一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，属于电磁检测领域。本方法通过对四模块Halbach阵列的磁场解析，结合有限元仿真分析得到Halbach阵列强化侧磁场的变化规律，并采用移动霍尔传感器的方式采集在钢筋磁化效应影响下的空间余弦磁场，加以采样积分处理将得到的特征信号转换为一个特征值，进而利用算法分析特征值得到准确的钢筋直径大小。本发明专利技术充分结合了Halbach阵列增强磁场和改变空间磁场分布的特点，并采用最小二乘法处理数据，大大提高了对水泥杆内钢筋直径的测量精度，解决了传统电磁测量法在钢筋直径测量上精度不高的缺陷，为水泥杆内钢筋直径测量提供了一种切实可行的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法
本专利技术属于电磁检测领域，涉及一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法。
技术介绍
水泥杆内钢筋相关参数的检测是对钢筋腐蚀程度进行诊断，评估水泥杆质量的一种必要手段。由于生产厂家偷工减料，水泥杆中使用的钢筋直径小于设计尺寸，从而导致水泥杆在所受外力在小于额定荷载的情况下，远未达到使用预期年限便出现问题。同时，投入使用年数久远水泥杆，其内部钢筋会受到不同程度上的腐蚀，导致钢筋直径发生变化。因此，准确测量水泥杆内钢筋直径大小，可以有效的验证电力设施的安全性，避免由于钢筋质量不合格而可能造成的经济损失和事故。现有检测混凝土构件中钢筋直径的方法通常采用剔凿法和电磁感应测量法。剔凿法即将钢筋从混凝土中剔凿暴露出来，使用卡尺直接测量直径。这种方法需要在构件表面剔凿出很大的孔后才能使一根钢筋露出大半个截面以满足游标卡尺测量的要求，如果钢筋保护层较大，则剔凿的范围更大。为搞清一个没有图纸的水泥杆中的各根钢筋直径，可能会使该水泥杆被剔凿的千疮百孔。因此，剔凿法检测钢筋直径会造成构件截面有较明显损伤，显著影响了构件本身的承载能力。电磁感应测量法是目前广泛使用的无损检测法，由传感器在被测结构内部产生电磁场，同时接收结构内钢筋的感应磁场，转化为电信号进行测量。这种方法探测深度一般，不容易探测出复杂的钢筋结构，且对钢筋直径的测量误差较大。因此，如何提供一种水泥杆中钢筋直径的无损检测方法，在提高钢筋直径检测精度的同时降低对构件承载力的损伤，是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，该方法包括以下步骤：S1：Halbach磁阵列的磁场解析；S2：Halbach磁阵列的有限元分析；S3：空间磁场的测量；S4：钢筋直径的测量。可选的，所述S1具体为：建立四模块Halbach磁阵列，充磁方向为90°方向；其中l为单位波长，lm为单位永磁体长度，d为永磁体厚度；将间断的Halbach阵列等效为一个连续的永磁体面，通过对其磁化强度的傅里叶分解，并根据磁矢位方程进行推导，得到磁阵列上方的磁感应强度表达式如下：其中，μ0是真空中的磁导率，M0是磁化强度峰值，k是波数，d是永磁体厚度，x为横向坐标。可选的，所述S2具体为：在有限元仿真分析软件上搭建以90°方向充磁的Halbach阵列三维仿真模型，Halbach阵列具有良好的单边性，磁场集中在加强侧；根据加强侧不同距离的磁场强度的仿真结果，在距离磁阵列越近的位置，磁感应强度较越大；当距离变远时，磁感应强度降低，趋于余弦；将空间磁场理论解析结果与有限元仿真结果进行对比并分析，证明解析结果与有限元仿真结果拟合，证明解析法的正确性。可选的，所述S3具体为：Halbach磁阵列加强侧产生余弦变化的空间磁场，当有钢筋处于磁阵列正下方时，磁化特性对空间磁场产生一定影响，磁场呈余弦分布；采用一个霍尔元件传感器进行空间磁场的测量，保持其与磁阵列之间的距离不变，平行移动传感器，将检测到的余弦变化的磁场强度通过AD采集模块采集到处理器中进行数据分析；检测到的为一个单位波长磁场强度转化的n个电压信号，采样数据过于庞大，选用积分的方式将n个电压信号进行数据处理，将特征信号用一个特征值S表示；由于AD采集数据为离散数据，对于离散数据的积分转换为聚散数据的累加形式，累加值S表示如下：其中Vi的含义为第i个霍尔传感器检测数据，∑符号表示V0到Vn求和。可选的，所述S4具体为：当钢筋相对Halbach磁阵列位置不变时，S值只与水泥杆内的钢筋直径D相关，建立函数关系式D＝f(s)；选用不同直径的钢筋进行检测，共采集m组数据，构建D-s数据库用于后续的数据分析；D＝f(s)之间的关系为非线性关系，采用最小二乘法，将D-s数据库中的数据带入，得到正规方程组：其中，∑si表示s0到sm和，通过解该正规方程组解出a0～an，从而确定出拟合多项式：D(s)＝a0s+·a1s2+···+ansn其中，a0～an为该多项式的各项系数，s为检测值；当钢筋其他参数保持不变时，根据检测得到的s值，结合拟合得到的多项式能够计算得到钢筋的直径D大小。本专利技术的有益效果在于：本方法通过理论解析Halbach阵列的空间磁场分布情况，结合仿真分析，发现Halbach阵列在磁场加强侧外部形成一个余弦磁场，进而根据磁测量原理，将钢筋置于余弦磁场中，移动霍尔传感器检测单位波长下的磁场强度并研究其与钢筋直径之间的关系，提出来一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法。该专利技术通过将永磁体按一定规律排列建立Halbach阵列，在传统钢筋磁感应检测的基础上加强并改变空间磁场分布，同时改进检测方式与检测数据处理方法，提高了对水泥杆内钢筋直径的测量精度。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为四模块Halbach阵列示意图；图2为四模块Halbach阵列仿真结果示意图；图3为Halbach阵列加强侧不同距离磁场强度示意图；图4为磁场检测原理示意图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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专利技术和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：/nS1：Halbach磁阵列的磁场解析；/nS2：Halbach磁阵列的有限元分析；/nS3：空间磁场的测量；/nS4：钢筋直径的测量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：Halbach磁阵列的磁场解析；
S2：Halbach磁阵列的有限元分析；
S3：空间磁场的测量；
S4：钢筋直径的测量。


2.根据权利要求1所述的一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，其特征在于：所述S1具体为：
建立四模块Halbach磁阵列，充磁方向为90°方向；
其中l为单位波长，lm为单位永磁体长度，d为永磁体厚度；
将间断的Halbach阵列等效为一个连续的永磁体面，通过对其磁化强度的傅里叶分解，并根据磁矢位方程进行推导，得到磁阵列上方的磁感应强度表达式如下：



其中，μ0是真空中的磁导率，M0是磁化强度峰值，k是波数，d是永磁体厚度，x为横向坐标。


3.根据权利要求2所述的一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，其特征在于：所述S2具体为：
在有限元仿真分析软件上搭建以90°方向充磁的Halbach阵列三维仿真模型，Halbach阵列具有良好的单边性，磁场集中在加强侧；根据加强侧不同距离的磁场强度的仿真结果，在距离磁阵列越近的位置，磁感应强度较越大；当距离变远时，磁感应强度降低，趋于余弦；将空间磁场理论解析结果与有限元仿真结果进行对比并分析，证明解析结果与有限元仿真结果拟合，证明解析法的正确性。


4.根据权利要求3所述的一种基于Halbach阵列的水泥杆内钢筋直径测量方法，其特征在于：所述S...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶国庆，余忠东，丁双松，马静君，陈建红，陈晓东，周桦，钱子渊，裘科成，叶华睿，
申请(专利权)人：浙江捷安工程有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33