一种预应力管道注浆密实度浮点采集系统和方法

1.本发明涉及建筑质量检测领域，特别是一种预应力管道注浆密实度浮点采集系统和方法。


背景技术：

2.目前我国交通建设中呈现越来越多的预应力结构及管道压浆不饱满现象，这种现象会给繁多的交通路桥埋下安全隐患，因此。
3.梁板预应力管道注浆密实度检测是评价施工质量的重点之一，且梁板预应力管道注浆密实度检测经历了一个从破损检测到无损检测的发展过程。破损法检测成果直观准确，但检测成本高，效率低下，易造成钢绞索损伤且无法判断整个管道的注浆密实度情况；而无损检测目前有几种方法，但均存在一些缺陷，如放射检测法成本高、效率低，难以大范围检测，且对人体有辐射；超声波法检测条件要求苛刻，若耦合不充分，易生杂乱反射波，对缺陷反映不直观，甚至无法判断缺陷情况；电磁波检测法受钢筋金属屏蔽，不适合这种检测；弹性波法只能判断缺陷有无，无法定位，且分辨率低。
4.针对上述检测方法存在的缺陷，现有技术也提供了利用扫频激发器激发的弹性波进行检测的方法，其中扫频激发器可见专利申请号为202010603089.6中的变频震源装置，可提高梁板预应力管道注浆密实度检测的准确性，在实际检测中有较好的效果，但弹性波的频率在从低频到高频或者从高频到低频变化时频率差别较大，根据信号采样定理须以固定间隔对加速度传感器所接收的弹性波进行采样，从而产生振动信号，而为了保证高频部分的弹性波振动信号的采样精度，采样仪器的采样频率需要至少大于高频部分的频率的2倍，因此若使用常规的弹性波振动信号采集方式，加速度传感器所接收的弹性波经采样后得到的弹性波振动信号的数据量巨大，直接影响到了弹性波振动信号的无线传输效率和传输速度。
5.因此本发明提供一种的新的方案来解决此问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种预应力管道注浆密实度浮点采集系统和方法，有效的解决了利用变频激发弹性波检测方法来对管道注浆密实度检测造成的弹性波振动信号数据量巨大的问题。
7.其解决的技术方案是，一种预应力管道注浆密实度浮点采集系统，所述采集系统包括浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器以及供电电源；
8.所述浮点采集器通过四芯线缆与单分量加速度传感器连接，浮点采集器通过两芯线缆与扫频激发器连接，供电电源分别为浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器提供电源；
9.所述浮点采集器包括浮点采集控制电路、四路浮点采集电路以及采集电源电路，所述四路浮点采集电路包括浮点采集电路一、浮点采集电路二、浮点采集电路三以及浮点
采集电路四，所述浮点采集控制电路分别与浮点采集电路一、浮点采集电路二、浮点采集电路三、浮点采集电路四连接，供电电源经所述采集电源电路分别为浮点采集控制电路、浮点采集电路一、浮点采集电路二、浮点采集电路三、浮点采集电路四提供电源；
10.所述单分量加速度传感器包括四路单分量加速度传感器和传感器电源电路，所述四路单分量加速度传感器包括单分量加速度传感器一、单分量加速度传感器二、单分量加速度传感器三以及单分量加速度传感器四，供电电源经所述传感器电源电路分别为单分量加速度传感器一、单分量加速度传感器二、单分量加速度传感器三、单分量加速度传感器四提供电源；
11.所述浮点采集电路一通过四芯线缆中的芯1与单分量加速度传感器一相连接；
12.所述浮点采集电路二通过四芯线缆中的芯2与单分量加速度传感器二相连接；
13.所述浮点采集电路三通过四芯线缆中的芯3与单分量加速度传感器三相连接；
14.所述浮点采集电路四通过四芯线缆中的芯4与单分量加速度传感器四相连接。一种预应力管道注浆密实度浮点采集方法，所述采集方法具体包括以下步骤：
15.s1、利用浮点采集控制电路对扫频激发器进行控制，使得扫频激发器产生均匀线性变化的弹性波振动信号，其中扫频频率的范围为f
min
～f
max
，并在扫频激发器上设置最小频率f
min
、最大频率f
max
、频率变化量δf；
16.s2、四路浮点采集电路对弹性波振动信号进行采集时，同时对弹性波振动信号的采样间隔进行计算，并设置扫频激发器在扫频过程中某频率的下一个周期采样点数为m个、总采样点数为n个，总采样点数n是周期采样点数m的整数倍；
17.s3、扫频激发器根据步骤s1、s2设置后开始产生冲击弹性波振动信号，同时单分量加速度传感器执行变采样间隔采集弹性波振动信号数据；
18.s4、将步骤s3得到的弹性波振动信号数据进行计算得到相关系数，从而判断出注浆质量。
19.进一步地，所述步骤s2中对采样间隔进行计算的具体过程为：
20.a1、当扫频频率递增时，由步骤s1可知，第i点的扫频频率为fi＝f
min
δf
×
i，第i点扫频周期为故第i点的采样间隔
21.a2、当扫频频率递减时，由步骤s1可知，第i点的扫频频率为fi＝f
max-δf
×
i，第i点扫频周期为故第i点的采样间隔
22.进一步地，所述步骤s4将弹性波振动信号数据计算得到相关系数的具体步骤为：
23.b1、利用矩形排列的单分量加速度传感器r1、r2、r3、r4在桥梁板表面沿预应力管道方向移动采集弹性波振动信号；
24.b2、利用以下公式计算单分量加速度传感器r1、r2和r3、r4接收的弹性波振动信号的相关系数r
ij
：
[0025][0026]
其中z
it
、z
jt
是4个单分量加速度传感器中任意两个单分量加速度传感器(i、j)所
接收到的实测信号序列，信号序列样点个数为n，是实测信号序列平均值，r
ij
是两个实测信号序列相关系数；
[0027]
b3、利用步骤b2计算得到相关系数r
12
和r
34
，并利用r2＝(r
12
r
34
)/2计算两相关系数的平均值；
[0028]
b4、利用步骤b2计算得到相关系数r
13
、r
14
、r
23
、r
24
，并计算得到四相关系数的平均值r4＝(r
13
r
14
r
23
r
24
)/4；
[0029]
b5、当r2和r4均大于0.7时判定预应力管道注浆均匀。
[0030]
本发明实现了如下有益效果：
[0031]
通过设置在预应力管道注浆密实度浮点采集系统中的浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器以及供电电源，并采用了预应力管道注浆密实度浮点采集方法，利用浮点采集控制电路对扫频激发器进行控制，设置扫频激发器产生均匀线性变化的弹性波振动信号，并设置扫频激发器的频率变化间隔即步长，从而产生弹性波信号数据，并利用弹性波信号数据判断出来预应力管道注浆的质量，并且根据扫频激发器的弹性波振动信号的频率，设置浮点采集电路采样间隔为变间隔模式，既保证了不同频率的弹性波振动信号的采样精度，又克服了低频段和高频段周期内采集的点数即数据量差别大的缺点，并减少了弹性波振动信号的数据量，有效的解决了利用变频激发弹性波检测方法来对管道注浆密实度检测造成的弹性波振动信号数据量巨大的问题，避免影响到弹性波振动信号的无线传输效率和传输速度。
附图说明
[0032]
图1是本发明提出的采集系统的框图；
[0033]
图2是本发明提出的采集系统的连接示意图。
具体实施方式
[0034]
为有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1-2对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
[0035]
下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
[0036]
一种预应力管道注浆密实度浮点采集系统，所述采集系统包括浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器以及供电电源；
[0037]
所述浮点采集器通过四芯线缆与单分量加速度传感器连接，浮点采集器通过两芯线缆与扫频激发器连接，供电电源分别为浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器提供电源；
[0038]
所述浮点采集器包括浮点采集控制电路、四路浮点采集电路以及采集电源电路，所述四路浮点采集电路包括浮点采集电路一、浮点采集电路二、浮点采集电路三以及浮点采集电路四，所述浮点采集控制电路分别与浮点采集电路一、浮点采集电路二、浮点采集电路三、浮点采集电路四连接，供电电源经所述采集电源电路分别为浮点采集控制电路、浮点采集电路一、浮点采集电路二、浮点采集电路三、浮点采集电路四提供电源，其中所述采集电源电路将供电电源提供的电源进行滤波以及稳压处理，使得浮点采集控制电路、四路浮
点采集电路接收到的电源是低噪声、稳定的；
[0039]
所述单分量加速度传感器包括四路单分量加速度传感器和传感器电源电路，所述四路单分量加速度传感器包括单分量加速度传感器一、单分量加速度传感器二、单分量加速度传感器三以及单分量加速度传感器四，供电电源经所述传感器电源电路分别为单分量加速度传感器一、单分量加速度传感器二、单分量加速度传感器三、单分量加速度传感器四提供电源，所述传感器电源电路将供电电源提供的电源进行同采集电源电路对电源进行相同的处理；
[0040]
所述浮点采集电路一通过四芯线缆中的芯1与单分量加速度传感器一相连接；
[0041]
所述浮点采集电路二通过四芯线缆中的芯2与单分量加速度传感器二相连接；
[0042]
所述浮点采集电路三通过四芯线缆中的芯3与单分量加速度传感器三相连接；
[0043]
所述浮点采集电路四通过四芯线缆中的芯4与单分量加速度传感器四相连接；
[0044]
在图1中，浮点采集器同时控制扫频激发器和单分量加速度传感器，浮点采集器为扫频激发器提供扫频信号，扫频激发器激发产生冲击弹性波扫频范围的最小频率f
min
、最大频率f
max
、频率变化量δf均是由浮点采集器控制的，扫频激发器把浮点采集器提供的扫频信号进行功率放大后驱动激发头产生足够能量的冲击弹性波，供给单分量加速度传感器感知转换为电信号，并由浮点采集器转换为数字信号存储，供电电源具有电池组、保护板和机械电源开关，分别为浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器提供可靠电源。
[0045]
在图2中，采集控制电路是由fpga为核心的高速高集成度的高性能微控制中心单元，它一边控制四路浮点采集电路的变采样间隔采集数据，同时控制扫频激发器产生均匀变频的冲击弹性波，四路浮点采集电路包含路独立的完全相同的浮点采集电路，每一路均有增益可编程的前置仪表放大、八阶模拟滤波和高速高精度模数转换的功能，所有逻辑控制和协调均由fpga执行完成；单分量加速度传感器是由4路独立的、低噪声的高性能mems加速度传感器构成的，每一路均具有高灵敏度、宽频带、二阶模拟滤波的功能，另外四路浮点采集电路中的每一路分别与四路单分量加速度传感器中的每一路一一独立连接(即独立4通道)，这样大大降低通道间的串音，提高了采集系统采集速度。
[0046]
本发明还设置了一种预应力管道注浆密实度浮点采集方法，所述采集方法具体包括以下步骤：
[0047]
s1、利用浮点采集控制电路对扫频激发器进行控制，使得扫频激发器产生均匀线性变化的弹性波振动信号，其中扫频频率的范围为f
min
～f
max
，并在扫频激发器上设置最小频率f
min
、最大频率f
max
、频率变化量δf；
[0048]
s2、四路浮点采集电路对弹性波振动信号进行采集时，同时对弹性波振动信号的采样间隔进行计算，并设置扫频激发器在扫频过程中某频率的下一个周期采样点数为m个、总采样点数为n个，总采样点数n是周期采样点数m的整数倍，周期采样点数m在一次扫频过程中是恒量；
[0049]
s3、扫频激发器根据步骤s1、s2设置后开始产生冲击弹性波振动信号，同时单分量加速度传感器执行变采样间隔采集弹性波振动信号数据，即在第1点采样之前利用浮点采集器控制电路自动设置采样间隔s
jg1
并连续采集m点，完成后立即自动设置采样间隔s
jg2
采集m点，完成后立即自动设置采样间隔s
jg3
并采集m点，以此类推直至完成总采样点数n，也就是完成采样n/m次、采样点数为m的固定采样频率，并将采集到的数据进行存储；
[0050]
s4、将步骤s3得到的弹性波振动信号数据进行计算得到相关系数，从而判断出注浆质量。
[0051]
在步骤s1中，设置最小频率f
min
＝20hz，最大频率f
max
＝10khz，选择为递增方式，频率增量δf＝1hz，确定扫频范围为1hz～10khz，频率步进为1hz，把这三个参数设置为初值，在浮点采集器的控制下，扫频激发器就可以产生频率范围为1hz～10khz，步进为1hz递增的冲击弹性波。
[0052]
在步骤s2中，设置周期采样点数m＝10，总采样点数n＝100000，由步骤s1可知f
min
＝20hz，频率增量δf＝1hz，那么变化频率点为20hz、21hz、22hz、
······
、10khz，即在20hz时连续采集10个点、21hz时连续采集10个点、
······
、10khz时连续采集10个点，这里必须指出，总采样点数仅在扫频范围内做一个约束条件而已，其值设置不能超过扫频范围。
[0053]
所述步骤s2中对采样间隔进行计算的具体过程为：
[0054]
a1、当扫频频率递增时，由步骤s1可知，第i点的扫频频率为fi＝f
min
δf
×
i，第i点扫频周期为故第i点的采样间隔
[0055]
a2、当扫频频率递减时，由步骤s1可知，第i点的扫频频率为fi＝f
max-δf
×
i，第i点扫频周期为故第i点的采样间隔
[0056]
在扫频中频率递增或递减每一点频率对应的采样间隔为s
jg0
、s
jg1
、s
jg2
…sjg(i-1)
，其中频率变化的次数为(n/m)-1，所以i的值应该为0、1、2
…
(n/m)-1；
[0057]
由步骤s1可知：f
min
＝20hz，频率增量δf＝1hz；由步骤s2可知：m＝10，由于选择递增方式，根据步骤a1中计算i＝0、1、2、3、4、5频点对应的采样间隔为5.0ms、4.8ms、4.5ms、4.3ms、4.0ms、
······
，以此类推可以算出其余的采样间隔。
[0058]
由步骤s2可以得知每一个频率点对应的采样间隔，而每一个频率点按照自己对应的采样间隔采集10个点，例如频率为20hz时送入采样间隔5.0ms后连续采集10个点，频率为21hz时送入采样间隔4.8ms后连续采集10个点，频率为22hz时送入采样间隔4.5ms后连续采集10个点，频率为23hz时送入采样间隔4.3ms后连续采集10个点，频率为24hz时送入采样间隔4.3ms后连续采集10个点，频率为25hz时送入采样间隔4.0ms后连续采集10个点，直到按要求采样完成。
[0059]
所述步骤s4将弹性波振动信号数据计算得到相关系数的具体步骤为：
[0060]
b1、利用矩形排列的单分量加速度传感器r1、r2、r3、r4在桥梁板表面沿预应力管道方向移动采集弹性波振动信号，此单分量加速度传感器r1、r2、r3、r4分别与四路单分量加速度传感器中的单分量加速度传感器一、单分量加速度传感器二、单分量加速度传感器三以及单分量加速度传感器四一一对应；
[0061]
b2、利用以下公式计算单分量加速度传感器r1、r2和r3、r4接收的弹性波振动信号的相关系数r
ij
：
[0062]
[0063]
其中，z
it
、z
jt
是4个单分量加速度传感器中任意两个单分量加速度传感器(i、j)所接收到的实测信号序列，信号序列样点个数为n，是实测信号序列平均值，r
ij
是两个实测信号序列相关系数；
[0064]
b3、利用步骤b2计算得到相关系数r
12
和r
34
，并利用r2＝(r
12
r
34
)/2计算两相关系数的平均值；
[0065]
b4、利用步骤b2计算得到相关系数r
13
、r
14
、r
23
、r
24
，并计算得到四相关系数的平均值r4＝(r
13
r
14
r
23
r
24
)/4；
[0066]
b5、当r2和r4均大于0.7时，表明矩形两端之间的弹性波振动信号具有很好的相关性，即预应力管道注浆均匀；当r2》0.7和r4《0.4时，表明矩形两端之间的弹性波振动信号具有很差的相关性，说明预应力管道注浆质量有不均匀变化。
[0067]
本发明在具体使用的时候，设置了一种预应力管道注浆密实度浮点采集系统，所述采集系统包括浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器以及供电电源，所述浮点采集器包括浮点采集控制电路、四路浮点采集电路以及采集电源电路，所述单分量加速度传感器包括四路单分量加速度传感器和传感器电源电路，所述四路单分量加速度传感器包括单分量加速度传感器一、单分量加速度传感器二、单分量加速度传感器三以及单分量加速度传感器四，并设置一种预应力管道注浆密实度浮点采集方法，利用浮点采集控制电路对扫频激发器进行控制，设置扫频激发器产生均匀线性变化的弹性波振动信号，并且根据扫频激发器产生的弹性波振动信号的频率，设置浮点采集电路采样间隔为变间隔模式，最终从得到的弹性波振动信号判断出来预应力管道的注浆质量
[0068]
本发明实现了如下有益效果：
[0069]
通过设置在预应力管道注浆密实度浮点采集系统中的浮点采集器、单分量加速度传感器、扫频激发器以及供电电源，并采用了预应力管道注浆密实度浮点采集方法，利用浮点采集控制电路对扫频激发器进行控制，设置扫频激发器产生均匀线性变化的弹性波振动信号，并设置扫频激发器的频率变化间隔即步长，从而产生弹性波信号数据，并利用弹性波信号数据判断出来预应力管道注浆的质量，并且根据扫频激发器的弹性波振动信号的频率，设置浮点采集电路采样间隔为变间隔模式，既保证了不同频率的弹性波振动信号的采样精度，又克服了低频段和高频段周期内采集的点数即数据量差别大的缺点，并减少了弹性波振动信号的数据量，有效的解决了利用变频激发弹性波检测方法来对管道注浆密实度检测造成的弹性波振动信号数据量巨大的问题，避免影响到弹性波振动信号的无线传输效率和传输速度。