专利名称:便携式桩基无损检测仪的制作方法
本实用新型属于检测桩基础质量的装置。
土建工程中，在高大建筑物日益增多的情况下，自然地基已不能满足要求，当前广泛采用了桩基础，对混凝土桩基强度和承载力的要求也越来越高。如何检测在施工过程中混凝土桩基产生的断裂等缺陷和承载力，是一项重要的工作。目前，国外检测桩基的质量及其承载力，都采用大应变的方法，其专用的设备是打桩分析仪，这种设备除价格昂贵外，而且要求要有开阔的场地；而小应变动测方法所采用的桩基检测仪，如中国专利所公开的“混凝土桩基无损动测仪”(专利号88212156.1)，它是在PC－1500计算机上开发的一种测桩设备。它由激振装置，信号传感器，控制器，采样器和袖珍计算机组成，利用机器语言和BASIC语言混合编程，使采样、处理一体化。但是，该设备不能进行测量数据屏幕显示和编辑，不能在时域上任意截取有效信号，也缺乏有效信号局部增强的功能。同时还存在计算速度慢，配套性差，操作不方便，因此，它很难得到高精度可靠的测量结果。
因此本装置的目的在于提出一种由传感器，放大器，滤波器，12比特高分辨率的A／D变换器，接口板，计算机和数据磁带机以及打印机所组成的桩基质量检测装置，并将设计的程序固化在计算机内部的蕊片上。从而可以提高各参数的检测精度，形成了具备计算分析速度快，携带方便，功能齐全的特点。
测量混凝土桩基质量，是采用水中放电，或力锤，或球等作激振源对桩体施以作用力，使桩和桩－－土体系产生振动。然后用水听器，或加速度计，或速度计作传感器检测出桩体中的各种反射波与振动信号。将这些信号放大到需要值，再经滤波器排除高频干扰信号，由12比特高分辨率的A／D变换器把模拟量变为数字量。通过计算机对时域波形予以显示，以便观察检查激励力是否适当。在显示出完整波形时，可以准确观测到各种反射波的到时、相位和幅值。并根据不同的分析目的，利用屏幕进行编辑，选取不同部分数据进行谱分析最后得到各谱成份的主频率及其幅值，然后判断桩基质量和它的承载力。与此同时，可以计算分析结果自动记录在磁带机上，以便作二次处理以及在打印机上给出波形和各测试参数。
测量桩体断裂位置及水平与垂直方向的承载力，就要排除各种干扰波频率f1，测准桩体本身固有振动频率f2和桩－－土体系的振动频率F3。然后利用公式L＝C／2f2求出断裂位置L，其中c为声波在桩体中传播的速度。再利用公式动刚度Kd＝αF(2πf)求出Kd；最后根据Pa＝αKd求出容许承载力Pa，其中α为比例系数。因此频率f2和f3测量的准确性，直接影响到承载力的测量精度。本装置采用计算功率谱和传递函数方法以及固化蕊片内的程序可以做到采样周期的准确性，从而保证了反射波到时、f2和f3精度。
为了准确分析测量f2与f3，本装置可以利用计算机的屏幕进行编辑；当计算机采集完传感器所接收的信号之后立即显示，对所采集的信号进行判别，如果遇到由于激励过大而出现的超限信号以及由于激励不足而无法使桩体和桩－－土体系起振的信号都弃之不用，因为前者带来的计算误差较大，而后者无法测到频率f2和f3。从而可以重新激励桩体，重新信号采集，直到采集到理想的信号为止，如图5所示。图中T1－－T2之间信号为冲激信号，与测量无关；T2－－T3信号包含桩体振动的固有频率，利用它进行FFT，求出频率f2；T3－－T4包含桩－－土体系的振动频率，同样利用FFT，求出频率f3。
本装置通过固化蕊片，可以对弱信号在时域上进行叠加，去掉无规干扰信号，突出有效信号；排除冲击强信号而对弱信号放大2，4，8，16或32倍，从而实现对弱信号的同步增强作用。
通过桩底反射信号能量的计算，可以推算出桩底沉渣的厚度。桩底反射信号常常表现为图6中T′1－－T′2的波形形式。它包含的面积与桩底反射信号幅度以及信号的拖散有关，而幅度与拖散与桩底沉渣性状有关外，还与沉渣厚度有关。通过面积计算，可以推测其厚度。
这些检测和计算，都通过安装在EPSON HX－20型计算机中的专用固化蕊片EPROM 27C64来实现的。
本装置由于各部分设计合理，因此其突出特点在于具有时域波形捕捉，分幅全景显示，信号可以叠加，从而可以提高信噪比；采样频率在20KHz以下可以对内触发予置点在1至127点以内任意设定，在50μS至12.7秒范围内都能保证采集到完整波形和准确记录反射波到达时间，以及对弱信号产生同步增强；可以进行数据屏幕编辑，选取有效数据，除去无用数据，使分析准确可靠；计算速度快，512点FFT计算功率谱大约只需5秒时间；光标扫描，搜索，可以显示信号到达时间、频率和幅度。可以选取桩底反射信号进行积分，求出面积及估算出桩底沉渣厚度。本装置可以单独作计算机用，并备有标准BASIC语言，也可以由用户自编各种判断应用程序。从传感器，放大器，低通滤波器，高分辨率高速A／D变换器，计算机，打印机到磁带机一次配齐集于一手提箱内，结构简单，携带十分方便。因此本装置可以广泛地作为土建施工过程中现场检测桩基质量的重要设备。
图1为本装置的方框图。它由传感器(1)，放大器(2)，低通滤波器(3)，A／D变换器(4)，计算机(5)，打印机(6)和磁带机(7)所组成。图1中的(8)为被测桩体，(9)是桩边土。本装置的传感器(1)，可以是水听器，加速度计或速度计。它可以将从桩体中所检测到的桩体机械振动波变为电信号送入放大器(2)，放大器(2)分11档，可以放大1×2000倍。将信号放大到需要值后，再送入低通滤波器(3)，该低通滤波器(3)的截止频率可以分120Hz、300Hz、1000Hz和2000Hz四档，也可以自行设定。通过滤波器(3)，将不需要的干扰信号排除掉，然后由图2所示的12比特或8比特的A／D变换器(4)将信号的模拟量变为数字量。其采样频率可以是1至20KHz，转换时间为30μS。12位高分辨率高速A／D变换器(4)，是一种与EPSON HX－20计算机配备的专用板，在地址设计上是针对计算机的特点，把数据采集口安排在系统接口未用的地址上，从而可以避免地址复用带来的干扰。本装置还配有数据传送的专用接口板，如图3所示。通过这一接口，系统可以与带有缓存器，采样数率为20KHz至10MHz，甚至更高采样频率的采集器相接，使之能把如此高速采集器所采集的数据送入本装置进行分析计算。这样使得本装置还可以进行对金属或非金属的探伤检测。因此本装置又是可以成为一个高分辨率的超声探伤仪。由A／D变换器(4)采集的数据送入计算机(5)进行各种计算分析。该计算机(5)是一种日本产EPSON HX－20型计算机。本装置的程序方框图如图4所示，并且将这一程序设计固化在8KB的EPROM 27C64蕊片上。由此可以在屏幕上进行数据编辑和对波形的重新采样，直观地选取需要处理的波形部分，拼弃不必要的部分，使分析可靠；同时可以在参数设定中，使予置点在1－－127点之间任意设定，使之可以准确测得激励的起始时间，从而保证了桩体缺陷部分的测量精度。此外，可以使用光标扫描，直观地测量波形有效部分的幅度，反射波到时以及计算出其特征频率。最后由计算推得桩基缺陷位置和桩基的承载力。并经打印机(6)打印出各种计算结果。同时利用磁带机(7)自动记录各种数据。
图2为本装置的A／D变换器的电路结构图。它由AD7501，74LS75，LF398，74LS138，AD574等型号的集成块、各种与非门、电阻和电容等元器件所组成。
图3为本装置的接口板电路线构图。它由LS138、LS244、LS123、各种与非门、电阻、电容，时钟接口等元器件所组成。
图4为本装置的程序设计方块图。
图5为供本装置计算分析反射波到时，频率及幅度的示意图。其中A为信号幅值，t为时间。
图6为供本装置计算分析桩底沉渣厚度的示意图。其中A为信号幅值，t为时间。
本装置的一个最佳实施例在于它采用一个加速度计作为传感器(1)，一个可以放大1×2000倍分11档的放大器(2)，一个截止频率为120Hz、300Hz、1000Hz和2000Hz四档的滤波器作为低通滤波器(3)，一个其采样频率为1至20KHz、12比特的A／D变换器板(4)，它由AD7501，74LS75，LF398、74LS138、AD574芯片以及各种与外门、电阻和电容按图2焊接而成。一个由LS138、LS224、LS123芯片以及各种与外门、电阻、电容和时钟接口按图3焊接而成的接口板并与小型计算机(5)连接。计算机可采用日产的EPSON HX－20型计算机，它本身配置有打印机(6)和磁带机(7)。在计算机(5)内部的EPROM 74C64芯片上固化有根据桩基检测内容和要求特殊安排的软件。上述各技术环节的装置按图1要求连接，即可构成本实用新型，利用它就可以检测到桩基质量的各项参数。
权利要求
1.一种由激振装置向桩体施力，使桩体产生各种振动波，这种波由传感器(1)接收并将其变为电信号，经放大器(1)放大，再经高分辨率高速A/D变换器(4)采样，使这种连续波形数字化，然后由计算机(5)存储和分析判断，最后经打印机给出其分析结果等各部件所组成的桩基无损检测装置，其特征在于它还包含有一个可以排除高频干扰信号，使所测波形清晰的低通滤波器(3)，在计算机(5)内还有一个固化有分析判断程序的EPROM芯片，一个在A/D变换器(4)与计算机(5)之间安装有一个接口板，使所采集的数据有效地送入计算机(5)，从而使本装置可以通过计算机屏幕观察激励力是否适当，各种反射波的到时，相位和幅值，进而利用屏幕进行编辑，直到满足最佳检测效果，从中提取有效的数据来判断桩基质量及其承载力以及一个能自动记录计算机(5)分析所得的各种参数的磁带机(7)。
2.按照权利要求
1所说的装置，其特征在于所说的传感器(1)可以是水听器。
3.按照权利要求
1所说的装置，其特征在于所说的低频滤波器(3)的截止频率可以是120Hz，300Hz，1000Hz，和2000Hz，也可以任意设定。
4.按照权利要求
1所说的装置，其特征在于所说的高分辨率高速A／D变换器(4)可以是12比特位，也可以是8比特位，其采样频率可以在1至20KHz范围内任意设定。
5.按照权利要求
1所说的装置，其特征在于所说的接口板，它可以与采样频率为10MHz或更高的采集器相接。
专利摘要
本实用新型属于检测桩基础质量的装置。它是由传感器，放大器，低频滤波器、12比特高分辨率高速A/D变换器，计算机、打印机和磁带机所组成。其特征在于将计算各种参数的程序固化在计算机的EPROM芯片上，使得本装置具有波形时域的全景显示，进行数据屏幕编辑，光标扫描、搜索，直接测量各反射波到时，相位，特征频率和幅度，经计算机计算分析，最后获得桩体缺陷部位和性状，以及桩体的垂直与水平的承载力。它还可与10MHz的高速采集器相接，因此又可以对金属和非金属进行探伤。本装置结构简单，操作方便，价格低廉，可以广泛作为各建筑工程的测桩设备。
文档编号GKCN2075343SQ90203267
公开日1991年4月17日 申请日期1990年3月23日
发明者单汝政 申请人:中国科学院声学研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan