一种电磁驱动的无损回弹仪及测量方法与流程

本发明属于混凝土无损检测设备技术领域，涉及一种电磁驱动的无损回弹仪及测量方法。

背景技术：

在土木工程检测中，已有钢筋混凝土结构强度的无损检测是一项非常重要的检测项目，而回弹仪则是混凝土抗压强度检测中最重要的仪器设备。回弹仪具有操作简单，携带方便的特点，非常适合于建筑结构现场无损检测。尽管长期以来国内外先后研制了一系列用于混凝土强度非破损检测的仪器，但回弹仪仍始终保持着它在混凝土抗压强度非破损检测领域内的主导地位。

目前的回弹仪是利用金属弹簧作为动力和回弹测量机构的。这种设计使得弹簧的重复利用率、回弹精度等决定了回弹仪的使用寿命和精度。但金属弹簧在长期重复使用下会有所松弛，弹性系数降低，因此重复利用率较低，后期精度不准，同时还有结构复杂，重量较大、不方便维修等缺点。

技术实现要素：

本发明解决的问题在于克服现有技术的不足，提供一种电磁驱动的无损回弹仪及测量方法，能解决目前回弹仪的寿命短、重复利用率低、容易松弛等缺陷。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电磁驱动的无损回弹仪，包括设有空腔的回弹仪壳体、手柄和枪筒，空腔内设有定块和动块，动块内嵌有弹击锤，动块的前端边沿与扳机相贴合；定块上缠绕有与电源相连通的线圈；

弹击杆在枪筒开设的出击通道内运行，弹击杆上套设有弹击杆缩放弹簧，弹击杆还与深入空腔的推杆相连接；

枪体上还设有刻度尺，刻度尺上设有指针片和指针块，在其末端还设有指针回位杆。

所述的动块通过滑轨与导柱相连接，在受电磁力或回压弹力驱动后，可沿导柱前后移动；定块还与导柱固定连接。

所述的定块是电磁铁，电源设置在空腔外侧，其与线圈之间还设有电压表；

动块是衔铁，定块与动块之间留有初始间隙δ₀；

定块通过线圈中的静态平衡电流，产生静态电磁斥力作为电磁弹簧力推动动块。

所述的推杆前端设有定位卡扣，枪筒上设有与其相匹配的定位卡槽；推杆上套设有推杆缩放弹簧。

所述指针片竖直方向投影的长度大于弹击锤与回弹仪壳体间的距离。

一种所述电磁驱动的无损回弹仪的测量方法，包括以下操作：

测量前，弹击杆垂直接触被测平面，将无损回弹仪压向被测平面，使弹击杆缩放弹簧处于压缩状态，弹击杆部分缩进回弹仪，在缩放弹簧带动推杆向里横向移动，推动弹击锤移动至指定的击发位置同时被扳机定位，此时动块和定块之间间隙为设定值δ₀；线圈与直流电源接通，定块上的线圈由电磁感应产生对于动块的设定静态电磁斥力，同时通过电压表观测实时电压；

测量时，扣动扳机，弹击锤在电磁斥力作用下推着推杆移动，在移动过程中弹击锤会与指针片相接触，弹击锤带动指针片使得指针块回到零位，此时指针块被限位而停止运动，之后继续运动的弹击锤越过回弹仪指针片继续向左运动，当弹击锤接触到弹击杆后，弹击锤在力的作用下反弹，在弹击锤连着的动块克服定块上电磁线圈产生的电磁斥力反向运动，此时指针片(7)会卡在其后侧的轴肩与其一起运动；

在弹击锤接触弹击杆时位于推杆末端的定位卡扣刚好运动到定位卡槽里，将推杆固定住；通过读取指针块在刻度尺上的读数来获取该被测平面的回弹值。

完成一次测量后，使弹击杆离开被测平面，处于压缩状态的弹击杆缩放弹簧自动回到平衡位置，同时带动弹击杆向左侧运动，在运动到设定位置时定位卡扣凸出部分会受到回弹仪壳体的挤压，使其脱离定位卡槽，推杆在弹击杆缩放弹簧的推力下又伸出弹击杆；

完成一次测量的弹击锤停留在指针片的左侧，进行下一次测量时，在推杆带动弹击锤向右运动过程中指针片会随弹击锤向右运动，在该过程中，与弹击锤联动的动块与定块的间距减小，电磁斥力增加；

当指针片接触到指针回位杆后在回位杆推力的作用下，继续运动的弹击锤和动块会运动到指针片的右侧，当弹击锤再一次被扳机定位后，为下一次测量做好准备。

通过动块的动力学控制来控制电磁弹簧刚度；

动块的动力学方程式为：

式中，m₁为冲击锤和动块的总质量；

并通过电压控制补偿得到下式：

m₁gcosθ-f(i,δ)＝-k^*Δδ (7)

式中，k^*为电磁弹簧刚度，k^*＝k_i(k_I-k₀) (8)

其中：

式(7)代入到式(4)，可得动块11动力学方程式第二种表达形式：

式中，k和x₁分别表示电磁弹簧的实际刚度和动块的绝对位移；使用时根据控制要求以及气隙增量Δδ，保持电流恒定，以控制电磁弹簧刚度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将利用电磁弹簧的原理，通过直流电磁铁对撞击锤的衔铁产生排斥力，推动撞击锤快速冲击。当撞击杆回弹时，该电磁斥力作为回弹值检测力，通过标准实验所确定出撞击锤回弹高度、电磁弹簧的刚度与混凝土材料的硬度和强度之间的关系，从而实现强度检测。

本发明以电磁斥力代替传统回弹仪的弹簧压力，作为弹击锤的冲击动力源；以电磁斥力代替传统回弹仪的拉簧拉力，作为回弹值检测机构；相对于传统的弹簧式回弹仪具有使用寿命长、精度高等优点。

本发明利用电流磁场所产生的作用力驱动运动体的一种先进技术,它具有无污染、无噪声、无烟和有效空间小等特点。电磁驱动技术的理论基础是电磁运动定律，电磁能以光速传播，只要有足够的动力提供所需的电流，产生足够大的电磁力斥力作为驱动力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是回弹仪的电磁式动力机构的示意图；

其中，1为弹击杆；2为弹击杆缩放弹簧；3为定位卡槽；4为定位卡扣；5为推杆；6为刻度尺；7为指针片；8为指针块；9为指针回位杆；10为弹击锤；11为动块；12为线圈；13为定块；14为电源；15为电压表；16为滑轨；17为导柱；18为扳机；19为回弹仪壳体；20为推杆缩放弹簧；21为手柄。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

一种电磁驱动的无损回弹仪，包括设有空腔的回弹仪壳体19、手柄21和枪筒，空腔内设有定块13和动块11，动块11内嵌有弹击锤10，动块11的前端边沿与扳机18相贴合；定块13上缠绕有与电源14相连通的线圈12；

弹击杆1在枪筒开设的出击通道内运行，弹击杆1上套设有弹击杆缩放弹簧2，弹击杆1还与深入空腔的推杆5相连接；

枪体上还设有刻度尺6，刻度尺6上设有指针片7和指针块8，在其末端还设有指针回位杆9。

测量前，将弹击杆1垂直接触被测平面，操作人员将回弹仪压向被测平面，使弹击杆缩放弹簧2处于压缩状态，弹击杆1在力的作用下会部分缩进回弹仪，在缩放弹簧2的作用下带动推杆5向右横向移动，推动弹击锤10移动至指定的击发位置同时被扳机18定位，此时动块11和定块13之间间隙为设定值δ₀。接通直流电源16产生设定静态平衡电流，通过定块13上的线圈12由电磁感应产生对于动块11的设定静态电磁斥力。此通过电压表15观测实时电压，以掌握电磁斥力达到预定值。

测量时，扣动扳机18，使弹击锤10在电磁斥力作用下沿导柱17上的滑轨16推着推杆5沿着回弹仪筒体移动，在运动至某一位置时，弹击锤10会与指针片7相接触设计时使得指针片竖直方向投影的长度大于弹击锤与回弹仪壳体间的距离，并且弹击锤10带动指针片7使得指针块8回到零位，此时指针块8被限位而停止运动，之后指针片7与壳体19的角度在弹击锤推力作用下会自动调整受压变小，所以继续运动的弹击锤10会越过回弹仪指针片7使得指针片在弹击锤大端右侧，并且其与壳体的角度会自动变大继续向左运动，当弹击锤10接触到弹击杆1后，弹击锤10在力的作用下会反弹，在弹击锤10连着的动块11克服定块13上电磁线圈12产生的电磁斥力反向运动，此时指针片7会卡在其右侧的轴肩与其一起运动。同时，在弹击锤10接触弹击杆1时位于推杆5末端的定位卡扣4刚好运动到定位卡槽里，将推杆5固定住，这样推杆就不会与弹击锤一起向右运动，能防止它给弹击锤一个向右推力，进而影响测量的准确性。这样一来，通过读取指针块8在刻度尺6上的读数来获取该被测平面的回弹值。

完成一次测量后使弹击杆1离开被测平面，处于压缩状态的弹击杆缩放弹簧2自动回到平衡位置，同时带动弹击杆1向左侧运动，在运动到设定位置时定位卡扣4凸出部分会受到回弹仪壳体19的挤压，使其脱离定位卡槽3，推杆5在缩放弹簧2的推力下又伸出弹击杆1。完成一次测量的弹击锤10停留在指针片7的左侧，进行下一次测量时，在推杆5带动弹击锤10向右运动过程中指针片7会随弹击锤10向右运动，在该过程中，与弹击锤10联动的动块11与定块13的间距减小，电磁斥力增加。当指针片7接触到指针回位杆9后在回位杆推力的作用下，其与回弹仪壳体19的夹角会减小，因此继续运动的弹击锤10和动块11会运动到指针片7的右侧，当弹击锤10再一次被扳机18定位后，为下一次测量做好准备。

图2是回弹仪的电磁式动力机构的简化模型，主要由下面几个部分组成，分别是10弹击锤；11动块；12线圈；13定块；14电源；15电压表；16滑轨；17导柱。

这里动块11是衔铁，定块13是电磁铁，通过直流电源14在线圈12中的静态平衡电流，产生静态电磁斥力来做为电磁弹簧力，把弹击锤10及连接动块11一起推动，沿导柱17上的滑轨16运动。

电磁式回弹仪的电磁斥力是该回弹仪的击发力动力源，又是回弹时的斥力源，由电磁学知识得电磁铁的电磁斥力为:

式中，空气磁导率μ0＝0.4π×10^-6，H/m；S为电磁铁两个磁极的总面积，m²；δ₀为静平衡时的气隙，m；N为励磁线圈的匝数；IN为励磁线圈的磁势，安匝。当动块11沿导柱17滑动时将产生Δδ，这样动态时电磁铁的电磁斥力f只是电流i和δ的二元函数,可以表示为：

式中，i和δ为动态时线圈中的瞬时电流和动块、静块间的瞬时气隙，可分别表示为:

i＝I₀+Δi (3a)

δ＝δ₀+Δδ (3b)

式中，Δi、Δδ分别表示动态时线圈中的电流增量和气隙增量；I₀为初始电流,δ₀为初始气隙,动态时，动块11的动力学方程式为：

式中，m₁为冲击锤和动块的总质量。m₁gcosθ表示冲击锤的使用角度造成的重量补偿。由公式(2)知，电磁力f是励磁电流i和气隙δ的非线性函数，当电流增量Δi和气隙增量Δδ满足下面关系式时：

|Δi|＜＜I₀ (5a)

|Δδ|＜＜δ₀ (5b)

可以应用线性理论进行分析，式(3)代入式(4)后，把式(3)在静态平衡点(I₀,δ₀)展为泰勒级数如下：

f(i,δ)＝m₁gcosθ+k_iΔi-k_δΔδ (6)

式中：f(i₀,δ₀)＝m₁gcosθ，因线性化引起的误差,将由电压控制系统得到补偿。式(6)变形便可以得到下面公式：

m₁gcosθ-f(i,δ)＝-k^*Δδ (7)

式中，k^*为电磁弹簧刚度，可以表示为：

k^*＝k_i(k_I-k₀) (8)

其中：

式(7)代入到公式(4)，可得动块11动力学方程式的另外一种表达形式：

式中，k和x₁分别表示电磁弹簧的实际刚度和动块的绝对位移。使用时根据控制要求以及气隙增量Δδ，保持电流恒定，便可达到控制电磁弹簧刚度的目的，从而计算出测量的相应回弹高度的力，回弹值与混凝土材料的强度通过实验标定可以一一对应，实现混凝土强度的无损检测目的。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。