（模式识别与智能系统专业论文）无线数据传输智能混凝土回弹仪系统的研制.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国经济建设的飞速发展，建筑工程的质量越来越为人们所重视。混 凝土是当代建筑工程中最重要的结构材料之一，因此，加强混凝土的质量成为 当今建筑工程技术中的重要课题之一。回弹仪无损检测混凝土抗压强度的方法 是我国采用的最广泛的方法之一。本项目研究了一种无线数字式的回弹仪，该 仪器将大大减轻测试人员的劳动强度、缩短测试时间、提高工作效率。 本论文主要讨论了无线数字混凝土回弹仪系统的研究与开发。文章首先介 绍了机械指针式回弹仪的原理、结构，简单介绍了抗压强度值的计算方法，其 次，对无线数据传输技术做了简单的阐述，在此基础上，本文讨论了无线数字 回弹仪的软硬件实现。本系统由数字回弹体、智能记录器、上位机数据管理软 件三部分组成。其中，数字回弹体的主要功能是通过机电一体化设计，自动采 集、无线传送每次测量的测点回弹值；智能记录器的主要功能是通过无线数据 传输，接收由数字回弹体发送过来的回弹值，加以智能化处理，显示并存储， 它采用p 8 9 c 5 8 单片机为核心；上位机数据管理软件采用v b 编写，文中简要介 绍了其结构组成。本论文概述了在k e i lc 5 1 以及伟福6 0 0 0 开发工具中采用c 语言的程序代码，对系统各个软件功能模块的实现做了较详细的介绍。在论文 的最后对课题进行了总结，并简要分析了数字回弹仪的发展。 关键词：数字回弹体回弹法无线数据传输智能记录器 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h eq u a l i t yo fb u i l d i n g sh a v e b e e nm o r ea n dm o t ec o n c e r n e db yt h ep e o p l e c o n c r e t ec o n s t r u c t i o ni so l l eo ft h e m o s tc o n t e m p o r a r yi m p o r t a n ts t n m u r a lm a t e r i a l s ，s oe n h a n c i n gt h eq u a l i t yo f c o n c r e t ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y h a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u e r e b o u n d n o n d e s t r u c t i v et e s t i n go fc o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi so n eo ft h em o s t 谢d e l y u s e dm e t h o di nc h i n a t h i sp a p e rs t u d i e dak i n do fw i r e l e s s d i g i t a lc o n c r e t e r e b o u n dh a m m e r , w h i c hc a ng r e a t l yr e d u c et h el a b o ri n t e n s i t y , c u tt e s tt i m ea n d i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c y 。 i nt h ep a p e r , w em a i n l yd i s c u s st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s s d i 舀t a lc o n c r e t er e b o u n dh a m m e rs y s t e m f i r s to m i t , w ei n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n d t h es t r u c t u r eo ft h em e c h a n i c a lp o i n t e rc o n c r e t eh a n n n e ra n d , o m i tt h ec a l c u l a t i o n m e t h o do f t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi nb r i e f s e c o n d l y , w ee x p o u n dt h ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y o nt h i sb a s i s ，o m i tt h ei m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s sd i g i t a l c o n c r e t eh a m m e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r eb e e nd i s c u s s e & t h es y s t e mc o n s i s t so fd i 垂t a lr e b o u n db o d y , i n t e l l i g e n tr e c o r d e ra n dd a t a m a n a g e m e n ts o t t w a r eo np c t h em a i nf u n c t i o no f t h ed i g i t a lc o n c r e t eh a n l l n e l b o d y i sa u t o m a t i ca c q u i s i t i o n , w i r e l e s st r a n s m i s s i o no fe a c hr e b o u n dv a l u et h r o u g ht h e m e c h a t r o n i c sd e s i g n - t h ed i 百t a lc o n c r e t er e b o u n dh a m m e rb o d yu 辩c 8 0 5 1 f 0 0 5 m c u , a n di n c l u d e ss a m p l i n gm o d u l e ，j t a ga n dw i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e v i a t h e w i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o n , t h e m a i n f u n e l i o no f i u t e l l i g e n t r e c o r d e r i st 0r e c e i v et h er e b o u n dv a l u es e n t e db yt h ed i 垂t a lr e b o u n dh a m m e rb ，奴d e a lw i t h t h ed a t ai n t e l l i g e n t l y , d i s p l a ya n ds t o r a g e t h ei n t e l l i g e n tr e c o r d e ru s e df o rt h e p 8 9 c 5 8m c u p cd a t am a n a g e m e n ts o f t w a r ei sw r i t t e nb yv b ，a n dt h es t r u c t u r eo f w h i c hi ss i m p l ym e n t i o n e dh e r e t h i sp a p e ro u t l i n e st h ek e i lc 5 1 ，w e i f u - 6 0 0 0a n d t h ed e v e l o p m e n to f t o o l su s i n gc l a n g u a g ec o d e ，a n dd i s c u s s e dt h er e a l i z a t i o no f t h e f u n c t i o nm o d u l e s t h e r ei ss u m m i n g - u pa n dp r o s p e c ta tt h ee n do fp a p e r k e y w o r d s ：d i 垂t a lr e b o u n dh a m m e rb o d y ；r e b o u n dh a m m e l t h e o r y ；w i r e l e s sd a t a t r a n s m i t ；i n t e l l i g e n tr e c o r d e r 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：翌垒查 么司年s 月；f 日 j 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土无损检测技术简介 1 1 1 混凝土无损检测技术的发展 水泥混凝土是近现代使用最广泛的建筑材料，也是当前最大宗的人造材料。 据不完全统计，世界水泥产量已超过1 5 亿吨，由此推算混凝土应不少于4 5 亿 m 3 。与其他常用建筑材料( 如钢铁、木材等) 相比，水泥混凝土生产能耗低， 原料来源广，工艺便捷，因而生产成本低；此外它还具有耐久、防火、适应性 强、应用方便等特点。由此，在今后相当长的时间内，水泥混凝土仍将是应用 最广、用量最大的建筑材料。 早在3 0 年代初，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，并获得迅 速的发展。1 9 3 0 年首先出现了表面压痕法。1 9 3 5 年格里姆( g g r i m e t ) 、艾德 ( j m i d e ) 把共振法用于测量混凝土的强度模量。1 9 4 8 年施密特( e s c h r a i d ) 研制成功回弹仪。1 9 4 9 年加拿大德莱斯利( l e s l i e ) 和奇斯曼( c h e e s m a n ) 、英 国德琼斯( r j o n e s ) 等运用超声脉冲进行混凝士检测获得成功。接着，琼斯又 使用放射性同位素进行混凝土密实度和强度检测，这些研究为混凝土无损检测 技术奠定了基础。随后，许多国家也相继开展了这方面的研究。6 0 年代，罗马 尼亚的弗格瓦诺提出用声速回弹法综合估算混凝士强度的方法，为混凝土无损 检测技术开发了多因素综合分析的新途径。印年代声发射技术被引入混凝土检 测体系。此外，无损检测的另一个分支钻芯法、拔出法、射击法等半破损 法也得到了发展，从而形成了一个较为完整的混凝土无损检测方法体系一。 随着混凝土无损检测方法的日臻成熟，许多国家开始了这类检测方法的标 准工作，如美国的a s t m 、英国的b s i 均已颁布或正准备颁布相关标准。 我国在这一领域的研究工作始于5 0 年代中期，开始引进瑞士、英国、波兰 等国的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了很多研究工作。7 0 年代以后， 我国曾多次组织力量合作攻关，大大推进了结构混凝土无损检测技术的研究和 应用。现已使回弹法、超声法、回弹综合法、钻芯法、拔出法、超生缺陷检测 法等主要无损检测技术规范化。 1 1 2 回弹法无损检测 从1 9 4 8 年瑞士施密特发明回弹仪，以及苏黎世材料试验所发表报告以来， 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 回弹法的应用已有4 0 多年的历史。虽然在这4 0 年中其它无损检测方法不断出 现，但由于回弹法仪器构造简单、方法简便、测试值在一定条件下与混凝土强 度有较好的相关性、测试费用低廉等特点，至今它仍未失去现场应用的优越性， 被国际学术界公认为混凝土无损检测的基本方法之一。许多国家或者协会指定 了回弹法的应用技术标准”1 。 我国自5 0 年代中期开始采用回弹法测定现场混凝土抗压强度，1 9 6 3 年建工 部研究院结构所召开了“回弹仪检验混凝土强度和构件试验方法技术交流会”， 并于1 9 6 6 年3 月出版了混凝土强度的回弹仪检验技术一书，并开始推广应 用。但由于对各种因素研究不够，并无统一的技术标准可以遵循，因而使用混 乱，误差较大。1 9 7 8 年，国家建委将混凝土无损检测技术研究列入了建筑科学 发展计划，2 0 0 0 年又对回弹法规程j g j t 2 3 9 2 进行了修改并于2 0 0 1 年6 月2 9 日被建设部批准，其标编号为j g j t 2 3 - - 2 0 0 1 ，原规程同时废止。现在回弹法已 成为我国应用最广泛的无损检测方法之一。 1 2 国内外研究现状 回弹仪是建筑行业用于现场工程结构抗压强度非破坏检测的常用仪器。在 我国的工程检测领域，大量使用的是机械直读式回弹仪。现场检测时需人工读 数、记录，资料整理时需要人工查表、计算、进行角度和浇筑面修正，经大量 人工数据处理得到测区强度换算值，这种方法费时费力，且极易出现人为误差。 目前市场上全自动数显回弹仪( 具有计算平均值，各种修正功能，换算强度) 多为国外产品。 市场上绝大多数是机械直读式回弹仪，它存在诸多方面的缺点：现场工作 人员使用不方便，测量精度不高，测区抗压强度值换算复杂，工作效率低下， 而数字式的回弹仪在这些方面将得到改进，回弹仪使用的传感器可分为接触式 与非接触式。 目前国内外数字式回弹仪位移传感器普遍使用的是薄膜电阻，其方法是在 模拟示读框上增加一个薄膜电阻，在电阻两端加上电压，利用指针簧片移动距 离所对应的电压值来获取回弹值。薄膜电阻的最大缺陷在于：对于频繁操作( 一 栋大楼有上万个测点) 的回弹仪系统，薄膜电阻的使用次数有限，且薄膜电阻 的精度不高。 在非接触式的测量方法中，有基于光电检测的智能回弹仪系统，通过l c d ， 此种方法在传感器使用次数上比薄膜电阻好很多，但是，此种检测方法功耗大， 2 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 在独立供电的回弹仪系统中，这是一个巨大的限制；此外，光电检测对光源要 求很严格，回弹仪工作的建筑现场，弹击锤击打混凝土表面产生灰尘巨大，回 弹体腔内实现电器部分与机械部分完全隔离不现实，所以，采用基于光电检测 的数字回弹仪目前还不能够在实际工作中得到广泛应用一。 同时，使用有线方式连接数字回弹体和记录器部分，给工作人员带来很多 不便，降低了工作效率。基于此，我们就想到研制一种重复使用次数多，实用 性很强的无线数据传输的数字混凝土回弹仪。 1 3 本课题研究的主要内容 无线数字回弹仪主要研究的是一种基于无线数据传输的数字混凝土回弹 仪。 经相关法定部门查新，目前国内外市场尚无基于无线数据传输的数字回弹 仪。它将会具有较好的经济效益和社会效益。 本课题完成的主要内容如下： 1 利用精密导电塑料这一新型位移传感器，把回弹仪的回弹值转变为 电信号，实现数字回弹体部分的机械电子一体化设计； 2 利用无线数据传输技术，数据低功耗、实时、可靠、稳定的传输到 智能记录器：智能记录器部分，根据无线数据传输过来的数据，进 行初步数据处理，集合测点的相应工况条件( 计算混凝土的抗压强 度要求几个具体测量时的参数) 和测区回弹值组合到一起，存储到 存储器中，并把测区回弹值显示在智能记录器的液晶屏幕上。 3 编写上位机数据处理软件，自动计算出测区抗压强度换算值，并打 印报表。 1 4本章小结 本章简要介绍了混凝土无损检测技术以及回弹法无损检测的发展历程，回弹 仪国内外研究现状，介绍了本课题研究的主要内容。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 2 1 总体方案设计 无线数字回弹仪系统由数字回弹体、智能记录器和上位机数据处理软件组 成，如图2 1 ： 图2t 无线数字回弹仪系统原理框图 在无线数字回弹体电路部分采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机为核心，通过无线数据 传输，把测区抗压强度回弹值传到数据记录器中处理、存储，数字回弹体的整 体结构图，如图2 2 ： 图22 数字回弹体整体结构框图 智能记录器包括无线数字收发模块、单片机、数据存储、显示、键盘，智 能记录器通过无线数据收发模块接收无线数字回弹体的检测数据，由单片机控 制数据处理、存储、显示、通讯、键盘设置，智能记录器完成数据的记录保存， 通过串行通讯u s b 接口与计算机通讯完成数据处理。图2 - 3 即为智能记录器整 体结构框图。 4 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 图2 3 智能记录器整体结构框图 上位机数据管理系统的功能是通过u s b 通信从智能记录器中接收存储在记 录器中的数据，并根据j g j t 2 3 - - 2 0 0 1 规程中规定的回弹值的计算方法，编写算 法，计算出测区抗压强度换算值，生成、打印报表。 2 2 回弹法基本原理 回弹仪是依据回弹法的基本原理进行工作的。回弹法是用一个弹簧驱动的 重锤( 弹击锤) ，通过弹击杆( 传力杆) ，弹击混凝土表面，并测出弹击锤被 反弹回来的距离，以回弹值( 反弹距离与弹簧初始长度之比) 作为与强度相关 的指标，来推定混凝土强度的一种方法1 0 1 。由于回弹测量实际上反映的是混凝土 的表面硬度，所以它属于表面硬度法的一种。如图2 4 所示： ： i 。 。l ：芦 ：五 图2 4 回弹法原理图 当重锤被水平拉到冲击前的起始状态时，重锤的重力势能不变，此时弹击 锤所具有的冲击能量为弹簧的弹性势能瓦； 5 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 r o = 妄e f 2 ( 2 2 1 ) 式中e 弹击拉簧的刚度系数： ，弹击拉簧的起始拉伸长度，即弹击锤的冲击长度。 混凝土受冲击后产生瞬时弹性变形，其恢复力使弹击锤弹回，当弹击锤被 弹回到工位置时所具有的势能正： ：昙驴 ( 2 2 2 ) 式中j 弹击锤反弹位置或弹击锤弹回时弹簧的拉伸长度。 所以弹击锤在弹击过程中所消耗的能量，即是被检测的混凝土结构或构件 所吸收的能量r 为： a t = 一l ( 2 2 3 ) 将( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 式代入( 2 2 3 ) 式得： 够= 譬一等= t o i l 一( 】叫) 令 j r ；手 在回弹仪中，为定值，所以r 和j 成正比，称为回弹值。将r 代入( 2 2 4 ) 式得 a t = t o o r 2 ) ( 2 2 5 ) 则 r =：匡( 2 硐 、f 、7 由式( 2 2 6 ) 可知，回弹值是弹击锤弹击混凝土表面时输出的剩余能量与 输入的冲击能量反映，它与输入的冲击能量本身并没有直接的关系。虽然重型 回弹仪具有较大的冲击能量，但它的回弹值未必比普通回弹仪大。通常认为的 冲击能量大，回弹值就大的观点有待于试验证实。 回弹值r 等于重锤冲击混凝土表面后剩余能量与原有输入得冲击能量之比 的平方根，即回弹值尺是重锤冲击过程中能量损失的反映。 n 1 1 重锤在弹击过程中冲击能量的传递和变化概述如下所示一。 令回弹仪的冲击能量为瓦，由能量守恒原理得： 6 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 矗= 巨= 臣+ 岛+ 历+ e + 墨+ 玩 ( 2 2 7 ) 式中： e 混凝土受冲击后产生塑性变形所吸收的能量； 丘混凝土、弹击杆及弹击锤产生弹性变形所需要的能量： e 弹击锤在冲击过程中和指针在移动过程中因摩擦损耗的能量： e 弹击锤在冲击过程中和指针在移动过程中克服空气阻力所消耗的能 量： 反馄凝土产生塑性变形时增加只有表面所损耗的能量； 疋弹击锤在冲击过程中由于混凝土构件的颤动和弹击杆与混凝土表面 移动所损耗的能量。 历、e 、乓一般很小，当混凝土构件具有足够的刚度且在冲击过程中回弹 仪始终紧贴混凝土表面时，e 也较小，均可忽略不计。在一定的冲击能量作用 下e 的弹性变形接近为常数，因此弹回距离主要取决于混凝土的塑性变形。混 凝土强度越低，则塑性变形越大，消耗于产生塑性变形的功也越大，弹击锤所 获得的回弹能量就越小，回弹距离相应也越小，从而回弹值就越小，反之亦然。 由以上的分析可以认为，回弹值通过弹击锤在弹击混凝土前后的能量变化， 既反映了混凝土的弹性性能，也反映了混凝土的塑性性能。联系公式( 2 2 2 ) ，回 弹值足反映了该式中的e 和，两项，当然与强度尼有着必然的联系，但由于影 响因素较多，r 与e 、，的理论关系尚难推导，因此目前均采用试验归纳法， 建立混凝土强度尼与回弹值r 之间的一元回归方程，根据大量试验数据进行多 种模式的回归拟合，选择其中相关系数大且回归精度高的模式作为使用经验公 式。即：由试验方法建立“混凝土抗压强度一回弹值”的相关曲线，通过回弹 仪对混凝土表面弹击后的回弹值推算混凝土的抗压强度值”。 回弹仪所测得的回弹值只代表混凝土表层的质量，所以使用回弹法时，必 须要求混凝土构件的表面质量与内部质量基本一致”“。 2 3 指针直读式回弹仪构造及工作原理 用于测定一般建筑构件普通混凝土抗压强度的回弹仪，是一种直射锤击式 7 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 仪器，其构造如图2 5 ，为典型机械直读式回弹仪。仪器工作时，随着对回弹仪 施压。弹击杆徐徐向机壳内推进，弹击拉簧被拉伸，使联接弹击拉簧的弹击锤 获得恒定的冲击能量e ，当仪器水平状态工作时，其冲击能量e 可有下式计算一： e = 丢膨= 2 2 0 7 ， ( 2 3 1 ) 式中：置弹击拉簧的刚度7 8 5 o n m ； 三弹击拉簧工作时拉伸长度0 0 7 5 m 当挂钩与调零螺钉互相挤压时，使弹击锤脱钩，于是弹击锤的冲击面与弹击杆 的后端平面相碰撞，此时弹击锤释放出来的能量借助弹击杆传递给混凝土构件， 混凝土弹性反应的能量又通过弹击杆传递给弹击锤，使弹击锤获得回弹的能量 后弹回，计算弹击锤回弹距离和弹击锤脱钩前距弹击杆后端平面的距离三之 比，即是回弹值尺，它由仪器外壳上的刻度尺示出。 r = 兰1 0 。 ( 2 3 2 ) 式中：j r 回弹值 上弹击锤向后弹回的距离 三冲击前弹击锤距弹击杆的距离 在我们研制的无线数字回弹仪的数字回弹体的外壳上，保留了刻度尺。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章系统总体设计及回弹仅基本原理介绍 1 弹击杆 2 盖帽 ；3 缓冲弹簧 1 9 4 弹击拉簧 5 指针块 墙6 指针轴 7 刻度尺 8 中心导杆 一9 导向法兰 。 l o 挂钩弹簧 1 1 固定块 1 2 尾盖 1 61 3 密封毡圈 1 4 卡环 1 5 拉簧座 1 6 弹击锤 1 7 长圆柱状机壳 1 8 按钮 1 9 挂钩 2 0 压缩弹簧 2 1 紧固螺母 图2 5 回弹仪构造图 弹击杆顶住混凝土表面，按钮松开，放松压力时弹击杆伸出，挂钩挂上弹 击锤，待弹击锤脱钩冲击弹击杆后，弹击锤回弹带动指针向后移动到某一位置， 指针块上的示值刻度线上在刻度尺上示出的数值即为回弹值。 2 4 回弹值及抗压强度值计算 下面是计算回弹值以及计算回弹仪换算强度值公式中的符号，具体代表的含 义如下： r 第f 个测点的回弹值 心测区或试件的平均回弹值 8 。回弹仪非水平状态检测时，测区的平均回弹值 磁回弹仪在水平方向检测混凝土浇筑表面时，测区的平均回弹值 回弹仪在水平方向检测混凝土浇筑底面时，测区的平均回弹值 回弹仪检测混凝土浇筑表面时，回弹值的修正值 9 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介钮 磁回弹仪检测混凝土浇筑底面时，回弹值的修正值 屯非水平状态检测时，回弹值的修正值 z 第i 次测量的碳化深度值 以测区的平均碳化深度值 尼。测区混凝土强度换算值 名。泵送混凝土测区混凝土强度换算值 厅死测区混凝土强度换算值的平均值 曲构件中最小的测区混凝土强度换算值 昵同批次构件测区混凝土强度换算值的标准差 允。构件混凝土强度推定值 ，7 修正系数 足泵送混凝土测区混凝土换算值的修正值 2 4 1 回弹值的计算 当检测条件与侧强曲线的适用条件有较大的差异时，可采用同条件试件或 钻取混凝土芯样进行修正，试件或钻取芯样数量不应少于6 个。钻取芯样时每个 部位应钻取一个芯样，计算时，测区混凝士强度换算值应乘以修正系数。修正 系数按下列公式计算： r = 厶，盔 ( 2 4 1 ) 或 r = 亡厶，盛 ( 2 4 2 ) 式中玎1 彦正系数，精确n o 0 1 ； 允，第f 个混凝土立方体试件( 边长为1 5 0 砌a ) 的抗压强度值，精确到 o 0 1 m p a ； 厶；第f 含漏凝土芯样试件的抗压强度值，精确n o i m p a ： 三，对应于第f 个试件或芯样部位回弹值的碳化深度值的混凝土强度 换算值，按j g j r 2 3 2 0 0 1 规程附录a 采用： ，z 试件数。 计算测区平均回弹值应从该测区的1 6 个回弹值中剔除3 个最大值和3 个最小值， 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 余f 的l o 个回弹值按下式计算： r 岛2 昔3 ) 式中 如测区平均回弹值精确至0 1 r 第i - 5 测点的回弹值 当测量时，回弹仪为非水平方向检测混凝土浇筑侧面时应按下式修正： 民= + 屯( 2 4 4 ) 式中心。非水平状态检测时测区的平均回弹值精确至o 1 j 乙非水平状态检测时回弹值修正值可型1 q 附录c 采用 当水平方向检测混凝土浇筑项面或底面时按下列公式修正： 民= 砭+ 聪 ( 2 4 5 ) 凡= 磁+ 礴 ( 2 4 6 ) 式中、水平方向检测混凝土浇筑表面、底面时，测区的平均回弹值， 精确至0 1 足、群混凝土浇筑表面底面回弹值的修正值按1 日d 采用 2 4 2 测强曲线 混凝土强度换算值可采用以下三类测强曲线计算： 1 统一测强曲线：由全国有代表性的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件， 通过试验所建立的曲线； 2 地区测强曲线：由本地区常用的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件， 通过试验所建立的曲线； 3 专业测强曲线：由与结构或构件混凝土相同的材料、成型养护工艺配制的混 凝土试件，通过试验所建立的曲线。 一般，按照专用测强曲线、地区测强曲线、统一测强曲线的次序选用测强曲线。 2 4 3 混凝土强度计算 结构或构件第i 个测区混凝土强度换算值按平均回弹值( i k ) 和平均碳化深 中国科学技术大学硕士学位论文第二章系统总体设计及回弹仪基本原理介绍 度值( d m ) 由 1 6 1 附录a 查表得出，泵送混凝土按 1 6 j 计算。当有地区测强曲线或专 用测强曲线时，混凝土强度换算值应按地区测强曲线或专用测强曲线换算得出。 结构或构件的测区混凝土强度平均值根据各测区的混凝土强度换算值计 算。当测区数为i o 个或1 0 个以上时，应计算强度标准差。平均值及标准差应按 下列公式计算： 尼， m ，= 土l( 2 4 7 ) 2 ( 2 4 8 ) 式中，”i 磊| 结构或构件测区混凝土强度换算值的平均值( 脱) ，精确至 0 1 m p a ： ，l 对于单个检测的构件，取一个构件的测区数；对批量检测的构件， 取被抽检构件测区数之和。 s ，结构或构件测区混凝土强度换算值的标准差( m p a ) ，精确至 o 0 1 好h 。 结构或构件的混凝土强度推定值( ，二。) 按下列公式确定： l 当该结构或构件测区数少于1 0 个时： 允。；尼血 ( 2 4 9 ) 式中尼。- 构件中最小的测区混凝土强度换算值 2 当该结构或构件的测区强度值中出现小于1 0 o m p a 时： 厶。 4 5 m p a ( 2 4 1 2 ) 2 当该批构件混凝土强度平均值不小于2 5 1 洄a 时： 5 5 坳 ( 2 4 1 3 ) 2 5 本章小结 本章首先介绍了无线数字回弹仪系统的总体方案设计，它由数字回弹体、 智能记录器、数据处理软件组成，然后介绍了回弹法的基本原理、机械指针直 读式回弹仪的基本构造和工作原理以及如何根据测量得到的回弹值计算测区豹 混凝土抗压强度值。 中国科学技术大学硕士学位论文第三章系统中的无线数据传输 第三章系统中的无线数据传输 3 1无线数据传输原理 3 1 1 无线数据传输基本过程 一般无线数据传输模块具有一般的通信系统的特征，即包括下面几个部分， 如图3 1 ： 卜源h 信道编码h 引传输介质卜( 亟卜吲接收数据i 图3l 无线数据传输原理框图 对无线数据传输模块而言，由于需要传输的信息是数字信号，所以它并不 包含信源编解码部分，只有调制，解调和信道编解码电路。调制的主要任务是把 接收到的数字信号转换为便于信道传输的形式，比较常用的调制方式有调幅、 调频等。解调是把数据从调制信号中恢复出来，对应不同的调制方式采用的解 调方式也不同。其中调频方式的抗干扰能力要强一些，而且实现起来也比较简 单，因此在工程中得到了广泛的应用，本系统使用的模块就是采用了这种调制 方式。为了使接收端收到的数据中具有一定的时钟信息，便于数据的恢复，同 时为了改善信号的传输质量，在发送端的模块中除了包含调制设备外，还有信 道编码器，在接收端相应的有信道解码器。 调制 数据 簟 餐请 茕 片 器 机 图32 无线数传模块电路框图。 本无线数传模块是收发一体的半双工模块，与天线连接的双工器实际上是天 线的开关，模块发送数据时拒绝接收，接收时拒绝发送，图3 2 的上部为接收电 路部分，下部为发射电路部分。当模块接收数据时，接收的信号首先进行放大， 然后再经过混频、滤波和鉴频后送入调制解调器，还原数据后由单片机进行校 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章系统中的无线数据传输 验，校验无误后由串口送出模块。当模块发射数据时，数据首先进入单片机进 行校验编码，然后送入调制解调器，调制后的数据再经过锁相环振荡器调频， 最后放大信号，由天线发送出去。 3 1 2 调频信号的产生与解调 从频谱的角度来讲，调频属于非线性调制，调频信号频谱不是原调制信号 频谱在频率轴上的搬移，而且已调信号的频谱结构不再保持原调制信号频谱的 结构，即不再保持线性关系。调制后的信号带宽比原调制信号的带宽大的多， 这从信道传输频带的利用率来讲是不经济的，但是在同样的发送功率下，非线 性调制把调制信息加载于较宽的已调信号带宽内，因此调频信号具有比较好的 抗噪声性能；而且传输带宽越大。抗噪声性能越好。当然，调频信号是利用增 加已调信号带宽的代价，来换取在不增加发送功率的情况下，提高接收端接收 信噪比。 直接调频是产生调频信号比较简单的方法，即利用调制信号直接控制压控 振荡器的瞬时频率，以产生瞬时频率随调制信号变化的调频波。利用调制信号 控制直接影响振荡器瞬时频率的元件的参数，就可以使振荡器瞬时频率按照调 制信号的规律变化，就实现了调频。通常被控的振荡器是l c 振荡器，其振荡 频率主要由振荡回路的电感和电容的参数决定，因此用可控元件作为振荡回路 的组成部分，用调制信号去控制可控元件的参数，就得到了振荡频率随调制信 号变化的调频波。 对调频信号的解调通常用的一种方法是正交鉴相，它由移项网络、相乘器 和滤波器三部分组成。因为加到相乘器的频率调制信号和由它产生的参考信号 必须是正交的，所以被叫做正交鉴相。 图3 3 正交鉴相器原理框图 正交鉴相器的输出与原信号相比仅幅度有变化，同时引入了一个附件固 定的相移，因此可以认为解调输出的已经是原调制信号了网。 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章系统中的无线数据传输 3 1 3 混频 在解调电路中，由于技术上的限制，一般解调都是在比较低的频率上进行 的但是为了便于发射，通常发送频率较高，为了解决这个矛盾在接收端通常要 采用混频的措施。这样，在发送端就可以采用比较高的发射频率，在接收端通 过混频把信号转送到较低的频率上，再解调出有用的数据。 混频又称为变频，是一会中频谱的线性搬移过程，它是使信号自某一个频 率变换成另一个频率，完成这样功能的电路称为混频器( 或变频器) 。 在接收电路中，混频器将己调信号变为频率固定的中频信号。由于是频谱 的线性搬移，中频信号也是已调波，除了中心频率与输入信号不同外，其频谱 结构与输入信号以的频谱结构完全相同。理想的混频器( 只有和频或差频的混 频) 能将输入已调信号不失真地变换为中频信号。图3 4 就是混频器地原理框图。 u o 3 1 4 发射和接收电路 图3 4 混频器原理框图 发射电路主要完成载波的产生，并对其进行调整和放大。它由一个可变分 频比的锁相环和两级放大器组成，可以实现数据对载波的字节调频。接收部分 完成对天线接收信号的放大，下变频和鉴相。它是由一级小信号放大器对天线 接收的调频信号进行调频，解调出发送端发送出来的数据。 3 1 5 无线数据传输格式 在远距离数据传输过程中，数据大都是以异步方式传输的。在异步数据传 输过程中，数据要么按字节一个一个被连续传送，要么就是多个字节构成一个 数据块，然后数据以块为单位被传送的。在实际使用中以后者居多。 数据块的结构就是通信双方之间的通信协议。通信协议的合理性是影响数据 可靠传输的重要原因。在无线数传模块中，模块首先通过d t r 先判断接收到的 是数据还是命令，若是命令则执行相应的命令，若是数据则先将要发送的数据 送到发送缓存区，同时将模块的状态由接收转换成发送状态，将这个数据块送 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文第三章系统中的无线数据传输 到模块中的调制口以f s k 的调制方式发射出去。数据块中的数据字节的表示方 式有两种，一种是二进制方式，一种是十六进制的a s c i i 方式。在无线数据采 集系统中，由于传输的是以数据为主，为了提高传输效率，因此采用了二进制 字节方式。 通信中的起始字节的确认 命令( 数据) 的发送都是以起始标志字节0 f o h 开始的。由于数据是以二进制 字节方式发送的，因此标志字节0 f o h 与数据块中的数据可能相同。为了避免将 数据块中的其它0 f 0 f l 字节误以为是起始标志字节，接收方在接收到第一个0 f o h 字节后，不再对后面的数据进行判断，而是采用时间限制的方法确保个数据 块被完全接收。限制时间的长度为3 倍的数据接收时间，如果时间到，则接收 方认为数据块应该接收完毕，如果此后接收方再收到0 f o h ，便认为是一个新的 数据块的开始。而发送方再发送完毕后，应确保3 倍的发送数据块的时间长度 后才能发送下一个数据块。 3 1 6 传输数据的c r c 校验 由于数字信号在传输过程中受到干扰的影响，使得信号码元波形变坏，故传 输到接收端后可能发生错误判断。通常，在设计数字通信系统时，首先应从合 理地选择调制制度、解调方法以及发送功率等方面考虑。若采取上述措施仍难 以满足要求，则要考虑差错控制措施了。 为了提高通信系统的传输质量而提出的有效地检测错误，并进行纠正的方法 叫做误差检测和校正，简称为差错控制。差错控制的主要目的是减少通信信道 的传输错误，目前还不可能做到检测和校正所有的错误。人们在设计差错控制 的具体方法时提出两种策略：第一是让每个传输的报文分组带上足够多的冗余 信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输错误，即纠错码方案。第二是让报 文分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，但不能确定哪一比特是错的， 并且自己不能纠正传输差错，一般的通信场合不易采用。检错码虽然需要通过 重传机制达到纠错，但原理简单，实现容易，编码和译码速度快，目前正得到 广泛的使用。 1 7 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章系统中的无线数据传输 l 编码鬈和【 _ i ! 军兰h 掣卜 牧 信1 盏存媾器i 双 4 瓣 信 源 向 信 者 i 菡冲一 道 图3 5m 旧系统组成方框图 自动要求重发的系统通常称为a r q 系统，其组成原理方框图如图所示。在 发送端，输入的信息码元在编码器中被分组编码( 加入监督码元) 后，除立即 发送外，尚暂存于缓冲存储器中。若接收端解码器中检出错码，则由解码器控 制产生一重发指令，经反向信道送至原发送端。这时，由发送端重发控制器控 制缓冲存储器重发一次。接收端仅当编码器认为接收信息码元正确时，才将信 息码元送给收信者，否则在输出缓冲存储器中删除掉。当接收端解码器未发现 错码时，经反向信道发出不需要重发指令。发送端接收到此命令后，即继续发 送后一码元组，发送端的缓冲存储器的内容也随之更新。 3 1 7o r e ；校验原理 循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 是由分组线性码的分支而 来，其主要应用是二元码组。编码简单并且误判概率很低，在通信系统中得到 了广泛的应用。 1 循环冗余校验码( c r c ) c r c 校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n 阶的二进 制多项式，由口+ l 矿。+ q ，2 矿。2 + + q j + 口o 。如一个8 位二进制数1 0 1 0 0 1 1 1 可以表示为：h 7 + o + l 矿+ o + o 矿+ l ，+ l x + l 。多项式乘除法运算过程与普 通代数多项式的乘除法相同。多项式的加减法运算以2 为模，加减时不进，错 位，和逻辑异或运算一致。 采用c r c 校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g ( x ) ，并且g ( x ) 的首 位和最后一位的系数必须为1 。c r c 的处理方法是：发送方以g ( x ) 去除r ( j ) ，得 到余数作为c r c 校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0 为据，判断数据 帧是否出错。 c r c 校验可以1 0 0 地检测出所有奇数个随机错误和长度小于等于后( 后为 g ( x ) 的阶数) 的突发错误。所以c r c 的生成多项式的阶数越高，那么误判的概 1 5 中国科学技术大学硕士学位论文第三章系统中的无线数据传输 率就越小。c c i t t 建议：2 0 4 8k b i t s 的p c m 基群设备采用c r c - 4 方案，使用的 c r c 校验码生成多项式g ( 工) = ，+ 工+ l 。采用1 6 位c r c 校验，可以保证在1 6 豇 码元中只含有一位未被检测出的错误。在i b m 的同步数据链路控制规程s d l c 的 帧校验序列f c s 中，使用c r c - 1 6 ，其生成多项式g ( x ) = + + ，+ 1 ；而在 c c i t t 推荐的高级数据链路控制规程h d l c 的帧校验序列f c s 中，使用c c i t t - 1 6 ， 其生成多项式g ( j ) = + + ，+ l 。c r c - 3 2 的生成多项式 g ( x 1 = 户+ 户+ 尹+ 严+ 一6 + 一2 + 一1 + p + ，+ j 7 + j 5 + 一+ ，+ 毒+ l 。 c r c - 3 2 出错的概率比c r c - 1 6 低l o 。倍。由于c r c 3 2 的可靠性，把c r c - 3 2 用 于重要数据传输十分合适，所以在通信、计算机等领域运用十分广泛。在一些 u a r t 通信控制芯片( 如m c 6 5 8 2 、i n t e l 8 2 7 3 和z 8 0 s i o ) 内，都采用了c r c 校 验码进行差错控制：以太网卡芯片、m p e g 解码芯片中，也采用c r c 3 2 进行 差错控制。 2 c r c 校验码的算法分析 c r c 校验码的编码方法是用待发送的二进制数据r ( 工) 除以生成多项式 g ( j ) ，将最后的余数作为c r c 校验码。其实现步骤如下： ( 1 ) 设待发送的数据块是i n 位的二进制多项式t ( x ) ，生成多项式为r 阶的 g ( x ) 。在数据块的末尾添加r 个0 ，数据块的长度增加到m + ，位， 对应的二进制多项式为n ( 工) 。 ( 2 ) 用生成多项式g ( 工) 去除打o ) ，求得余数是阶数为r - 1 的二进制多项 式贝j ) 。此二进制多项式“工) 就是“j ) 经过生成多项式g ( x ) 编码的 c r c 校验码。 ( 3 ) 用n ( j ) 以模2 的方式减去贝工) ，得到二进制多项式x t 1 ( 工) 。 ，f 1 ( x ) 就是包含了c r c 校验码的待发送字符串。 从c r c 的编码规则可以看出，c r c 编码实际上是将代发送的n 位二进制 多项式t ( x ) 转换成了可以被g ( x ) 除尽的m + r 位二迸射多项式，f 1 0 ) ，所以解 码时可以用接收到的数据去除g ( j ) ，如果余数为零，则表示传输过程没有错 误；如果余数不为零，则在传输过程中肯定存在错误。许多c r c 的硬件解码 电路就是按这种方式进行检错的。同时n 1 0 ) 可以看做是由f ( j ) 和c r c 校验 码的组合，所以解码时将接收到的二进制数据去掉尾部的r 位数据，得到的就 是原始数据。 为了更清楚的了解c r c 校验码的编码过程，下面用一个简单的例子来说 明