CN113340992A - 一种混凝土内埋裂纹监测传感器及监测方法 - Google Patents

一种混凝土内埋裂纹监测传感器及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工程检测技术领域，尤其涉及一种混凝土内埋裂纹监测传感器及监测方法；使用阵列超声探头的方式，提高超声探头的覆盖范围，同时提高超声探头对裂纹的检测精度；另一方面由于设置了内埋标准块，增加了超声波在混凝土内的传播路径，提高了监测效果；另一方面使用标准块的波速对混凝土内的湿度进行了检测，有利于对混凝土进行保养；此外在内埋的设备里仅仅埋设了两个振动传感器，降低了成本，其他设备都可以重复利用，这种设置方式非常适合对大范围的混凝土进行监测，可以在检测完成后将超声探头等装置都拆下，只需要定时检测即可实现混凝土监测。

Description

一种混凝土内埋裂纹监测传感器及监测方法
技术领域
本发明涉及工程检测技术领域，尤其涉及一种混凝土内埋裂纹监测传感器及监测方法。
背景技术
土木建筑工程，以混凝土结构占主导地位，混凝土结构由于内外因素的作用不可避免地存在裂缝，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。
现有的混凝土裂纹的监测方式一般是使用声发射传感器或者人工对混凝土进行检查，内埋传感器效率低，且没有办法检修；人工检查的方式误差大，不容易发现很多问题；
而使用超声波的方式对混凝土内部裂纹进行检测的方式，一方面成本很高，另一方面在检测时由于传感器布置很麻烦，导致检测的时间成本很高；
此外安全的应当防患于未然，仅仅监测裂纹难以起到预防的效果，而湿度的变化是导致混凝土内部产生裂纹的一个重要原因，也是人们能够控制的重要因素，因此对混凝土内部的湿度进行监测是本领域的一个重要课题。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，本发明提供一种混凝土内埋裂纹监测传感器及监测方法，使用阵列超声探头的方式，提高超声探头的覆盖范围，同时提高超声探头对裂纹的检测精度；另一方面由于设置了内埋标准块，增加了超声波在混凝土内的传播路径，提高了监测效果，成本低。
一种混凝土内埋裂纹监测传感器***，包括超声探头阵列、内埋标准块2、振动传感器、分析主机和供电模块；其中
在待监测混凝土上下表面分别设置用于安装超声探头阵列的安装孔位，安装孔位的数量为待监测混凝土上表面9个，下表面9个，均呈3×3的阵列形排布；
超声探头1为收发式探头，既能够发出超声波也能够收集超声波，且超声探头1和分析主机相连接；
将内埋标准块2预先埋设进待监测混凝土内部，且保证任意一个超声探头1中心点与内埋标准块2中心点的连线都能够穿过另一个超声探头1；
内埋标准块2表面设置有用于检测振动信号的振动传感器，振动传感器连接分析主机；
分析主机连接供电模块，用于给超声探头1和振动传感器供电；
分析主机控制超声探头1发射和接收超声波，同时接收振动传感器的振动信号，并检测振动传感器的振动强度，实现对混凝土内裂纹的监测。
所述内埋标准块2是由密度高于待监测混凝土的材料成型后再用钢筋固定好制成，在施工时埋设到待监测混凝土中。
所述内埋标准块2的数量是两个，高度均位于待监测混凝土的中部，两个内埋标准块2分别位于呈3×3阵列形排布的超声探头阵列的第一排与第二排之间以及第二排与第三排之间，且两个内埋标准块2对齐设置，并均与每一排超声探头1中间的那个对齐。
一种利用上述监测传感器***进行混凝土裂纹监测的方法，包括如下步骤：
步骤一、探头定位；
在待监测混凝土的安装孔位内安装超声探头阵列，先安装待监测混凝土下表面的超声探头1再安装上表面的超声探头1，并使每个超声探头1均能够对准内埋标准块2；
步骤二、湿度监测；
分析主机开启待监测混凝土下表面的一个超声探头1，使其向内埋标准块2发射超声波，分析主机控制与已开启的下表面的超声探头1共线的待监测混凝土上表面的超声探头1收集从内埋标准块2穿透的超声波信号，同时分析主机收集下表面超声探头1接收到的从内埋标准块2反射的超声波信号；由于内埋标准块2的尺寸已知，且超声探头1之间的距离、内埋标准块2与超声探头1的位置关系已知，则能够根据下表面接收的超声波信号计算出超声波在待测混凝土中的波速v1；根据上表面接收到的超声波信号以及发射超声探头1、接收超声探头1、内埋标准块2的位置关系，得到超声波在待测混凝土中的传播距离L1和内埋标准块2的传递距离L2；进一步求出超声波在内埋标准块2内的传播波速v2；根据v2计算出内埋标准块2的湿度；
对每一个内埋标准块2的湿度进行监测，从而获得混凝土内部的湿度情况，当混凝土内部的湿度不符合要求时，分析主机发出警报；
步骤三、裂纹监测；
分析主机控制一个超声探头1发出脉冲超声波，同时依次控制其他超声探头1接收脉冲超声波，根据超声探头1之间的位置关系确定从超声波发射到各个超声探头1接收到超声波信号的时间t；对2t时间内接收超声探头1的波形进行分析，判断是否出现了裂纹的反射波。
所述步骤三中按如下内容进行判断是否存在裂纹：
由于混凝土的各个表面的关系是确定的，因此能够预先知道超声探头1接收信号的波形中哪些峰位属于表面反射，对于不属于表面反射的波峰，则认定其为裂纹引起的反射波；进一步认定发射超声探头1与该探头对应的接收超声探头1之间的连线位置出现了裂纹；进一步判断裂纹与超声探头1之间的距离，进一步确定出裂纹的位置；
遍历每一个超声探头1，使其发射超声波，然后依次让其他探头接收超声波，确定任意两个超声探头1之间的连线上的裂纹，对全部裂纹进行检测。
所述步骤一中安装待监测混凝土下表面的每个超声探头1时，开启超声探头1，使其发射超声波信号；开启距离安装孔位最近的振动传感器，调节超声探头1的位置和方向，使得振动传感器的信号强度最强说明超声探头1对准了内埋标准块2；
安装上表面的每个探头时开启位于与该超声探头1和内埋标准块2共线的下表面的超声探头1，使其发射超声波，再开启上表面的超声探头1接收超声波，调节该超声探头1的位置和方向，使得接收超声信号最强，说明超声探头1对准了内埋标准块2。
本发明的有益效果：
本发明使用阵列超声探头的方式，提高超声探头的覆盖范围，同时提高超声探头对裂纹的检测精度；另一方面由于设置了内埋标准块，增加了超声波在混凝土内的传播路径，提高了监测效果；另一方面使用标准块的波速对混凝土内的湿度进行了检测，有利于对混凝土进行保养；此外在内埋的设备里仅仅埋设了两个振动传感器，降低了成本，其他设备都可以重复利用，这种设置方式非常适合对大范围的混凝土进行监测，可以在检测完成后将超声探头等装置都拆下，只需要定时检测即可实现混凝土监测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超声探头上表面的布置图；
图2为本发明超声探头布置的前端侧视图；
图3为本发明超声探头布置的左端侧视图。
其中：1超声探头；2内埋标准块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例1：
如图1-3所示，一种混凝土内埋裂纹监测传感器***，包括超声探头阵列、内埋标准块2、振动传感器、分析主机和供电模块；其中
在待监测混凝土上下表面分别设置用于安装超声探头阵列的安装孔位，安装孔位的数量为待监测混凝土上表面9个，下表面9个，均呈3×3的阵列形排布；其中4个设置在靠近混凝土顶面或底四个角的位置，4个设置在靠近顶面或底面的边的中点的位置，1个设置在顶面或底面的中心；
安装孔位内用于安装超声探头1，超声探头1为收发式探头，既能够发出超声波也能够收集超声波，且超声探头1和分析主机相连接；
将内埋标准块2预先埋设进待监测混凝土内部，且保证任意一个超声探头1中心点与内埋标准块2中心点的连线都能够穿过另一个超声探头1；
内埋标准块2表面设置有用于检测振动信号的振动传感器，振动传感器连接分析主机；
分析主机连接供电模块，用于给超声探头1和振动传感器供电；
分析主机控制超声探头1发射和接收超声波，同时接收振动传感器的振动信号，并检测振动传感器的振动强度，实现对混凝土内裂纹的监测。
超声探头1发射的超声波在混凝土内传播的强度沿着超声探头1发射面中垂直线的方向上超声波强度最强，其他距离中垂线距离越远则超声强度越弱。
内埋标准块2的超声波速和湿度的关系是已知的，分析主机根据超声探头1的收发信号确定内埋标准块2的波速，从而对内埋标准块2的湿度进行计算。
分析主机用于分析混凝土内裂纹的位置和范围。
所述内埋标准块2是由密度高于待监测混凝土的材料成型后再用钢筋固定好制成，在施工时埋设到待监测混凝土中。
所述内埋标准块2的数量是两个，高度均位于待监测混凝土的中部，内埋标准块2的位置在地面的投影与超声探头1的位置在地面的投影呈“王”字型，即两个内埋标准块2分别位于呈3×3阵列形排布的超声探头阵列的第一排与第二排之间以及第二排与第三排之间，且两个内埋标准块2对齐设置，并均与每一排超声探头1中间的那个对齐。
一种利用上述监测传感器***进行混凝土裂纹监测的方法，包括如下步骤：
步骤一、探头定位；
在待监测混凝土的安装孔位内安装超声探头阵列，先安装待监测混凝土下表面的超声探头1再安装上表面的超声探头1，并使每个超声探头1均能够对准内埋标准块2；
步骤二、湿度监测；
分析主机开启待监测混凝土下表面的一个超声探头1，使其向内埋标准块2发射超声波，分析主机控制与已开启的下表面的超声探头1共线的待监测混凝土上表面的超声探头1收集从内埋标准块2穿透的超声波信号，同时分析主机收集下表面超声探头1接收到的从内埋标准块2反射的超声波信号；由于内埋标准块2的尺寸已知，且超声探头1之间的距离、内埋标准块2与超声探头1的位置关系已知，则能够根据下表面接收的超声波信号计算出超声波在待测混凝土中的波速v1；根据上表面接收到的超声波信号以及发射超声探头1、接收超声探头1、内埋标准块2的位置关系，得到超声波在待测混凝土中的传播距离L1和内埋标准块2的传递距离L2；进一步求出超声波在内埋标准块2内的传播波速v2；根据v2计算出内埋标准块2的湿度；
对每一个内埋标准块2的湿度进行监测，从而获得混凝土内部的湿度情况，当混凝土内部的湿度不符合要求时，分析主机发出警报；
步骤三、裂纹监测；
分析主机控制一个超声探头1发出脉冲超声波，同时依次控制其他超声探头1接收脉冲超声波，根据超声探头1之间的位置关系确定从超声波发射到各个超声探头1接收到超声波信号的时间t；对2t时间内接收超声探头1的波形进行分析，判断是否出现了裂纹的反射波。
与发射超声探头1在同一个表面上的超声探头1其接收超声波的方式是从内埋标准块2反射超声波；与发射超声探头1不在同一个表面上的超声探头1其接收超声波的方式是直接接收超声；
所述步骤三中按如下内容进行判断是否存在裂纹：
由于混凝土的各个表面的关系是确定的，因此能够预先知道超声探头1接收信号的波形中哪些峰位属于表面反射，对于不属于表面反射的波峰，则认定其为裂纹引起的反射波；进一步认定发射超声探头1与该探头对应的接收超声探头1之间的连线位置出现了裂纹；进一步判断裂纹与超声探头1之间的距离，进一步确定出裂纹的位置；
遍历每一个超声探头1，使其发射超声波，然后依次让其他探头接收超声波，确定任意两个超声探头1之间的连线上的裂纹，对全部裂纹进行检测。
所述步骤一中安装待监测混凝土下表面的每个超声探头1时，开启超声探头1，使其发射超声波信号；开启距离安装孔位最近的振动传感器，调节超声探头1的位置和方向，使得振动传感器的信号强度最强，由于超声波本质上是振动，因此超声波会引发振动传感器振动，当振动传感器的振动信号最强时，说明超声探头1对准了内埋标准块2；
安装上表面的每个探头时开启位于与该超声探头1和内埋标准块2共线的下表面的超声探头1，使其发射超声波，再开启上表面的超声探头1接收超声波，调节该超声探头1的位置和方向，使得接收超声信号最强，说明超声探头1对准了内埋标准块2。
利用两个超声检测包括对裂纹进行定位的内容在现有技术中已经有很多，但是多数都需要移动传感器才能进行对多个位置的检测，且一般都设置在相对的两个面上，位于同一个面上的探头一般对较大深度的检测精度不高，本发明强调的是一方面利用标准块的反射，可以增加超声波传递的路径以及增加超声传感器覆盖的范围，同一个面上的检测方式起到了对向检测的效果，还可以避免移动超声波探头，另一方面可以利用阵列形的超声波探头对同一个裂纹进行多次监测，一方面避免误报，另一方面可以提高裂纹检测的精度。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种混凝土内埋裂纹监测传感器***，包括超声探头阵列、内埋标准块(2)、振动传感器、分析主机和供电模块；其中
在待监测混凝土上下表面分别设置用于安装超声探头阵列的安装孔位，安装孔位的数量为待监测混凝土上表面9个，下表面9个，均呈3×3的阵列形排布；
超声探头(1)为收发式探头，既能够发出超声波也能够收集超声波，且超声探头(1)和分析主机相连接；
将内埋标准块(2)预先埋设进待监测混凝土内部，且保证任意一个超声探头(1)中心点与内埋标准块(2)中心点的连线都能够穿过另一个超声探头(1)；
内埋标准块(2)表面设置有用于检测振动信号的振动传感器，振动传感器连接分析主机；
分析主机连接供电模块，用于给超声探头(1)和振动传感器供电；
分析主机控制超声探头(1)发射和接收超声波，同时接收振动传感器的振动信号，并检测振动传感器的振动强度，实现对混凝土内裂纹的监测。
2.根据权利要求1所述的混凝土内埋裂纹监测传感器***，其特征在于：所述内埋标准块(2)是由密度高于待监测混凝土的材料成型后再用钢筋固定好制成，在施工时埋设到待监测混凝土中。
3.根据权利要求2所述的混凝土内埋裂纹监测传感器***，其特征在于：所述内埋标准块(2)的数量是两个，高度均位于待监测混凝土的中部，两个内埋标准块(2)分别位于呈3×3阵列形排布的超声探头阵列的第一排与第二排之间以及第二排与第三排之间，且两个内埋标准块(2)对齐设置，并均与每一排超声探头(1)中间的那个对齐。
4.一种进行混凝土裂纹监测的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、探头定位；
在待监测混凝土的安装孔位内安装超声探头阵列，先安装待监测混凝土下表面的超声探头(1)再安装上表面的超声探头(1)，并使每个超声探头(1)均能够对准内埋标准块(2)；
步骤二、湿度监测；
分析主机开启待监测混凝土下表面的一个超声探头(1)，使其向内埋标准块(2)发射超声波，分析主机控制与已开启的下表面的超声探头(1)共线的待监测混凝土上表面的超声探头(1)收集从内埋标准块(2)穿透的超声波信号，同时分析主机收集下表面超声探头(1)接收到的从内埋标准块(2)反射的超声波信号；由于内埋标准块(2)的尺寸已知，且超声探头(1)之间的距离、内埋标准块(2)与超声探头(1)的位置关系已知，则能够根据下表面接收的超声波信号计算出超声波在待测混凝土中的波速v1；根据上表面接收到的超声波信号以及发射超声探头(1)、接收超声探头(1)、内埋标准块(2)的位置关系，得到超声波在待测混凝土中的传播距离L1和内埋标准块(2)的传递距离L2；进一步求出超声波在内埋标准块(2)内的传播波速v2；根据v2计算出内埋标准块(2)的湿度；
对每一个内埋标准块(2)的湿度进行监测，从而获得混凝土内部的湿度情况，当混凝土内部的湿度不符合要求时，分析主机发出警报；
步骤三、裂纹监测；
分析主机控制一个超声探头(1)发出脉冲超声波，同时依次控制其他超声探头(1)接收脉冲超声波，根据超声探头(1)之间的位置关系确定从超声波发射到各个超声探头(1)接收到超声波信号的时间t；对2t时间内接收超声探头(1)的波形进行分析，判断是否出现了裂纹的反射波。
5.根据权利要求4所述的一种进行混凝土裂纹监测的方法，其特征在于所述步骤三中按如下内容进行判断是否存在裂纹：
由于混凝土的各个表面的关系是确定的，因此能够预先知道超声探头(1)接收信号的波形中哪些峰位属于表面反射，对于不属于表面反射的波峰，则认定其为裂纹引起的反射波；进一步认定发射超声探头(1)与该探头对应的接收超声探头(1)之间的连线位置出现了裂纹；进一步判断裂纹与超声探头(1)之间的距离，进一步确定出裂纹的位置；
遍历每一个超声探头(1)，使其发射超声波，然后依次让其他探头接收超声波，确定任意两个超声探头(1)之间的连线上的裂纹，对全部裂纹进行检测。
6.根据权利要求5所述的一种进行混凝土裂纹监测的方法，其特征在于所述步骤一中安装待监测混凝土下表面的每个超声探头(1)时，开启超声探头(1)，使其发射超声波信号；开启距离安装孔位最近的振动传感器，调节超声探头(1)的位置和方向，使得振动传感器的信号强度最强说明超声探头(1)对准了内埋标准块(2)；
安装上表面的每个探头时开启位于与该超声探头(1)和内埋标准块(2)共线的下表面的超声探头(1)，使其发射超声波，再开启上表面的超声探头(1)接收超声波，调节该超声探头(1)的位置和方向，使得接收超声信号最强，说明超声探头(1)对准了内埋标准块(2)。
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