括测量机电致动器504的机械响应的位置传感器534。更具体地，在该实施例中，所测量的机械响应包括指示移动元件在致动期间的移动振幅的振幅值。
现在参考图6，示出了结合有探测器502的系统600的框图。如在该示例中描述的，系统600包括通信地耦合到机电致动器504和测量单元506的控制器608。在该示例中，控制器608以国家仪器cDAQ 9178类型的数据采集系统的形式来设置。数据采集系统可以使用110V电源线供电，并且具有通用串行总线(USB)端口。该示例中的数据采集系统具有国家仪器9263类型的信号发生器544。电放大器546用于放大数据采集系统经由一根或多根电缆初始生成的电信号。机电致动器504经由一根或多根电缆接收放大的电信号。这些组件可以集成在定制印刷电路板(PCB)上，该定制印刷电路板可以包括任何其他类型的期望的电子组件(例如无线通信单元等)。
如图所示，位置传感器534生成响应信号，该响应信号被传送回数据采集系统。更具体地，数据采集系统具有国家仪器9234类型的声-振动检测器548，其经由一根或多根电缆连接到位置传感器534。
图7A至图8B示出了在一个或多个实验中使用系统600测量的数据。
更具体地，图7A是示出了由位置传感器534测量的在移动元件的移动轴上的振幅值作为电信号的频率的函数的曲线图，机电致动器504利用该电信号来致动，以用于不同空气含量值的新拌混凝土样本。如图所示，对于各个新拌混凝土样本，探测器502用于测量机电致动器504在利用具有从250Hz扫到850Hz的频率的电信号致动期间的机械阻力响应。如图所示，可以注意到，在350Hz至650Hz的频带范围内，所测量的阻力响应的行为与对应的新拌混凝土样本的空气含量值相对成比例。图7B更好地示出了这种关系，该图示出了图7A的曲线在该频带上的积分值。可以理解相对线性的关系，该关系可以用作校准数据(例如上述校准数据)的基础。
应当注意，在该实验中，新拌混凝土样本具有假定为除空气含量之外恒定的特性。更具体地，使用探测器测试给定特性(包括2.4％的空气含量值)的第一新拌混凝土样本，然后将加气辅助剂添加到第一新拌混凝土样本中,以将空气含量增加到6.1％的第二空气含量值，等等，重复两次。因此，四个新拌混凝土样本除了它们的空气含量之外具有类似的性质。因此，至少在新拌混凝土的其他特性与用于确定校准数据的新拌混凝土的特性匹配的情况下，所测量的阻力响应可以与空气含量相关联。
尽管上述示例涉及空气含量，但是可以预测，对于其它特性(例如粘度、屈服等)可以得到类似的结论。
图8A示出了与图7A所示的曲线图类似的曲线图，但是是针对不同的新拌混凝土样本。再次，如图8B所强调的，在幅度值与空气含量之间获得比例关系。
图9示出了用于监测在搅拌车的滚筒16中容纳的新拌混凝土的探测器902的另一示例。如图所示，探测器902具有机电致动器904，其具有安装到滚筒16的框架912和可致动地安装到框架912的移动元件916。类似于上述实施例，移动元件916具有新拌混凝土界面918，其暴露在滚筒16内，并且在利用电信号致动机电致动器904时经受对滚筒16内移动的阻力。测量单元906被设置为测量致动期间的阻力响应，并且生成对应的响应信号。
在该具体实施例中，测量单元906测量致动的电气响应，而不是测量机械响应。更具体地，测量单元906具有电气响应传感器，该电气响应传感器在这种情况下以电功率计950的形式设置，测量机电致动器904在致动期间的电气响应。在该示例中，电气响应具有指示在致动期间由机电致动器904消耗的电功率的电功率值。功率计950可以以不同的形状或形式设置。具体地，在该实施例中，功率计950例如使用伏特计952测量供应给机电致动器的电压。而且，功率计950例如使用安培计954测量流过机电致动器904的电流。鉴于关系式P＝VI，其中P表示电功率值，V表示电压值，I表示电流值，控制器908可以监测在机电致动器904的致动期间消耗的电量。
如该实施例所示，框架912以壳体920的形式设置，该壳体围封电源944、信号发生器942、机电致动器904、测量单元906和控制器908。
可以理解，给定的测量单元可以结合有位置传感器和功率表，以监测机电致动器的机械和阻力响应。在这些实施例中，特性(例如空气含量)可以使用机械阻力响应来确定，并且在确定相同特性时进行验证，但是使用电气阻力响应来代替，反之亦然。
如可以理解的，上述和所例示的示例仅旨在是示例性的。例如，尽管在该示例中将本文所述的一个或多个系统安装到搅拌车，但本文所公开的系统可以安装在任何类型的新拌混凝土搅拌机上，包括但不限于固定式搅拌机、分批搅拌机、滚筒式搅拌机、倾斜式滚筒搅拌机、非倾斜式滚筒搅拌机、反向滚筒搅拌机、盆式搅拌机、连续搅拌车等。测量单元的类型不限于上述位置传感器和/或功率计，因为在一些其它实施例中，也可以使用其它类型的测量单元来监测机电致动器的机械响应和/或电气响应。范围由所附权利要求指示。

Claims (26)

1.一种用于监测在新拌混凝土搅拌机的滚筒中容纳的新拌混凝土的探测器，所述探测器包括：
机电致动器，其具有安装在所述滚筒内的框架和可致动地安装到所述框架的移动元件，所述移动元件具有新拌混凝土界面，所述新拌混凝土界面暴露在所述滚筒内并且在用电信号致动所述机电致动器时经受对所述滚筒内移动的阻力；以及
测量单元，其测量所述致动期间的阻力响应，并基于所测量的阻力响应生成响应信号，如果有的话，所生成的响应信号包括关于所述滚筒内的所述新拌混凝土的监测信息。
2.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述框架是围封所述移动元件的壳体，所述壳体具有至少一个给定的壁，所述至少一个给定的壁具有机械地耦合到所述移动元件的内侧和用作所述新拌混凝土界面的外侧。
3.根据权利要求2所述的探测器，其中，所述给定的壁以具有低于给定厚度阈值的厚度的膜的形式来设置。
4.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述测量单元具有电气响应传感器，其测量所述机电致动器在所述致动期间的电气响应。
5.根据权利要求4所述的探测器，其中，所述电气响应传感器具有电功率计，其测量指示在所述致动期间由所述机电致动器消耗的电功率的电功率值。
6.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述测量单元具有机械响应传感器，其测量所述机电致动器在所述致动期间的机械响应。
7.根据权利要求6所述的探测器，其中，所述机械响应传感器具有位置传感器，其测量指示所述移动元件在所述致动期间的移动振幅的振幅值。
8.根据权利要求1所述的探测器，其中，还包括控制器，其通信地耦合到所述测量单元，所述控制器具有处理器和非瞬态存储器，所述非瞬态存储器上面存储有指令，当由所述处理器执行时，所述指令执行基于所述生成的响应信号监测在所述滚筒中容纳的所述新拌混凝土的步骤。
9.根据权利要求8所述的探测器，其中，所述致动和测量在所述滚筒的至少一次旋转期间执行多次，所述监测包括：基于在所述滚筒的所述至少一次旋转期间所经受的所述阻力响应来确定所述滚筒内的所述新拌混凝土的体积。
10.根据权利要求8所述的探测器，其中，所述监测包括：确定所述新拌混凝土的流变特性，所述流变特性选自包括粘度、屈服和坍落度的流变特性的组。
11.根据权利要求8所述的探测器，其中，所述监测包括：确定所述新拌混凝土的物理特性，所述物理特性选自包括空气含量和密度的物理特性的组。
12.根据权利要求8所述的探测器，其中，所述监测基于与作为所述新拌混凝土的不同特性的函数的不同阻力响应有关的校准数据。
13.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述电信号是具有随时间振荡的振幅的振荡电信号，在用所述振荡电信号进行的所述致动期间，所述新拌混凝土界面所经受的所述阻力响应随时间振荡。
14.根据权利要求13所述的探测器，其中，所述振荡电信号具有范围在约20Hz至约20kHz之间的频率。
15.根据权利要求1所述的探测器，其中，所述新拌混凝土搅拌机是搅拌车。
16.一种监测在新拌混凝土搅拌机的滚筒中容纳的新拌混凝土的方法，所述方法包括：
将新拌混凝土界面暴露在所述滚筒内；
将机电致动器的移动元件机械地耦合到所述新拌混凝土界面；
用电信号致动所述机电致动器，所述致动包括使所述移动元件相对于所述新拌混凝土界面移动，所述移动元件从而经受经由所述新拌混凝土界面的移动的阻力；
测量在所述致动期间的阻力响应，并基于所测量的阻力响应生成响应信号，如果有的话所生成的响应信号包括关于所述滚筒内的所述新拌混凝土的监测信息。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述测量所述阻力响应包括：测量所述机电致动器在所述致动期间的电气响应。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述测量所述电气响应包括：测量指示在所述致动期间由所述机电致动器消耗的电功率的电功率值。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述测量所述阻力响应包括：测量所述机电致动器在所述致动期间的机械响应。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述测量所述机械响应包括：测量指示所述移动元件在所述致动期间的移动振幅的振幅值。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，还包括基于所生成的响应信号监测所述新拌混凝土。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述致动和所述测量在所述滚筒的至少一次旋转期间执行多次，所述监测包括：基于在所述滚筒的所述至少一次旋转期间所经受的所述阻力响应来确定所述滚筒内的所述新拌混凝土的体积。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述监测包括：确定所述新拌混凝土的流变特性，所述流变特性选自包括粘度、屈服和坍落度的流变特性的组。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述监测包括：确定所述新拌混凝土的物理特性，所述物理特性选自包括空气含量和密度的物理特性的组。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，所述电信号是具有随时间振荡的振幅的振荡电信号，所述致动包括：以至少来回的顺序抵靠所述新拌混凝土界面移动所述移动元件。
26.根据权利要求16所述的方法，其中，所述新拌混凝土搅拌机是搅拌车。
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