CN102072704B - 用于水泥基材料的非接触式激光位移测量*** - Google Patents

Abstract

用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***，属于水泥基胶凝材料在水化和干燥过程中的应变测量技术。其特征在于：在硬件架构方面，包括激光位移传感器及其固定用支架，温度信号传感器，安装于该固定支架上的水平和垂直方向位置调节旋钮，水泥基材料成型用模具，被测试水泥基材料试样，埋置于所述被测试水泥基材料试样中的激光信号反射靶，控制器和计算机，所述控制器中装有：所述试样位移信号调理模块，所述试样温度信号调理模块和数据采集卡；在软件方面：所述计算机中装有考虑温度变化的、计算所述试样应变量的测量和分析软件。本发明具有测试精度高、采样频率快、测试过程不受周围电磁干扰、不受所述试样材质和颜色的影响的优点。

Description

用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***

技术领域

用于测量水泥基胶凝材料在水化和干燥等过程中，被监测点的位移变化历程。

背景技术

水泥基材料的抗开裂能力和耐久性是当前无机非金属材料学科研究的热点。通过测试水泥基材料在水化和干燥过程中的体积变化历程，可用于对比和计算水泥基材料在成熟过程中的体积变化量和位移场，为原材料的选择、配合比的优化、结构内应力的计算和开裂风险评估提供科学依据。

水泥基材料在水化和干燥过程中的测试方法有两类，一种是接触式测量方法，另一种是非接触式测量方法。第一种接触式测量方法常用千分表和差分位移传感器(LVDT)作为位移信号的采集硬件，其优点是测量硬件廉价，***架构简单。北京工业大学李锐等申请了一项“水泥混凝土自收缩率测量仪(专利号200610114257)”的发明专利。但该方法的缺点是测试精度差，尤其是测试硬件千分表和LVDT在测量期间存在弹性恢复力，因此使得该种方法不能准确测量水泥基材料在初凝前的塑性状态下的位移历程，其测试开始时间只能是在水泥基材料的初凝之后，从而影响了该种方法的使用范围和测量值的真实性。第二种非接触式测量方法具有测试开始时间不受限制的特点，王培铭(王培铭，刘岩，郭延辉等.混凝土早龄期收缩测试电涡流法的研究，建筑材料学报.2006，9(6)：711-715)报道了一种用于测试混凝土早龄期收缩的非接触式测试方法，该方法采用电涡流式位移传感器，测量精度为1um，该方法虽然实现了非接触式测量，但使用的电涡流传感器具有一些不足之处，首先，使用电涡流传感器时，被测样品只能是金属，并且不同的金属如铜、铁、铝和铅等所的反馈信号的大小并不一样，因此，当被测试的靶材材质不同时，需要对设备进行反复的校准和标定；再次，电涡流传感器的测试精度较差，其测试精度一般为um级；最后，电涡流传感器在工作期间，易受到外界电场、磁场的干扰，因此其测试信号的稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是开发一种装置和计算方法，用于精确测定水泥基材料在水化和干燥收缩过程中，被监测点的位移变化量。并依据该位移变化量、水泥基材料在测试期间的温度历程和量测标距，计算出水泥基材料试样在水化或干燥收缩期间的应变量。

本发明的特征包括：激光位移传感器固定用支架1，左右共两个1-1和1-2，水泥基材料成型用模具2，被测试水泥基材料试样3，温度传感器4，埋置于所述被测试水泥基材料试样3中的激光信号反射靶5，左右共两个5-1和5-2，安装在所述激光位移传感器固定用支架1上的水平方向和垂直方向位置调节用旋钮6，左右共两个6-1和6-2，激光位移传感器7，左右共两个7-1和7-2，激光信号的光束10，所述激光位移传感器7至控制器11的信号线8，所述温度传感器4至控制器11的信号线9，所述控制器11和计算机12，其中：

所述激光信号反射靶5，采用金属、橡胶和玻璃中的任何一种，沿所述被测试水泥基材料试样3的长度方向，在左右两侧各有一个，中间的间距就是标距L，

所述计算机12，依次按以下步骤测量所述被测试水泥基材料试样3沿长度方向上考虑温度影响后的应变量

i为所述激光位移传感器7的序号，i＝1，2，表示该两个激光位移传感器7-1和7-2，分别位于所述埋置于试样中的激光信号反射靶5-1和5-2的外侧，m为测试时间点的序号，

步骤(1)，初始化，

步骤(1.1)，所述控制器11初始化：

设立AMT-300型位移信号调理模块，接收所述位移信号，AMT-RTD型温度信号调理模块，接收所述温度信号，以及USB-7352型数据采集卡，接收调理后的所述位移、温度信号后输入所述计算机，

步骤(1.2)，所述计算机12初始化：

用户输入初始化参数，包括：程序开始时刻m₁，环境的和所述被测试水泥基材料试样3的初始温度T和T₁，T＝T₁，以及所述激光位移传感器7的零点位置与所述激光信号反射靶5之间在环境温度T时，所述程序记录开始时刻m₁时的间距，

用户选择或输入测试持续时间M以及采样时间间隔值，所述被测试水泥基材料试样3在环境温度T下的热膨胀系数α_T，所述标距L以及数据保存时间间隔；

步骤(2)，所述计算机12按以下步骤进行测量，

步骤(2.1)，判断用户实时输入的所述激光位移传感器7的工作模式是单点还是两点协同工作，并确定之，

步骤(2.2)，令所述控制器11，按设定的采样间隔采集各时间点m下各所述激光位移传感器7的位移测量值D_1，m和/或D_2，m，并按下式计算所述被测试水泥基材料试样3的应变量ε_i，m，

在单点工作模式下为： ${\mathrm{\ϵ}}_{i,m}=\frac{D_{i,m}}{L},$ i＝1或2，

在两点协同工作模式下： ${\mathrm{\ϵ}}_{i,m}=\frac{D_{1,m}+D_{2,m}}{L},$

同时，再根据采集到的所述被测试水泥基材料试样3的温度T_m以及热膨胀系数α_m，按下式计算考虑温度影响后所述被测试水泥基试样3的应变量

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i,m}={\mathrm{\ϵ}}_{i,m}+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_j{\mathrm{\α}}_j$

其中，α_i等于环境温度T下m₁时间点的热膨胀系数α_T。

通过精确测定水泥基材料在水化和干燥收缩过程中，被监测点的位移变化量，并依据该位移变化量、水泥基材料在测试期间的温度历程和量测标距，计算出水泥基材料试样在水化或干燥收缩期间的应变量。该应变量可作为结构内应力计算、抗开裂风险评估和开裂时间预测的基础数据。本发明具有测试精度高、采样频率快、测试过程不受周围电磁干扰、不受所述试样材质和颜色的影响的优点。

附图说明

图1，用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***的***架构图。

图2，用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***的硬件装置的电路图。

图3，用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***的软件总体架构图。

具体实施方式

在分析了上述背景技术的前提下，本发明提出了一种用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***，使用该设备旨在测试水泥基材料在水化和干燥收缩期间的位移变化历程。其***架构如附图1所示，它由激光位移传感器固定用支架1，左右共两个：1-1和1-2，水泥基材料成型用模具2，被测试水泥基材料试样3，温度传感器4，埋置于所述被测试水泥基材料试样3中的激光信号反射靶5，左右共两个：5-1和5-2，安装在所述激光位移传感器固定用支架1上的水平方向和垂直方向位置调节用旋钮6，左右共两个：6-1和6-2，激光位移传感器7，左右共两个：7-1和7-2，激光信号的光路束10，所述激光位移传感器7至控制器11的信号线8，所述温度传感器4至控制器11的信号线9，所述控制器11和计算机12所组成。在测量位移所用硬件方面，相对于千分表和LVDT等接触式位移测量装置和电涡流式非接触测量装置，本发明所用的激光位移传感器在实现非接触的同时，还具有其精度高(可达0.01um)，采样频率快(可达50HZ)的特点，同时其测量信号不受被测样品材质和颜色的影响，可以为金属、橡胶和玻璃等材质，因此可以更准确地测试水泥基材料在水化和干燥期间的位移变化。在测量***架构方面，本测量装置采用虚拟仪器方法，即采用“软件即是仪器”的思想来架构整个测量***，这样就使得在一定硬件的基础上，通过软件编程的方式，使得所架构的设备具有很高的适用性和扩展性。

(一)硬件装置：

本发明的硬件装置的电路图如附图2所示。其中CCD激光位移传感器7-1和7-2，以及pt100铂金电阻温度传感器4在获得位移信号和温度信号后，分别将其传送给位移信号调理模块11-1和温度信号调理模块11-2，经过调理后的位移和温度信号被传送到数据采集卡11-3，通过数据采集卡中的A/D转化模块，将信号调制为计算机可以识别的数字信号，该数字信号通过USB总线被传送至计算机12作为信号源用于数据的分析、显示和存储。

本发明在硬件方面的创新之处在于选取激光位移传感器作为位移信号的采集装置，它具有测试精度高、采样频率快、测试过程中不受周围电场和磁场的影响、测试信号不受被测试试样材质和颜色的影响的特点，因而保证了测试所得位移信号的精度和稳定性。此外，通过选取适宜的和高精度的硬件，如位移信号调理模块、温度信号调理模块和数据采集卡等，保证了位移和温度信号在传输过程中的真实性。具体来讲，实现本装置所述功能，可采用如下型号的硬件装置：AMT-V300型位移信号调理模块，AMT-RTD型温度信号调理模块，USB-7325B型16位的数据采集卡。

(二)方法：

在软件编程方面，本测量***要解决的主要问题是位移和温度信号的显示、存储和分析。在数据分析方面主要是针对于位移传感器不同的工作方式(单点工作还是协同工作)，以及被测试样的温度变化历程来计算水泥基材料在水化和干燥期间的应变量。

本非接触式激光位移测量***的软件总体架构如附图3所示。其中应变量ε_i，m的计算如式1和式2所示，考虑温度影响修正后的应变量

如式3所示。

单点： ${\mathrm{\ϵ}}_{i,m}=\frac{D_{i,m}}{L},$ i＝1或2，(1)

协同： ${\mathrm{\ϵ}}_{i,m}=\frac{D_{1,m}+D_{2,m}}{L},---\left(2\right)$

其中，ε_i，m为时间点为m时，第i个试样的应变量；D_i，m为时间点为m时，第i个位移传感器的测量值；L为安装于试样上靶材之间的标距。

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i,m}={\mathrm{\ϵ}}_{i,m}+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_j{\mathrm{\α}}_j---\left(3\right)$

其中，

为考虑温度的影响后，时间点为m时，第i个试样的应变量；T_j为时间点为j时，被测试样的温度；α_j为时间点为j时，被测试样的热膨胀系数，它在数值上等于环境温度下，测试开始时的水泥基材料的热膨胀系数。

Claims (1)

1.用于水泥基材料的非接触式激光位移测量***，其特征在于，包括：激光位移传感器固定用支架(1)，左右共两个(1-1，1-2)，水泥基材料成型用模具(2)，被测试水泥基材料试样(3)，温度传感器(4)，埋置于所述被测试水泥基材料试样(3)中的激光信号反射靶(5)，左右共两个(5-1，5-2)，安装在所述激光位移传感器固定用支架(1)上的水平方向和垂直方向位置调节用旋钮(6)，左右共两个(6-1，6-2)，激光位移传感器(7)，左右共两个(7-1，7-2)，激光信号的光束(10)，所述激光位移传感器(7)至控制器(11)的信号线(8)，所述温度传感器(4)至控制器(11)的信号线(9)，所述控制器(11)和计算机(12)，其中：

所述激光信号反射靶(5)，采用金属、橡胶和玻璃中的任何一种，沿所述被测试水泥基材料试样(3)的长度方向，在左右两侧各有一个，中间的间距就是标距L，

所述计算机(12)，依次按以下步骤测量所述被测试水泥基材料试样(3)沿长度方向上考虑温度影响后的应变量

i为所述激光位移传感器(7)的序号，i＝1，2，表示所述两个激光位移传感器(7-1，7-2)，分别位于所述埋置于试样中的激光信号反射靶(5-1，5-2)的外侧，m为测试时间点的序号，

步骤(1)，初始化，

步骤(1.1)，所述控制器(11)初始化：

设立AMT-300型位移信号调理模块，接收所述试样(3)的位移信号，AMT-RTD型温度信号调理模块，接收所述试样(3)的温度信号，以及USB-7352型数据采集卡，接收调理后的所述位移、温度信号后输入所述计算机，

步骤(1.2)，所述计算机(12)初始化：

用户输入初始化参数，包括：程序开始时刻m₁，环境温度T，被测试水泥基材料试样(3)的初始温度T₁，T＝T₁，以及所述激光位移传感器(7)的零点位置与所述激光信号反射靶(5)之间在环境温度T时，所述程序记录开始时刻m₁时的间距，

用户选择或输入测试持续时间M以及采样时间间隔值，所述被测试水泥基材料试样(3)在环境温度T下的热膨胀系数α_T，所述标距L以及数据保存时间间隔；

步骤(2)，所述计算机(12)按以下步骤进行测量，

步骤(2.1)，判断用户实时输入的所述激光位移传感器(7)的工作模式是单点还是两点协同工作，并确定之，

步骤(2.2)，令所述控制器(11)，按设定的采样间隔采集各时间点m下各所述激光位移传感器(7)的位移测量值D_1，m和/或D_2，m，并按下式计算所述被测试水泥基材料试样(3)的应变量ε_i，m，

在单点工作模式下为：

i＝1或2，

在两点协同工作模式下： ${\mathrm{\ϵ}}_{i,m}=\frac{D_{1,m}+D_{2,m}}{L},$

同时，再根据采集到的所述被测试水泥基材料试样(3)的温度T_m以及热膨胀系数α_m，按下式计算考虑温度影响后所述被测试水泥基试样(3)的应变量

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i,m}={\mathrm{\ϵ}}_{i,m}+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_j{\mathrm{\α}}_j,$

其中：α_j等于环境温度T下m₁时间点的热膨胀系数α_T。

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