一种无临空面水泥塞干缩测量方法

技术领域

本发明属于水泥塞干缩测量技术领域，具体涉及一种无临空面水泥塞干缩测量方法。

背景技术

在某些大型工程中，在一些特定位置需采用水泥浆液进行灌注，形成水泥塞以达到密封的目的。水泥塞在固化时会干缩，导致密封效果变差，因此，准确的测量注浆段的水泥塞干缩状况，可以指导水泥浆液配方和工程设计，可以为工程安全评估提供数据支持。

现有水泥塞干缩相关的测量方法有3种，一种是基于电阻率的测量方法，原理是水泥浆和空气的电阻率不同，且有数量级的差异；一种是阻尼系数法，其测量原理是空气和混凝土的阻尼系数不同，振动传感器的振动将以不同速度衰减。授权号为CN 105223344B专利公开了一种检测装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆饱满度的方法及检测仪，可以判断传感器周围是否填充了混凝土，实现了灌浆饱满度的检测，但是无法给出量化值；一种是基于超声在不同界面反射特性进行测量的方法，授权号为CN 109470769A专利利用超声波在混凝土保护层和灌浆套筒范围内不同界面处的反射波特性，根据超声换能器接收到套筒内壁处反射波信号的强弱程度来判断套筒内部的灌浆饱满情况。采用0.5M-2MHz的超声换能器，直接在混凝土构件的表面布置测点，简便快捷，无需提前预埋传感器，缺点是需要临空面，且测点间距要求在5mm-20mm之间，量化时分辨率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种无临空面水泥塞干缩测量方法，解决无临空面水泥塞干缩的远程精确测量的技术问题。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明提供一种无临空面水泥塞干缩测量方法，其技术方案包括如下步骤：

步骤1、在需要监测水泥塞干缩的位置布置一个由多个超声换能器阵元组成的超声换能器阵列，超声换能器阵元的数量和间距根据实际的测量需求确定；

超声换能器阵列中各超声换能器阵元即可作为发射换能器也可作为接收换能器；并提前在实验室内标定出填充介质分别为水、空气、混凝土时的信号强度；

步骤2、激发一个超声换能器阵元，其余超声换能器阵元作为接收换能器来接收信号，当阵元间是不同介质空气、水、混凝土时，各超声换能器阵元接收到的信号强度已经标定；

步骤3、依据接收到的信号强度判定哪些超声换能器阵元处于空气中，哪些换能器阵元处于混凝土中，即可判定水泥塞是否干缩以及干缩具体值；

步骤4、若判定不明确，则选用其它超声换能器阵元作为发射换能器，其余超声换能器阵元作为接收换能器，获取多组数据后进行综合分析判定至达到测量效果为止。

进一步的，超声换能器采用轴向换能器或径向换能器，本发明采用径向换能器，换能器频率≥28kHz，换能器尺寸尽量小，更有利于测量的精确性；

进一步的，超声换能器阵元间距2-20mm之间，阵元间距尽量小可以提高测量分辨率，其排列方式不限；

进一步的，超声换能器采用PVDF压电薄膜设计，还可以选择压电陶瓷、EMFi机电薄膜等制作的超声换能器，也可以实现本发明；

进一步的，超声换能器采用圆柱形结构或平面结构，以减小换能器体积，提高测量分辨率，；

进一步的，压电薄膜采用PET薄膜进行保护。

本发明还提供一种无临空面水泥塞干缩测量装置，用于实现上述的检测方法，包括：具有发射和接收功能的超声换能器；由多个换能器作为阵元组成的阵列；换能器激励电路、信号调理电路通过多路选择器与超声换能器相连接，用于激励换能器、接收调理收到信号，多路选择器用于切换发射和接收阵元。控制及信号处理电路与激励电路、调理电路、信号传输电路和电源管理电路连接，以控制换能器激发及接收次序、处理接收到的信号、控制信号存储传输；

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明测量方法针对现有技术中的不足，利用超声波在不同介质中传播衰减特性的差异，实现远程对无临空面的水泥塞干缩精确测量，判据直观明显，具有良好的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例中测量对象剖面示意图；

图2是本发明换能器阵列正视示意图；

图3是本发明换能器阵列侧视示意图；

图4是本发明圆柱形换能器上视示意图；

图5是本发明圆柱形换能器沿A-A剖面示意图；

图6是本发明构成圆柱形换能器的压电薄膜及保护层展开示意图；

图7本发明压电薄膜及保护层沿B-B剖面示意图；

图8是本发明测量装置的结构示意图；

图9是本发明实施例示意图。

其中：1、换能器阵列，11、壳体，12、灌封胶，13、PCB底板，2、PCB底板，21、基体，22、压电薄膜，23、正极引脚，24、负极引脚，25、PET保护层，3、测量装置，31、多路选择器，32、换能器激励电路，33、信号调理电路，34、电源管理电路，35、控制及信号处理电路，36、信号传输电路，4、线缆，5、围岩，6、水泥塞。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。

当超声波传播时，其能量随着距离增大而衰减，当穿过阻抗不连续的界面时，会发生反射，能量进一步衰减。空气中声阻抗约为0.0004MRayl，不同状态下水泥塞的声阻抗远大于空气声阻抗，因此，当超声波在两者之间传播时，会有较大衰减。当发射阵元在空气中时，位于空气中、水泥塞中的接收阵元接收到信号的强度是不同的，同样，当激发阵元在水泥塞中，位于空气中、水泥塞中的接收阵元接收的信号强度也是不同的。基于上述原理，利用传感器阵列，可以判定换能器所处位置介质，从而精确判定水泥塞的干缩量。

基于上述原理，参见图1-9，本发明实施方式公开了一种超声衰减法测量无临空面水泥塞干缩的方法及装置。本测量方法包括以下步骤：

在本实施例中，利用本发明方法测量围岩5中密封注浆段水泥塞6的干缩情况。水泥塞6，从注浆管中注入水泥浆，填满围岩中注浆段，实现密封。

下面结合图4-7，具体说明本发明中使用的一种超声换能器，本发明只是给给出了一种示例，实际本领域的技术人员可依据任务需求进行具体设计。实施例中的超声换能器为采用28μm的PVDF压电薄膜22设计了直径1.6mm的圆柱形的超声换能器，频率80kHz。压电薄膜两面覆盖80μm厚PET薄膜25进行保护，基体21采用树脂打印；压电薄膜22的两面分别连接正负极引脚23、24，覆盖PET保护膜25后固定到基体21上。

实施例中的换能器阵列1如图2、3所示，包括10个超声换能器阵元2，阵元间距2mm，PCB底板13，壳体11，灌封胶12；换能器阵元2焊接到PCB底板13上，PCB底板固定到壳体11内，灌入灌封胶12进行密封。

本实施例提供一种无临空面水泥塞干缩测量装置3如图8所示，包括换能器阵列1，多路选择器31，换能器激励电路32，信号调理电路33，电源管理电路34，控制及信号处理电路35，信号传输电路36。换能器阵列1通过多路选择器31与换能器激励电路32和信号调理电路33连接，控制与信号处理电路35分别与换能器激励电路32、信号调理电路33、电源管理电路34和信号传输电路36连接。控制与信号处理电路35控制多路选择器31，选择换能器阵列1上的阵元作为发射换能器和接收换能器，控制换能器激励电路32激励发射换能器，接收换能器接收到信号后经过信号调理电路33调理后，送入控制及信号处理电路35进行处理存储，通过信号传输电路36传送至远端显示存储。

本发明实施例提供的一种无临空面水泥塞干缩测量方法，包括以下步骤：

步骤1、将阵元分别作为发射和接收换能器，提前在实验室内标定出填充介质分别为水、空气、混凝土时的信号强度，因为上述介质的声阻抗相差较大，不同介质填充时信号传播衰减不同；

步骤2、如图9所示，注浆前将换能器阵列1布置在围岩和水泥塞的结合处，测量装置3布置在水泥塞中，通过线缆4连接；

步骤3、启动测量装置，控制与信号处理电路35控制多路选择器31，依次选择换能器阵列1上的阵元作为发射换能器，其余作为接收换能器，控制换能器激励电路32激励发射换能器，接收换能器接收到信号后经过信号调理电路33调理后，送入控制及信号处理电路35进行处理存储，通过信号传输电路36传送至远端显示存储。

步骤4、根据接收到的信号强度，与标定信号进行比较，判定那些换能器处于空气中，那些换能器处于水泥中，从而判定水泥塞是否干缩以及干缩具体值；

以上具体描述了本发明的示例性实施方式，但本发明不限于所公开的实施方式。