一种基于应力波法的锚杆无损检测方法及设备技术

本发明专利技术公开了一种基于应力波法的锚杆无损检测方法及设备，通过加速度传感器采集应力波信号，信号经过放大及滤波电路后被送入AD转换模块，将模拟信号转换为数字信号传输给ARM控制器，ARM控制器对信号进行时域和频域分析，根据互相关算法识别应力波波形中反射波信号；本发明专利技术可以准确的进行锚杆长度的测定和砂浆饱和度的判断，进而判断锚杆锚固的质量。该设备也可以应用在使用锚杆支护的边坡、隧道、坝体中进行锚杆无损检测，具有广阔的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于应力波法的锚杆无损检测方法及设备
本专利技术属于煤矿锚杆检测
，具体是一种基于应力波法的锚杆无损检测方法及设备。
技术介绍
锚杆是煤矿井下生产使用非常广泛的材料。矿用锚杆是一种安设在岩土层中的受力杆件，它的一端与工程建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预引力，用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑物的稳定，因此锚杆锚固的质量在很大程度上影响到煤矿安全生产。目前，锚杆锚固质量的检测方法在工程界主要有两种，一种是有损检测，另一种是无损检测。有损检测包括取芯法和拉拔实验法，这两种方法的最大优点是直观、准确，但都是破坏性检测方法，而且操作复杂，工作量大，开销巨大。无损检测包括应力波法和超声波法。超声波法在实际中，信号在锚杆内传播的过程中衰减严重，且需要对锚杆端头打磨平整才可将超声波耦合进锚杆杆体。现有的检测设备有拉拔计、测力锚杆和以超声波理论为基础的GRANIT型锚杆无损检测设备。拉拔计、测力锚杆这两种受力检测手段对经锚杆加固的巷道产生较强的扰动，降低了锚杆对围岩的加固作用，只适合于抽检，不适合于大面积的进行锚杆质量检查。GRANIT型锚杆无损检测设备，可以对锚杆进行无损检测，但由于其超声波信号衰减严重，所以通常只能对3.0m以内的锚杆进行检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，而提供一种基于应力波法的锚杆无损检测方法及设备，该检测方法对锚杆检测无破坏，工作量小，克服了有损检测的缺点及超声波法信号衰减严重、测量长度短的问题。该设备操作简单，环境适应性强，人机交互性好，测量数据精度高，效果好，数据处理速度快，可以测量10m以上的锚杆，且锚杆长度测量误差小于3％，优于普通的锚杆长度检测设备。实现本专利技术目的的技术方案是：一种基于应力波法的锚杆无损检测方法，具体包括如下步骤：(1)将加速度传感器安装于锚杆自由段的端部；(2)用线缆将加速度传感器与信号调理模块相连接，开启设备电源，在LCD屏幕上进行设置，调节设备至数据待采集状态；(3)利用激振锤敲击锚杆自由段端部，产生应力波；(4)加速度传感器采集应力波信号，并将采集到的应力波信号传递至信号调理模块；(5)信号调理模块将接收到的信号进行信号放大和滤波后，将信号传输给AD转换模块，将经AD转换后的数字信号，送入ARM控制器模块进行数据处理；(6)经过ARM控制器模块处理后的数据在LCD屏幕显示模块中显示出来，完成应力波信号的采集，得到初始应力波形图；(7)点击LCD屏幕上的HHT分析，得到应力波波形的希尔伯特黄变换图。(8)根据希尔伯特黄变换得到的波形进行分析，求得锚杆的长度。(9)最后将(7)中的应力波波形的希尔伯特黄变换图和(8)中的锚杆长度值保存至SD卡存储模块。所述步骤(3)中，激振锤敲击锚杆，采用相同的频率和力度连续敲击4-6次。所述步骤(6)中得到的初始应力波形图，是对多个应力波形图采用归一化叠加法进行处理后得到的。所述的步骤(7)中HHT分析，是将应力波波形进行希尔伯特黄变换(Hilbert-HuangTransform，HHT)分析得到的。所述的步骤(8)中求锚杆的长度，是根据HHT分析得到的波形，得到锚固段反射信号对应时间t1和底端反射信号对应时间t2，根据应力波在裸锚杆中的传播速度υ1＝5130m/s，利用公式l1＝(υ1*t1)/2求得锚杆的自由段长度l1；根据应力波在锚固段的传播速度υ2＝4700m/s，利用公式l2＝(υ2*(t2-t1))/2，求得锚杆的锚固段长度l2，根据公式l＝l1+l2求得锚杆的总长度l。一种基于应力波法的锚杆无损检测设备，包括顺序连接的加速度传感器、信号调理模块、AD转换模块和ARM控制器模块，还包括激振锤、电源模块、LCD显示模块和SD卡存储模块；电源模块分别与信号调理模块、AD转换模块和ARM控制器模块连接，ARM控制器模块还与LCD显示模块和SD卡存储模块连接，加速度传感器安装在锚杆上，激振锤敲击锚杆。所述的加速度传感器安装在锚杆自由段的端部。所述的信号调理模块，进一步包括顺序连接的信号放大电路和信号滤波电路，加速度传感器与信号放大电路连接，信号滤波电路与AD转换模块连接，信号滤波电路为四阶巴特沃斯低通滤波器。所述的信号放大电路，包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；第一运算放大器的正输入端分别与第一电阻、第三电容、第四电容的一端连接，负输入端分别与第二电阻一端、第五电容的一端、第四电容的另一端连接；第一电阻的另一端与加速度传感器的正输出端连接；第二电阻的另一端与加速度传感器的负输出端连接；第三电容的另一端、第四电容的另一端接地；第一电容、第二电容的一端接地，另一端接+5V电压；第一运算放大器的1号管脚接+5V电压，2号管脚接-5V电压，3号管脚分别与第三电阻、第四电阻的一端连接，4号和5号管脚接地；第四电阻的另一端接地；第三电阻的另一端与第一运算放大器的信号输出端连接，信号输出端还与信号滤波电路连接；通过对两个外部电阻R3和R4进行增益设置，稳定度远远高于采用单个电阻设置增益的仪表放大器，增益表达式为：所述的信号滤波电路，包括第二运算放大器、第三运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第八电容、第九电容、第十电容和第十一电容；第五电阻的一端与信号放大电路的第一运算放大器的信号输出端连接，另一端分别与第六电阻、第九电容的一端连接；第六电阻的另一端与第二运算放大器的正输入端连接；第二运算放大器的正输入端还与第八电容的一端连接；第八电容的另一端接地；第二运算放大器的负输入端与第二运算放大器的信号输出端连接；第二运算放大器的信号输出端还与第九电容的另一端、第七电阻的一端连接；第二运算放大器的1号管脚接+5V电压，2号管脚接-5V电压；第七电阻的另一端分别与第八电阻、第十一电容的一端连接；第八电阻的另一端分别与第三运算放大器的正输入端连接；第三运算放大器的正输入端还与第十电容的一端连接；第十电容的另一端接地；第三运算放大器的1号管脚接+5V电压，2号管脚接-5V电压；第三运算放大器的信号输出端分别与第十一电容的另一端、第三运算放大器的负输入端、AD转换模块连接。本专利技术提供的一种基于应力波法的锚杆无损检测方法及设备，测量效果好，与取芯法、拉拔实验法和超声波法相比，本专利技术具有以下优点：1.本设备属于无损检测，不对锚杆锚固本身造成破坏；与超声波法无损检测技术相比，本设备避免了超声波信号衰减严重且只能测量3m以内的锚杆的缺点；2.该设备可以测量10m以上的锚杆，且锚杆长度测量误差小于3％，优于普通的锚杆长度检测设备；3.该设备便携性好，适合于在复杂的环境中测量锚杆，有可以早期发现故障、灵敏度高、抗干扰能力强和准确度高等特点；4.人机交互性好，可以键盘输入，设置检测地点、日期、锚杆号及采样频率，拥有波形一键存储及上位机数据分析等功能。附图说明图1为本专利技术锚杆检测模型图；图2为本专利技术检测设备结构框图；图3为信号放大电路图；图4为信号滤波电路图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步阐述，但不是对本专利技术的限定。实施例：一种基于应力波法的锚杆无损检测方法，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于应力波法的锚杆无损检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)将加速度传感器安装于锚杆自由段的端部；(2)用线缆将加速度传感器与信号调理模块相连接，开启设备电源，在LCD屏幕上进行设置，调节设备至数据待采集状态；(3)利用激振锤敲击锚杆自由段端部，产生应力波；(4)加速度传感器采集应力波信号，并将采集到的应力波信号传递至信号调理模块；(5)信号调理模块将接收到的信号进行信号放大和滤波后，将信号传输给AD转换模块，将经AD转换后的数字信号，送入ARM控制器模块进行数据处理；(6)经过ARM控制器模块处理后的数据在LCD屏幕显示模块中显示出来，完成应力波信号的采集，得到初始应力波形图；(7)点击LCD屏幕上的HHT分析，得到应力波波形的希尔伯特黄变换图。(8)根据希尔伯特黄变换得到的波形进行分析，求得锚杆的长度。(9)最后将(7)中的应力波波形的希尔伯特黄变换图和(8)中的锚杆长度值保存至SD卡存储模块。

【技术特征摘要】
1.一种基于应力波法的锚杆无损检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)将加速度传感器安装于锚杆自由段的端部；(2)用线缆将加速度传感器与信号调理模块相连接，开启设备电源，在LCD屏幕上进行设置，调节设备至数据待采集状态；(3)利用激振锤敲击锚杆自由段端部，产生应力波；(4)加速度传感器采集应力波信号，并将采集到的应力波信号传递至信号调理模块；(5)信号调理模块将接收到的信号进行信号放大和滤波后，将信号传输给AD转换模块，将经AD转换后的数字信号，送入ARM控制器模块进行数据处理；(6)经过ARM控制器模块处理后的数据在LCD屏幕显示模块中显示出来，完成应力波信号的采集，得到初始应力波形图；(7)点击LCD屏幕上的HHT分析，得到应力波波形的希尔伯特黄变换图。(8)根据希尔伯特黄变换得到的波形进行分析，求得锚杆的长度。(9)最后将(7)中的应力波波形的希尔伯特黄变换图和(8)中的锚杆长度值保存至SD卡存储模块。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，激振锤敲击锚杆，采用相同的频率和力度连续敲击4-6次。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中得到的初始应力波形图，是对多个应力波形图采用归一化叠加法进行处理后得到的。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(7)中HHT分析，是将应力波波形进行希尔伯特黄变换(Hilbert-HuangTransform，HHT)分析得到的。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤(8)中求锚杆的长度，是根据HHT分析得到的波形，得到锚固段反射信号对应时间t1和底端反射信号对应时间t2，根据应力波在裸锚杆中的传播速度υ1＝5130m/s，利用公式l1＝(υ1*t1)/2求得锚杆的自由段长度l1；根据应力波在锚固段的传播速度υ2＝4700m/s，利用公式l2＝(υ2*(t2-t1))/2，求得锚杆的锚固段长度l2，根据公式l＝l1+l2求得锚杆的总长度l。6.一种基于应力波法的锚杆无损检测设备，其特征在于，包括顺序连接的加速度传感器、信号调理模块、AD转换模块和ARM控制器模块，还包括激振锤、电源模块、LCD显示模块和SD卡存储模块；电源模块分别与信号调理模块、AD转换模块和ARM控制器模块连接，ARM控制器模块还与LCD显示模块和SD卡存储模块连接，加速度传感器安装在锚杆上，激振锤敲击锚杆。7.根据权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张法全，冯帅，王国富，叶金才，王小红，张海如，尚小梅，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45