CN205844240U - 基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备 - Google Patents

Abstract

一种基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备。智能同轴一维钢筋混凝土构件内的钢筋为同轴电缆结构，由若干纵筋和箍筋构成内、外导体。频域反射测量设备含控制服务器、微处理器、信号源、功分器、反向信号隔离器、测量连接端口。被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接。本实用新型在不改变混凝土材料和设计方法的基础上，使得混凝土材料自身成为一种传感材料。可实时监测混凝土构件的病变状态，满足混凝土构件健康监测需求。

Description

基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备

(一)技术领域

本实用新型属于建筑材料检测范畴，涉及混凝土质量监测，具体是基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备。

(二)背景技术

混凝土是土木工程结构中使用最为广泛的结构材料，混凝土结构材料的损伤会严重破坏结构的整体性、影响结构的耐久性、甚至直接危害工程结构的安全性，因此，混凝土材料损伤检测或监测是工程质量检查与结构健康监测的重要内容。对混凝土构件进行实时有效检测和实时监测，科学地掌握混凝土构件结构性能的动态变化，对及时采取灾害防治措施、提高结构的运营效率、实现混凝土结构全生命周期的可持续绿色发展、保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。

在当今社会飞速发展的形势下，各种混凝土的质量检测有了不同程度的提高。专利号ZL201210199249.0《以钢筋为电极的混凝土裂缝检测仪》，利用发射电极激励信号和接收电极的响应信号之间的关系，判断混凝土裂缝。本新型主要局限在检测混凝土的裂缝，没有检测其他的异常行为，存在局限性。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种不需改变混凝土材料和设计方法，将混凝土构件自身成为一种传感材料，采用基于频域反射的方法对混凝土构件动态变化进行检测。解决现有技术检测还不全面，测量精度和稳定性、可靠性还有待提高的问题，满足日益增加的混凝土构件动态检测的需求。

本实用新型的目的是这样达到的：频域反射测量设备与被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的内、外导体共同完成测量。智能同轴一维钢筋混凝土构件内的钢筋为同轴电缆结构，有外导体和内导体，外导体与内导体均由若干箍筋、纵筋组合而成，纵筋沿智能同轴一维钢筋混凝土构件轴向分布，箍筋沿横截面方向分布，内导体位于钢筋混凝土构件内部的中心位置、与外导体形状一致但箍筋尺寸小于外导体，外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土构件设计规范的要求。

频域反射测量设备由控制服务器、微处理器、信号源、功分器、反向信号隔离器、测量连接端口和定向耦合器、反射信号放大滤波电路、混频器、混频器放大滤波电路、模数转换电路组成。微处理器通过通信接口连接控制服务器上。

被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接。

微处理器连接信号源、反向信号隔离器和模数转换电路，信号源的信号输入功分器，功分器将信号源信号分成两路，一路送到混频器，一路送入反向信号隔离器；反向信号隔离器的输出信号连接到定向耦合器，定向耦合器将输入信号送给测量连接端口，并从测量连接端口接收反射信号，将接收到的测量连接端口的反射信号送给反射信号放大滤波电路，反射信号放大滤波电路的输出信号连接到混频器；测量连接端口与连接电缆连接，并将连接电缆返回的反射信号送给定向耦合器混频器的输出信号送入混频器放大滤波电路，混频器放大滤波电路输出送入模数转换电路，模数转换电路的输出送给微处理器。

被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的内、外导体纵筋数量均不小于根。

智能同轴一维钢筋混凝土构件横截面为圆形或椭圆形或正方形或长方形。

被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，其电阻的阻值取50欧姆；连接电缆采用50欧姆同轴电缆。

所述被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，其电阻的阻值取75欧姆；连接电缆采用75欧姆同轴电缆。

采用频域反射测量设备对被测智能同轴一维钢筋混凝土构件进行测量；在测量前，将被测智能同轴一维钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆相连，连接电缆为同轴电缆；被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接；频域反射测量设备的测量连接端口与连接电缆连接。

本新型的积极效果是：

1、智能同轴一维钢筋混凝土构件在不需改变混凝土材料和设计方法的基础上，使得混凝土材料自身成为一种传感材料。

2、及时发现混凝土处于不正常状态的位置，有针对性的对混凝土构件缺陷或损伤所处具体位置进行修复、完善。

3、对混凝土健康状况实时监控，科学地掌握混凝土构件结构性能的动态变化，解决现有混凝土检测的测量精度和稳定性、可靠性还有待提高的问题，满足日益增加的混凝土构件动态检测的需求，实现对非正常健康状况的预警。

(四)附图说明

图1是本新型中圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件结构示意图。

图2是本新型中正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件结构示意图。

图3是采用频域反射设备测量被测智能同轴一维钢筋混凝土构件时的连接图。

图4是频域反射测量设备结构图。

图5是信号源电路图。

图6是反向信号隔离器电路图。

图7是反射信号放大滤波电路

图8是混频器电路图。

图9是模数转换电路图。

1是横截面为圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件内导体、1’为横截面为正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件内导体，2-1～2-n是横截面为圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件外导体箍筋、3-1～3-m是为横截面为圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件外导体纵筋、3’-1～3’-m是为横截面为正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件外导体纵筋、4-1～4-n是横截面为正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件外导体箍筋、5频域反射测量设备、6连接电缆、7被测智能同轴一维钢筋混凝土构件、8电阻、9通信接口、10微处理器、11信号源、12功分器、13反向信号隔离器、14测量连接端口、15定向耦合器、16反射信号放大滤波电路、17混频器、18混频器放大滤波电路、19模数转换电路、20控制服务器。

(五)具体实施方式

本新型基于频域反射，采用频域反射测量设备5与被测智能同轴一维钢筋混凝土构件7的内、外导体共同完成测量。

参见附图4。

频域反射测量设备5由连接控制服务器20、微处理器10、信号源11、功分器12、反向信号隔离器13、测量连接端口14、定向耦合器15、反射信号放大滤波电路16、混频器17、混频器放大滤波电路18和模数转换电路19组成。

微处理器10通过通信接口9连接控制服务器20，控制服务器20通过通信接口9与微处理器10进行通信。微处理器上连接信号源11、反向信号隔离器13，微处理器对信号源11和反向信号隔离器13的工作模式和模数转换电路19的工作模式进行控制。

信号源的信号输入功分器，功分器将信号源信号分成两路，一路送到混频器，一路送入反向信号隔离器；反向信号隔离器的输出信号连接到定向耦合器，定向耦合器将输入信号送给测量连接端口，并从测量连接端口接收反射信号，将接收到的测量连接端口的反射信号送给反射信号放大滤波电路，反射信号放大滤波电路的输出信号连接到混频器；混频器的输出信号送入混频器放大滤波电路，混频器放大滤波电路输出送入模数转换电路，模数转换电路的输出送给微处理器。

微处理器采用美国XILINX公司生产的ZC706开发板。通信接口采用ZC706的串行接口。控制服务器为普通的台式计算机或笔记本电脑

信号源的电路图参见附图5。

其中US1为ADF4350,美国ANALOG DEVICES公司生产。US2为26MHZ有源晶体振荡器，US3为ADF4153，美国ANALOG DEVICES公司生产。

CLKA,DATAA,LEA,CLKB,DATAB,LEB,MUXS,MUXO,LD连接到ZC706的IO引脚。RFOUTA连接到功分器的输入。

功分器采用深圳市百纳(深圳)有限公司生产，型号为ZN2PD2-63-S+MINI 0.35-6.0。功分器输入连接到信号源RFOUTA，输出分别连接到混频器的RF_INA和反向信号隔离器的输入。

反向信号隔离器电路图参见附图6。

图中，US1为ADF4350，由美国ANALOG DEVICES公司生产。US2为26MHZ有源晶体振荡器，US3为ADF4153，由美国ANALOG DEVICES公司生产。

UA1，UA3：集成电路，型号：NBB-400，由美国RF Micro Devices,Inc.公司生产。UA2：集成电路，型号：PE43704，由美国Peregrine Semiconductor Corp公司生产。

GLIN：连接功分器输出，GLOUT：连接定向耦合器输入。

A0,A1,A2,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,SI,CLK,LE,P/S连接到ZC706的IO引脚。频域反射测量设备5中的测量连接端口14采用BNC连接器。

定向耦合器采用了由上海华湘计算机通讯工程有限公司生产，型号为SHX310-003060。反射信号放大滤波电路参见附图7。

其中，ULP1为ADL5523,美国ANALOG DEVICES公司生产。RX_IN:连接到定向耦合器的反射信号；RX_OUT连接到混频器VOUTA。

混频器放大滤波电路与反射信号放大滤波电路相同。其中，RX_IN:连接到混频器S_OUT，RX_OUT连接到模数转换电路输入；。

混频器的电路参见附图8。

其中。UH1为ADL5350由美国ANALOG DEVICES公司生产。

S_OUT连接到混频器放大滤波电路的输入端。

模数转换电路参见附图9。

其中，U5为AD9643，由美国ANALOG DEVICES公司生产。

VINA+连接到混频器放大滤波电路RX_OUT，

SCLK,SDO,CLK+,CLK-,D0+,D1+,……,D13+,D0-,D1-,……,D13-,都连接到ZC706的IO接口。

测量时，将被测智能同轴一维钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆6相连，连接电缆为同轴电缆；被测智能同轴一维钢筋混凝土的外导体与连接电缆外导体连接，被测智能同轴一维钢筋混凝土的内导体与连接电缆内导体连接；频域反射测量设备的测量连接端口14与连接电缆6连接。

本新型在不需改变混凝土材料和设计方法的基础上，使得混凝土材料自身成为一种传感材料。这些混凝土内的钢筋设计成同轴电缆形式，即设计成外导体和内导体的形式。外导体与内导体均由若干箍筋、纵筋组合而成。纵筋沿智能同轴一维钢筋混凝土构件轴向分布，箍筋沿横截面方向分布，内导体位于钢筋混凝土构件内部的中心位置、与外导体形状一致但箍筋尺寸小于外导体，外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土设计规范的设计要求。

智能同轴一维钢筋混凝土构件可以是横截面分别为圆形、椭圆形、正方形、长方形的一维钢筋混凝土构件。根据其横截面将其命名为圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件、椭圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件、正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件、长方形智能同轴一维钢筋混凝土构件。无论哪种智能同轴一维钢筋混凝土构件的外导体设计遵循混凝土结构设计规范要求，在可以保证外导体最少6根纵筋时，按照正常的混凝土结构设计标准设计。如果按正常的混凝土结构设计标准设计处理纵筋少于6根，则设计6根纵筋。内导体结构与外导体类似，但横截面比外导体横截面小。内导体纵筋采用的钢筋直径可以比外导体纵筋采用的钢筋直径小或者相同，内导体纵筋间距可以跟外导体相同，或比外导体间距小，但是内导体最少保证6根纵筋。

实施例1。参见附图1、3。

圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件的外导体由圆形箍筋2-1～2-n、纵筋3-1～3-m组合而成。内导体1是与外导体结构相似的圆形箍筋纵筋组合而成，但圆形箍筋直径比外导体圆形箍筋小，内导体位于钢筋混凝土构件内部的轴心位置。外导体位于外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土构件设计规范的要求。

测量时，将被测智能同轴一维钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，另一端的内、外导体与连接电缆6相连，连接电缆为同轴电缆；被测智能同轴一维钢筋混凝土的外导体与连接电缆外导体连接，被测智能同轴一维钢筋混凝土的内导体与连接电缆内导体连接；频域反射测量设备的测量连接端口14与连接电缆6连接。

本实施例中，被测圆形或椭圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取50欧姆；被测圆形或椭圆形智能同轴一维钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用50欧姆同轴电缆。

实施例2。参见附图2、3。

正方形同轴一维钢筋混凝土构件。1’为横截面为正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件内导体，外导体由3’-1～3’-m纵筋和4-1～4-n箍筋组合而成。内导体1’是与外导体结构相似的正方形箍筋、纵筋组合而成，但尺寸小于外导体，内导体位于钢筋混凝土构件内部的轴心位置，外导体位于外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土构件设计规范的要求。

测量时与实施例1连接方式一致。被测正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件一端的内导体和外导体连接电阻，其电阻值取75欧姆；被测正方形智能同轴一维钢筋混凝土构件另一端的内、外导体连接的连接电缆采用75欧姆同轴电缆。

频域反射测量设备5中的控制服务器通过与微处理器的通信，对被测智能同轴一维钢筋混凝土的测量进行控制，控制服务器对微处理器下达控制命令，设置测量参数，同时微处理器将测量结果发送给控制服务器。

Claims (5)

1.一种基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：频域反射测量设备(5)与被测智能同轴一维钢筋混凝土构件(7)的内、外导体共同完成测量；

智能同轴一维钢筋混凝土构件内的钢筋为同轴电缆结构，有外导体和内导体，外导体与内导体均由若干箍筋、纵筋组合而成，纵筋沿智能同轴一维钢筋混凝土构件轴向分布，箍筋沿横截面方向分布，内导体位于钢筋混凝土构件内部的中心位置、与外导体形状一致但箍筋尺寸小于外导体，外导体位于混凝土构件的外边，并满足一维混凝土构件设计规范的要求；

频域反射测量设备(5)由控制服务器(20)、微处理器(10)、信号源(11)、功分器(12)、反向信号隔离器(13)、测量连接端口(14)和定向耦合器(15)、反射信号放大滤波电路(16)、混频器(17)、混频器放大滤波电路(18)、模数转换电路(19)组成，微处理器(10)通过通信接口(9)连接控制服务器(20)；

被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻(8)，另一端的内、外导体与连接电缆(6)相连，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的外导体与连接电缆外导体连接，被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的内导体与连接电缆内导体连接；

微处理器连接信号源(11)、反向信号隔离器(13)和模数转换电路(19)，信号源的信号输入功分器，功分器将信号源信号分成两路，一路送到混频器，一路送入反向信号隔离器；反向信号隔离器的输出信号连接到定向耦合器(15)，定向耦合器将输入信号送给测量连接端口，并从测量连接端口接收反射信号，将接收到的测量连接端口的反射信号送给反射信号放大滤波电路(16)，反射信号放大滤波电路的输出信号连接到混频器(17)；测量连接端口与连接电缆(6)连接，并将连接电缆返回的反射信号送给定向耦合器(15)；混频器(17)的输出信号送入混频器放大滤波电路(18)，混频器放大滤波电路输出送入模数转换电路(19)，模数转换电路的输出送给微处理器。

2.如权利要求1所述的基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：被测智能同轴一维钢筋混凝土构件(7)的内、外导体纵筋数量均不小于6根。

3.如权利要求1所述的基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：智能同轴一维钢筋混凝土构件横截面为圆形或椭圆形或正方形或长方形。

4.如权利要求1所述的基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：所述被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻(8)，另一端的内、外导体与连接电缆(6)相连，其电阻(8)的阻值取50欧姆；连接电缆(6)采用50欧姆同轴电缆。

5.如权利要求1所述的基于频域反射的智能同轴一维钢筋混凝土构件测量设备，其特征在于：所述被测智能同轴一维钢筋混凝土构件的一端内导体和外导体连接电阻(8)，另一端的内、外导体与连接电缆(6)相连，其电阻(8)的阻值取75欧姆；连接电缆(6)采用75欧姆同轴电缆。