专利名称：用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，属一种建筑领域里使用的检测仪器。
背景技术：
用声波对混凝土构件特性的测量，通常是测量混凝土构件的厚度和测量声波在混凝土构件内部的传播速度，这一速度可用作推算混凝土构件的密实度、强度等特性的参数。
目前在混凝土构件的厚度测量(如混凝土构件楼板厚度)方面，主要有钻孔直接测量方法、电磁感应测量方法和声波测量方法等三种测量方法。
其中钻孔直接测量方法存在以下不足(1)要对混凝土构件造成损伤，不适用于要求无损伤(譬如水池壁)的场合；(2)钻孔机械在钻孔深度、携带方便性等上存在限制，且需依赖现场电源；(3)在操作中存在如何避开混凝土构件内部的钢筋、如何保证钻孔垂直度的问题；(4)没有合适的通过其所钻孔测量混凝土构件厚度的简单方便的量具；(5)无法实现多次、多点连续快速检测等。
电磁感应测量方法，其测量原理为利用电磁场在非铁磁体介质中其强度随传播距离增加而衰减的原理，通过测量混凝土构件两侧相对两点之间的电磁场强度的衰减值，推算出两点间的距离。它主要存在如下问题(1)测量时要求在混凝土构件的两侧进行操作，其中在混凝土构件(墙体、楼板)的另一侧要放置一个电磁场接收装置或者一个电磁场发送装置或者一个电磁场感应(反射)装置。这就使在操作时存在如何保证在被测量混凝土构件两侧(测量墙体厚度时，分别在两个房间；测量楼板厚度时，分别在两个楼层)将两个测量装置精确对齐的问题；(2)无法在某些人或仪器不能到达另一侧的场合使用，如混凝土构件外墙体位置较高处、狭小空间架空层、路面等；(3)要求被测量的混凝土构件内部不能存在钢筋等铁磁感应物，否则将严重影响测量结果，而建筑混凝土构件绝大多数是钢筋混凝土构件；(4)由于电磁场在混凝土构件内部传输过程中衰减大，难以检测厚度较大的混凝土构件，目前该类检测仪器的最大量程为300mm-350mm；(5)难以实现多次、多点连续快速检测；(6)由于需要精确测量电磁场强度才能保证测量精度，必须对仪器的电磁场收发装置进行定期标定。
声波(超声波、冲击波)测量方法(如混凝土构件超声波测厚仪、混凝土构件超声波雷达等)，其测量原理为测量声波在物体两个被测点间的传播时间t，若声波在该物体中的传播速度v是已知的，则经计算得到两个被测点之间的距离d为d＝v×t。声波测量方法与电磁感应测量方法同属非破损测量方法，与电磁感应测量方法相比，其优点是(1)测量声波发送与接收的时间差比测量磁场强度衰减量的技术要求、实现难度和制造成本相对更低；(2)避免了混凝土构件内部存在钢筋等铁磁感应物影响测量结果的问题；(3)由于声波在传输中衰减小，检测厚度几乎不受限制；(4)不必对声波收发装置进行声波发射强度或接收灵敏度作精确的标定。
声波法测量混凝土构件厚度可分为直达波对测和反射波单侧测量两种方式。直达波对测方式如图1所示，是在被测混凝土构件两侧的对应部位分别放置一个声波发生器T和声波接收器R，通过测量接收器接收到的声波到达时间与声波发生器发射时间的时间差t乘以传播速度v得到被测混凝土构件的厚度。但该方法存在与电磁感应测量方法中类同的(1)测量装置难以精确对齐；(2)某些场合人员或仪器无法到达另一侧；(3)难以实现多次、多点连续快速检测等问题。
反射波单侧测量方式如图2所示，把声波发生器T和声波接收器R放置在被测量混凝土构件的同一侧，当声波在混凝土构件内部传输时遇到明确的界面会产生反射，测量所反射的声波到达声波接收器的时间与声波发生器发射时间的时间差t，若声波传播速度为v，声波发生器和接收器(在同一平面间)的距离为L，混凝土构件厚度为H，则H=12(v·t)2+L2;]]>常用的方法是如图3所示把声波发生器和接收器做成一体化装置T/R，即L＝0，则有H=12v·t.]]>该方法解决了直达波对测方法所存在的问题，实现了(1)单侧测量；(2)多次、多点连续快速检测。
但用声波对混凝土构件厚度进行测量的方法所存在的关键技术问题是，声波在混凝土构件内部的传播速度是未知的、不确定的，且无法精确地被测量得到，这是因为(1)混凝土构件内部声波传播速度与混凝土构件强度、密实性、材料特性等相关，声波在不同的混凝土构件内部的传播速度存在极大的离散性，如《超声回弹综合法检测混凝土构件强度技术规程》(CECS 022005)中相关混凝土构件强度换算表的超声波传播速度范围为3.80km/s-5.34km/s(卵石材料)，假如声波传播速度不确定，那么即使传播时间t是能精确测量的，其通过声速计算出的距离也是不确定的；(2)即使相同批次(相同材料)的混凝土构件，其声波传播速度也因施工条件、混凝土构件受力状况、甚至具体部位的不同而存在差异，而如果先通过“标定”方式测量具体混凝土构件的声速，又必须先精确测量距离，而这个“距离”测量就是厚度测量的目的。
同时，中国国家标准《混凝土构件结构工程施工验收规范》(GB50204-2002)规定建筑工程的混凝土构件楼板厚度允许误差为-5mm-+8mm；而目前市场上现有超声波方式测量混凝土构件厚度的仪器，其最优的标称精度为±5％，也就是说，如果将其用来测量设计要求150mm厚的混凝土构件楼板，按其±5％的测量精度，误差达±7.5mm，超出标准要求的误差允许范围，故不能满足实际测量要求。
通过测量声波在混凝土构件内部的传播速度来推算混凝土构件强度、密实度是建筑工程质量检测中重要的检测项目之一。如《超声回弹综合法检测混凝土构件强度技术规程》(CECS 022005)中就规定了以通过测量特定的超声波在混凝土构件内部的传播速度结合回弹法测量数据来推算混凝土构件强度的技术规程。该方法通过测量从超声波发生器发射信号到接收器接收到信号之间的时间差(t)，再测量发生器与接收器之间的距离(s)，从而得到速度(v＝s/t)。但该技术规程中规定的三个测量方式，即对测方式、平测方式和角测方式，都容易产生误差。(1)对测方式如图1所示，超声波发生器T与接收器R处于被测混凝土构件的两侧的相对位置，对测方式在操作时难以准确地把发生器T与接收器R对准，这样根据混凝土构件厚度测量到的距离s与超声波实际时间传输路径不一致，使计算所得的速度产生误差。(2)平测方式如图4所示，超声波发生器T与超声波接收器R处于被测混凝土构件的同一侧，由于要求测量的是超声波纵向波(振动方向与声波传输方向一致)的波速，且超声波发生器、超声波接收器及超声波的传输都具有很强的方向性，因此平测方式下超声波接收器R所接收到的直达纵向波分量很小，其所接收到的超声波信号容易受反射、绕射和表面横波信号的干扰，不易精确判定混凝土构件内部传输的超声波纵向波信号从发射至到达的时间t。(3)角测方式如图5所示，超声波发生器T与超声波接收器R处于被测混凝土构件的相互垂直的相邻平面上，超声波发生器T与超声波接收器R之间的距离s通过测量超声波发生器T、超声波接收器R与两相邻平面相交棱之间的距离l1、l2，再根据s=l12+l22]]>计算得到。角测方式存在混凝土构件两个相邻面不完全垂直时的距离计算误差，并且同时存在如平测方式中不易精确判定混凝土构件内部传输的超声波纵向波信号从发射至到达的时间t的问题。
综上所述，目前实际使用中尚没有既保证足够精度，又操作简单方便、适合实际使用的用声波测量混凝土构件特性的装置，即没有满足实际使用要求的用声波法测量混凝土构件厚度或测量混凝土构件内部声波传播速度的测量设备。此外，现有对混凝土构件厚度检测中，也没有其他形式种类的携带更方便、操作更高效、能广泛适合各种场合使用的，价格适中的测量设备。
发明内容
针对上述不足，本发明所要解决的是如何克服混凝土构件中声波传播速度的不确定性所导致厚度(或传播距离)测量精度不足的技术问题，从而提供一种简单、方便、精确和无损的用声波对混凝土构件厚度进行测量和对混凝土构件内部声波传播速度进行测量的装置，即提供一种更简单、更方便、更精确的用声波测量混凝土构件特性的装置，并提供一种使用该装置的方法。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，有声波发生器，安放在被测的混凝土构件表面，用来通过混凝土构件表面向混凝土构件内部发射声波脉冲；声波接收器，安放在被测的混凝土构件表面，用来接收经传播到达混凝土构件表面的由声波发射器发射的声波脉冲信号；时间测量装置，连接声波发生器和声波接收器，用来测量声波从声波发生器到达声波接收器所用的时间；其中声波接收器有两件，各个声波接收器都连接时间测量装置，时间测量装置分别测量从声波发生器到各个声波接收器所用的时间；该装置中还有计算被测混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度的系统，系统中计算混凝土构件厚度所用的公式是H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1---(1-1)]]>系统中计算混凝土构件内部声波传播速度所用的公式是v=L22-L12t22-t12---(1-2)]]>上两式中H为混凝土构件的厚度；v为混凝土构件内部声波传播速度；L1为声波发生器与距离较近的一声波接收器之间的距离；L2为声波发生器与距离较远的另一声波接收器之间的距离，即L2＞L1；t1为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较近的一声波接收器所耗的时间；t2为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较远的另一声波接收器所耗的时间。
从上两式看，本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，采用两个与声波发生器之间有不相等距离的声波接收器时，用来测量混凝土构件厚度与声波在混凝土构件内部的传播速度无关，而确定混凝土构件内部的声波传播速度也不必预知声波传播路径和传播距离。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，其中的声波发生器可以与其中一个声波接收器同一体的，如收发一体化超声波探头，这时计算混凝土构件厚度所用的公式是H=12L2(t2t1)2-1---(2-1)]]>计算混凝土构件内部声波传播速度所用的公式是v=L2t22-t12---(2-2)]]>
式中H、v、L2、t1、t2的含义与式(1-1)、(1-2)相同，其中距离较近的声波接收器是与声波发生器同体的声波接收器，距离较远的声波接收器为不与声波发生器同体，是独立的声波接收器。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，其中声波发生器是机械声波发生器或电致声声波发生器。所谓机械声波发生器如冲击锤，所谓电致声声波发生器如电磁效应的或压电效应的声波发生器，声波还包括超声波。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，其中声波发生器的发射点和声波接收器的探测点处于混凝土构件的同一面上，并且各声波接收器与声波发生器之间的距离是各不相等的，各声波接收器与声波发生器之间有确定相互距离的机构，进入计算的两个声波接收器与声波发生器之间的距离符合式L1＝kL2，其中k＜1；和式H＝ηL2，其中η＝1.0～1.5。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，所说的时间测量装置包括确定声波发生器产生声波脉冲信号的时刻的装置，包括控制声波发生器发射声波脉冲的电子装置或检测声波发生器发射声波脉冲时间的声波接收器。声波发生器产生声波脉冲信号的时刻可以是通过获得控制声波发生器发射声波脉冲电子装置的电子信号来确定，或者使用专门检测声波发生器产生声波脉冲信号时刻的声波接收器检测得到。
确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置，用来接收声波接收器检测到的声波脉冲信号后所发出的信号，再通过信号处理、测量、分析、计算等方法得出声波脉冲信号到达时刻。通常是数字信号处理器(DSP)系统或高性能微处理器(MPU)系统或电子计算机系统。所说的确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置，通常是同时连接多个声波接收器并对多个声波接收器所检测到的声波脉冲信号进行并行处理，或者是由多个确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置对每个声波接收器一对一连接并对各声波接收器所检测到的声波脉冲信号单独进行处理的，或者是对声波接收器分组连接进行处理的。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，所说的计算被测混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度的系统是一电子计算机系统，该系统分别连接确定声波发生器产生声波脉冲信号的时刻的装置和确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置，用以计算测量结果。该计算机系统把获得的声波发生器发射声波脉冲信号的时刻作为测量被声波接收器检测到的声波脉冲信号时刻的计时基准值，计算出各声波接收器所接收到经被检测混凝土构件界面反射后声波脉冲信号到达的相对时间差，再根据对应声波接收器与声波发生器之间的距离参数按本发明提供的公式(1-1)、(1-2)计算出被测量混凝土构件的厚度和/或声波在混凝土构件内部的传播速度。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，其中用于计算结果的电子计算机系统与时间测量装置可以是相互独立的，或者是合并共用的即时间测量装置与计算机系统是同一个装置，或者是部分共用的即时间测量装置中的部分工作装置合并在计算机系统中。
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，其确定声波发生器与声波接收器之间距离的机构，可以是人工调节或自动调节的，参与计算的距离参数可以是通过位置传感器装置由计算机系统自动读取或通过输入装置由人工录入。所说的自动调节，一般是由伺服电机根据人工经计算机的输入装置键入的数据或经计算机计算得出的数据，经驱动声波发生器与声波接收器之间确定相互距离的机构进行的。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，先将一个声波发生器和两个声波接收器放置在混凝土构件的面上，然后启动声波发生器向混凝土构件内部发射声波脉冲，再由声波接收器接收声波发生器所发射的经混凝土构件界面反射的声波脉冲，并由时间测量装置得出声波脉冲从声波发生器到达声波接收器所用的时间，最后用计算机系统计算出被测混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度，其中，各声波接收器和声波发生器放置在混凝土构件的同一平面上，且计算混凝土构件厚度所用的公式是H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1]]>计算混凝土构件内部声波传播速度所用的公式是v=L22-L12t22-t12]]>以上各式中H为混凝土构件的厚度；v为混凝土构件内部声波传播速度；L1为声波发生器与距离较近的一声波接收器之间的距离；L2为声波发生器与距离较远的另一声波接收器之间的距离，即L2＞L1；t1为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较近的一声波接收器所耗的时间；t2为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较远的另一声波接收器所耗的时间。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，在混凝土构件表面上安置声波发生器和两个声波接收器时，他们三者之间的位置满足L1=kL2,k<1H=ηL2,η=1.0~1.5.]]>本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，在第一次测量后，用计算出的混凝土构件的厚度数据(H)与距声波发生器较远的一个声波接收器与声波发生器之间的距离(L2)求取他们之间的厚度与距离的比值(η)，如该比值不在1.0～1.5的范围中，则调整该距声波发生器较远的一个声波接收器与声波发生器之间的距离而使该比值在1.0～1.5的范围内，再进行一次测量，求取结果为准确测量结果。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，可配置2个以上的声波接收器，并将各个声波接收器与声波发生器之间的距离存入计算机系统，随后进行测量，由时间测量装置得出声波脉冲从声波发生器到达各个声波接收器所用的时间，然后用计算机系统计算出被测混凝土构件的厚度，再由计算机根据该厚度和标准的厚度与距离的比值选择一个声波接收器重新对混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度进行计算。
以上两种使用方法，可对未知厚度范围的混凝土构件进行特性测量，使所得出的混凝土厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度的结果达到最佳的测量精度。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，一次测量中可以同时计算出混凝土构件的厚度和混凝土构件内部的传播速度。由于计算厚度的公式中不包含声波在被测物中的传播速度，避免了由于声波在混凝土构件中的传播速度的不确定性的技术问题所导致的混凝土构件厚度的测量误差；同时，该方法还解决了测量声波在混凝土构件中传播速度中所存在的不能在实际操作中精确确定声波发生器与声波接收器之间距离的技术难题。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，只要求被测量物中声波基本是匀速传播的，并有一个能有效反射声波的界面，因此本测量装置可用于对其他实心匀质物体，包括石材、砖、钢材、合金板材等金属和非金属材料板材的厚度测量或在其中声波传播速度的测量。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，在测量混凝土构件厚度或声波传播速度时仅要求被测混凝土构件有一个能有效反射声波的界面，在操作时避免了如测量装置难以精确对齐、人员或仪器无法到达另一侧等问题，并且不需要携带卷尺、钻具等其他辅助工具，操作简捷、高效，并可多次、多点进行连续快速检测。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，根据厚度的计算公式(1-1)，若以ΔH表示厚度误差，ΔL1、ΔL2分别表示为距离L1、L2的测量误差，以Δt1、Δt2分别为表示时间t1、t2的测量误差，则其测量误差可由下式进行估算ΔH=∂H∂L1ΔL1+∂H∂L2ΔL2+∂H∂t1Δt1+∂H∂t2Δt2---(3-1)]]>根据(3-1)，由距离误差ΔL1、ΔL2所造成的厚度误差ΔHL可表示为ΔHL=∂H∂L1ΔL1+∂H∂L2ΔL2=L2·ΔL2-(t2t1)2L1·ΔL14H·((t2t1)2-1)---(3-2)]]>由于距离误差ΔL1、ΔL2处于相同数量级，并以ΔL表示，则根据(3-2)可得|ΔHL|≤L2·|ΔL2|+(t2t1)2L1·|ΔL1|4H·((t2t1)2-1)=L2+(t2t1)2L14H·((t2t1)2-1)·|ΔL|---(3-3)]]>由于声波传播速度v是不变的，传输时间与传输路径长度成正比，根据三角形原理，时间t1、t2和距离L1、L2、厚度H有以下关系(t2t1)2=4H2+L224H2+L12---(3-4)]]>代入(3-3)并整理得|ΔHL|≤4H2L2+L12L2+4H2L1+L1L224H·(L22-L12)·|ΔL|---(3-5)]]>假设L1＝kL2，其中k＜1；H＝ηL2，化简(3-5)得|ΔHL|≤4η2+k4η·(1-k)·|ΔL|---(3-6)]]>根据(3-6)，当η定值时，k越小，由ΔL引起的误差越小，因此，如实施允许，L1应尽可能小；当k＝0时，L1＝0，也即采用声波收发一体化实施方案更优。
根据(3-6)，η在实施中不宜小于1，过小会使声波传播路径S1和S2的空间距离增大，这时被测物厚度的不一致性反而导致测量误差，通常取η＞1比较适合。很显然η不宜过大，当η＞2时，由于η项的作用，因距离误差对结果造成的误差贡献会增大；因此实施时，L2应设计成根据测量对象的厚度范围可进行分级调节的。
根据(3-1)，由时间误差Δt1、Δt2所造成的厚度H误差ΔHt可表示为ΔHt=∂H∂t1Δt1+∂H∂t2Δt2]]>=14H(L22((t2t1)2-1)-2(t2t1)2-L12((t1t2)2-1)-2(t1t2)2)·Δt2t2]]>+14H(L12((t1t2)2-1)-2(t1t2)2-L22((t2t1)2-1)-2(t2t1)2)·Δt1t1---(3-7)]]>把条件L1＝kL2，其中k＜1；H＝ηL2，代入(3-7)，化简得ΔHt=H(4η2+k2)(4η2+1)4η2(1-k2)(Δt2t2-Δt1t1)---(3-8)]]>由于时间误差Δt1、Δt2处于相同数量级，可都以Δt表示，并根据(3-4)关系，可得|ΔHt|≤H(4η2+k2)(4η2+1)4η2(1-k2)(1t2+1t1)·|Δt|]]>由于t1＜t2，有|ΔHt|≤(4η2+k2)(4η2+1)2η2(1-k2)·Ht1|Δt|---(3-9)]]>当k较小时，2H≈t1×v(v为声波传播速度)，(3-9)可表示为|ΔHt|≤(4η2+k2)(4η2+1)4η2(1-k2)·v|Δt|---(3-10)]]>考察(3-10)，当η定值时，k越小，由Δt引起的误差越小，也即，在实施中L1应尽可能小。很显然，η不宜过大；η＞2时，由于η2项的作用，因时间测量的误差对结果造成的误差贡献会迅速增大，比(3-6)式距离误差η一次项更迅速。
来简单估算一下k＝0.1，η＝1.5时，由ΔL引起的误差，代入(3-6)得|ΔHL|≤4η2+k4η·(1-k)·|ΔL|=9.15.4·|ΔL|=1.69|ΔL|]]>实施时，由于L2、L1可以通过测量仪器的机械装置预先进行精确定位，其误差ΔL控制在0.5mm以内是不难实现的。因此，在上述条件下，由ΔL引起的误差可控制在1.0mm以内；也即L2＝100mm、L1＝10mm时，检测厚度为150mm的混凝土构件厚度，由ΔL产生的误差在1.0mm之内。
再估算由时间误差Δt所造成的厚度H误差，把上述条件k＝0.1，η＝1.5代入(4-6)得|ΔHt|≤(4η2+k2)(4η2+1)4η2(1-k2)·v|Δt|=9.01×109×0.99v|Δt|=10.1v|Δt|]]>若采用超声波测量，取波速v＝5×103m/s，得
|ΔHt|≤10.1v|Δt|＝5.05·104×|Δt|若要求由时间误差Δt所造成的厚度最大误差与ΔL引起的误差水平相当，也即ΔHt小于1mm，则要求时间误差Δt达到10-8秒(0.01μs)数量级。就目前电子技术水平而言，达到这样的时间精度是可以做到的。
根据上述测量误差分析，在上述条件下，测量150mm厚度的混凝土构件，测量精度达到1mm是可以实现的。因此，本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法与现有声波法检测混凝土构件厚度的仪器相比，其测量精度大大提高，并能完全满足国家标准《混凝土构件结构工程施工验收规范》(GB50204-2002)规定建筑工程的混凝土构件楼板厚度允许误差的要求。
本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，大大提高了声波法测量混凝土构件厚度的精度，由于距离测量精度的提高，其声波传播速度的测量精度也随之提高。
特别重要的是，本发明所提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法能大大降低对电子系统时间测量精度的技术要求，理由说明如下根据混凝土构件的厚度计算公式(1-1)，其中时间项Δt1、Δt2的测量在计算机系统中可以通过对时钟脉冲的计数实现，若计时基准时钟周期为Tb，则可以把Δt1、Δt2表达成Δt1＝n1Tb，Δt2＝n2Tb；其中，n1、n2分别为Δt1、Δt2相应的时钟计数累计值。代入(1-1)、得H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1=12L22-(n2n1)2L12(n2n1)2-1---(4-1)]]>式(3-10)的时间误差Δt为1个时钟周期Tb，代入得|ΔHt|≤(4η2+k2)(4η2+1)4η2(1-k2)·Tb---(4-2)]]>式(4-1)表明，测量厚度H与时钟计数基准脉冲信号的周期Tb无关；而式(4-2)表明，因时间误差引起的厚度的测量误差与基准时钟信号的频率稳定度无关，仅与基准时钟信号的时钟分辨率(即振荡频率)相关。这意味着，在本发明中，为达到厚度的测量精度，只需采用分辨率为10-8秒(0.01μs)数量级的基准时钟源而不是要求其时间的测量精度达到相同的数量级。
电子系统的时间检测精度，首先取决于用于检测采样的基准时钟信号发生器(通常是石英晶体振荡器)的频率稳定度。目前相对廉价的石英晶体振荡器产品，其频率稳定度在10-6-10-7秒(1μs-0.1μs)量级；若需要达到10-8秒(0.01μs)数量级要求，则将大大提高实施成本。
实现满足分辨率为10-8秒的要求，采用输出频率为100MHz的廉价的普通晶体震荡器产品即可达到。与实现时钟精度为10-8秒时钟系统相比，仅相关器件的直接成本相差达几百倍甚至更高，此外，还省去了生产过程中高精度的调试、校准流程，以及仪器在使用过程中对时钟精度的标定要求，因此，本发明极大地降低了实施时产品的生产成本与综合成本。
综上所述，本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，是一种简单方便、快捷高效、完全无损伤的厚度检测装置和方法。大大提高了声波法检测混凝土构件厚度的测量精度，使之能够满足中国国家标准《混凝土构件结构工程施工验收规范》(GB50204-2002)规定建筑工程的混凝土构件楼板厚度允许误差；该装置同时可用于测量声波在混凝土构件内部的传播速度，克服了实际声速测量操作中存在容易产生误差的弊端；在使用时可完全实现单侧检验，能够检测对混凝土构件外墙体、狭小空间架空层、路面等另一面无法到达的场合，完全避免了现有各种方法存在的问题；不必携带其他辅助工具、量具(比如尺子等)；避免了电磁感应方法和声波对测法“空间对准”的操作困难；不必考虑如打孔法、电磁感应法中钢筋混凝土构件内部钢筋分布的影响；解决了打孔法、电磁感应法测量厚度的限制问题，适合测量大体积的混凝土构件厚度；可轻易实现快速、多次、多点连续检测；实施时产品的生产成本与综合成本低，这是现有技术所无法实现的。
图1为现有技术中声波对测方式的装置示意图，图中T为声波发生器，R为声波接收器，B为混凝土构件，S为声波传播路径；图2为现有技术中声波反射法测量方式的装置示意图，图中T为声波发生器，R为声波接收器，B为混凝土构件，S为声波传播路径，L为声波发生器与声波接收器之间的距离；图3为现有技术中声波反射法的测量方式的另一种装置示意图，图中T/R为声波发生器与声波接收器的一体装置，B为混凝土构件，S为声波传播路径；图4为现有技术中声波平测方式的装置示意图，图中T为声波发生器，R为声波接收器，B为混凝土构件，S为声波传播路径；图5为现有技术中声波角测方式的装置示意图，图中T为声波发生器，R为声波接收器，B为混凝土构件，S为声波传播路径，l1为混凝土构件平面上的声波发生器到混凝土构件棱角的距离，l2为混凝土构件立面上的声波接收器到混凝土构件棱角的距离；图6为本发明一实施例的装置示意图，图中T为声波发生器，R1、R2为声波接收器，B为混凝土构件，S1、S2分别为R1、R2所接收到的声波传播路径，L1为声波发生器到较近一个声波接收器的距离，L2为声波发生器到较远一个声波接收器的距离；图7为本发明一实施例的装置示意图，图中T/R为声波发生器与声波接收器的一体装置，R为声波接收器，B为混凝土构件，S1、S2分别为T/R、R所接收到的声波传播路径，L为声波发生器与声波接收器的一体装置到声波接收器的距离；图8为本发明一实施例的系统框图。
具体实施例方式
例1、本例所提供的用声波对混凝土构件特性进行测量及其使用方法的装置如图6所示，超声波发生装置为声波发生器T，放置在被测量混凝土构件B的表面上；两个声波接收器R1、R2分别放置在与声波发生器T距离为L1、L2的被测量混凝土构件的同一侧表面上。
声波发生器T向被测量混凝土构件产生一个超声波脉冲，超声波脉冲到达被测量混凝土构件对侧的表面界面产生反射，超声波脉冲分别通过路径S1和路径S2被声波接收器R1和R2检测到。
声波发生器T向被测量混凝土构件产生一个超声波脉冲的时刻由时间测量装置记录并作为计算时间的起始点，通过声波接收器R1接收的声波信号可以检测到经路径S1传播的该超声波脉冲并由时间测量装置计算出其传播时间t1，通过声波接收器R2接收的声波信号可以检测到经路径S2传播的该超声波脉冲并由时间测量装置计算出其传播时间t2。
若设被测量混凝土构件的厚度为H，根据三角形原理则有以下关系v×t1=4H2+L12---(1-S1)]]>v×t2=4H2+L22---(1-S2)]]>由于同一超声波脉冲在同一件被检测混凝土构件内部的传播速度v是相同的，则由式(1-S1)和式(1-S2)消除传播速度v，得
H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1---(1-1)]]>而同一被检测混凝土构件的厚度在检测点也是相同的，则由式(1-S1)和式(1-S2)消除被测混凝土构件厚度H，得v=L22-L12t22-t12---(1-2)]]>由于t1、t2和L1、L2是可测量的，因此可根据关系式(1-1)计算出被测混凝土构件的厚度H，根据关系式(1-2)计算出声波的传播速度v。
例2、为减小测量误差，在实施时尽可能减小距离的长度，本例即是例1中当L1为零时的一种特殊情况。
本例所提供的用声波对混凝土构件特性进行测量及其使用方法的装置如图7所示，声波发生器与声波接收器同体，是一超声波收发一体化装置T/S，放置在被测量混凝土构件B的表面；另一个声波接收器R放置在被测量混凝土构件的同一侧表面，且与超声波收发一体化装置T/R有一定距离L。
声波发生器T向被测量混凝土构件发射一个声波超声波脉冲，超声波脉冲分别通过路径S1和路径S2到达被测量混凝土构件对侧的表面界面并产生反射被超声波收发一体化装置和声波接收器检测到。
通过超声波收发一体化装置T/R接收到声波信号可以检测到经路径S1的传播时间t1，接收器R接收到声波信号检测到经路径S2传递的传播时间t2。
由于本例是例1中当L1为零时的一种特殊情况，以距离L替代L2，根据实施例1之计算公式(1-1)、(1-2)可得厚度H与速度v的计算公式如下H=L2(t2t1)2-1---(2-1)]]>v=Lt22-t12---(2-2)]]>由于t1、t2和L是可测量的，因此可根据关系式(2-1)计算出被测混凝土构件的厚度H，根据关系式(2-2)计算出声波的传播速度v。
例3、本例提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，有一冲击锤装置为声波发生器，安放在被测的混凝土构件表面，冲击锤装置上安装一声波接收器，该声波接收器的感应面与冲击锤连接而不接触混凝土构件表面。
有两件声波接收器，安放在被测的混凝土构件表面，各声波接收器的感应面接触混凝土构件表面。
有一时间测量装置，分别连接声波发生器和两个声波接收器。当冲击锤撞击混凝土构件表面时，向混凝土构件内部发出了一个声波脉冲，安装在冲击锤上的声波接收器同时接收到该声波脉冲信号，由时间测量装置记录为计算时间的起始点，当该声波脉冲经混凝土构件另一表面反射后到达各安放在混凝土构件表面上的声波接收器时，时间测量装置又分别计算出该声波脉冲从声波发生器到达各声波接收器的时间差。
有一计算系统，根据从时间测量装置得到的各个声波到达的时间差和已知的各声波接收器与声波发生器之间的距离，按公式计算混凝土构件的厚度和混凝土构件中声波的传播速度。已知两个声波接收器与声波发生器的距离分别为L1和L2且L2＞L1，而从时间测量装置得到的声波发生器所产生的声波脉冲到达这两个声波接收器的时间差分别为t1和t2，则混凝土构件厚度是H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1,]]>混凝土构件内部声波传播速度是v=L22-L12t22-t12.]]>例4、本例提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，在各声波接收器与声波发生器之间安装有确定声波发生器与各声波接收器之间距离的机构，所说机构是连接任何一个声波接收器与声波发生器两者的直杆，直杆是一螺杆，并附有与之平行的标尺，在声波发生器与声波接收器上各有与直杆配合的螺母和在标尺上读取数据的标记。
例5、本例提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，在各声波接收器与声波发生器之间安装有确定声波发生器与各声波接收器之间距离的机构，所说机构是连接任何一个声波接收器与声波发生器两者的位置传感器。所说传感器如是一由可轴向拉伸、并有固定间距定位点的伸缩杆，伸缩杆中的相对两上直杆之间按所述固定间距安装有电磁或光电传感器装置以确定伸缩杆伸缩距离。所说传感器还连接计算系统。
例6、本例提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，如图8所示，有一个超声波收发一体器9和三个超声波接收器7、8、10安装在一机架上，超声波发生器与超声波接收器安装在机架上的位置固定，使各各之间的距离为确定值，使用时机架置于混凝土构件6的一个平面上。超声波发生器中启动发生超声波脉冲的电子装置3、超声波接收器中接收超声波脉冲信号的电子装置4、5、11、12分别连接到一电子计算机系统2中，电子计算机的输出接口连接一数字显示装置1。计算机系统中有根据人工输入指令向超声波发生器中启动发生超声波脉冲的电子装置发送启动指令的装置，有用来接收声波接收器检测到的声波脉冲信号后所发出的信号，并以发送超声波脉冲启动指令的时刻为基准，通过信号处理、测量、分析、计算等方法得出声波脉冲信号到达时刻与基准之间时间差，再以所得出的时间差和已存入系统的超声波发生器与超声波接收器之间的已确定的距离而计算出混凝土构件厚度和超声波在混凝土构件内部的传播速度的装置。
在工作时由时间测量装置得出声波脉冲从声波发生器到达各个声波接收器所用的时间，然后用计算机系统计算出被测混凝土构件的厚度，再由计算机根据该厚度和标准的厚度与距离的比值从三个声波接收器中选择一个声波接收器重新对混凝土构件的厚度和和声波在混凝土构件内部的传播速度进行计算。
以上各例并未尽举本发明所能实现的各种实施方案，还可由已公开的和本发明所公开的技术方案提出以上不曾提出的其他实施方案。
权利要求
1.一种用声波测量混凝土构件特性的装置，有声波发生器，安放在被测的混凝土构件表面，用来通过混凝土构件表面向混凝土构件内部发射声波脉冲；声波接收器，安放在被测的混凝土构件表面，用来接收经传播到达混凝土构件表面的由声波发射器发射的声波脉冲信号；时间测量装置，连接声波发生器和声波接收器，用来测量声波从声波发生器到达声波接收器所用的时间；其特征是声波接收器有两件，各个声波接收器都连接时间测量装置，时间测量装置分别测量从声波发生器到各个声波接收器所用的时间；该装置中还有计算被测混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度的系统，系统中计算混凝土构件厚度所用的公式是H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1]]>系统中计算混凝土构件内部声波传播速度所用的公式是v=L22-L12t22-t12]]>上两式中H为混凝土构件的厚度；v为混凝土构件内部声波传播速度；L1为声波发生器与距离较近的一声波接收器之间的距离；L2为声波发生器与距离较远的另一声波接收器之间的距离，即L2＞L1；t1为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较近的一声波接收器所耗的时间；t2为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较远的另一声波接收器所耗的时间。
2.如权利要求1所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是其中的声波发生器可以与其中一个声波接收器同一体的，这时计算混凝土构件厚度所用的公式是H=12L2(t2t1)2-1]]>计算混凝土构件内部声波传播速度所用的公式是v=L2t22-t12]]>上两式中H为混凝土构件的厚度；v为混凝土构件内部声波传播速度；L2为声波发生器与声波接收器之间的距离；t1为声波发生器发出的声波脉冲到达同体的声波接收器所耗的时间；t2为声波发生器发出的声波脉冲到达单独的声波接收器所耗的时间。
3.如权利要求1或2所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是其中声波发生器是机械声波发生器或电致声声波发生器。
4.如权利要求1或2所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是其中声波发生器的发射点和声波接收器的探测点处于混凝土构件的同一面上，并且各声波接收器与声波发生器之间的距离是各不相等的，各声波接收器与声波发生器之间有确定相互距离的机构，两个声波接收器与声波发生器之间的距离符合式L1＝kL2，其中k＜1；和式H＝ηL2，其中η＝1.0～1.5。
5.如权利要求1所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是所说的时间测量装置包括确定声波发生器产生声波脉冲信号的时刻的装置，包括控制声波发生器发射声波脉冲的电子装置或检测声波发生器发射声波脉冲时间的声波接收器；声波发生器产生声波脉冲信号的时刻可以是通过获得控制声波发生器发射声波脉冲电子装置的电子信号来确定，或者使用专门检测声波发生器产生声波脉冲信号时刻的声波接收器检测得到；确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置，用来接收声波接收器检测到的声波脉冲信号后所发出的信号，再通过信号处理、测量、分析、计算等方法得出声波脉冲信号到达时刻；所说的确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置，通常是同时连接多个声波接收器并对多个声波接收器所检测到的声波脉冲信号进行并行处理，或者是由多个确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置对每个声波接收器一对一连接并对各声波接收器所检测到的声波脉冲信号单独进行处理的，或者是对声波接收器分组连接进行处理的。
6.如权利要求1或5所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是所说的计算被测混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度的系统是一电子计算机系统，该系统分别连接确定声波发生器产生声波脉冲信号的时刻的装置和确定声波接收器接收到声波脉冲信号的时刻的装置，用以计算测量结果；该计算机系统把获得的声波发生器发射声波脉冲信号的时刻作为测量被声波接收器检测到的声波脉冲信号时刻的计时基准值，计算出各声波接收器所接收到经被检测混凝土构件界面反射后声波脉冲信号到达的相对时间差，再根据对应声波接收器与声波发生器之间的距离参数分别接计算混凝土构件厚度的公式和声波在混凝土构件内部传播速度的公式计算出被测量混凝土构件的厚度和/或声波在混凝土构件内部的传播速度。
7.如权利要求6所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是其中用于计算结果的电子计算机系统与时间测量装置是相互独立的，或者是合并共用的，或者是部分共用的。
8.如权利要求1或2所述的用声波测量混凝土构件特性的装置，其特征是其确定声波发生器与声波接收器之间距离的机构，可以是人工调节或自动调节的，参与计算的距离参数可以是通过位置传感器装置由计算机系统自动读取或通过输入装置由人工录入。
9.如权利要求1所说的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，其特征是先将一个声波发生器和两个声波接收器放置在混凝土构件的面上，然后启动声波发生器向混凝土构件内部发射声波脉冲，再由声波接收器接收声波发生器所发射的经混凝土构件界面反射的声波脉冲，并由时间测量装置得出声波脉冲从声波发生器到达声波接收器所用的时间，最后用计算机系统计算出被测混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度，其中，各声波接收器和声波发生器放置在混凝土构件的同一平面上，且计算混凝土构件厚度所用的公式是H=12L22-(t2t1)2L12(t2t1)2-1]]>计算混凝土构件内部声波传播速度所用的公式是v=L22-L12t22-t12]]>以上各式中H为混凝土构件的厚度；v为混凝土构件内部声波传播速度；L1为声波发生器与距离较近的一声波接收器之间的距离；L2为声波发生器与距离较远的另一声波接收器之间的距离，即L2＞L1；t1为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较近的一声波接收器所耗的时间；t2为声波发生器发出的声波脉冲到达距离较远的另一声波接收器所耗的时间。
10.如权利要求9所述的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，其特征是在混凝土构件表面上安置声波发生器和两个声波接收器时，他们三者之间的位置满足L1=kL2,k<1H=ηL2,η=1.0~1.5.]]>
11.如权利要求9所述的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，其特征是在第一次测量后，用计算出的混凝土构件的厚度数据与距声波发生器较远的一个声波接收器与声波发生器之间的距离求取他们之间的厚度与距离的比值，如该比值不在1.0～1.5的范围中，则调整该距声波发生器较远的一个声波接收器与声波发生器之间的距离而使该比值在1.0～1.5的范围内，再进行一次测量，求取结果为准确测量结果。
12.如权利要求9所述的用声波测量混凝土构件特性的装置的使用方法，其特征是可配置2个以上的声波接收器，并将各个声波接收器与声波发生器之间的距离存入计算机系统，随后进行测量，由时间测量装置得出声波脉冲从声波发生器到达各个声波接收器所用的时间，然后用计算机系统计算出被测混凝土构件的厚度，再由计算机根据该厚度和标准的厚度与距离的比值选择一个声波接收器重新对混凝土构件的厚度和声波在混凝土构件内部的传播速度进行计算。
全文摘要
本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，有声波发生器、声波接收器、时间测量装置，其中声波接收器有两件，各个声波接收器都连接时间测量装置，时间测量装置分别测量从声波发生器到各个声波接收器所用的时间；还有计算系统，系统中计算混凝土构件厚度及其内部声波传播速度所用为上述公式。可见，本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置，用来测量混凝土构件厚度与其内部声波的传播速度无关，而确定混凝土构件内部的声波传播速度也不必预知声波传播路径和传播距离。本发明提供的用声波测量混凝土构件特性的装置及其使用方法，是一种简单方便、快捷高效、完全无损伤的厚度检测装置和方法。
文档编号G01N29/04GK1928493SQ20061005251
公开日2007年3月14日 申请日期2006年7月14日 优先权日2006年7月14日
发明者诸华丰, 周岳年, 邱伟明 申请人:舟山市博远科技开发有限公司