专利名称：灌注桩砼位超声波检测方法及检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波检测方法及检测系统，特别是涉及一种利用超声波测 量检测钻孔(井、槽)灌注砼的过程中砼位(砼面高度、砼面深度)的方法及检 测系统。
背景技术：
目前在城市建设和重大工程建设(比如高层建筑、大型桥梁等)中，往往需 要对地基进行加固， 一种加固方法就是采取钻孔(井、槽)灌注桩。一般是将配 置好的砼(骨)料从井底一直灌注到孔的顶部。实际上，许多建筑都有地下工事， 那末灌注到顶部的这段桩在开挖后都要切除，这就给工程带来多余的工作量，并 造成建筑材料的浪费，处理切除下来的废水泥桩又造成环境污染和处理成本。然 而，这些需要切除的灌注桩的多余部分，在设计上事先就是已知，只要预先能够 有效地控制灌注过程中砼面的标高，就可以只灌注到设计所需要的高度，从而克 服上述的诸多麻烦，节约成本，减少浪费，同时也减少对环境的污染。最近也出现了利用孔中压力变化来检测砼位的仪器,这种仪器其原理利用的 是砼和孔中原有的泥浆的比重不同，利用压力传感器来感知砼位的出现，从而测 定砼位。这种方法的缺点是传感器必须接触到砼，如果砼面离孔口比较远，就需 要比较长的电缆或钢缆将传感器降下去，这给使用带来麻烦。发明内容本发明的目的在于克服由于在灌注砼的过程中不能有效控制砼位，而对那 些没有必要灌注到顶部的桩孔也要濯满，导致材料和人力方面的浪费，以及造成 环境污染的问題:从而提供一种利用超声波遇到不同介质界面时会发生反射这一 客观现象，对砼位进行远距离遥渊的手段来检测灌注过程中砼位或砼标布的方 法，该方法也可以克服接触式检測方法中的一些弊端。
本发明的目的还在于提供一种轻便化的灌注桩砼位超声波检拥系统。 本发明的目的是这样实现的本发明提供的灌注桩砼位超声波检測方法，包括以下步骤1) 将超声波传感器吊放在待灌注砼的孔中，该超声波传感器在孔中吊放的 深度D小于砼面深度H:也就是砼位应该位于超声波传感器2下方；超声波传感 器2离开被测砼面的距离应保证砼面落在测量系统的作用范围内；2) 开启超声波传感器，向孔中灌注砼，所述超声波传感器不断发射超声波 脉冲；3) 所述超声波传感器接收被砼面反射回来脉冲信号，并经信号电缆传输给 地面仪表，地面仪表的信号处理单元测出从发射脉冲到收到砼面回波脉冲的时间 间隔T,实时计算出当前砼面深度H-VW+D，其中V为所述超声波脉冲在泥浆中 的声速4) 当砼面深度H达到灌注桩砼位预定值时，停止灌注砼。 上述技术方案中，所述超声波脉冲的频率在20kHz到100kHz范围内。 上述技术方案中，所述超声波传感器发射的超声波脉冲是用IH弦波填充的超声波脉冲或者是编码脉冲形式的超声波脉冲。本发明提供的灌注桩砼位超声波检測系统包括:具有收发功能的超声波传感 器，收发转换电路、接收电路、功率放大器、中央处理单元以及给系统供电的电 源在发射状态下，收发转换电路将超声波传感器与功率放大器接通，所述中央 处理单元、功率放大器、收发转换电路和超声波传感器依次形成电连接通路；在 接收状态下，所述收发转换电路将超声波传感器与接收电路接通，所述超声波传 感器、收发转换电路、接收电路和中央处理单元依次形成电连接通路。上述技术方案中，所述超声波传感器与收发转换电路之间由电统连接。上述技术方案中，收发转换电路为一模拟开关电路。上述技术方案中，所述接收电路是一个用于放大回波信号，滤除干扰噪声的 信号处理电路。上述技术方案中，所述中央处理单元控制收发转换电路的发射、接收工作状 态切换。
上述技术方案中，所述中央处理单元控制接收电路的增益太小和放大模式。 上述技术方案中，所述中央处理单元还分别接有与其他设备连接的通信接口 和用于砼位数据实时显示的砼位显示单元。本发明的优点在于1. 本发明可以用于砼灌注过程中的砼位的实时监测，使用者可以在该 设备的指导下控制砼位的实际灌注高度，从而有效的减少人力、物 力的浪费，减少对环境造成的污染。2. 与依赖压力传感器的砼位检测方法相比，本发明的优点在于非接触 砼面，而靠压力变化来检测的方法其传感器必须接触到砼面，因此 它无法检测灌注过程中砼位的变化过程，也就无法实现动态检测。 而本发明是在离开砼位一定高度(距离)上观测，所以可以实现动 态检测。3. 本发明使用的是超声波，发射的超声波为短脉冲信号，能量很小，所以，整个系统用电很少，设备比较轻便，使用方便。
图1超声波砼位检测过程示意2超声波砼位检测方法信号时序3超声波砼位检测方法实施超声波砼位检测仪原理框面说明1-超声波砼位检测装置的地面仪表 2超声波传感器3-信号电缆 '4-灌注砼的导管 5-孔中未灌注部分6-孔中已灌注部分，7-孔中砼位具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明的检測方法和检測系统进行详细地说明 本发明方法的原理如下假设未灌注部分的泥浆的超声波声速为V.测量过程中的信号时序如图2所
示-.在某个时刻，通过超声波传感器2鄉一个如稱2所示的有正弦波填充超声 波脉冲，该超声波脉冲以声速V在向砼位行进，当遇到砼位后(泥浆和砼的交界 面》，由于砼的声阻抗和泥浆的声阻抗不同，有一部分能量就会被反射回来，当 超声波传感器2接收到返回的脉冲信号，并经信号电缆传给地面仪表(这里的地 面仪表是指图3中除去超声波传感器的剩余部分)，地面仪表测出从发射到收到 砼面回波脉冲时的时间间隔T,就可以计算出H-D=V*T。砼位H-V+T+D。由于灌注桩中未灌注砼的部分充满泥浆，泥浆对超声波的能量吸收很大，与 许多因素有关，尤其是所采用的超声波脉冲的频率, 一般不能太高；同样为了达 到一定的测量精度，超声波的频率也不能太低，可根据检测设备的具体指标来确 定一个合适的超声波频率或者一个频段。超声波的频率一般选择在20kHz到 100kHz范围内比较合适。所述超声波传感器发射的超声波脉冲，其单个脉冲持 续时间为一般不超过100微秒，相邻脉冲的时间间隔为一般取每秒发射10-30 次，根据砼料的灌注速度或砼面的上升速度来调节或确定，超声脉冲的功率一般 取10-50瓦即可，也可根据待灌注的孔中的泥浆的特性(浓度，含沙量等)来选 择。实施例l制作一超声波砼位检测仪，其原理框图如图3所示。包括超声波传感器， 收发转换电路、接收电路、功率放大器、中央处理单元以及给系统供电的电源。本实施例中，中央处理单元采用ADuC841芯片，也可以使用其它类似芯片比 如S8051， AT89C51, TI公司430F135等8位、16位单片处理器。该中央处理单 元的功能主要是控制、协调该系统各部件的工作。对于收发转换电路，中央处理 单元根据收发需要指挥它处在接收还是发射工作状态对于接收电路中央处理 单元控制它的增益大小和^放大模式；中央处理单元通过通信接口将测量数据传送 给需要接收这些数据的其他设备，比如管理部门的电脑等；中央处理单元还将 测量的砼位数据通过砼位显示进行现场实时显示。本实施例中，收发转换电路为一模拟开关电路。它可以用通用的模拟开关(比如CD4051, 4052, 4053等)或者CMOS器件组成。在发射状态时，该收发转换 电路将超声波传感器与功率放大器相连接,使脉冲功率信号能够直接加载到超声 波换能器上，并将接电路的输入端短接到地；在接收状态时，该收发转换电路将
超声波传感器与接收电路的输入端相连，让敏面來的涪号直接进入接收电路。本实施例中，功率放大器采用D类功率放大器，由两个VMOS功率管组成， 用于将中央处理单元送来的超声波信号进行功率放大，并将放大后的功率信号经 收发转换电路送到超声波换能器上。接收电路包括放大、滤波以及回波形成等几个功能。该接收电路将由超声波 换能器收到的来自砼位的回声信号进行放大，由于泥桨对超声波能歪的吸收非常 大，由砼位反射回来的能量再经过泥浆的吸收，使得接收到的回波信号比较弱， 又由于建筑工地施工机械比较多，各种电干扰比较大，所以该接收电路的作用就 是放大来自砼位的超声波回波信号，尽可能的滤除其它各种干扰噪声。并将收到 的砼位信号经过一定的处理后送给中央处理单元，由中央处理单元进行再处理。本实施例中，通讯接口提供RS232/485两种接口可供选择，也可以选择USB 格式。该接口主要用于对本测量仪表内部参数的修改和将观测数据及时送给需要 这些数据的终端。本实施例中，电源由电池组构成，也可以由市电经变压器降压或开关电源来 完成。由于这里所说的超声波砼位检测仪是一种轻便型仪器，为了方便使用，这 里采用了电池组。当然也可以选用可充电电池组。本实施例中，砼位显示单元由196X64点阵的LCD屏组成，它即可以显示砼 位数据，又可以以图形方式动态地显示砼位的瞬时变化过程，可以提供给施工人 员一个清晰的砼位变化图像，以便他们合理、有效的控制砼位的灌注高度。实施例2利用上述实施例1的超声波砼位检測仪检测砼面髙度的方法，按照如下工作 流程进行假设灌注桩在濂注过程中的结构如图1所示图1中1为超声波砼位检測装置的地面仪表，2为超声波传感器，3为信号 电缆，4为灌注砼的导管，5为孔中未灌注部分，该部分为泥浆，6为孔中已灌 注部分，7为孔中砼位，假设砼位离地面的距离为H。超声波传感器在孔中吊放 的深度为D,只要测出超声波传感器离砼位的距离(H-D)就可以确定当前砼位 所在的离度，如果不间断的測量H-D,就可以实时检測濯注过程中砼位髙度(即
砼面深度)。.将上述实施例1的超声波砼位检測仪上的超声波传感器2置于被检鄉钻孔中的泥浆中> 假设该钻孔中的最终的砼面深度H希望控制在离井口 j:o深米处，可以将超声波传感器2吊放在离井口 6-8米深的位置；启动超声波砼位检测器开始 工作；砼位检测器的显示屏上开始显示砼位高度，如果砼面远离超声波传感器2, 显示屏上会有超出范围的提示随着砼料的不断灌注，砼位不断上升，当砼位进 入检测仪的检测范围后，显示开始动态显示实测的砼面的高度；当离度达到设计 要求的离井口 IO米高度时，施工方停止灌注，从而达到有效控制砼位灌注髙度 的目的。另外，在本发明中，钻孔中泥浆的声速V人们已经作过许多测量工作，可以 通过己有的资料査到，也可通过现场实测得知，而时间间隔的测量，可以通过测 量设备自身的中央处理单元来完成，由于工程上对砼位高度测量精度要求并不 高，所以，对时间的测量精度要求也不高，一般常用的单片处理器就可以完成时 间测量工作。
权利要求
1、一种灌注桩砼位超声波检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)将超声波传感器吊放在待灌注砼的孔中，该超声波传感器在孔中吊放的深度D小于砼面深度H；2)开启超声波传感器，向孔中灌注砼，所述超声波传感器不断发射超声波脉冲；3)所述超声波传感器接收被砼面反射回来的脉冲信号，并经信号电缆传输给地面仪表，地面仪表的信号处理单元测出从发射脉冲到收到砼面回波脉冲的时间间隔T，实时计算出当前砼面深度H＝V*T+D，其中V为所述超声波脉冲在泥浆中的声速；4)当砼面深度H达到灌注桩砼位预定值时，停止灌注砼。
2、 按权利要求1所述的灌注桩砼位超声波检测方法，其特征在于，所述超 声波脉冲是有正弦波填充的超声波脉冲或者是编码脉冲形式的超声波脉冲；所述 超声波脉冲的频率在20kHz到100kHz范围内。
3、 一种灌注桩砼位超声波检测系统，包括传感器其特征在于，还包括收 发转换电路、接收电路、功率放大器、中央处理单元以及给系统供电的电源所 述的传感器为一具有收发功能的超声波传感器在发射状态下，收发转换电路将 超声波传感器与功率放大器接通，所述中央处理单元、功率放大器、收发转换电 路和超声波传感器依次形成电连接通路；在接收状态下，所述收发转换电路将超 声波传感器与接收电路接通，所述超声波传感器、收发转换电路、接收电路和中 央处理单元依次形成电连接通路。
4、 按权利要求3所述的灌注桩砼位超声波检测系统，其特征在于，所述超 声波传感器与收发转换电路之间由电缆连接。
5、 按权利要求3所述的灌注桩砼位超声波检测系统，其特征在于，收发转 换电路为一模拟开关电路。
6、 按权利要求3所述的灌注桩砼位超声波检測系统，其特征在于，所述接 收电路是一个用于放大回波信号，滤除干扰噪声的信号处理电路。
7、 按权利要求3所述的灌注桩砼位超声波检測系统，其特征在于，所述中央处理单元控制收发转换电路的发射、接收工作状态切换。
8、 按权利要求3所述的灌注桩砼位超声波检测系统，其特征在于，所述中 央处理单元控制接收电路的增益大小和放大模式。
9、 按权利要求3所述的灌注桩砼位超声波检测系统，其特征在于，所述中 央处理单元还分别接有与其他设备连接的通信接口和用于砼位数据实时显示的 砼位显示单元。
全文摘要
本发明涉及一种灌注桩砼位超声波检测方法及检测系统，检测方法包括将超声波传感器吊放在待灌注砼的孔中；开启超声波传感器，向孔中灌注砼，所述超声波传感器不断发射超声波脉冲；接收被砼面反射回来脉冲信号，计算出当前砼位深度；当砼面深度H达到灌注桩砼位预定值时，停止灌注砼。检测系统包括具有收发功能的超声波传感器，收发转换电路、接收电路、功率放大器、中央处理单元以及给系统供电的电源。本发明的优点是可以实现动态检测；用电少，设备比较轻便，使用方便；能够有效的减少人力、物力的浪费，减少对环境造成的污染。
文档编号E02D5/34GK101165278SQ20061011389
公开日2008年4月23日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者艳 周, 王润田 申请人:中国科学院声学研究所