专利名称：智能钢筋保护层测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能钢筋保护层测量系统，更具体地涉及一种能对钢筋混凝土结构进行无损检测的智能钢筋保护层测量系统。
背景技术：
无损检测技术是在不破坏被测对象的前提下，检查被测对象的宏观缺陷或测量其属性特征的各种技术方法的统称。利用无损检测技术，不仅可以了解结构质量的现状，还为养护、加固、维修等工作提供科学依据，这样才能真正做到防患于未然。每年，由于保护层厚度不够而引起混凝土中钢筋锈蚀，导致修补所花的费用巨大。任何混凝土结构，不论是新结构还是老结构，都存在着隐患，对安全使用构成威胁。钢筋保护层测量系统是对混凝土结构进行无损检测的常用设备之一，它能够快速准确地确定钢筋位置，测定保护层厚度，使工程技术人员能够掌握关于建筑结构质量现状的第一手资料。这将有助于管理养护部门提前采取预防措施，确保结构物的使用安全。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种智能钢筋保护层测量系统，其由传感器和保护层测量仪和PC机构成，其中保护层测量仪内部主要包含有激励电路、信号调理电路、SOC控制器，传感器实时地将被测结构物的保护层厚度转换成电压信号，电压信号经信号调理电路调理后送SOC控制器处理，经运算处理后显示保护层厚度信息。与保护层测量仪联接的PC机的主要作用是可视化显示测量结果并进行数据统计分析和评价，同时也可对保护层测量的数据形成报表。
本实用新型与现有技术相比其有益效果是在不破坏结构物的前提下，使人们了解到其内部钢筋的位置，钢筋的保护层厚度，甚至钢筋的直径。即让人们了解到肉眼不可见的结构物内部的信息，又不破坏结构物本身。本实用新型提供的智能钢筋保护层测量系统，还具有使技术人员从整个测区的角度，更直观更全面的了解结构物内部的钢筋分布状况，并能得到对结构物耐久性的一个评估结果。
图1是保护层测量系统原理框图；图2的传感器结构原理示意图；图3是行走机构正视图；图4是行走机构俯视图；图5是保护层测量仪的主机系统原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的智能钢筋保护层测量系统由传感器1、保护层测量仪2、PC机3三大部分构成，其中保护层测量仪2内部主要包含有激励电路21、信号调理电路22、SOC控制器23等等，保护层测量仪2通过通信接口与PC机3相连。此外，为了进行图形测量，传感器1还可以配以行走机构11，行走机构11内含光电编码器43并与保护层测量仪2中的信号调理电路22相连。与保护层测量仪2联接的PC机3的主要作用是可视化显示测量结果和进行数据统计分析和评价，同时也可对保护层测量的数据形成报表。SOC控制器23是一个高度集成的系统级单片机，内含A/D模块、可编程增益放大器、可编程计数器阵列、D/A模块、计数器/定时器、比较器、flash存储器等多种资源。信号调理电路22包括模拟信号调理电路(未示出)和数字信号调理电路56。
智能钢筋保护层测量系统的工作原理是在SOC控制器23的控制下，传感器1实时地将被测结构物的保护层厚度(从钢筋边缘至混凝土表面最近点的距离)转换成电压信号，电压信号经信号调理电路22调理后送SOC控制器23处理；行走机构11将结构内部钢筋位置信息转换成脉冲相位信号，脉冲相位信号送至鉴相电路(未示出)，经其处理后供SOC控制器23使用。在SOC控制器23中对所述信号经过处理之后，测量结果可实时显示在保护层测量仪2的液晶图形显示器52上。而当测量为图形方式时，则经由保护层测量仪中的RS232总线驱动51与计算机串行总线相连，将实测数据传至PC机3，在PC机3的屏幕上显示出被测面积内的保护层厚度及钢筋分布状态。
下面接合图2说明本实用新型所使用的传感器1的结构与工作原理。
传感器1的测量原理是传感器1在激励电路作用下，产生一对对称闭环磁路，在初始状态下，两对称磁路磁阻相等，传感器1此时无电压输出；当钢筋12进入传感器的探测范围时，有钢筋12的一侧磁阻变小，这导致两对称磁路磁阻不等，传感器1便有电压信号输出；钢筋12越靠近传感器1，两对称磁路磁阻相差越大，传感器1的电压信号也就越大；距离不变，钢筋12越粗信号也越大。该信号经模拟信号调理、A/D变换后，以数字信号方式送入SOC控制器23，经运算处理后显示保护层厚度信息。
具体地说，传感器1是以两组线圈的T字型结构作为基本结构形式。它以钢筋12对磁路磁阻的改变，从而改变线圈中的感生电动势为其基本工作原理。如图所示，传感器1内有两组线圈，其中LJ为激励线圈，LC为测量线圈。LJ的激励电压为VJ，LC的测量电压为VC。测量线圈LC被图中的O点一分为二，上半部分的线圈称为N上，而下半部分的线圈称为N下，且上、下两部分线圈的匝数亦用N上、N下表示。
在激励线圈中通以一定频率的交变电流，则在激励线圈的磁芯中产生一交变磁场，该交变磁场主要经过两条磁路，其中‘上磁路’沿图中OABQO闭合；‘下磁路’沿图中OGEFQO闭合。上磁路中的总磁阻称为Rm上，下磁路中的总磁阻称为Rm下。上磁路在测量线圈的N上中产生感生电动势为e上，下磁路在测量线圈的N下中产生感生电动势为e下。于是有
式中F为磁动势，设激励线圈匝数为NJ，激励电流的幅值为Im，激励电流的圆频率为ω，则F＝NJImsin(ω·t)(3)由于在测量线圈中e上与e下的作用相反，所以测量电压VC有VC＝e下-e上(4)将公式(1)、(2)代入上式，并考虑公式(3)，最后化间得 其中P＝NJ·ω·Imcos(ω·t)(6)现在，仔细分析公式(5)的三大项内容，首先，由于上磁路中的总磁阻Rm上在传感器1实际使用过程中始终不变，因此公式(5)的第二项实际为零；其次，回头再看第一项，只有当传感器1与钢筋12之间有相对运动时，下磁路中的总磁阻Rm下才随时间而变化，且由于实际的Rm下的值很大，并考虑分母中的平方项，故公式(5)第一项的值，在传感器1与钢筋12之间有相对运动时，近似于无穷小，可忽略不计；在传感器1与钢筋12之间相对静止时，该值为零。
则公式(5)可进一步简化为只余第三项，即 在理想情况下，N上＝N下＝Nhc，所以
由上式可见，当下磁路中没有钢筋12时，Rm下等于Rm上，VC＝0；当下磁路中有钢筋12时，Rm下是钢筋12直径d与保护层S的函数，故VC也是保护层S与钢筋12直径d的函数，即VC＝f(S·d)(9)这样，只要固定S和d二者中的任一参数，便可找出另一参数与VC之间的对应关系。
在传感器中，激励线圈与测量线圈的相对位置，对传感器的各项性能指标有很大的影响。为了保证在使用过程中，其相对位置保持不变，有必要用填充材料将两线圈的位置固定，且该填充材料应该对温度不敏感，固化后硬度大，不变形。经试验选用了原子灰作填充材料。
原子灰在其由软到硬的固化过程中，会产生内部应力，并在其固化后会有残存应力一直存在。这种内部应力会对传感器内的线圈产生两方面的影响。一方面这种内部应力若直接作用于磁性材料，会降低磁性材料的起始磁导率，从而直接影响传感器的灵敏度。另一方面这种内部应力作用会使两线圈的相对位置，相对于调试工序时发生微小的变化，这种变化足以改变测量线圈上下感生电动势的平衡度，从而使初始读数值偏大，从而减小后级测量电路的有效量程。
克服问题的办法有两种。第一，对两线圈中磁性材料暴露的部分，加装保护套管。注意套管与磁性材料间留有足够的空隙，从而消除填充材料对磁性材料的直接的应力作用。第二，在测量线圈的一端留一个电路端口，可通过此端口对测量线圈加绕微调绕组。这样，可在填充材料固化以后，通过微调绕组对测量线圈上下感生电动势的平衡度进行调节，从而调整初始读数值使达到最小值。
填充材料固化以后与线圈形成一个整体，构成传感器的内核。在传感器的内核与外壳之间加入泡沫软垫作为隔温层，可以有效的提高传感器对外界温度变化的适应性。在外界温度强烈变化时，隔温层可使传感器输出的信号电压具有更好的稳定性。
下面结合图3和4说明传感器1的行走机构11的结构。
行走机构的功能和要求主要有如下三条运载传感器，使传感器能够在结构物表面沿一确定的方向作直线运动；将传感器运动的轨迹转化成电信号，使仪器系统能直接测量出传感器运动的距离；由于结构物表面是凸凹不平的，这就要求行走机构对结构物表面的不平整性具有一定的适应能力。上述三项可简称为行走轨迹的直线性、行走距离的可测性、不平整度适应性。
为了满足这三项要求，我们设计出了三轮框架式结构的行走机构。其中A1为传感器舱，B1为编码器舱，C1为从动轮框架部分。从图3中可知，与编码器43相连的前轮41较大，直径例如为50mm。两个从动轮为后轮42，直径例如为35mm。前后轮41、42中心水平距离例如为118mm。传感器舱A1底盘高例如为6mm。从图4中可知，前轮41处于传感器舱A1的长边中线上，编码器43被置于编码器舱B1中。后轮42相对于传感器舱A1的长边中线两侧对称布置，后轮42为共轴设计，且后轮42的轴不仅可转动，还可前后滑动。
编码器43可以选用无锡市瑞普科技公司生产的型号为ZSP3.806-01G-600BZ的编码器。该编码器的主轴旋转一周，其信号线上可输出600个电脉冲。当与编码器43相连的前轮直径为50mm时，前轮的周长为157.08mm。600个脉冲相当于将前轮周长分为600等分，每份长度为0.26mm。仪器系统只要记录脉冲的个数，将脉冲数乘0.26mm，便可计算出行走机构运动的距离了。
传感器舱A1底盘高可以为6mm。这使行走机构可以适应结构物表面小于6毫米的凸凹不平。且由于传感器舱被置于前后轮的中间，这样当前轮与后轮的高差为5mm时，根据相似三角形的几何原理，传感器舱实际的高度变化量只有2.5mm。这就可以减小由于结构物表面局部的不平整而带来的测量误差。
保护层测量仪2是以SOC控制器23为核心的软件和硬件有机结合的测试系统，其硬件系统的集成如图5所示。
其中液晶图形显示器52和键盘接口53属于人机交互界面部分，由此人可以控制测量仪完成各种特定的测试任务。RS232总线驱动51负责完成与PC机3的串口通信工作，图形测量的数据就是由此通路传输给计算机做进一步处理的。模拟电路57包含激励电路21与模拟信号调理电路，它与传感器1结合起来负责对钢筋保护层信息的采集。数字信号调理电路56与行走机构11的编码器43相连，完成对图形定位信息的采集。JTAG接口54是SOC控制器23的编程、在线调试和系统维护的专用接口。电源55与SOC控制器23相连。SOC控制器23作为核心部件，它在软件的控制下，可以对各种模拟信号、数字信号完成采集、变换和运算处理的工作；可以响应人机界面的各种信息；可以管理和控制各个部件的协调运转；可以完成与计算机的数字通信。SOC控制器23即是整个保护层测量仪的中枢，也是测量仪全部智能功能的承载者。
下面说明本实用新型的具体应用。本实用新型的智能钢筋保护层测量系统能实现保护层厚度测量、钢筋定位和直径估测，以及钢筋分布图的测量，其中保护层厚度测量是该仪器的基本功能，钢筋定位和直径估测是保护层测量原理的扩展和应用，钢筋分布图的测量是钢筋定位功能的扩展和应用。
首先说明保护层厚度测量。将保护层测量仪2与传感器1相连接，将传感器1置于被测结构物表面。在结构物表面缓慢移动传感器1，保护层测量仪2的液晶图形显示器52上将显示出数值，与最小值相对应的传感器1的所在位置下即有一钢筋，最小值即为此处钢筋的保护层厚度值。可以将保护层测量仪2设计成自动锁定最小值。
钢筋定位实际是采用测量保护层的办法实现钢筋定位。当传感器1在被测物表面平行移动时，如果向靠近钢筋12的方向移动，传感器1的感生电压会由小变大，而保护层读数值则由大变小；反之，远离钢筋方向移动，显示的保护层读数值由小变大。当仪器显示最小值时，也即保护层为最小值时，传感器所在的位置就是被测钢筋的位置。当移动传感器1越过被测钢筋12时，保护层测量仪2可以自动锁定刚才的保护层最小值，这样传感器1只要反向移动到最小值的位置，即定位了一根钢筋。
以下说明直径的估测。在无资料可查的情况下，若要确定钢筋直径，只好将钢筋混凝土结构物凿开，进行破坏性检验。这样既费力费工，又伤害了结构物本身。但对旧桥检查和进行结构验算，又往往需要知道钢筋直径。为此寻求一种方法，既能估测出钢筋直径，又不破坏结构物，就显得十分有意义。估测方法为由保护层反推钢筋直径，具体步骤如下a、首先准确地确定出钢筋的位置。在要量取保护层的地方用色笔做上标记。
b、用6mm冲击钻在标记处垂直结构物表面钻孔，手感碰到钢筋立即停止。
c、用深度卡尺精确测量钻孔深度。
选取不同直径档，在钻孔处测量保护层厚度。理论上应为保护层显示值最靠近卡尺测量的深度值的直径档，即为此处钢筋直径的估测值。
最后说明钢筋分布图的测量，用直尺在结构物表面画长直线，纵横两方向各2～5条(画线条数和直线间距离视实际需要而定)；将传感器1与行走机构11相结合；保护层测量仪置于图形测量状态。按下行走机构上的按钮，并使行走机构的前轮41一直保持沿长直线运动，当行走机构驶出测量范围时，松开按钮表示该直线测量结束，可进行下一条直线的测量。
上面已经说明的本实用新型的最佳实施方式，但本领域普通技术人员能明白，在不背离本发明精神和范围的情况下，能对其进行各种改变，这些改变都落入本实用新型的保护范围中。
权利要求1.一种智能钢筋保护层测量系统，其由传感器(1)、保护层测量仪(2)构成，其中保护层测量仪(2)内部主要包含有激励电路(21)、信号调理电路(22)、SOC控制器(23)，其特征在于传感器(1)实时地将被测结构物的保护层厚度转换成电压信号，电压信号经信号调理电路(22)调理后送SOC控制器(23)处理，经运算处理后显示保护层厚度信息。
2.如权利要求1所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于还包括与保护层测量仪(2)相连的PC机(3)，用来显示出被测面积内的保护层厚度及钢筋(12)的分布状态。
3.如权利要求1所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于传感器(1)还配以行走机构(11)，行走机构(11)内含编码器(43)并与保护层测量仪(2)中的信号调理电路(22)相连。
4.如权利要求3所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于行走机构为三轮框架式结构，其中包括传感器舱(A1)、编码器舱(B1)和从动轮框架部分(C1)。
5.如权利要求4所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于，传感器舱(A1)底盘高可以为6mm，在编码器舱(B1)中放置编码器(43)。
6.如权利要求1到5中任一个所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于SOC控制器(23)是一个高度集成的系统级单片机，内含A/D模块、可编程增益放大器、可编程计数器阵列、D/A模块、计数器/定时器、比较器、flash存储器。
7.如权利要求1到5中任一个所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于，信号调理电路(22)包括模拟信号调理电路和数字信号调理电路(56)。
8.如权利要求1到5中任一个所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于，传感器(1)是以两组线圈的T字型结构作为基本结构形式，所述两组线圈分别为激励线圈(LJ)和测量线圈(LC)。
9.如权利要求8所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于，传感器(1)中选用了原子灰作填充材料。
10.如权利要求9所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于，在测量线圈(LC)的一端留一个电路端口，可通过此端口对测量线圈加绕微调绕组。
11.如权利要求9所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于，对所述两组线圈中磁性材料暴露的部分，加装保护套管。
12.如权利要求5所述的智能钢筋保护层测量系统，其特征在于保护层测量仪(2)还包括液晶图形显示器(52)和键盘接口(53)，负责完成与PC机(3)的串口通信工作的RS232总线驱动(51)，与传感器(1)相连的包含激励电路(21)与模拟信号调理电路的模拟电路(57)，与行走机构(11)的编码器(43)相连的数字信号调理电路(56)，作为SOC控制器(23)的编程、在线调试和系统维护的专用接口的JTAG接口(54)。
专利摘要一种智能钢筋保护层测量系统，其由传感器(1)、保护层测量仪(2)构成，其中保护层测量仪(2)内部主要包含有激励电路(21)、信号调理电路(22)、SOC控制器(23)，传感器(1)实时地将被测结构物的保护层厚度转换成电压信号，电压信号经信号调理电路(22)调理后送SOC控制器(23)处理，经运算处理后显示保护层厚度信息。
文档编号G01V3/10GK2861956SQ20052010315
公开日2007年1月24日 申请日期2005年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者何玉珊, 刘京, 石琴侠, 张劲泉 申请人:交通部公路科学研究所