专利名称：基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备的制作方法
技术领域：
本实用新型属于混凝土构件损伤检测仪器或设备，特别涉及一种能够对混凝土构件进行实时监测的仪器或设备。
背景技术：
混凝土构件健康诊断与损伤检测对国民经济的发展和人民生活有着重要影响，混凝土构件健康诊断与损伤检测技术是当今国际上急需攻克的主要难题之一。
目前，用于混凝土内部缺陷检测的方法主要有超声波检测、雷达检测和光纤传感检测，其中超声波检测应用最为广泛。
超声波检测，其基本原理是综合超声脉冲通过缺陷或损伤时的声速、波幅和频率等参数的相对变化，对同条件下的混凝土进行比较，来判断和评定混凝土的缺陷和损伤情况。对于结构混凝土开裂深度小于或等于500mm的裂缝，用平测法或斜测法来测量，用以上两种方法进行检测时，裂缝中不允许有积水和泥浆，而且穿过裂缝的钢筋对检测结果有较大的影响(见商涛平，童寿兴.混凝土裂缝深度的超声波检测方法研究.无损检测，2002年01期P6-8)。对于预计深度在500mm以上的裂缝，只能采用钻孔探测(见姚振纲，刘祖华.建筑结构试验.上海同济大学出版社.1998年)。因此，这种检测仅适用于裂缝位置已知的情况，而且只能探测裂缝的深度，不能确定裂缝的宽度，不能预测裂缝的发展。对于大体积混凝土实际上是有损检测，对于内部缺陷的检测只能逐一扫描，检测工作量很大。
雷达检测，是利用一个天线发射高频率宽频带短脉冲电磁波，另一个天线接收来自内部介质界面的发射波。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质和几何形态的变化而变化，因此，根据接收到波的旅行时间、幅度和波形等资料，可探测介质的内部结构和内部缺陷(见孙志恒、鲁一晖、岳跃真.水工混凝土建筑物的检测、评估与缺陷修补工程应用.北京中国水利水电出版社.2004年)。鉴于其检测原理，存在以下问题(1)此种检测操作时必须用天线靠近检测对象，因而所检测的面积小，如要全面检测整个混凝土结构，必须依次扫描每个区域，致使检测工作量大；(2)用于内部缺陷检测时，要求相邻两种物质的介电常数相差较大，才能获得足够的反射能量形成雷达图像，对于导电率大的环境，如潮湿环境，分辨率很低；(3)探测深度有限，无法实现实时监测，也不能预测裂缝的发展。
光纤传感检测，必须预先埋入光纤，故只能检测埋有光纤的位置的裂缝。此外，在实际工程应用时，混凝土施工的严峻环境条件对精密纤细的传感光纤存活构成了极大威胁。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，此种设备不仅可用于检测混凝土构件内部的各种损伤，实现混凝土的实时监测和损伤产生及发展的预测，而且检测工作量小，检测结果不受被检测混凝土构件所处环境的影响。
本实用新型所述基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备包括混凝土电阻率分布信号采集与计算装置、数据处理与结果显示装置，两个装置通过通信总线连接，实现控制信号和测试数据的传递。数据处理与结果显示装置通过通信总线对混凝土电阻率分布信号采集与计算装置进行控制，并定时采集混凝土电阻率分布数据，对所采集的数据进行分析与计算，对混凝土电阻(导)率分布进行病变成像后处理。
上述数据处理与结果显示装置为PC机或工业控制计算机或笔记本电脑。上述混凝土电阻率分布信号采集与计算装置包括正弦电流源、输入多路开关、输出多路开关、放大与滤波电路、AD转换电路、DSP(数字信号处理)控制电路；正弦电流源的输出端与输入多路开关及AD转换电路连接，其输入端通过内部控制总线I与DSP控制电路连接，在DSP控制电路的控制下通过输入多路开关为被检测混凝土构件所设置的各电极提供驱动正弦电流，通过AD转换电路采集正弦电流源的输出电流值；输入多路开关的输入端与正弦电流源连接，并通过内部控制总线II与DSP控制电路连接，其输出端与被检测混凝土构件所设置的各电极激励输入端口连接，在DSP控制电路的控制下将正弦恒流源的输出信号根据电阻率计算需要依次加到所选择的两个电极上；输出多路开关的输入端与被检测混凝土构件所设置的各电极响应输出端口连接，并通过内部控制总线III与DSP控制电路连接，其输出端与放大与滤波电路连接，在DSP控制电路的控制下根据电阻率计算需要依次选择两个电极，将所选择的两电极依次连接到放大与滤波电路；放大与滤波电路的输入端与输出多路开关的输出端连接，并通过内部控制总线IV与DSP控制电路连接，其输出端与AD转换电路连接，在DSP控制电路的控制下对输出多路开关送入的电信号进行放大和滤波；AD转换电路的输入端与放大与滤波电路的输出端连接，并通过内部控制总线V与DSP控制电路连接，在DSP控制电路的控制下将放大与滤波电路送入的模拟信号转换为数字信号并送入DSP控制电路；DSP控制电路对所接收的数据先进行数字滤波，然后计算混凝土的电阻率分布，并将电阻率分布通过通信总线发送给数据处理与结果显示装置。
本实用新型所述基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备的工作原理由于混凝土内部的损伤将导致损伤处电阻(导)率的变化，因此以被检测混凝土构件为传感器，用本实用新型所述设备检测并计算被测混凝土构件内部的电阻(导)率分布，对其电阻(导)率分布的当前数据与存储数据(包括试验数据和过去一段时间记录的数据)进行计算分析，从而得出检测结果，预测预报混凝土病变的早期状态，分析与跟踪混凝土病变的发展，通过成像后处理直观反映被测混凝土构件的病变情况以及病变位置。
本实用新型所述基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备的使用方法1、在被检测混凝土构件上设置多个电极(可以在制作混凝土构件时设置，也可以在实施检测时设置)，这些电极作为激励输入端口和响应输出端口。
2、将本实用新型所述检测设备中的输入多路开关的输出端与被检测混凝土构件设置的各电极激励输入端口连接，输出多路开关的输入端与被检测混凝土构件设置的各电极响应输出端口连接。
3、操作检测设备，依次向两个电极的激励输入端口注入驱动正弦电流，并测量两电极所注入的驱动正弦电流的幅度值和相位值及其他各对电极之间的电压的幅度值和相位值，若被检测混凝土构件上所设置的电极数量为x且x为偶数，则应测x/2轮，若被检测混凝土构件上所设置的电极数量为x且x为奇数，则应测x/2+0.5轮；4、对步骤3测量的数据求解电磁场的拉普拉斯方程，计算被测混凝土内部电阻率或电导率分布；5、采集并存储步骤4所计算出的电阻率或电导率分布数据，将其与存储数据进行计算分析，即可得出被检测混凝土健康状况的数据结果和健康发展规律。
6、将步骤5的数据结果进行成像处理即可获得被检测混凝土健康状况的图像显示结果。
本实用新型具有以下有益效果1、为混凝土内部损伤检测提供了一种全新的设备，该设备既能检测混凝土结构内部的裂缝，又能检测混凝土碳化、氯离子对混凝土的侵蚀、混凝土的碱骨料反应和混凝土中钢筋的锈蚀等内部损伤。
2、能对混凝土结构进行实时监测，由于混凝土内部损伤的发展将导致损伤处电阻(导)率的变化，通过本实用新型所述检测设备实时地计算电阻(导)率的分布，即可实时监测混凝土内部损伤的发展情况。
3、能对混凝土的损伤产生和发展进行预测，通过对所存储的混凝土内部的电阻(导)率进行计算分析，根据电阻(导)率分布随时间的变化情况即可分析混凝土损伤的产生和发展情况，使混凝土结构内部损伤得到及时的察觉和诊断，在初期得到及时修复和控制，避免混凝土结构物的灾难性破坏。
4、对于大体积混凝土结构的检测，不需要钻测试孔。
5、一次性检测的范围不受限制，与超声检测、雷达检测相比，本实用新型所述检测设备可以一次性检测整个被测混凝土结构，并且检测工作量小。
6、与光纤传感检测相比，本实用新型所述检测设备对工作环境条件要求低，便于实际工程应用。
7、由于能直观、形象地显示混凝土结构内部损伤情况，故对检测人员的技术素质要求不高。
图1是本实用新型所述基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备的结构框图；图2是混凝土电阻率分布信号采集与计算装置的一种结构框图；图3是正弦电流源的一种结构框图；图4是无源低通滤波器的一种电原理图；图5是输出恒流驱动电路的一种电原理图；图6是输入多路开关、输出多路开关的一种电原理图；图7是放大与滤波电路的一种电原理图；图8是DSP(数字信号处理)控制电路的一种结构图；图9是DSP(数字信号处理)控制电路与通信总线的连接方式图；图10是被检测混凝土构件上设置的电极的一种分布示意图；图11是被测混凝土构件存在的裂缝的示意图；图12是用本实用新型所述设备得到的检测成像结果图。
图中，1-通信总线、2-内部控制总线V、3-内部控制总线IV、4-内部控制总线III、5-内部控制总线II、6-内部控制总线I。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型所述检测设备的具体结构。
本实用新型所述检测设备的结构如图1所示，包括混凝土电阻率分布信号采集与计算装置、数据处理与结果显示装置，两个装置通过通信总线1连接。数据处理与结果显示装置选用工业控制计算机；混凝土电阻率分布信号采集与计算装置的结构如图2所示，包括正弦电流源、输入多路开关、输出多路开关、放大与滤波电路、AD转换电路、DSP控制电路。
如图2所示，被检测混凝土构件为一正方形构件，该混凝土构件设置了如图11所示的裂缝，其各边侧面均布了四个紫铜电极，共十六个电极。正弦电流源的输出端与输入多路开关及AD转换电路连接，其输入端通过内部控制总线I 6与DSP控制电路连接；输入多路开关的输入端与正弦电流源连接，并通过内部控制总线II 5与DSP控制电路连接，其输出端与被检测混凝土构件所设置的各电极激励输入端口连接；输出多路开关的输入端与被检测混凝土构件所设置的各电极响应输出端口连接，并通过内部控制总线III4与DSP控制电路连接，其输出端与放大与滤波电路连接；放大与滤波电路的输入端与输出多路开关的输出端连接，并通过内部控制总线IV 3与DSP控制电路连接，其输出端与AD转换电路连接；AD转换电路的输入端与放大与滤波电路的输出端连接，并通过内部控制总线V 2与DSP控制电路连接。
上述正弦电流源的结构如图3所示，由产生正弦电流的集成电路、无源低通滤波器和输出恒流驱动电路组成，在DSP控制电路的控制下，产生正弦信号的集成电路输出的正弦信号频率经过无源低通滤波器滤波后，送到输出恒流驱动电路。产生正弦信号的集成电路选用型号为AD9851的集成电路；无源低通滤波器的结构如图4所示，由电容、电感和电阻组成；输出恒流驱动电路的结构如图5所示，主要由运算放大器和数控电位器组成，DSP控制电路通过内部控制总线I 6调节数控电位器来控制输出电流的大小，运算放大器为四个，其型号为AD620，数控电位器为一个，其型号为AD5231。
上述输入多路开关和输出多路开关有相同的电路结构，其结构如图6所示，均主要由继电器以及继电器驱动电路组成，继电器驱动电路选择三片型号为ULN2003A的集成电路驱动芯片。
上述放大与滤波电路如图7所示，由集成运算放大器、数控电位器以及外围电阻、电容组成，集成运算放大器的型号为MAX4305，数控电位器的型号为AD5231。
上述AD转换电路主要由AD转换芯片构成，AD转换芯片的型号为AD9225，转换精度为12位，采样速率最大达到65MSPS。
上述DSP控制电路由数字信号处理芯片(DSP)和现场可编程门阵列芯片(FPGA)组成，数字信号处理芯片的型号为TMS320C6713，现场可编程门阵列芯片的型号为EP2C8F182；TMS320C6713芯片通过通信总线1接收工业控制计算机的命令，并根据工业控制计算机的命令发出控制信号，选择激励与响应电极，采集激励与响应电极的数据，对所采集的数据先进行数字滤波，根据经过数字滤波后的数据、电磁场的拉普拉斯方程以及电阻(导)率分布计算算法，计算出混凝土的电阻(导)率分布，并将电阻(导)率分布信号通过通信总线1发送给工业控制计算机；EP2C8F182芯片为TMS320C6713的接口芯片，实现TMS320C6713与其他各电路以及工业控制计算机的连接，根据TMS320C6713的控制命令对正弦电流源、输入多路开关、输出多路开关、放大与滤波电路、AD转换电路进行控制。
通信总线1至少为RS232总线、RS485总线、USB总线、CAN总线、PROFIBUS总线中的一种，RS232总线物理层由集成电路MAX232实现，RS485总线物理层由集成电路MAX485实现，USB总线协议由集成电路ISP1581实现，CAN总线协议由集成电路SJA1000T实现，PROFIBUS总线协议由集成电路SPC3实现，各总线与EP2C8F182芯片的连接方式如图9所示。
用上述设备检测如图11所示的混凝土构件，步骤如下(1)在被检测混凝土构件上设置16个紫铜电极，混凝土构件的各边侧面均布4个电极，如图2所示。
(2)将被检测混凝土构件上设置的各电极的激励输入端口与检测设备的输入多路开关连接，将被检测混凝土构件上设置的各电极的响应输出端口与检测设备的输出多路开关连接，连接方式如图2所示。
(3)操作检测设备，工业控制计算机向混凝土电阻率分布信号采集与计算装置发出控制命令，混凝土电阻率分布信号采集与计算装置中的正弦电流源、输入多路开关、输出多路开关、放大与滤波电路、AD转换电路在DSP控制电路的控制下，依次向两个电极的激励输入端口注入驱动正弦电流，并测量两电极所注入的驱动正弦电流的幅度值和相位值及其他各对电极之间的电压的幅度值和相位值，将测量的电信号进行放大和滤波并转换为数字信号送入DSP控制电路。正弦电流源的输出频率由100HZ～1MHZ可调，调节的步进为100HZ，输出电流为1～10毫安可调，其步进为1毫安。
两电极所注入的驱动正弦电流的幅度值和相位值及其他各对电极之间的电压的幅度值和相位值的测量进行了8轮，各轮测量时，两个输入电流电极和其他各对测量电压的输出参考电极的选择如下第一轮测量，两个输入电流电极的序号为1和9；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为2和3，2和4，2和5，2和6，2和7，2和8，2和9，2和10，2和11，2和12，2和13，2和14，2和15，2和16。
第二轮测量，两个输入电流电极的序号为2和10；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为3和4，3和5，3和6，3和7，3和8，3和9，3和10，3和11，3和12，3和13，3和14，3和15，3和16，3和1。
第三轮测量，两个输入电流电极的序号为3和11；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为4和5，4和6，4和7，4和8，4和9，4和10，4和11，4和12，4和13，4和14，4和15，4和16，4和1，4和2。
第四轮测量，两个输入电流电极的序号为4和12；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为5和6，5和7，5和8，5和9，5和10，5和11，5和12，5和13，5和14，5和15，5和16，5和1，5和2，5和3。
第五轮测量，两个输入电流电极的序号为5和13；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为6和7，6和8，6和9，6和10，6和11，6和12，6和13，6和14，6和15，6和16，6和1，6和2，6和3，6和4。
第六轮测量，两个输入电流电极的序号为6和14；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为7和8，7和9，7和10，7和11，7和12，7和13，7和14，7和15，7和16，7和1，7和2，7和3，7和4，7和5。
第七轮测量，两个输入电流电极的序号为7和15；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为8和9，8和10，8和11，8和12，8和13，8和14，8和15，8和16，8和1，8和2，8和3，8和4，8和5，8和6。
第八轮测量，两个输入电流电极的序号为8和16；其他各对测量电压的输出参考电极的序号为9和10，9和11，9和12，9和13，9和14，9和15，9和16，9和1，9和2，9和3，9和4，9和5，9和6，9和7。
(4)DSP控制电路对所接收的步骤(3)的测量数据进行数字滤波，然后求解电磁场的拉普拉斯方程，计算混凝土的电阻率分布，并将电阻率分布通过通信总线发送给工业控制计算机。
电阻率或电导率分布的计算采用动态电阻抗断层成像反投影算法(见徐管鑫，何为，H.Singer，一种改进的动态电阻抗断层成像反投影算法。生物医学工程学杂志。200421(5)761-765)，计算20×20个有限单元的电阻率或电导率分布。
(5)工业控制计算机采集并存储步骤(4)所计算出的电阻率或电导率分布数据，将其与存储数据进行计算分析，即可得出被检测混凝土健康状况的数据结果和健康发展规律。
将计算出的电阻率或电导率分布数据与存储数据进行计算分析的步骤如下①将步骤(4)所计算出的电阻率或电导率分布用分布矩阵B表示，分布矩阵B的行和列分别对应有限单元的空间位置。分布矩阵B的中每个元素的值等于相应单元的电阻率或电导率，用bij(i＝1～20，j＝1～20)表示；②设正常情况下电阻率或电导率的值为a，矩阵A中的每个元素的值由aij(i＝1～20，j＝1～20)组成，aij＝a，C＝B-A，矩阵C中的每个元素的值由cij(i＝1～20，j＝1～20)组成cij＝bij-aij按时间顺序计算矩阵C，设其为C1，C2，C3，C4，……；③当矩阵C含有非零单元，表示有异常。通过分析非零单元的值，可以判断被测混凝土的损伤状况；④将步骤②得到的C1，C2，C3，C4，……相邻值相减，得到新的矩阵CC1＝C2-C1，CC2＝C3-C2，……，通过分析非零单元的值，可以判断被测混凝土的损伤发展状况，从而预测混凝土损伤的可能的发展。
(6)工业控制计算机将步骤(5)的数据结果进行成像处理即可获得被检测混凝土健康状况的图像显示结果。
对被检测混凝土健康状况的数据结果进行成像处理的步骤如下①根据矩阵与有限单元的对应关系，用不同的颜色将步骤(5)中的②、③矩阵C的计算结果表示出来，每种颜色表示一种损伤状况；②根据矩阵与有限单元的对应关系，用不同的颜色将步骤(5)中的④矩阵CC的计算结果表示出来，每种颜色表示一种损伤发展状况。
本实施例被检测混凝土构件的成像检测结果如图12所示。
根据实际工程应用，在被测混凝土构件上设置电极还可以采用非均匀分布。根据被测混凝土的受力分布不同，可以在受力大的区域电极分布密集，受力小的区域电极分布较少。也可根据关注的混凝土区域的重要性来分布电极，重点区域分布密集，非重点区域分布较少。电极非均匀分布的设置方式如图10所示。
权利要求1.一种基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于包括混凝土电阻率分布信号采集与计算装置、数据处理与结果显示装置，两个装置通过通信总线(1)连接，实现控制信号和测试数据的传递。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于数据处理与结果显示装置为PC机或工业控制计算机或笔记本电脑。
3.根据权利要求1或2所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于混凝土电阻率分布信号采集与计算装置包括正弦电流源、输入多路开关、输出多路开关、放大与滤波电路、AD转换电路、DSP控制电路，正弦电流源的输出端与输入多路开关及AD转换电路连接，其输入端通过内部控制总线I(6)与DSP控制电路连接，在DSP控制电路的控制下通过输入多路开关为被检测混凝土构件所设置的各电极提供驱动正弦电流，通过AD转换电路采集正弦电流源的输出电流值，输入多路开关的输入端与正弦电流源连接，并通过内部控制总线II(5)与DSP控制电路连接，其输出端与被检测混凝土构件所设置的各电极激励输入端口连接，在DSP控制电路的控制下将正弦恒流源的输出信号根据电阻率计算需要依次加到所选择的两个电极上，输出多路开关的输入端与被检测混凝土构件所设置的各电极响应输出端口连接，并通过内部控制总线III(4)与DSP控制电路连接，其输出端与放大与滤波电路连接，在DSP控制电路的控制下根据电阻率计算需要依次选择两个电极，将所选择的两电极依次连接到放大与滤波电路，放大与滤波电路的输入端与输出多路开关的输出端连接，并通过内部控制总线IV(3)与DSP控制电路连接，其输出端与AD转换电路连接，在DSP控制电路的控制下对输出多路开关送入的电信号进行放大和滤波，AD转换电路的输入端与放大与滤波电路的输出端连接，并通过内部控制总线V(2)与DSP控制电路连接，在DSP控制电路的控制下将放大与滤波电路送入的模拟信号转换为数字信号并送入DSP控制电路，DSP控制电路对所接收的数据先进行数字滤波，然后计算混凝土的电阻率分布，并将电阻率分布通过通信总线(1)发送给数据处理与结果显示装置。
4.根据权利要求3所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于正弦电流源由产生正弦电流的集成电路、无源低通滤波器和输出恒流驱动电路组成，在DSP控制电路的控制下，产生正弦信号的集成电路输出的正弦信号频率经过无源低通滤波器滤波后，送到输出恒流驱动电路。
5.根据权利要求4所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于输出恒流驱动电路主要由运算放大器和数控电位器组成，DSP控制电路通过内部控制总线I(6)调节数控电位器来控制输出电流的大小。
6.根据权利要求3所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于输入多路开关和输出多路开关均主要由继电器以及继电器驱动电路组成。
7.根据权利要求3所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于放大与滤波电路由集成运算放大器、数控电位器以及外围电阻、电容组成。
8.根据权利要求3所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于DSP控制电路由数字信号处理芯片和现场可编程门阵列芯片组成。
9.根据权利要求1或2所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于通信总线(1)至少为RS232总线、RS485总线、USB总线、CAN总线、PROFIBUS总线中的一种。
10.根据权利要求3所述的基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，其特征在于通信总线(1)至少为RS232总线、RS485总线、USB总线、CAN总线、PROFIBUS总线中的一种。
专利摘要一种基于阻抗成像的混凝土损伤检测设备，包括混凝土电阻率分布信号采集与计算装置、数据处理与结果显示装置，两个装置通过通信总线连接，实现控制信号和测试数据的传递。数据处理与结果显示装置为PC机或工业控制计算机或笔记本电脑。混凝土电阻率分布信号采集与计算装置包括正弦电流源、输入多路开关、输出多路开关、放大与滤波电路、AD转换电路、DSP控制电路。该设备检测、计算并存储被测混凝土构件内部的电阻(导)率分布，对其电阻(导)率分布的当前数据与存储数据进行计算分析，从而检测、监测、预测混凝土损伤结果。
文档编号G01N27/20GK2888443SQ20062003403
公开日2007年4月11日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者李碧雄, 莫思特 申请人:四川大学