專利名稱：灌注樁砼位超聲波檢測方法及檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波檢測方法及檢測系統，特別是涉及一種利用超聲波測 量檢測鉆孔(井、槽)灌注砼的過程中砼位(砼面高度、砼面深度)的方法及檢 測系統。
背景技術：
目前在城市建設和重大工程建設(比如高層建筑、大型橋梁等)中，往往需 要對地基進行加固， 一種加固方法就是采取鉆孔(井、槽)灌注樁。一般是將配 置好的砼(骨)料從井底一直灌注到孔的頂部。實際上，許多建筑都有地下工事， 那末灌注到頂部的這段樁在開挖后都要切除，這就給工程帶來多余的工作量，并 造成建筑材料的浪費，處理切除下來的廢水泥樁又造成環境污染和處理成本。然 而，這些需要切除的灌注樁的多余部分，在設計上事先就是已知，只要預先能夠 有效地控制灌注過程中砼面的標高，就可以只灌注到設計所需要的高度，從而克 服上述的諸多麻煩，節約成本，減少浪費，同時也減少對環境的污染。最近也出現了利用孔中壓力變化來檢測砼位的儀器,這種儀器其原理利用的 是砼和孔中原有的泥漿的比重不同，利用壓力傳感器來感知砼位的出現，從而測 定砼位。這種方法的缺點是傳感器必須接觸到砼，如果砼面離孔口比較遠，就需 要比較長的電纜或鋼纜將傳感器降下去，這給使用帶來麻煩。發明內容本發明的目的在于克服由于在灌注砼的過程中不能有效控制砼位，而對那 些沒有必要灌注到頂部的樁孔也要濯滿，導致材料和人力方面的浪費，以及造成 環境污染的問題:從而提供一種利用超聲波遇到不同介質界面時會發生反射這一 客觀現象，對砼位進行遠距離遙淵的手段來檢測灌注過程中砼位或砼標布的方 法，該方法也可以克服接觸式檢測方法中的一些弊端。
本發明的目的還在于提供一種輕便化的灌注樁砼位超聲波檢擁系統。 本發明的目的是這樣實現的本發明提供的灌注樁砼位超聲波檢測方法，包括以下步驟1) 將超聲波傳感器吊放在待灌注砼的孔中，該超聲波傳感器在孔中吊放的 深度D小于砼面深度H:也就是砼位應該位于超聲波傳感器2下方；超聲波傳感 器2離開被測砼面的距離應保證砼面落在測量系統的作用范圍內；2) 開啟超聲波傳感器，向孔中灌注砼，所述超聲波傳感器不斷發射超聲波 脈沖；3) 所述超聲波傳感器接收被砼面反射回來脈沖信號，并經信號電纜傳輸給 地面儀表，地面儀表的信號處理單元測出從發射脈沖到收到砼面回波脈沖的時間 間隔T,實時計算出當前砼面深度H-VW+D，其中V為所述超聲波脈沖在泥漿中 的聲速4) 當砼面深度H達到灌注樁砼位預定值時，停止灌注砼。 上述技術方案中，所述超聲波脈沖的頻率在20kHz到100kHz范圍內。 上述技術方案中，所述超聲波傳感器發射的超聲波脈沖是用IH弦波填充的超聲波脈沖或者是編碼脈沖形式的超聲波脈沖。本發明提供的灌注樁砼位超聲波檢測系統包括:具有收發功能的超聲波傳感 器，收發轉換電路、接收電路、功率放大器、中央處理單元以及給系統供電的電 源在發射狀態下，收發轉換電路將超聲波傳感器與功率放大器接通，所述中央 處理單元、功率放大器、收發轉換電路和超聲波傳感器依次形成電連接通路；在 接收狀態下，所述收發轉換電路將超聲波傳感器與接收電路接通，所述超聲波傳 感器、收發轉換電路、接收電路和中央處理單元依次形成電連接通路。上述技術方案中，所述超聲波傳感器與收發轉換電路之間由電統連接。上述技術方案中，收發轉換電路為一模擬開關電路。上述技術方案中，所述接收電路是一個用于放大回波信號，濾除干擾噪聲的 信號處理電路。上述技術方案中，所述中央處理單元控制收發轉換電路的發射、接收工作狀 態切換。
上述技術方案中，所述中央處理單元控制接收電路的增益太小和放大模式。 上述技術方案中，所述中央處理單元還分別接有與其他設備連接的通信接口 和用于砼位數據實時顯示的砼位顯示單元。本發明的優點在于1. 本發明可以用于砼灌注過程中的砼位的實時監測，使用者可以在該 設備的指導下控制砼位的實際灌注高度，從而有效的減少人力、物 力的浪費，減少對環境造成的污染。2. 與依賴壓力傳感器的砼位檢測方法相比，本發明的優點在于非接觸 砼面，而靠壓力變化來檢測的方法其傳感器必須接觸到砼面，因此 它無法檢測灌注過程中砼位的變化過程，也就無法實現動態檢測。 而本發明是在離開砼位一定高度(距離)上觀測，所以可以實現動 態檢測。3. 本發明使用的是超聲波，發射的超聲波為短脈沖信號，能量很小，所以，整個系統用電很少，設備比較輕便，使用方便。
圖1超聲波砼位檢測過程示意2超聲波砼位檢測方法信號時序3超聲波砼位檢測方法實施超聲波砼位檢測儀原理框面說明1-超聲波砼位檢測裝置的地面儀表 2超聲波傳感器3-信號電纜 '4-灌注砼的導管 5-孔中未灌注部分6-孔中已灌注部分，7-孔中砼位具體實施方式
下面根據附圖和實施例對本發明的檢測方法和檢測系統進行詳細地說明 本發明方法的原理如下假設未灌注部分的泥漿的超聲波聲速為V.測量過程中的信號時序如圖2所
示-.在某個時刻，通過超聲波傳感器2鄉一個如稱2所示的有正弦波填充超聲 波脈沖，該超聲波脈沖以聲速V在向砼位行進，當遇到砼位后(泥漿和砼的交界 面》，由于砼的聲阻抗和泥漿的聲阻抗不同，有一部分能量就會被反射回來，當 超聲波傳感器2接收到返回的脈沖信號，并經信號電纜傳給地面儀表(這里的地 面儀表是指圖3中除去超聲波傳感器的剩余部分)，地面儀表測出從發射到收到 砼面回波脈沖時的時間間隔T,就可以計算出H-D=V*T。砼位H-V+T+D。由于灌注樁中未灌注砼的部分充滿泥漿，泥漿對超聲波的能量吸收很大，與 許多因素有關，尤其是所采用的超聲波脈沖的頻率, 一般不能太高；同樣為了達 到一定的測量精度，超聲波的頻率也不能太低，可根據檢測設備的具體指標來確 定一個合適的超聲波頻率或者一個頻段。超聲波的頻率一般選擇在20kHz到 100kHz范圍內比較合適。所述超聲波傳感器發射的超聲波脈沖，其單個脈沖持 續時間為一般不超過100微秒，相鄰脈沖的時間間隔為一般取每秒發射10-30 次，根據砼料的灌注速度或砼面的上升速度來調節或確定，超聲脈沖的功率一般 取10-50瓦即可，也可根據待灌注的孔中的泥漿的特性(濃度，含沙量等)來選 擇。實施例l制作一超聲波砼位檢測儀，其原理框圖如圖3所示。包括超聲波傳感器， 收發轉換電路、接收電路、功率放大器、中央處理單元以及給系統供電的電源。本實施例中，中央處理單元采用ADuC841芯片，也可以使用其它類似芯片比 如S8051， AT89C51, TI公司430F135等8位、16位單片處理器。該中央處理單 元的功能主要是控制、協調該系統各部件的工作。對于收發轉換電路，中央處理 單元根據收發需要指揮它處在接收還是發射工作狀態對于接收電路中央處理 單元控制它的增益大小和^放大模式；中央處理單元通過通信接口將測量數據傳送 給需要接收這些數據的其他設備，比如管理部門的電腦等；中央處理單元還將 測量的砼位數據通過砼位顯示進行現場實時顯示。本實施例中，收發轉換電路為一模擬開關電路。它可以用通用的模擬開關(比如CD4051, 4052, 4053等)或者CMOS器件組成。在發射狀態時，該收發轉換 電路將超聲波傳感器與功率放大器相連接,使脈沖功率信號能夠直接加載到超聲 波換能器上，并將接電路的輸入端短接到地；在接收狀態時，該收發轉換電路將
超聲波傳感器與接收電路的輸入端相連，讓敏面來的涪號直接進入接收電路。本實施例中，功率放大器采用D類功率放大器，由兩個VMOS功率管組成， 用于將中央處理單元送來的超聲波信號進行功率放大，并將放大后的功率信號經 收發轉換電路送到超聲波換能器上。接收電路包括放大、濾波以及回波形成等幾個功能。該接收電路將由超聲波 換能器收到的來自砼位的回聲信號進行放大，由于泥槳對超聲波能歪的吸收非常 大，由砼位反射回來的能量再經過泥漿的吸收，使得接收到的回波信號比較弱， 又由于建筑工地施工機械比較多，各種電干擾比較大，所以該接收電路的作用就 是放大來自砼位的超聲波回波信號，盡可能的濾除其它各種干擾噪聲。并將收到 的砼位信號經過一定的處理后送給中央處理單元，由中央處理單元進行再處理。本實施例中，通訊接口提供RS232/485兩種接口可供選擇，也可以選擇USB 格式。該接口主要用于對本測量儀表內部參數的修改和將觀測數據及時送給需要 這些數據的終端。本實施例中，電源由電池組構成，也可以由市電經變壓器降壓或開關電源來 完成。由于這里所說的超聲波砼位檢測儀是一種輕便型儀器，為了方便使用，這 里采用了電池組。當然也可以選用可充電電池組。本實施例中，砼位顯示單元由196X64點陣的LCD屏組成，它即可以顯示砼 位數據，又可以以圖形方式動態地顯示砼位的瞬時變化過程，可以提供給施工人 員一個清晰的砼位變化圖像，以便他們合理、有效的控制砼位的灌注高度。實施例2利用上述實施例1的超聲波砼位檢測儀檢測砼面髙度的方法，按照如下工作 流程進行假設灌注樁在濂注過程中的結構如圖1所示圖1中1為超聲波砼位檢測裝置的地面儀表，2為超聲波傳感器，3為信號 電纜，4為灌注砼的導管，5為孔中未灌注部分，該部分為泥漿，6為孔中已灌 注部分，7為孔中砼位，假設砼位離地面的距離為H。超聲波傳感器在孔中吊放 的深度為D,只要測出超聲波傳感器離砼位的距離(H-D)就可以確定當前砼位 所在的離度，如果不間斷的測量H-D,就可以實時檢測濯注過程中砼位髙度(即
砼面深度)。.將上述實施例1的超聲波砼位檢測儀上的超聲波傳感器2置于被檢鄉鉆孔中的泥漿中> 假設該鉆孔中的最終的砼面深度H希望控制在離井口 j:o深米處，可以將超聲波傳感器2吊放在離井口 6-8米深的位置；啟動超聲波砼位檢測器開始 工作；砼位檢測器的顯示屏上開始顯示砼位高度，如果砼面遠離超聲波傳感器2, 顯示屏上會有超出范圍的提示隨著砼料的不斷灌注，砼位不斷上升，當砼位進 入檢測儀的檢測范圍后，顯示開始動態顯示實測的砼面的高度；當離度達到設計 要求的離井口 IO米高度時，施工方停止灌注，從而達到有效控制砼位灌注髙度 的目的。另外，在本發明中，鉆孔中泥漿的聲速V人們已經作過許多測量工作，可以 通過己有的資料査到，也可通過現場實測得知，而時間間隔的測量，可以通過測 量設備自身的中央處理單元來完成，由于工程上對砼位高度測量精度要求并不 高，所以，對時間的測量精度要求也不高，一般常用的單片處理器就可以完成時 間測量工作。
權利要求
1、一種灌注樁砼位超聲波檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)將超聲波傳感器吊放在待灌注砼的孔中，該超聲波傳感器在孔中吊放的深度D小于砼面深度H；2)開啟超聲波傳感器，向孔中灌注砼，所述超聲波傳感器不斷發射超聲波脈沖；3)所述超聲波傳感器接收被砼面反射回來的脈沖信號，并經信號電纜傳輸給地面儀表，地面儀表的信號處理單元測出從發射脈沖到收到砼面回波脈沖的時間間隔T，實時計算出當前砼面深度H＝V*T+D，其中V為所述超聲波脈沖在泥漿中的聲速；4)當砼面深度H達到灌注樁砼位預定值時，停止灌注砼。
2、 按權利要求1所述的灌注樁砼位超聲波檢測方法，其特征在于，所述超 聲波脈沖是有正弦波填充的超聲波脈沖或者是編碼脈沖形式的超聲波脈沖；所述 超聲波脈沖的頻率在20kHz到100kHz范圍內。
3、 一種灌注樁砼位超聲波檢測系統，包括傳感器其特征在于，還包括收 發轉換電路、接收電路、功率放大器、中央處理單元以及給系統供電的電源所 述的傳感器為一具有收發功能的超聲波傳感器在發射狀態下，收發轉換電路將 超聲波傳感器與功率放大器接通，所述中央處理單元、功率放大器、收發轉換電 路和超聲波傳感器依次形成電連接通路；在接收狀態下，所述收發轉換電路將超 聲波傳感器與接收電路接通，所述超聲波傳感器、收發轉換電路、接收電路和中 央處理單元依次形成電連接通路。
4、 按權利要求3所述的灌注樁砼位超聲波檢測系統，其特征在于，所述超 聲波傳感器與收發轉換電路之間由電纜連接。
5、 按權利要求3所述的灌注樁砼位超聲波檢測系統，其特征在于，收發轉 換電路為一模擬開關電路。
6、 按權利要求3所述的灌注樁砼位超聲波檢測系統，其特征在于，所述接 收電路是一個用于放大回波信號，濾除干擾噪聲的信號處理電路。
7、 按權利要求3所述的灌注樁砼位超聲波檢測系統，其特征在于，所述中央處理單元控制收發轉換電路的發射、接收工作狀態切換。
8、 按權利要求3所述的灌注樁砼位超聲波檢測系統，其特征在于，所述中 央處理單元控制接收電路的增益大小和放大模式。
9、 按權利要求3所述的灌注樁砼位超聲波檢測系統，其特征在于，所述中 央處理單元還分別接有與其他設備連接的通信接口和用于砼位數據實時顯示的 砼位顯示單元。
全文摘要
本發明涉及一種灌注樁砼位超聲波檢測方法及檢測系統，檢測方法包括將超聲波傳感器吊放在待灌注砼的孔中；開啟超聲波傳感器，向孔中灌注砼，所述超聲波傳感器不斷發射超聲波脈沖；接收被砼面反射回來脈沖信號，計算出當前砼位深度；當砼面深度H達到灌注樁砼位預定值時，停止灌注砼。檢測系統包括具有收發功能的超聲波傳感器，收發轉換電路、接收電路、功率放大器、中央處理單元以及給系統供電的電源。本發明的優點是可以實現動態檢測；用電少，設備比較輕便，使用方便；能夠有效的減少人力、物力的浪費，減少對環境造成的污染。
文檔編號E02D5/34GK101165278SQ20061011389
公開日2008年4月23日 申請日期2006年10月20日 優先權日2006年10月20日
發明者艷 周, 王潤田 申請人:中國科學院聲學研究所