用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置的制作方法

1.本实用新型涉及混凝土应力测量技术领域，具体涉及用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置。


背景技术：

2.混凝土是土木工程中采用的主要材料，具备材料易于获取、价格低廉、可塑性强、易于施工等优点。混凝土的性能会因结构服役时间、外部环境以及各类荷载的作用而产生改变，导致混凝土结构开裂、承载能力降低，甚至破坏，造成严重的人身财产损失。为了保证混凝土结构的工作性能，需要对混凝土的状态进行评估。现有的混凝土评估主要包括混凝土力学性能，缺陷和混凝土应力等，其中混凝土应力能够直观的反应混凝土结构的安全性。
3.绝对应力可表明结构目前所处的应力水平、应力的安全储备等指标，是判断桥梁安全状态的重要指标之一（绝对应力：也称为工作应力或持久应力，是指各种荷载、变形及约束作用在结构上产生的实际应力总和，其中，荷载包括结构自重、车辆及风荷载、雪载荷等；变形及约束作用是指温度、位移、变形、基础不均匀沉降等因素），因此在应变监测中对绝对应力的监测非常重要。但在现有技术中对绝对应力的监测通常是通过应力释放法（通过在混凝土构件上局部破损，测试破损前后的应力变化，再乘以弹性模量得到结构的工作应力，根据破损方法的不同主要有环孔法及钻孔法），而在此过程中，由于实际结构的混凝土弹性模量难以估计，影响应力值的计算；切割时混凝土温度升高，应变测量值会受到温度的影响，使混凝土绝对应力的监测精度并不理想。基于上述原因，现有技术中对于已经运营的混凝土桥梁，绝对应力的测定还没有得到有效的解决方案。
4.申请人想到设计一种全新的混凝土绝对应力测量方法，其在混凝土构件表面设置采集点，并围绕采集点设置多个激励点；然后通过非接触式的方式在混凝土构件表面不同方位的激励点激发超声波，并在采集点采集超声波信号；测量终端根据激励点和采集点之间的距离和超声波信号传播速度计算各个激励点的超声波波速；最后通过“声弹性效应”计算得到绝对应力，即能够实现绝对应力的无损测量。然而，想要通过上述方法测量混凝土表面的绝对应力，其首要解决的技术问题就是如何设计一种能够在混凝土构件表面的不同方位产生超声波且能够对应采集超声波信号，并能够确定激励点和采集点之间距离的超声波收发装置。因此，如何设计一种用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置成了急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置，以能够在混凝土构件表面不同方位的激励点产生超声波且能够对应采集超声波信号，并能够辅助确定激励点和采集点之间的距离，从而能够辅助实现混凝土表面绝对应力的无损测量。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：
7.用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置，包括用于向混凝土构件表面的激励点发射激光束并激发出超声波的激光激励组件，信号采集端朝向混凝土构件表面的采集点并能够采集超声波信号且信号输出端与设置的测量终端数据传输连接的信号传输组件；以及用于带动所述激光激励组件移动或转动的第一动作平台，和用于带动所述信号传输组件移动或转动的第二动作平台；所述第一动作平台和所述第二动作平台均受控于所述测量终端；所述激光激励组件设置于所述第一动作平台的动作端上；所述信号传输组件设置于所述第二动作平台的动作端上，且所述第二动作平台设置于所述第一动作平台的动作端上位于所述激光激励组件旁侧的位置。
8.优选的，所述激光激励组件包括发射端朝向混凝土构件且能够发射激光束的脉冲激光器，设置于所述脉冲激光器和混凝土构件之间且入射端正对所述脉冲激光器发射端的全反射镜，以及设置于所述全反射镜和混凝土构件之间且入射端正对所述全反射镜的出射端、出射端朝向混凝土构件激励点的聚焦透镜；所述聚焦透镜能够在接收到激光束后通过融蚀机制激发出超声波。
9.优选的，所述第一动作平台包括第一骨架，间隔布置于所述第一骨架上方且用于安装所述激光激励组件的第一安装板，以及设置于所述第一骨架和所述第一安装板之间且用于带动所述第一安装板在所述第一骨架上做水平面移动和立面转动的第一驱动电机；所述第一安装板作为所述第一动作平台的动作端；所述第一驱动电机受控于测量终端。
10.优选的，所述第一动作平台还包括设置于所述第一骨架和所述第一驱动电机之间的第一刻度尺。
11.优选的，所述第二动作平台包括设置于所述第一安装板上位于所述激光激励组件旁侧的第二骨架，间隔布置于所述第二骨架上方且用于安装所述信号传输组件的第二安装板，以及设置于所述第二骨架和所述第二安装板之间且用于带动所述第二安装板在所述第二骨架上做水平面移动和立面转动的第二驱动电机；所述第二安装板作为所述第二动作平台的动作端；所述第二驱动电机受控于测量终端。
12.优选的，所述第二动作平台还包括设置于所述第二骨架和所述第二驱动电机之间的第二刻度尺。
13.优选的，所述信号传输组件包括信号采集端朝向混凝土构件的采集点且能够采集超声波信号的激光拾振器，以及信号输入端与所述激光拾振器数据传输连接且信号输出端与测量终端数据传输连接的a/d采集器。
14.优选的，超声波收发装置还包括设置于所述第二动作平台的动作端上且信号输入端与所述激光拾振器信号输入连接的示波器；所述示波器受控于测量终端。
15.本实用新型中的超声波收发装置具有如下有益效果：
16.1、本方案中，激光激励组件能够向混凝土构件表面的激励点发射激光束并通过激光束激发出超声波，即能够有效的在混凝土构件表面激发出超声波，同时能够通过第一动作平台调整激光激励组件的超声波激发位置，使其能够在混凝土构件表面的不同方位产生超声波。
17.2、本方案中，信号传输组件能够采集混凝土构件表面的超声波信号并将其发送至测量终端，即能够有效的采集和发送混凝土构件表面的超声波信号，同时能够通过第二动作平台调整信号传输组件的采集位置，使其能够更好、更准确的采集超声波信号，从而能够
辅助混凝土表面绝对应力的测量。
18.3、本方案中，能够根据第一动作平台和第二动作平台移动、转动后的位置偏差确定激励点和采集点之间的距离，从而能够辅助计算超声波波速，并保证混凝土表面绝对应力的测量效果。
附图说明
19.为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：
20.图1为实施例中超声波收发装置的结构示意图；
21.图2为实施例中超声波收发装置的工作原理示意图。
22.说明书附图中的附图标记包括：第一动作平台1、第一安装板11、第一驱动电机12、第一骨架13、第一刻度尺14、第二动作平台2、第二安装板21、第二驱动电机22、第二骨架23、第二刻度尺24、聚焦透镜3、全反射镜4。
具体实施方式
23.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
24.实施例：
25.本实施例中公开了用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置。
26.如图1所示，用于混凝土表面绝对应力测量的超声波收发装置，包括用于向混凝土构件表面的激励点发射激光束并激发出超声波的激光激励组件，信号采集端朝向混凝土构件表面的采集点并能够采集超声波信号且信号输出端与设置的测量终端数据传输连接的信号传输组件；以及用于带动激光激励组件移动或转动的第一动作平台1，和用于带动信号传输组件移动或转动的第二动作平台2；第一动作平台1和第二动作平台2均受控于测量终端；激光激励组件设置于第一动作平台1的动作端上；信号传输组件设置于第二动作平台2的动作端上，且第二动作平台2设置于第一动作平台1的动作端上位于激光激励组件旁侧的位置。具体的，测量终端包括上位机和pc终端。上位机具有labview/matlab软件，能够发出控制命令，具有将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境的功能，将a/d采集器采集的数据经处理存储到pc终端中。pc终端与第一驱动电机12、第二驱动电机22、a/d采集器连接，控制激光激励组件、信号传输组件工作，并对采集到的超声波信息进行分析，以计算获取混凝土表面的绝对应力。
27.本方案中，激光激励组件能够向混凝土构件表面的激励点发射激光束并通过激光束激发出超声波，即能够有效的在混凝土构件表面激发出超声波，同时能够通过第一动作平台1调整激光激励组件的超声波激发位置，使其能够在混凝土构件表面的不同方位产生超声波。其次，信号传输组件能够采集混凝土构件表面的超声波信号并将其发送至测量终端，即能够有效的采集和发送混凝土构件表面的超声波信号，同时能够通过第二动作平台2调整信号传输组件的采集位置，使其能够更好、更准确的采集超声波信号，从而能够辅助混凝土表面绝对应力的测量。进一步的，能够根据第一动作平台1和第二动作平台2移动、转动后的位置偏差确定激励点和采集点之间的距离，从而能够辅助计算超声波波速，并保证混
凝土表面绝对应力的测量效果。
28.具体实施过程中，结合图2所示，激光激励组件包括发射端朝向混凝土构件且能够发射激光束的脉冲激光器，设置于脉冲激光器和混凝土构件之间且入射端正对脉冲激光器发射端的全反射镜4，以及设置于全反射镜4和混凝土构件之间且入射端正对全反射镜4的出射端、出射端朝向混凝土构件激励点的聚焦透镜3；聚焦透镜3能够在接收到激光束后通过融蚀机制激发出超声波。具体的，脉冲激光器为脉冲式，其单脉冲激光能量能够达到mj量级。全反射镜4位于脉冲激光器和聚焦透镜3之间的适当位置，能够反射脉冲激光器产生的激光束，使之射入聚焦透镜3。聚焦透镜3的位置由透镜焦距和混凝土构件决定，要求将激光束聚焦到混凝土试件表面的激励点位置。
29.本方案中，激光激励组件通过脉冲激光器发射激光束，激光束通过全反射镜4射入聚焦透镜3，再通过聚焦透镜3汇聚激光束并以融蚀机制激发出超声波，从而能够有效的在混凝土构件上激发出超声波。并且，通过融蚀机制激发的超声波具有更高的能量、信噪比更高，有利于提升混凝土表面绝对应力的测量准确性。
30.具体实施过程中，第一动作平台1包括第一骨架13，间隔布置于第一骨架13上方且用于安装激光激励组件的第一安装板11，以及设置于第一骨架13和第一安装板11之间且用于带动第一安装板11在第一骨架13上做水平面移动和立面转动的第一驱动电机12；第一安装板11作为第一动作平台1的动作端；第一驱动电机12受控于测量终端。具体的，第一动作平台1还包括设置于第一骨架13和第一驱动电机12之间的第一刻度尺14。第一刻度尺14用于测量第一安装板11的移动、转动距离；第一刻度尺14的最小刻度1mm，有利于保证激光激励组件超声波激发位置的调整精度。第一安装板11的小插孔充足且强度足够高，用于支承其他部件。第一骨架13为铝合金或不锈钢材料，能支承第一安装板11及其附属部件，能在第一驱动电机12驱动下在一定范围内进行三轴移动。第一驱动电机12为步进电机，其用于带动第一安装板11做毫米精度的三轴移动，其受控于pc终端。
31.本方案中，能够通过控制第一驱动电机12来调整第一安装板11的位置，进而能够调整激光激励组件的超声波激发位置，使其能够在混凝土构件表面的不同方位产生超声波，从而能够有效的辅助完成混凝土表面绝对应力的测量。
32.具体实施过程中，第二动作平台2包括设置于第一安装板11上位于激光激励组件旁侧的第二骨架23，间隔布置于第二骨架23上方且用于安装信号传输组件的第二安装板21，以及设置于第二骨架23和第二安装板21之间且用于带动第二安装板21在第二骨架23上做水平面移动和立面转动的第二驱动电机22；第二安装板21作为第二动作平台2的动作端；第二驱动电机22受控于测量终端。具体的，第二动作平台2还包括设置于第二骨架23和第二驱动电机22之间的第二刻度尺24。第二刻度尺24用于测量第二安装板21的移动距离；第二刻度尺24的最小刻度1mm，有利于保证信号传输组件采集位置的调整精度。第二安装板21的小插孔充足且强度足够高，用于支承其他部件。第二骨架23为铝合金或不锈钢材料，能支承第二安装板21及其附属部件，能在第二驱动电机22驱动下在一定范围内进行三轴移动。第二驱动电机22为步进电机，其用于带动第二安装板21做毫米精度的三轴移动，其受控于pc终端。
33.本方案中，能够通过控制第二驱动电机22来调整第二安装板21的位置，进而能够调整信号传输组件的采集位置，使其能够更好、更准确的采集超声波信号，从而能够辅助混
凝土表面绝对应力的测量。同时，能够根据第一动作平台1和第二动作平台2移动、转动后的位置偏差确定激励点和采集点之间的距离，从而能够辅助计算超声波波速，并保证混凝土表面绝对应力的测量效果。
34.具体实施过程中，信号传输组件包括信号采集端朝向混凝土构件的采集点且能够采集超声波信号的激光拾振器，以及信号输入端与激光拾振器数据传输连接且信号输出端与测量终端数据传输连接的a/d采集器。具体的，激光拾振器为激光干式拾振器，其采集对应采集点的超声波信号并将其转换为电信号，且其空间分辨率很高，可以达到0.1mm。a/d采集器用于获取激光拾振器的电信号并将其发送给测量终端；a/d采集器与labview/matlab上位机数据传输连接，且采集动作受控于labview/matlab上位机。
35.本方案中，信号传输组件通过激光拾振器采集超声波信号并将其转换为电信号，通过a/d采集器获取激光干式拾振器的电信号并将其发送给测量终端，从而能够有效的实现混凝土构件表面的超声波信号采集和发送。
36.具体实施过程中，超声波收发装置还包括设置于第二动作平台2的动作端上且信号输入端与激光拾振器信号输入连接的示波器；示波器受控于测量终端。具体的，示波器要求带宽不小于50mhz，与激光拾振器和触发器连接，将激光拾振器的电信号转换为可视化波形。触发器与示波器连接，用于触发示波器动作。本方案中，能够通过示波器直观的显示超声波信号的波形变化情况，有利于辅助完成测量。
37.以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。