CN110346412B - 一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法，属于土木工程和混凝土建筑技术领域。一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法，可严格按预期稳定施加磁吸力，控制耦合压力以该磁吸力值为上限，以超声发生系统正常输出波振所必需的激振力幅值为变化，使得激振中的超声波发生电路可始终处于最佳工作点附近。当磁吸力完全转化为耦合压力作用在激振器上时，因激振器激振行程引起加载限位套主体部分与底座间距离的周期变化而对磁吸力造成的衰减（磁吸力在电磁铁与底座紧密接触时最大，随两者间分离距离的增加而减小），可以被补偿。

Description

一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程和混凝土建筑技术领域，尤其涉及一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法。

背景技术

裂缝是混凝土结构病害中最典型、最常见的形式，深刻影响结构耐久性及稳定性。大尺寸可见裂缝由微裂纹发展而形成，及时发现（非检测）裂纹，并尽早对其中的结构性微裂纹进行防控，可避免工程事故的发生，具有十分重要的技术价值。当前，常用的混凝土缺陷检测方法，如超声波检测法、雷达法、裂缝显微镜法，均是检测已经发现的裂缝的宽度等参数，不具备主动发现微裂缝的能力。超声激励红外热成像技术已被证实能够发现混凝土结构中的微裂纹。但由于超声激励效果较弱，发现裂缝的效率偏低。

超声激振器工作时，需对激励头施加一定大小的耦合压力，使超声激振电路处于最佳工作点，以保证激振器的声输出功率最大。当前耦合压力施加方式有三种：第一，超声焊接机的气动伺服加载法。该方法采用气压施加耦合压力，激振中不能主动控制耦合压力，且激振压力有一定的波动；另外，该方法虽在塑料小件的焊接工作中效果较好，却不能适应混凝土构件或结构的超声激励，因为混凝土构件或结构往往较大，不能放入到超声焊接机的操作平台上。第二，人工手持加载法。该方法的加载压力有限，对于需要持续加载500N以上的情况难以满足；并且人工加载的荷载波动较大，超声波发生器的工作点漂移严重，经常造成设备停机。第三，加载套法，该方法一般采用金属加载套，也有采用尼龙材质的，加载套内壁刻有螺纹，探头拧入加载套，通过拧紧施加耦合压力，其缺点是在超声激励过程中容易发生松弛，耦合压力降低严重；并且，即使在螺纹咬合不松弛的情况下，激励过程中，耦合压力也会发生较大波动，超声波发生器会处于不良的工作区域。此外，其他加载方式还有台钳加载法，该方法一般只适用于较小的混凝土试件，且也易造成超声波发生器的工作点不良。

超声激励红外热像发现混凝土微裂纹是一项具有重大价值的创新技术，但是耦合荷载的施加成为该项技术的卡脖子环节，现有技术难以适应混凝土结构大尺寸和不规则形状，或具有施加的耦合荷载不稳定的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术具有施加的耦合荷载不稳定，或难以适应混凝土结构大尺寸和不规则形状的问题，而提出的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，包括：底座、电磁铁、支撑套、螺旋杆、高频动态微型压力传感器和电流控制模块，所述底座下表面与被检测对象之间采用粘接剂粘接，所述底座上表面与电磁铁下表面磁性吸附，所述电磁铁上端与支撑套下端固定连接，所述支撑套上端内部螺纹套接有螺旋杆，所述螺旋杆上设置有自锁机构且下端固定安装有高频动态微型压力传感器，所述高频动态微型压力传感器与电流控制模块电性连接，所述电磁铁、支撑套、螺旋杆和高频动态微型压力传感器组成加载限位套主体部分。

优选地，所述电流控制模块由触控屏、主控制器、滤波电路、压控电流元件和差分放大电路组成，所述主控制器采用单片机，所述单片机型号优选STC12C2052AD。

优选地，所述粘接剂采用FC-SRS粘钢胶。

优选地，所述支撑套和螺旋杆采用不锈钢材质制造。

优选地，所述底座为环形圆柱体，内径较激振器直径大0.5-5mm；厚度不小于8mm，，所述底座采用铸铁或钢等含铁量高的金属。

一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载方法，应用于一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，包括以下步骤：

S1、将底座固定于待检测构件表面，将加载限位套主体部分置于底座上，接通负反馈控制加载装置电路，使加载限位套主体通过磁吸力吸附于底座上；

S2、将激振器置于加载限位套主体内，向电流控制模块输入拟施加的磁吸力信号，加载限位套主体与底座间即产生相应大小磁吸力；

S3、旋转加载限位套主体中的螺旋杆，使其抵住并紧压激振器，将磁吸力完全转化为激振器的耦合压力，之后锁住螺旋杆；

S4、在激振器激振待测构件时，电流控制模块根据加载限位套中高频动态微型压力传感器传回的压力信号，实时调节输出电流，实现对激振器耦合压力的负反馈控制；

S5、完成检测后，释放耦合压力并停止对激振器限位，收回加载限位套主体部分及电流控制模块。

优选地，所述S1中应选择平整和干净的构件表面固定底座并作为待激振面，减少声能量在激振面上的损失，所述底座与待测构件之间采用FC-SRS粘钢胶进行粘接。

优选地，所述S1中电磁铁中的电流值需按照激振频率，随激振行程由激振前的初始大小先增大后减小回到初始值，而电流值增减的幅度应以将磁吸力稳定为激振前的预加值为标准。

与现有技术相比，本发明提供了一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置及方法，具备以下有益效果：

本发明激振过程中，可严格按预期稳定施加磁吸力，控制耦合压力以该磁吸力值为上限，以超声发生系统正常输出波振所必需的激振力幅值为变化，使得激振中的超声波发生电路可始终处于最佳工作点附近。当磁吸力完全转化为耦合压力作用在激振器上时，因激振器激振行程引起加载限位套主体部分与底座间距离的周期变化而对磁吸力造成的衰减（磁吸力在电磁铁与底座紧密接触时最大，随两者间分离距离的增加而减小），可以被补偿。因为磁吸力由电磁铁中的电流决定，而该电流又受电流控制模块控制，激振中压力传感器监测耦合压力的波动规律，并将其以变化的电压信号输入电流控制模块，电流控制模块根据该输入信号的特点实时调节电磁铁中的电流，以保证磁吸力的稳定。稳定的、合适大小的磁吸力可控制耦合压力将激振中的超声波发生电路维持于良好的工作点附近，有利于超声激励红外热像技术高效检出混凝土微裂纹。

本发明同气动伺服加载系统相比，本发明装置操作简单，布设容易，可全方位和灵活地检测大体积混凝土构件。

附图说明

图1为本发明提出的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置的整体示意图；

图2为实施例3所用的混凝土构件实物图；

图3为实施例3所用的混凝土柱实物图；

图4为不锈钢压力钳以及本发明提出的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置分别预紧50W、40kHz激振器的可见光图（a，不锈钢压力钳；b，负反馈控制加载装置）；

图5为不锈钢压力钳以及本发明提出的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置分别预紧960N耦合压力（激振前初始值）时，50W、40kHz激振器激振混凝土构件的热像图（a，不锈钢压力钳；b，负反馈控制加载装置）；

图6为本发明提出的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置预紧1500N耦合压力（激振前初始值）时，100W、40kHz激振器激振混凝土柱的热像图。

图中标号说明：

101底座、102电磁铁、103支撑套、104螺旋杆、105高频动态微型压力传感器、106电流控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

实施例1

一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，包括：底座101、电磁铁102、支撑套103、螺旋杆104、高频动态微型压力传感器105和电流控制模块106，底座101下表面与被检测对象之间采用粘接剂粘接，底座101上表面与电磁铁102下表面磁性吸附，电磁铁102上端与支撑套103下端固定连接，支撑套103上端内部螺纹套接有螺旋杆104，螺旋杆104上设置有自锁机构且下端固定安装有高频动态微型压力传感器105，高频动态微型压力传感器105与电流控制模块106电性连接，电磁铁102、支撑套103、螺旋杆104和高频动态微型压力传感器105组成加载限位套主体部分。

高频动态微型压力传感器105选用扩散硅压阻式压力传感器。

电流控制模块106由触控屏、主控制器、滤波电路、压控电流元件和差分放大电路组成。通过触控屏输入拟施加磁吸力信号，并显示激振中耦合压力的时程曲线；主控制器采用单片机，单片机型号STC12C2052AD，主要使用了PWM脉宽调制功能和模数转换功能；滤波电路可将PWM转为直流电压，压控电流元件根据电压产生相应电流；差分放大电路对压力传感器采集到的高频电压信号处理、放大。

粘接剂采用FC-SRS粘钢胶。

支撑套103和螺旋杆104采用不锈钢材质制造。

底座101为环形圆柱体，内径较激振器直径大0.5-5mm；厚度不小于8mm，底座101采用铸铁或钢等含铁量高的金属。

实施例2：

基于实施例1有所不同的是：

一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载方法，应用于一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，包括以下步骤：

S1、将底座101固定于待检测构件表面，将加载限位套主体部分置于底座101上，接通负反馈加载装置电路，使加载限位套主体通过磁吸力吸附于底座101上；

S2、将激振器置于加载限位套主体内，向电流控制模块输入拟施加的磁吸力信号，加载限位套主体与底座101间即产生相应大小磁吸力；

S3、旋转加载限位套主体中的螺旋杆104，使其抵住并紧压激振器，将磁吸力完全转化为激振器的耦合压力，之后锁住螺旋杆104；

S4、在激振器激振待测构件时，电流控制模块106根据加载限位套中高频动态微型压力传感器105传回的压力信号，实时调节输出电流，实现对激振器耦合压力的负反馈控制；

S5、完成检测后，释放耦合压力并停止对激振器限位，收回加载限位套主体部分及电流控制模块106。

进一步，优选地，S1中应选择平整和干净的构件表面固定底座101并作为待激振面，减少声能量在激振面上的损失，底座101与待测构件之间采用FC-SRS粘钢胶进行粘接。

进一步，优选地，S1中电磁铁102中的电流值需按照激振频率，随激振行程由激振前的初始大小先增大后减小回到初始值，而电流值增减的幅度应以将磁吸力稳定为激振前的预加值为标准。

本发明中S1中的磁吸力由通电磁铁产生，受磁铁中电流控制，磁吸力大小可按激振频率周期变化。当磁吸力完全转化为激振器的耦合压力时，激振器在激振中的伸缩行程将引起加载限位套主体部分与底座之间接触状态由接触转为分离再变为接触的周期变化，耦合压力随之表现为由接触时的初始值到随分离间距的增大而减小，再到随分离间距的减小而逐渐增大，直至再次接触时恢复为初始值；耦合压力因磁吸力变化而在激振器激振行程中出现的波动会导致超声波发生器的工作点产生漂移，影响激振效果；因此所述S1中电磁铁中的电流值需按照激振频率，随激振行程由激振前的初始大小先增大后减小回到初始值，而电流值增减的幅度应以将磁吸力稳定为激振前的预加值为标准。S2中的电流程序控制模块以单片机为核心控制芯片，对电流的控制可到毫安级别；控制模块上设有触控屏，根据激振器功率、待测混凝土试块的体积，在触控屏上设定拟输出磁吸力的大小；单片机根据输入的磁吸力值通过软件控制产生对应的PWM波，PWM波经过滤波电路后转为直流电压，进而驱动压控电流元件产生相应电流；S3中，通过螺旋杆与激振器接触端部的高频动态微型压力传感器监测磁吸力向耦合压力的转化情况；完全转化的标准是：压力传感器读数恰为触控屏上输入的磁吸力值；S4中耦合压力负反馈控制实现的方法为：压力传感器采集波动的耦合压力，并将其转换为电压信号，经蓝牙输入电流控制模块中；该电压信号经过差分、放大，输入模数转换器；模数转换器将其处理、转换为数字信号，并输入单片机；单片机根据该数字信号的波动特点调整输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输入电磁铁中的电流大小，将磁吸力稳定为激振前的初始值，进而使得耦合压力以磁吸力为上限并按照超声发生电路正常输出波振所对应的激振力的波幅变化。

实施例3：

基于实施例1和2有所不同的是：

以100mm×100mm×400mm的混凝土试件为激励对象，其近表面含有微裂纹，如图2；选择40kHz、功率50W的振子为激振器。在负反馈控制加载装置的电流控制模块的触控屏上分别输入660N、760N、860N、960N的磁吸力值，对应进行四种耦合压力激振试验，每次试验激振8s。激振中电流控制模块可根据高频动态微型压力传感器传回的波动电信号反馈控制输出电流，使得磁吸力稳定为初始耦合压力值。使用不锈钢压力钳分别施加660N、760N、860N、960N的初始耦合压力于激振器上，持续激振试件8s，以此与负反馈控制加载装置加载试验作对比。两组试验的激振效果如表1。激振器系统的可见光图如图4，典型检测结果的热像图如图5。

表1激振8s后微裂纹中最高温升点温升值

耦合压力	不锈钢压力钳	负反馈控制加载装置
			660N	0.25℃	1.27℃
760N	0.5℃	1.67℃
			860N	0.65℃	2℃
960N	1.08℃	3.52℃

通过表1可知，在压力钳的四种加载压力作用中，温升值最高为1.08℃，而负反馈控制加载装置加载作用下的温升值比相同压力作用下压力钳的普遍高出1℃，960N磁吸力作用下甚至高出2.44℃。因此可知，本发明所提出的方法及装置可以更高效地检出混凝土微裂纹。

以400mm×400mm×900mm的混凝土柱为被激励对象，该柱含大量微裂纹，包括表面微裂纹，如图3；选择40kHz、功率100W的振子为激振器。将加载限位套固定于混凝土柱的某一待测面，在负反馈控制加载装置的电流控制模块的触控屏上输入1800N的磁吸力，激振器持续激振10s。激振中电流控制模块可根据高频动态微型压力传感器传回的波动电信号反馈控制输出电流，保证磁吸力稳定为1800N。检测结果的热像图如图6所示，从图中可知，混凝土中的数条微裂纹被激励出显著温升。因此说明，本发明所提出的装置可以方便灵活地布设于大尺寸真实混凝土构件表面，并能够快速地检出其中的微裂纹。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，包括：底座（101）、电磁铁（102）、支撑套（103）、螺旋杆（104）、高频动态微型压力传感器（105）和电流控制模块（106），其特征在于：所述底座（101）下表面与被检测对象之间采用粘接剂粘接，所述底座（101）上表面与电磁铁（102）下表面磁性吸附，所述电磁铁（102）上端与支撑套（103）下端固定连接，所述支撑套（103）上端内部螺纹套接有螺旋杆（104），所述螺旋杆（104）上设置有自锁机构且下端固定安装有高频动态微型压力传感器（105），所述高频动态微型压力传感器（105）与电流控制模块（106）电性连接，所述电磁铁（102）、支撑套（103）、螺旋杆（104）和高频动态微型压力传感器（105）组成加载限位套主体部分，所述底座（101）内部置放激振器。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，其特征在于：所述电流控制模块（106）由触控屏、主控制器、滤波电路、压控电流元件和差分放大电路组成，所述主控制器采用单片机，所述单片机型号为STC12C2052AD。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，其特征在于：所述粘接剂采用FC-SRS粘钢胶。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，其特征在于：所述支撑套（103）和螺旋杆（104）采用不锈钢材质制造。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，其特征在于：所述底座（101）为环形圆柱体，内径较激振器直径大0.5-5mm；厚度不小于8mm，所述底座（101）采用含铁量高的金属。

6.一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载方法，其特征在于：应用于权利要求1中的混凝土构件超声激振的负反馈控制加载装置，包括以下步骤：

S1、将底座（101）固定于待检测构件表面，将加载限位套主体部分置于底座（101）上，接通负反馈控制加载装置电路，使加载限位套主体通过磁吸力吸附于底座（101）上；

S2、将激振器置于底座（101）内待测构件表面，向电流控制模块输入拟施加的磁吸力信号，加载限位套主体与底座（101）间即产生相应大小磁吸力；

S3、旋转加载限位套主体中的螺旋杆（104），使其抵住并紧压激振器，将磁吸力完全转化为激振器的耦合压力，之后锁住螺旋杆（104）；

S4、在激振器激振待测构件时，电流控制模块（106）根据加载限位套中高频动态微型压力传感器（105）传回的压力信号，实时调节输出电流，实现对激振器耦合压力的负反馈控制；

S5、完成检测后，释放耦合压力并停止对激振器限位，收回加载限位套主体部分及电流控制模块（106）。

7.根据权利要求6所述的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载方法，其特征在于：所述S1中应选择平整和干净的构件表面固定底座（101）并作为待激振面，减少声能量在激振面上的损失，所述底座（101）与待测构件之间采用FC-SRS粘钢胶进行粘接。

8.根据权利要求6所述的一种混凝土构件超声激振的负反馈控制加载方法，其特征在于：所述S1中电磁铁（102）中的电流值需按照激振频率，随激振行程由激振前的初始大小先增大后减小回到初始值，而电流值增减的幅度应以将磁吸力稳定为激振前的预加值为标准。

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