专利名称：表面波施工质量快速无损检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面波施工质量快速无损检测仪，可用于土木工程施工质量管理中，对现场施工质量进行检测与评定。
在土木工程施工中，如修筑水坝、公路、铁路、地基、机场、港湾等，常用土石材料及混凝土进行施工。在施工中为检测及管理施工质量，目前采用的主要方法是用挖坑取样(对土石料碾压施工)及钻孔取芯(对混凝土施工)来测试其施工后的力学参数(如密度、抗压强度等)，评定施工质量。
但是，以上方法存在主要问题是对在大面积施工作业面上的取样率很低，抽样检测数据不能正确代表工程施工质量，再加上实施这类方法要花费较多人力及时间，劳动强度大，获得测试结果周期长、误差大，不能达到快速正确掌握施工质量及管理施工质量的目的，因此，上述方法距现代化施工管理要求差距很大。
表面波施工质量快速无损检测仪是采用新的检测原理及高新磁电技术研制成功的科技产品，用这种仪器进行施工质量检测时，无需钻孔及挖坑，完全不损伤结构物，检测速度快，数据量充分，能对施工质量进行全面检测及评估，从而解决了现代化施工质量管理中的重大难题。
本发明已通过技术鉴定，其样机称大体积混凝土深部质量无损扫描检测仪已获实用新型专利(专利号91200278、6)，为使其更臻完善，我们又在原有基础上进行了功能扩展，结构改进，性能提高，从而完成了可用于土木工程施工质量管理中的一种新型快速无损检测仪。
本发明仪器的检测原理是表面波无损检测理论当在半无限弹性介质表面进行垂直激振时，在介质中产生的表面波垂直于材料表面振动，沿结构表面传播，其垂直波动深度范围与发射频率，表面波速度，具有如下关系VR＝2fD D＝1/2式中VR表面波速度(M/S) f表面波振动频率(C/S)D传播平均深度(M)λ波长(M)根据实验及研究证明，表面波速度VR与材料密度、强度等力学参数存在良好相关性，因而通过现场检测得到施工工程材料中表面波传播速度，即可推算材料力学性能，对施工质量进行检测与评定。
如
图1所示，本发明的检测仪由发射装置及接收装置组成。在发射装置中组装有表面波激振器(1)、功率放大器(2)、程控波形发生器(3)、振源检测传感器(4)、控制电路(5)、充电电池(6)等部件。在接收装置中组装有自动增益控制低噪声高精度信号放大器(7)、自动跟踪带通滤波器(8)、相关检测与计算机采集处理器(9)、读数显示器(10)、信号接收传感器(11)、输出接口(12)、直流电源变换器(13)等部件。发射装置与接收装置用电缆连接。
它们的主要组成部份详细说明如下图2所示为表面波激振器(1)，它由重锤(A)、永磁钢(B)、励磁线图(C)、弹簧片(D)、振源检测传感器(E)、外壳(F)、底座(G)等组成，在励磁线圈中通入正弦波或调制波电流时，将产生一个周期性稳态垂直激振力，此力通过底座传递到被测材料上产生表面波。
图3所示为程控波形发生器(3)，这是一种采用数字频率合成技术设计的任意函数波形发生器。它由IC1～IC5集成电路及附属电阻电容等组成。IC2是数字存储器，在其中存入了被量化的波形数据(根据需要可任意设定，IC2中的波形数据在IC1地址计数器的引导下，经IC3，D/A转换器将波形数字量变换成模拟电压，然后经IC4构成的缓冲滤波器输出波形。波形发生器输出的波形频率由IC5构成的时钟电路控制，在IC5中存入了由计算机给出了预置频率，该程控波形发生器是根据检测仪要求专门设计研制的。与通用的函数发生器相比具有电路简单、精度和稳定性好、波形种类和频率设定方便等优点。
图4所示为自动增益控制低噪声高精度信号放大器(7)，它由IC1-IC5等5块集成电路组成。IC1是阻抗变换器，输入端与传感器相连，输出端与IC2放大电路连接。IC2的增益由增益控制电路IC3控制，其控制基准是根据IC2输出电压V0与设定控制电压V5在比较器IC5中进行比较后输出正负比较信号VR，通过控制器电路IC4去改变增益控制电路IC3中的网络参数，以达到对主放大器增益进行自动跟踪控制。
图5所示为自动跟踪带通滤波器(8)，它是由一个可预置中心频率的时钟发生器(由IC1-IC11，11块数字集成电路组成)和一个滤波器集成电路IC12、电阻R5-R12，二个可调电阻W1、W2等组成的中心频率可任意设置的自动跟踪窄带滤波器。中心频率设置电路由集成电路IC1、IC2与面板上安装的4位代码开关的码盘连接，输出连接4位计数器集成电路IC3、IC4、IC5、IC6作为预置、计数比较电路。晶振XTAL电路产生的时钟信号经IC8、IC9、IC10进行分频后与IC11锁相电路连接，其输出经IC7分频后，由IC6、IC4、IC3进行计数比较后去控制IC11输入端，使IC11输出端的频率被锁定在设置频率上，把IC11的输出频率接至滤波器电路IC12上，作为选频时钟，实现了对输入表面波信号按设置中心频率进行自动跟踪窄带滤波。
图6所示为相关检测与计算机采集处理器(9)，它是由30块集成电路组成三个功能块电路组成。它们分别是相关检测器PC1，计算机采集处理器PC2，检测参数设定器PC3。二个表面波输入信号经由相关检测器PC1测定波形相位差，其数值由PC2读入计算机内，对数据进行存储、统计计算后由存储器保持及显示器(10)读数显示。此外在测量时仪器预设参数通过PC2先读入然后再将其数码送到检测参数设定器PC3中，对仪器工作参数进行设定控制。由此可知，相关检测与计算机采集处理器是控制仪器运行过程及进行检测数据处理的部件。
仪器技术指标及功能如下检测深度0.2-1(M)VR分辨率1(M/S)根据不同检测材料仪器分五档Ⅰ.土检测密度及变异性Ⅱ.堆石检测密度及变异性Ⅲ.砂砾料检测密度及变异性Ⅳ.碾压混凝土(大体积)检测密度及变异性Ⅴ.常态混凝土(大体积)检测密度及变异性本发明对施工质量进行快速无损检测的应用是这样实现的在土、石材料(或碾压混凝土，常态混凝土)施工的结构物上，水平安装发射装置及接收装置(图7)，当打开仪器用发射装置垂直激振产生表面波时，表面波将垂直于结构平面振动，沿表层材料向周围传播，其振源信号由传感器(4)接收。在距振源中心L处安装接收装置，则表面波传播信号将由安装在接收装置底盘上的信号接收传感器(11)接收。若设信号接收传感器(11)的信号比振源传感器(4)的信号的时间上延时为△t＝t2-t1，则表面波传播速度VR＝L/△t表面波穿透结构材料深度为D＝VR/2f，这样就可测出发射装置与接收装置中心距内一定深度D范围的表面波速度值。根据试验率定，将表面波速度VR与材料密度、抗压强度等建立方程，由此检测计算材料力学参数，对检测的大量数据进行数据处理、分析来评估管理施工质量。
权利要求
1.表面波施工质量快速无损检测仪，它由发射装置和接收装置组成。其特征是发射装置由表面波激振器(1)、功率放大器(2)、程控波形发生器(3)、振源检测传感器(4)、控制电路(5)、充电电池(6)等构成，组装在一个铝合金机箱内。接收装置由自动增益控制低噪声、高精度信号放大器(7)、自动跟踪带通滤波器(8)、相关检测与计算机采集处理器(9)、读数显示器(10)、信号接收传感器(11)、输出接口(12)、直流电源变换器(13)等构成，组装在另一个铝合金机箱内。
2.如权利要求1所述，表面波激振器(1)，其特征是由重锤(A)、永磁钢(B)、励磁线圈(C)、弹簧片(D)、振源检测传感器(E)、外壳(F)、底座(G)等组成，在励磁线圈中通入正弦波或调制波电流时，将产生一个周期性垂直激振力，此力通过底座传递到被测材料上产生表面波。
3.如权利要求1所述，程控波形发生器(3)，其特征是一种采用数字频率合成技术设计的任意函数波形发生器，它由IC1-IC6集成电路及附属电阻电容等组成。IC2是数字存储器，在其中存入了被量化的波形数据(根据需要可任意设定)，IC2中的波形数据，在IC1地址计数器的引导下，经IC3，D/A变换器将波形数字量变换成模拟电压，然后经IC4构成的缓冲滤波器输出波形。波形发生器输出的波形频率由IC5构成的时钟电路控制，在IC5中存入了由计算机给出的预置频率，该程控波形发生器是根据检测仪要求专门设计研制的。
4.如权利要求1所述，自动增益控制低噪声高精度信号放大器(7)，其特征是由IC1-IC5等5块集成电路组成。IC1是阻抗变换器，输入端与传感器相连，输出端与IC2放大电路连接。IC2的增益由增益控制电路IC3控制，其控制基准是根据IC2输出电压V0与设定控制电压VS在比较器IC5中进行比较后输出正负比较信号VR，通过控制器电路IC4去改变增益控制电路IC3中的网络参数，以达到对主放大器增益进行自动跟踪控制。
5.如权利要求1所述，自动跟踪带通滤波器(8)，其特征是它是由一个可预置中心频率的时钟发生器(由IC1-IC11，11块数字集成电路组成)和一个滤波器集成电路IC12、电阻R5-R12，二个可调电阻W1、W2组成的新型中心频率可任意设置的自动跟踪窄带滤波器。中心频率设置电路由集成电路IC1、IC2与面板上安装的4位代码开关的码盘连接，后接4位计数器集成电路IC3、IC4、IC5、IC6作为预置、计数比较电路。晶振XTAL电路产生的时钟信号经IC8、IC9、IC10进行分频后与IC11锁相电路连接，其输出经IC7分频后，由IC6、IC4、IC3进行计数比较后去控制IC11的输入端，使IC11输出端的频率被锁定在设置频率上，把IC11的输出频率接至滤波器电路IC12上，作为选频时钟，实现了对输入表面波信号按设置中心频率进行自动跟踪窄带滤波。
6.如权利要求1所述，相关检测与计算机采集处理器(9)，其特征是由30块集成电路组成三个功能块电路组成。它们分别是相关检测器PC1，计算机采集处理器PC2，检测参数设定器PC3。二个表面波输入信号经由相关检测器PC1测定其波形相位差，其数值由PC2读入计算机内，对数据进行存储、统计计算后由存储器保持及显示器(10)读数显示，此外在测量时仪器预设参数通过PC2先读入后再将其数码送到检测参数设定控制器PC3中，对仪器工作参数进行设定控制，由此可知，相关检测与计算机采集处理器是控制仪器运行过程及进行检测数据处理的部件。
全文摘要
本发明提供了一种表面波施工质量快速无损检测仪。这是一种以新型无损检测理论为基础，把集成电路、电磁材料与微电子技术、微计算机技术、数理统计分析方法相结合为一体的新型快速无损检测仪器。采用该仪器进行施工质量检测与管理，完全不损伤结构物，仪器安装简便，检测速度快，可获得充分数据量，因而能对施工质量进行全面检测及评估，达到快速正确掌握施工质量和管理施工质量的目的。本发明所提供的仪器可用于土木工程中(如修筑水坝、公路、铁路、地基、机场、港湾等)，进行施工质量管理及评定。
文档编号G01N29/04GK1083218SQ9310485
公开日1994年3月2日 申请日期1993年4月28日 优先权日1993年4月28日
发明者孙继增, 陶惠珍, 奚美芳, 高凤龙, 范劼 申请人:水利水电科学研究院仪器研究所