CN210401263U - 一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，包括主机、热中子探测器和显示设备；主机具有防护增高腔；热中子探测器包括探测器主板、探测器安装板、中子源和探测管；中子源包括一个主中子源和2个或4个分中子源；探测器安装板邻近底板的一侧设置有主中子源槽和n个分中子源槽；主中子源安装在主中子源槽中，每个分中子源槽中放置一个分中子源；n个分中子源槽位于两根探测管之间，且关于主中子源槽对称，每个分中子源槽与邻近探测管间的距离均相等；显示设备与探测器主板直接或间接相连，显示设备的显示位数不小于九位，且小数点后位数不小于四位。本申请能数倍提高热中子探测器的探测精度，从而实现微脱空的定量准确测量。

Description

一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置

技术领域

本实用新型涉及放射性同位素技术应用领域，特别是一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置。

背景技术

目前，水利水电、桥梁隧道以及装配式建筑的混凝土结构设计中，采用钢壳-混凝土结构的形式越来越多，由于在结构制造、防腐、承载力方面的优势，已经成为未来结构发展的主流趋势。这些带有钢板衬砌的混凝土结构物在进行混凝土浇筑施工时，由于钢里衬的存在而且内部有较密的钢筋，混凝土难以充实，因此混凝土与钢板之间常会存在脱空缺陷，从而影响结构物的安全性和耐久性。以前，工程上多采用槌击法检查脱空缺陷。该方法是听槌击的声响，凭个人听觉来判断，其可靠性差、准确率低。尤其是不同厚度钢板槌击后响应声音差别很大，当钢板较薄时，该方法过于敏感，声音听起来脱空很明显却未必有大的缺陷存在，因而导致误打许多无用灌浆孔，造成钢板原有结构和强度的不必要的破坏；当钢板厚度很大时或脱空中充满水时，该方法可靠性更差。并且，槌击法是一个粗略的定性判别方法，不能定量测定脱空深度大小，这样给工程质量评价与灌浆处理措施的实施增添了难度。长期以来，人们也曾试图采用超声波法、地质雷达法、冲击回波法、红外线法和射线法（X射线、γ射线）等方法进行检测，但是都未能取得理想的效果。

1992年南京水利科学研究院发明了“用中子技术检测钢板下混凝土空洞的方法”，其第一次采用中子法实现了钢壳下空洞的探测，主要是采用中子表面散射法，利用快中子慢化原理，中子源发射出来的快中子射线与被测介质的原子核发生碰撞后，被慢化减速形成热中子并云集在中子源周围，有热中子探测器探测热中子计数率。而混凝土由砂、石、水泥、一定配比水组成，由于氢原子对快中子慢化能力最强（比其他元素高几个数量级），故被测介质的氢含量即决定了所云集的热中子密度，而热中子密度与被测介质氢的含量呈线性相关。对于被测的含水介质来说，介质中的含氢量也就标志着含水量，且热中子的计数率n与被测介质的含水量呈线性关系，通过热中子计数率与脱空深度建立曲线关系，从而实现脱空在深度、平面上的展布。

然而，上述脱空检测装置，由于探测效率和电路抗信号干扰方面的技术原因，只能分辨0-3mm、3-10mm、大于10mm三种脱空深度的区间分布，分辨率达不到精准定量检测水平，特别是对于微脱空难以分辨，在应用中还存在一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，该钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置能数倍提高热中子探测器的探测精度，能实现准确的定量检测，从而实现微脱空的准确测量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，包括主机、热中子探测器和显示设备；

主机具有防护增高腔以及形成防护增高腔的底板、侧板和顶板。

热中子探测器包括探测器主板、探测器安装板、中子源和探测管；中子源和探测管均与探测器主板相连接。

中子源包括一个主中子源和n个分中子源，其中，n=2或4；假设，主中子源所含的中子能量为N，则每个分中子源所含的中子能量均为N/n。

探测器安装板设置在位于防护增高腔内的底板上，探测器主板安装在背离底板一侧的探测器安装板上；探测器安装板邻近底板的一侧设置有主中子源槽和n个分中子源槽；主中子源安装在主中子源槽中，每个分中子源槽中放置一个分中子源。

探测管有两根，平行布设在主中子源槽两侧的探测器安装板上；两根探测管关于主中子源槽的圆心呈中心对称；n个分中子源槽位于两根探测管之间，且关于主中子源槽对称，每个分中子源槽与邻近探测管间的距离均相等。

显示设备与探测器主板直接或间接相连，显示设备的显示位数不小于九位，且小数点后位数不小于四位。

还包括无线传输模块，显示设备为远程监控终端；探测器主板通过无线传输模块与远程监控终端实现数据的无线传输。

无线传输模块采用GFSK调制方式，工作在230MHz工业电力系统专用频率。

防护增高腔内设置有水平的隔板，无线传输模块安装在隔板上方的防护增高腔内。

底板中嵌套有透明玻璃。

主机上设置有拉杆和滚轮。

本实用新型具有如下有益效果：

（1）从基本原理出发，结合室内等效混凝土物理模型试验和钢壳混凝土原型试验，建立了源强与热中子探测器效率关系，设计了合适的中子源强度，对探测器电路进行信号频率改造，实现热中子探测效率提高至原来的10倍，脱空探测从原来的脱空深度区间分布表达转变为函数对应关系，精度达到1mm。

（2）建立了热中子计数率和含水量关系曲线，通过反演计算对脱空深度指标进行标定，建立了任意钢板厚度，不同背景含水量条件下，热中子计数率与脱空深度的关系，在此基础上，根据热中子球体直径影响范围，定量化了检测网格范围内的等效脱空深度。

（3）发明了一种通过无线操控和采集的定标探测器。定标器部分由放大、甄别、整形、定时、计数、接口电路等部分组成。无线电路采用GFSK调制方式，工作在230MHz工业电力系统专用频率，干扰少，无需申请频点，采用工业级窄带和连续传输技术，抗干扰能力强，通信延时短，实现了热中子计数率与电脑端的无线实时传输。

（4）采用C-S架构进行智能检测配套软件设计与研发，遵循现场检测工作流程和可能的结构形式，开发工程管理、检测网格划分、标准曲线库、在线监测、可视化处理等功能模块。软件开发与硬件研发协同设计，实现现场脱空检测探测器与计算机终端的直接信息传输与处理，快速、高效地利用热中子计数与钢板厚度、混凝土含水量、脱空深度的变化关系，获取钢壳结构面下的脱空深度及平面分布，准确直观可视化展示检测结果。

附图说明

图1为本实用新型一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置的内部结构示意图。

图2显示了图1中钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置的底部倒置示意图。

图3显示了热中子探测器不含中子源时的底部放大结构示意图。

图4显示了现有技术中热中子探测器的探测原理图。

图5显示了本申请中热中子探测器的探测原理图。

其中有：

10.主机；11.底板；111.透明玻璃；12.顶板；121.操作面板；13.隔板；14.侧板；15.防护增高腔；16.拉杆；17.滚轮；

20.无线传输模块；21.装置主板；22.天线；23.天线电源；

30.蜂鸣器；

40.热中子探测器；41.探测器主板；42.探测器安装板；421.主中子源槽；422.分中子源槽；43.主中子源；44.分中子源封盖；45.探测管。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，包括主机10、无线传输模块20、热中子探测器40和显示设备。

主机具有防护增高腔15以及形成防护增高腔的底板11、侧板14和顶板12。其中，底板上优选嵌套有透明玻璃111，便于中子源发出的快中子快速穿过，无遮挡。顶板上优选设置有操作面板121，便于对主机进行设定操作，具体设置方式为现有技术。

另外，侧面上优选设置有拉杆16和管轮17，便于将主机进行移动。

进一步，防护增高腔内优选设置有水平的隔板13，无线传输模块安装在隔板上方的防护增高腔内。隔板的设置，一方面，便于无线传输模块的安装，另一方面，对中子源发出的快中子形成一定的阻挡，使无线传输模块与热中子探测器之间的干扰减小，同时，也避免快中子对人体的辐射。

进一步，上述防护增高腔的设置，进一步起到防护的作用，中子源发射的快中子与距离的平方成反比，防护增高腔的高度越高，防护作用越强，从而避免对人体的伤害。

如图2和图3所示，热中子探测器包括探测器主板41、探测器安装板42、中子源和探测管45；中子源和探测管均与探测器主板相连接。

中子源包括一个主中子源43和n个分中子源，其中，n=2或4；假设，主中子源所含的中子能量为N，则每个分中子源所含的中子能量均为N/n。

探测器安装板设置在位于防护增高腔内的底板上，探测器主板安装在背离底板一侧的探测器安装板上；探测器安装板邻近底板的一侧设置有主中子源槽和与分中子源数量相等的分中子源槽；主中子源安装在主中子源槽中，每个分中子源槽中放置一个分中子源，分中子源底部优选安装有分中子源封盖44。

探测管有两根，平行布设在主中子源槽两侧的探测器安装板上；两根探测管关于主中子源槽的圆心呈中心对称；n个分中子源槽位于两根探测管之间，且关于主中子源槽对称，每个分中子源槽与邻近探测管间的距离均相等。

当分中子源为两个时，每个分中子源所含的中子能量均为N/2，每个分中子源至所有探测管之间的距离均相等。也即每个分中子源均位于两根探测管的对称轴线上。

当分中子源为四个时，每个分中子源所含的中子能量均为N/4，主中子源两侧各设置有两个分中子源。如图3所示，每侧的两个分中子源槽中，左侧分中子源槽至左侧探测管之间的距离等于右侧分中子源槽至右侧探测管之间的距离。进一步，两个分中子源槽优选位于两根探测管的三等分线上。

上述分中子源位置的设置，使得中子源发射的快中子能量，能够达到2N，中子发射源强成倍增加。

显示设备与探测器主板直接或间接相连，显示设备的显示位数不小于九位，且小数点后位数不小于四位。

本申请中，显示设备优选为远程监控终端，进一步优选为远程计算机，显示位数超过十位；探测器主板优选通过无线传输模块与远程监控终端实现数据的无线传输。在数据采集过程中，人体无需靠近主机，从而增加了人体防护功能。

上述无线传输模块优选采用GFSK调制方式，工作在230MHz工业电力系统专用频率。无线传输模块为现有技术，优选型号为F21DL；无线传输模块优选包括装置主板21、天线22和天线电源23，装置主板与探测器主板通过接口有线连接，装置主板型号优选为NS01A；探测器主板型号优选为NS11A；无线传输模板通过天线实现与远程计算机之间的无线数据信号的传输，天线电源向天线和装置主板供电。

在现有技术中，如图4所示，由于热中子探测器自带的显示面板，显示位数少，一般在六位左右，小数点后位数仅有两位。为使探测管接收的热中子计数率能在显示面板上进行全部显示，则需对接收的热中子计数率进行多次分频，通常需要降低128倍后，再进行显示。现有技术中，中子源的中子能量为N，降级后为N/128。然而，在降级前，热中子探测效率或精度为√N/N，该值越大，精度越低；分频降级后，则为（128/√128）·（√N/N），也即，在降级后，热中子探测效率或精度也下降了十倍以上。

在本申请中，显示设备与探测器主板直接或间接相连，无需进行分频。同时，中子源强增加，本申请中，热中子探测效率或精度为（√2/2）·（√N/N），与原来的（128/√128）·（√N/N） 相比，热中子探测效率或精度提升十倍以上，脱空探测从原来的脱空深度区间分布表达转变为函数对应关系，精度达到1mm，从而能适应于微脱空的定量准确测量。

进一步，本申请的隔板上还安装有蜂鸣器30，蜂鸣器主要是提示远程计算机端数据采集的开始与停止，采集时间、电压阈值设置完成提示等作用。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，其特征在于：包括主机、热中子探测器和显示设备；

主机具有防护增高腔以及形成防护增高腔的底板、侧板和顶板；

热中子探测器包括探测器主板、探测器安装板、中子源和探测管；中子源和探测管均与探测器主板相连接；

中子源包括一个主中子源和n个分中子源，其中，n=2或4；假设，主中子源所含的中子能量为N，则每个分中子源所含的中子能量均为N/n；

探测器安装板设置在位于防护增高腔内的底板上，探测器主板安装在背离底板一侧的探测器安装板上；探测器安装板邻近底板的一侧设置有主中子源槽和n个分中子源槽；主中子源安装在主中子源槽中，每个分中子源槽中放置一个分中子源；

探测管有两根，平行布设在主中子源槽两侧的探测器安装板上；两根探测管关于主中子源槽的圆心呈中心对称；n个分中子源槽位于两根探测管之间，且关于主中子源槽对称，每个分中子源槽与邻近探测管间的距离均相等；

显示设备与探测器主板直接或间接相连，显示设备的显示位数不小于九位，且小数点后位数不小于四位。

2.根据权利要求1所述的钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，其特征在于：还包括无线传输模块，显示设备为远程监控终端；探测器主板通过无线传输模块与远程监控终端实现数据的无线传输。

3.根据权利要求2所述的钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，其特征在于：无线传输模块采用GFSK调制方式，工作在230MHz工业电力系统专用频率。

4.根据权利要求2所述的钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，其特征在于：防护增高腔内设置有水平的隔板，无线传输模块安装在隔板上方的防护增高腔内。

5.根据权利要求1所述的钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，其特征在于：底板中嵌套有透明玻璃。

6.根据权利要求1所述的钢壳混凝土界面等效脱空中子法检测装置，其特征在于：主机上设置有拉杆和滚轮。

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