矩形截面自感应智能多输入输出混凝土构件健康监测方法与流程

本发明属建筑材料检测，涉及混凝土质量测试，具体是矩形截面自感应智能多输入输出混凝土构件健康监测方法。

背景技术：

混凝土是广泛用于房屋建筑、桥梁工程、水利工程等的一种重要的工程材料，混凝土健康检测和监测仪器是保证混凝土安全长久运行的技术手段。混凝土健康的预测、预报、诊断是当今国际上急需攻克的主要难题之一。公路、桥梁、大坝以及其他工用民用建筑，都需进行定期的或实时的健康检测和监测。然而现有的混凝土质量检测手段还不能完全适应建设发展的需要。随着科技的进步，当今混凝土质量问题已经越来越受到重视，混凝土质量检测正在得到发展和提高。

专利号zl201620784210.9《智能同轴一维钢筋混凝土构件的介电常数测量设备》能实时监测钢筋混凝土的介电常数，根据混凝土介电常数的变化，监测混凝土各阶段的健康状况。专利号zl201620782788.0《基于等效电路的一维同轴钢筋混凝土构件测量设备》，利用混凝土材料自身成为一种传感材料，通过测量一维同轴钢筋混凝土等效电路模型测量混凝土健康状况。

专利号zl201520402418.5《钢筋同轴电缆结构一维混凝土健康监测的阶跃测试仪》基于有内、外两导体的钢筋同轴电缆模型构造一维混凝土，将内、外导体连接在检测仪器的测试接口上进行测试。使用阶跃测试仪时，混凝土一端的内导体和外导体连接到阶跃测试仪的测试接口，用反射信号时延的方法测试。用矢量网络分析仪时，将矢量网络分析仪的端口一连接到被测混凝土一端的外导体和内导体上，用时域s参数方法进行测试。但是，使用阶跃测试仪只能测量大的混凝土、使用矢量网络分析仪不利于实施实时在线监测。基于这些现有技术的缺陷还需要新的技术提高混凝土质量检测。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前混凝土构件无法实时监测的问题，提供一种矩形截面自感应智能多输入输出混凝土构件健康监测方法，以实现实时监测。

本发明的目的是这样达到的：一种矩形截面自感应智能多输入输出混凝土构件健康监测方法，其特征在于：混凝土构件的健康监测由测量设备完成，测量设备连接在矩形截面混凝土构件的传感器上。

根据传感器位置的不同，矩形截面混凝土构件上的传感器分为外置式传感器和内置式传感器两种，测量设备通过传感连接线连接到被测量的矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件传感器上。每个传感器的接插件与传感连接线一端连接，传感连接线的另一端连接到测量设备；测量设备由控制服务器、通信接口、微处理器、功分器、程控衰减器、信号源、反向信号隔离器、信号解析器、s选一开关以及开关电路构成。

外置式传感器的设置为：纵筋和箍筋的设计方法与现有一维钢筋混凝土构件设计方法相同，遵从现有设计规范，在现有一维钢筋混凝土构件的基础上，部分箍筋被外置传感器替代。每间隔i根箍筋设置一个外置传感器，i由实验确定，外置传感器共设置k个，外置传感器除了有传感功能外，还兼有箍筋功能。

内置式传感器的设置为：纵筋和箍筋的设计方法与现有一维钢筋混凝土构件设计方法相同，遵从现有设计规范，在现有一维钢筋混凝土的基础上，加入内置式传感器，内置传感器不能取代箍筋功能，内置传感器紧贴并绑扎在纵筋内部，在一维钢筋混凝土内均匀布置p个内置传感器，p的值由实验确定。

测量设备总共有超过s个开关电路，其中的s个开关电路用于测量，对于传感器外置式矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件，s＝k，k为外置式传感器个数，对于传感器内置式矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件，s＝p，p为内置式传感器个数；

所述外置传感器材料由钢筋外包一层绝缘层构成，钢筋的选择与箍筋选择方法相同，遵从现有箍筋设计规范要求，外置传感器材料环绕并捆扎在纵筋外边，环绕方法和捆扎方法遵从现有箍筋设计规范要求，在外置传感器材料两个端头有弯钩，两端的弯钩缠绕弯钩处纵筋，接插件连接线为同轴电缆，两端弯钩的钢筋分别与接插件连接线的外导体和内导体连接，接插件连接线与接插件连接。

所述内置传感器材料与外置传感器材料相同，由钢筋外包一层绝缘层构成，钢筋的选择与箍筋选择方法相同，遵从现有箍筋设计规范要求，内置传感器材料环绕并捆扎在纵筋里边，接插件连接线为同轴电缆，两端的钢筋分别与接插件连接线的外导体和内导体连接，接插件连接线与接插件连接。

所述测量设备的控制服务器通过通信接口与微处理器连接，向微处理器发送控制命令，接收微处理器计算数据；微处理器与程控衰减器、信号源、反向信号隔离器、信号解析器、s选一开关、开关电路连接，控制各连接电路的运行状态，并从信号解析器读取数据；

信号源16与功分器1和微处理器连接，在微处理器的控制下产生信号，将信号传输给功分器1；

功分器1与信号源、反向信号隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b连接，信号源产生测试信号输出到功分器1，功分器1将信号源产生的信号分成3路，分别输送给反向信号隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b；

程控衰减器b与微处理器、功分器1、功分器2连接，接受微处理器控制，功分器1的其中一路信号输送给程控衰减器b输入信号端，程控衰减器b的输出信号输送给功分器2；

功分器2与程控衰减器b、信号解析器1和信号解析器2连接，将程控衰减器b的信号分成两路，分别输送给信号解析器1和信号解析器2；

程控衰减器a与微处理器、功分器1、信号解析器1连接，接受微处理器控制，功分器1的其中一路信号输送给程控衰减器a输入信号端，程控衰减器a的输出信号输送给信号解析器1；

反向信号隔离器与微处理器、功分器1、s选一开关b连接，接受微处理器控制，功分器1的其中一路信号输送给反向信号隔离器，反向信号隔离器输出信号输送给s选一开关b；

信号解析器1与微处理器、功分器2、程控衰减器a连接，接受微处理器控制，将解析结果送给微处理器，接收功分器2和程控衰减器a的输出信号；

信号解析器2与微处理器、功分器2、s选一开关a连接，接受微处理器控制，将解析结果送给微处理器，接收功分器2和s选一开关a的输出信号；

s选一开关b与微处理器、反向信号隔离器、以及所有的开关电路连接，接受微处理器控制，在微处理器控制下，每次先择其中的一个开关电路，并将反向信号隔离器输出信号输送到所选择的开关电路。

s选一开关a与微处理器、信号解析器2、以及所有的开关电路连接，接受微处理器控制，在微处理器控制下，每次先择其中的一个开关电路，并将所选择的开关电路信号输入到信号解析器2。

每个开关电路都与微处理器、s选一开关a、s选一开关b连接，且每个开关电路与矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件的一个传感器连接，在微处理器的控制下，开关电路选择工作或不工作模式；在不工作模式下，传感器与连接到s选一开关a和s选一开关b的接口断开。在工作模式下，传感器与连接s选一开关a或s选一开关b的其中一个接口连接；每次只有两个开关电路工作，其中一个开关将传感器连接到s选一开关a，另一个开关将传感器连接到s选一开关b；测量设备工作时，通过微处理器对开关电路、s选一开关a和s选一开关b的控制，选择一个传感器连接到解析器2，选择另一个传感器连接到反向信号隔离器。

本方法的程序流程含控制服务器程序流程、矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序、微处理器程序；

控制服务器程序流程是：

第一步：设置各对传感器之间感应参数data的实部rd和虚部id在健康状态下的数据范围；进入第二步；

第二步：通过通信接口向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数，包括：信号源频率，反向隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2的工作模式；设反向隔离器的放大倍数为kf，程控衰减器a的放大倍数为kca，程控衰减器b的放大倍数为kcb，进入第三步；

第三步：通过通信接口接收微处理器计算得到的感应参数data的实部rd和虚部id，进入第四步；

第四步：运行矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序，返回第二步。

矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序是：

第一步：判断各对传感器之间感应参数data的实部rd和虚部id是否属于健康状态下的数据范围，是，进入第二步；否，进入第三步；

第二步：认定矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件处于健康状态，进入第四步；

第三步：认定矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件处于不健康状态，进入第四步；

第四步：返回主程序。

所述微处理器程序包括微处理器主程序、参数计算子程序，

微处理器主程序是：

第一步：通过通信接口接收控制服务器命令，转到第二步；

第二步：设置系统参数，所设置的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2的工作模式，转到第三步；

第三步：令i＝1，j＝1；转到第四步；

第四步：判断i等于j吗，否，转到第五步；是，转到第八步；

第五步:s选一开关b接通开关电路i，使得反向信号隔离器输出信号连接到与开关电路i连接的传感器；s选一开关a接通开关电路j，使得开关电路j连接的传感器与信号解析器2连接，转到第六步；

第六步:接收信号解析器1解析得到的程控衰减器a与功分器2输出信号之间的同相分量i和正交分量q，设信号解析器1解析得到的同相分量为data_i1，正交分量为data_q1；接收信号解析器2解析得到的与开关电路j连接的传感器与功分器2输出信号之间的同相分量i和正交分量q，设信号解析器2解析得到的同相分量为data_i2，正交分量为data_q2，转到第七步；

第七步：调用参数计算子程序，转到第八步；

第八步：令j＝j+1；转到第九步；第九步：判断j是否大于s，否，转到第四步；是，转到第十步；

第十步：令j＝1，i＝i+1：转到第十一步；第十一步：判断i是否大于s；否，转到第四步；是，转到第十二步；

第十二步：将参数计算结果送给控制服务器，转到第一步；

参数计算子程序为：

第一步：感应参数data计算公式如下：

参数data为复数，data的实部用rd表示，data的虚部用id表示，所计算的data是指调用参数计算子程序时选择的传感器i与传感器j之间的传感参数。

第二步：返回微处理器主程序。

本发明的积极效果是：

针对混凝土构件不能实时监测的缺陷，提供一种矩形截面自感应智能多输入输出混凝土构件健康监测方法。本方法在遵从现有混凝土构件设计规范的基础上，巧妙地利用混凝土构件的箍筋制作方法完成传感器制作。采用混凝土构件本身材料设计自感应智能多输入输出的方法，传感器数量可以根据混凝土构件测量要求设计。本方法设计的传感器寿命与混凝土构件寿命等长，方便地实时在线检测矩形截面一维混凝土健康状况、监测矩形截面一维混凝土健康状况，及时发现混凝土病变并预报预警。同时，为矩形截面一维混凝土健康监测提供测试仪器。

附图说明

图1是传感器为外置式的截面为矩形的一维钢筋混凝土设计结构图。

图2是外置传感器结构图。

图3是外置传感器截面图。

图4是传感器为内置式的截面为矩形的一维钢筋混凝土设计结构图。

图5是内置传感器结构图。

图6是测量设备结构图。

图7是控制服务器程序流程。

图8是矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序图。

图9是为微处理器主程序图。

图10是信号源电路图。

图11是测量设备的反向信号隔离器电路图。

图12是测量设备的程控衰减器电路图

图13～图14是测量设备的信号解析器电路图。

图中，1-1～1-k外置传感器，2弯钩处纵筋，3-1～3-m纵筋，4-1～4-n箍筋，5-1～5-2弯钩，6接插件，7接插件连接线，8钢筋，9绝缘层，10-1～10-p内置传感器，11控制服务器，12通信接口，13微处理器，14-1、14-2功分器，15-1程控衰减器a，15-2程控衰减器b，16信号源，17反向信号隔离器，18-1信号解析器1，18-2信号解析器2，19-1s选一开关a，19-2s选一开关b，20-1～20-s开关电路，21传感器，22矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件，23测量设备。

具体实施方式

混凝土构件的健康监测由测量设备完成，测量设备连接在矩形截面混凝土构件的传感器上。根据发射传感器和接收传感器位置的不同，矩形截面混凝土构件上的传感器分为外置式传感器和内置式传感器两种。

参见附图1～3。当采用外置式传感器时，截面为矩形的一维钢筋混凝土纵筋和箍筋的设计方法与现有一维钢筋混凝土设计方法相同，遵从现有设计规范。在现一维钢筋混凝土的基础上，部分箍筋被外置传感器替代。每间隔i根箍筋设置一个外置传感器，并由外置传感器替代箍筋承担的功能，i由实验确定，外置传感器共设置k个。外置传感器除了有传感功能外，还兼有箍筋功能。这种结构构成传感器外置式矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件。

外置传感器材料由钢筋外包一层绝缘层构成。钢筋的选择与箍筋选择方法相同，遵从现有箍筋设计规范要求。外置传感器材料环绕并捆扎在纵筋外边，环绕方法和捆扎方法遵从现有箍筋设计规范要求。在外置传感器材料两个端头有弯钩，两端的弯钩5缠绕弯钩处的纵筋，接插件连接线7为同轴电缆，两端弯钩处钢筋分别与接插件连接线的外导体和内导体连接。接插件连接线7与接插件6连接。

参见附图4、5。当采用内置式传感器时，纵筋和箍筋的设计方法与现有一维钢筋混凝土设计方法相同，遵从现有设计规范。在现一维钢筋混凝土的基础上，加入内置式传感器。内置传感器不能取代箍筋功能。内置传感器紧贴并绑扎在纵筋内部，在一维钢筋混凝土内均匀布置p个，p的值由实验确定。这种结构构成传感器内置式矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件。

内置传感器材料与外置传感器材料相同，由钢筋外包一层绝缘层构成。钢筋的选择与箍筋选择方法相同，遵从现有箍筋设计规范要求。内置传感器材料环绕并捆扎在纵筋里边。接插件连接线7为同轴电缆，两端的钢筋分别与接插件连接线7的外导体和内导体连接。接插件连接线7与接插件连接。

参见附图6。测量设备通过传感器连接电缆连接到被测量的矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件传感器上。每个传感器的接插件与传感器连接线一端连接，传感器连接线的另一端连接到测量设备。传感器连接线选择同轴电缆。

矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件的传感器，不论内置传感器或外置传感器的接插件均与传感器连接线一端连接，传感器连接线的另一端连接到测量设备的一个开关电路。测量设备总共有超过s个开关电路，其中的s个开关电路用于测量，对于传感器外置式矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件，s＝k，对于传感器内置式矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件，s＝p。

测量设备由控制服务器11、通信接口12、微处理器13、功分器14-1、14-2，程控衰减器a15-1、程控衰减器b15-2、信号源16、反向信号隔离器17、信号解析器118-1、信号解析器218-2、s选一开关a19-1、s选一开关b19-2、开关电路20-1～20-s构成。

控制服务器11通过通信接口与微处理器连接，向微处理器发送控制命令，接收微处理器计算数据。微处理器与程控衰减器a、程控衰减器b1、信号源、反向信号隔离器17、信号解析器118-1、信号解析器218-2，s选一开关a19-1、s选一开关b19-2、开关电路20-1～20-s连接，控制各连接电路的运行状态，并从信号解析器读取数据。

信号源16与功分器114-1和微处理器13连接，在微处理器的控制下产生信号，将信号传输给功分器1。

功分器114-1与信号源16、反向信号隔离器17、程控衰减器a15-1、程控衰减器b15-2连接。信号源产生测试信号输出到功分器1，功分器1将信号源产生的信号分成3路，分别输送给反向信号隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b。

程控衰减器b与微处理器、功分器1、功分器2连接，接受微处理器控制，功分器1的其中一路信号输送给程控衰减器b输入信号端，程控衰减器b的输出信号输送给功分器2。

功分器2与程控衰减器b、信号解析器1和信号解析器2连接。将程控衰减器b的信号分成两路，分别输送给信号解析器1和信号解析器2。

程控衰减器a与微处理器、功分器1、信号解析器1连接，接受微处理器控制，功分器1的其中一路信号输送给程控衰减器a输入信号端，程控衰减器a的输出信号输送信号解析器1。

反向信号隔离器与微处理器、功分器1、s选一开关b连接，接受微处理器控制，功分器1的其中一路信号输送给反向信号隔离器，反向信号隔离器输出信号输送给s选一开关b。

信号解析器1与微处理器、功分器2、程控衰减器a连接，接受微处理器控制，将解析结果送给微处理器，接收功分器2和程控衰减器的输出信号。

信号解析器1与微处理器、功分器2、s选一开关a连接，接受微处理器控制，将解析结果送给微处理器，接收功分器2和s选一开关a的输出信号。

s选一开关b与微处理器、反向信号隔离器、以及所有的开关电路连接，接受微处理器控制，在微处理器控制下，每次先择其中的一个开关电路，并将反向信号隔离器输出信号输送到所选择的开关电路。

s选一开关a与微处理器、信号解析器2、以及所有的开关电路连接，接受微处理器控制，在微处理器控制下，每次先择其中的一个开关电路，并将所选择的开关电路信号输入到信号解析器2。

每个开关电路都与微处理器、s选一开关a、s选一开关b连接，且每个开关电路与矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件的一个传感器连接。在微处理器的控制下，开关电路选择工作或不工作模式。在不工作模式下，传感器与连接到s选一开关a和s选一开关b的接口断开。在工作模式下，传感器与连接s选一开关a或s选一开关b的其中一个接口连接。每次只有两个开关电路工作，其中一个开关将传感器连接到s选一开关a，另一个开关将传感器连接到s选一开关b。测量设备工作时，通过微处理器对开关电路、s选一开关a和s选一开关b的控制，选择一个传感器连接到解析器2，选择另一个传感器连接到反向信号隔离器。

本实施例中，控制器的微处理器采用美国xilinx生产的zc706开发板。通信接口为zc706的串行接口。

参见附图10。本控制器信号源中，us1为adf4350,由美国analogdevices公司生产，us2为26mhz有源晶体振荡器，us3为adf4153，由美国analogdevices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1和功分器2采用相同的型号上海华湘计算机通讯工程有限公司的shx-gf2-100。

参见附图11，反向信号隔离。图中，

ua1、ua3：集成电路，型号：nbb-400，由美国rfmicrodevices,inc.公司生产。

ua2：集成电路，型号：pe43704，由美国peregrinesemiconductorcorp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。

本发明控制器中的s选一开关a，s选一开关b均选用美国dow-keymicrowave的产品，型号为：3203-8x8-enet。开关电路选用上海华湘计算机通讯工程有限公司的shx801-01。

参见附图12.程控衰减器a和程控衰减器b采用相同电路。图中，ud6：集成电路，型号：pe43704，由美国peregrinesemiconductorcorp公司生产。

a0,a1,a2,d0,d1,d2,d3,d4,d5,d6,si,clk,le,p/s连接到zc706的io引脚。

参见附图13-14。ad9361用做两路信号解析器。信号解析器1和信号解析器2采用一个芯片。

ur1：美国analogdevices公司生产的ad9361。

ur2，ur3：美国mini-circuits公司生产的tcm1-63ax+。

jp1，jp2，jp3：bnc接插件。

名为auxadc,auxdac1,auxdac2,rx_f_n,rx_f_p,tx_f_n,tx_f_p,spido,spidi,spiclk,spien,clkout,resetb,en,enagc,f_clk_n,f_clk_p，d_clk_n,d_clk_p,txnrx,p0_d[0:11],p1_d[0:11],gpio[0:3],ctrlin[0:3],ctrlout[0:7]的连接网络都连接到zc706的io引脚。

控制服务器使用普通的台式机或笔记本电脑。

控制服务器的程序流程包括含控制服务器程序流程、矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序、微处理器程序；

控制服务器程序流程是：

第一步：设置各对传感器之间感应参数data的实部rd和虚部id在健康状态下的数据范围；进入第二步；

第二步：通过通信接口向微处理器发出设置系统参数命令，发出的系统参数，包括：信号源频率，反向隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2的工作模式；设反向隔离器的放大倍数为kf，程控衰减器a的放大倍数为kca，程控衰减器b的放大倍数为kcb，进入第三步；

第三步：通过通信接口接收微处理器计算得到的感应参数data的实部rd和虚部id，进入第四步；

第四步：运行矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序，返回第二步。

矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件健康状况计算子程序是：

第一步：判断各对传感器之间感应参数data的实部rd和虚部id是否属于健康状态下的数据范围，是，进入第二步；否，进入第三步；

第二步：认定矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件处于健康状态，进入第四步；

第三步：认定矩形截面自感应智能多输入输出钢筋混凝土构件处于不健康状态，进入第四步；

第四步：返回主程序。

微处理器程序包括微处理器主程序、参数计算子程序；

微处理器主程序是：

第一步：通过通信接口接收控制服务器命令，转到第二步；

第二步：设置系统参数，所设置的系统参数包括：信号源频率，反向隔离器、程控衰减器a、程控衰减器b的放大倍数，信号解析器1、信号解析器2的工作模式，转到第三步；

第三步：令i＝1，j＝1；转到第四步；

第四步：判断i等于j吗，否，转到第五步；是，转到第八步；

第五步:s选一开关b接通开关电路i，使得反向信号隔离器输出信号连接到开关电路i连接的传感器；s选一开关a接通开关电路j，使得开关电路j连接的传感器与信号解析器2连接，转到第六步；

第六步:接收信号解析器1解析得到的程控衰减器a与功分器2输出信号之间的同相分量i和正交分量q，设信号解析器1解析得到的同相分量为data_i1，正交分量为data_q1；接收信号解析器2解析得到的开关电路j连接的传感器与功分器2输出信号之间的同相分量i和正交分量q，设信号解析器2解析得到的同相分量为data_i2，正交分量为data_q2，转到第七步；

第七步：调用参数计算子程序，转到第八步；

第八步：令j＝j+1；转到第九步；

第九步：判断j是否大于s，否，转到第四步；是，转到第十步；

第十步：令j＝1，i＝i+1：转到第十一步；

第十一步：判断i是否大于s；否，转到第四步；是，转到第十二步；

第十二步：将参数计算结果送给控制服务器，转到第一步。

参数计算子程序为：

第一步：感应参数data计算公式如下：

参数data为复数，data的实部用rd表示，data的虚部用id表示，所计算的data是指调用参数计算子程序时选择的传感器i与传感器j之间的传感参数。

第二步：返回微处理器主程序。