混凝土有效振捣深度及状态实时智能判定设备及方法技术领域
本发明涉及一种用于实时智能判定混凝土有效振捣深度及状态的设备及方法,
属于混凝土浇筑质量控制领域。
背景技术
混凝土施工中，振捣是关系到混凝土建筑物质量的关键，对新拌混凝土浇筑振捣
深度和持续振捣时间的可靠测试与评价是质量控制重要环节之一。
目前施工现场采用振捣方法是根据不同棒型的振捣棒有效作用半径，要求以交错
方式插入振捣棒保证混凝土浇筑区域基本都得到振捣密实。施工规范振捣规定较为模糊，
以基本泛浆不再下沉为标准。实践操作中，工人插拔移动振捣棒时，无法做到位置、范围、深
度和振捣持续时间的精确把握，往往为经验操作，随意性强，效果难以量化评价，尤其插拔
深度和持续振捣时间是否满足工艺要求是导致欠振、过振或漏振等缺陷的关键。目前国内
外并无可靠技术解决方案，因此，需采用精细智能化的振捣作业过程判定设备及技术手段
有效监控混凝土振捣质量。
发明内容
发明目的：为了克服现有工艺存在的不足，本发明提供一种实时、持久、可靠的混
凝土有效振捣深度及状态智能判定设备及方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的混凝土有效振捣深度及状态实时
智能集成判定设备，包括振捣持棒距棒头距离采集装置、定位模块与振捣状态采集装置；
所述振捣持棒距棒头距离采集装置包括霍尔传感器组、磁性工作手套和智能模块，所
述霍尔传感器组安装于振捣棒棒体上，所述磁性工作手套由操作者佩戴，所述霍尔传感器
组与智能模块相连接；
所述定位模块包括安装于操作者两肩的两个定位天线，所述振捣状态采集装置利用非
接触式振捣时间智能检测系统及检测方法判断是否有效振捣作业状态
振捣持棒距棒头距离采集装置基于霍尔效应原理采集操作手握棒位置至棒头距离，即
通过手握振捣棒棒体不同位置，继而触发该处霍尔传感器产生相应感应电压，再通过电压
值与距离值数值关系实时计算得到手握棒位置至棒头距离。其中操作者佩戴的磁性工作手
套具有足够的磁性，在操作者握持振捣棒棒体进行作业时，可以使其内部的霍尔传感器组
产生感应电压，智能模块中预存了电压值与距离值数值关系，采集到感应电压后即可将其
换算为距离值。
具体的，所述霍尔传感器组沿振捣棒棒体串联布置，并永久安装固定于棒体内部，
无需再次装拆。其中，智能采集模块用于实时采集感应电压并计算手至棒头距离，并封装在
设备盒中，盒体固定在振捣棒上并与霍尔传感器组连接。
具体的，所述手持部位定位模块的卫星天线安装固定在操作人员两肩。振捣棒棒
头坐标位置的实时获取首先基于“基于双GPS和姿态校正的振捣棒工作位置模糊定位方法
（专利号2015062600573380）”，由振捣作业时操作人员两肩的定位坐标推算得到手握棒位
置，然后根据该位置至棒头距离和振捣棒三向倾角计算得到。
具体的，所述振捣状态电流采集设备由互感器模块和电流处理模块组成，所述振
捣状态音频采集设备由拾音器模块和音频处理模块组成，根据非接触式振捣时间智能检测
系统及检测方法判断振捣棒作业状态，非接触式振捣时间智能检测系统及检测方法详见发
明人的另一件专利2014104379939。
具体的，所述无线通讯模块包括3G/GPRS/WIFI通讯模块。
本发明同时提出应用上述一种振捣有效深度及状态智能检测设备的方法，包括以
下步骤:a.获取振捣棒的实时作业信息，所述作业信息包括操作人员手握棒位置至棒头距
离、棒头坐标、作业状态和作业角度；
b.云端服务器通过无线通讯模块获取作业信息；
c.云端服务器对获取的作业信息进行存储、处理和显示，判断振捣是否有效并计算出
振捣深度，并将结果输入振捣质量判断参数集，用于质量判定。
具体的，步骤a还包括以下步骤：
a1.通过卫星卫星定位模块实时获取操作手持棒部位坐标；
a2.通过霍尔采集装置获取操作人员手握棒位置至棒头距离；
a3.通过三向角度传感器采集振捣棒三向倾角;
a4.计算推算获取振捣棒棒头坐标；
a5.通过振捣状态电流和音频采集设备获取振捣作业状态；
具体的，步骤b所述的云端服务器可以对大数据进行快速计算存储，且无需配置复杂昂
贵硬件设施，仅需用连接网络的电脑远程登录访问服务器即可。用户通过网络并基于授权
权限访问登陆平台，对混凝土振捣作业进行查询、评价和改进。
具体的，步骤c中棒体在混凝土中振捣深度，其确定方法为：
判定并记录每一次振捣棒作业中插入时刻棒头坐标参数为Pi（xi,yi,zi，ti）、拔出时刻
棒头坐标参数为Pj（xj,yj,zj，tj）；可求出该次有效振捣作业时间为（tj-ti），振捣深度为
（zi-min(zi,…zj)）。
发明原理：本发明采用传感器对振捣棒在每次振捣过程中的实时作业信息进行采
集，包括振捣深度、倾斜角、插入/拔出混凝土状态进行实时判定，判断振捣是否有效并精确
获取振捣深度和振捣时间，再配合定位模块获取振捣棒棒头坐标；上述实时数据通过参数
化模型分析计算，即可进行全面混凝土浇筑振捣质量监控，从而有效反馈过振、漏振和欠振
情况，克服传统方法无法实时判断振捣作用范围、振捣深度和振捣时间。
有益效果：本发明通过相比现有技术，具有以下显著的进步：
1.本发明无需人工干预，解决了人工判断误差，使得振捣深度及状态的判定过程智能
化，且获得作业过程数据精度高，稳定可靠。
2.微型卫星天线通过穿戴方式固定在操作人员肩部，既便于操作人员施工作业，
又保证天线不受遮挡影响，确保手持部位坐标的解算过程快速和稳定。
3.手持部位至棒头距离采集通过霍尔传感器组以非接触式感应电压方法实现，稳
定高效，并且传感器组永久安装固定于棒体内部，避免与新拌混凝土直接接触而导致磨损，
无需再次装拆，方便耐用。
4.借助三向角度传感器和手持棒与棒头距离推算棒头坐标，提高了振捣棒实时作
业坐标轨迹的精准度。
5.基于振捣棒插拔混凝土时其棒体内工作电流和振动声音频率变化，对振捣棒工
作状态进行了双重判定，有效提高了振捣棒工作状态判断及后续振捣时间计算的可靠性与
稳定性。
除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技
术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的混凝土有效振捣深度及状态实时智能判定设
备及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征优
点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图中：振捣棒上1，三向角度传感器2，拾音器模块3，霍尔传感器组4，电箱5，互感器模块
6，卫星定位模块7，磁性手套8，开发板9。
具体实施方式
实施例：
如图1所示，在振捣棒上1安装有三向角度传感器2；在棒头附近布置有拾音器模块3；棒
体内部安装霍尔传感器组4；末端动力电电源线与电箱；5内相应接口连接，在任意动力电线
上安装互感器模块6；操作人员双肩安装有卫星定位模块7；手戴特制磁性手套8；三向角度
传感器2、拾音器模块3；霍尔传感器组4、互感器模块6、卫星定位模块7均连接至开发板9；
开发板9内嵌振捣作业状态电流处理模块、音频处理模块、智能模块、无线通讯模块等。
其具体工作原理如下：
首先基于“双GPS和姿态校正的振捣棒工作位置模糊定位方法（专利号
2015062600573380）”，通过列于两肩的卫星定位模块确定操作人员手握棒位置Ph(xh,yh,
zh)。
然后基于霍尔效应，操作人员手戴特制磁性手套握棒，通过触发该处霍尔传感器
并产生相应感应电压采集手握棒位置至棒头距离D，再根据三向角度传感器实时获取（α,β,
γ）和手握棒位置Ph(xh,yh,zh)，按以下方程计算得到棒头坐标P0(x0,y0,z0)。
x0=xh-D·cosα
y0=yh-D·cosβ
z0=zh-D·cosγ
再由互感器模块和拾音器模块分别采集棒体内工作电流和振动声音频率，根据非接触
式振捣时间智能检测系统及检测方法判断获取振捣棒插拔状态（S）。其判定准则是若工作
电流值大于电流阈值且音频值低于音频阈值，则判定振捣棒插入混凝土内为有效振捣；若
电流值小于电流阈值或音频值高于音频阈值，则判定振捣棒拔出混凝土为无效振捣。其中
电流阈值可根据具体工程情况，从振捣作业状态电流处理模块阈值库中选择合适数值，若
无合适数值，则需在振捣作业前预先分别采集振捣棒插拔状态时的电流值，然后计算均值
并作为电流阈值使用并保存更新至阈值库中，音频阈值确定方法与电流阈值方法相同。
接着，智能模块将棒头坐标、振捣棒插拔状态、插入角度数据整合成新格式数据，
然后通过3G/GPRS/WIFI通讯模块无线发送给云端服务器。
云端服务器判定并记录每一次振捣棒作业中插入时刻棒头坐标参数为Pi（xi,yi,
zi,ti）、拔出时刻棒头坐标参数为Pj（xj,yj,zj,tj）；可求出该次有效振捣作业时间为（tj
-ti），振捣深度为（zi-min(zi,…zj)）。