专利名称：一种大范围全感应式锚杆探测仪的制作方法
技术领域：
本发明属于无损电磁检测技术领域，涉及一种大范围全感应式锚杆探测仪。
背景技术：
金属探测仪作为一种无损检测手段已经广泛应用于各个探测技术领域。尤其是在水利水电工程、城市建设、公路铁路建设等工程中大量采用锚杆支护技术以增强岩石和土壤的支护能力，当此类工程为新建工程旧址时，岩石或土壤中存在的锚索等金属很容易造成隧道盾构机、挖掘机等施工器械刀口等部件的损伤，延误工期，增加工程成本，甚至造成工程安全隐患，因此有必要在施工前期对潜埋在岩土体中的锚杆等金属物质进行预探测， 以便及时发现并予以避开或排除。现有锚杆探测仪主要分为利用超声波原理与电磁感应原理两种。其中基于超声波原理的金属探测仪多运用于工业生产中的金属损伤等方面，检测波形杂乱，难以识别，同时重复性、精度低，探测距离及深度短，抗干扰能力弱，工程局限性较高，无法满足实际工程探测需要。现有基于电磁感应的金属探测器虽然可以得到比较高的探测精度，但仍存在探测成本高、电路复杂、稳定性差等缺点。此外，目前现有的金属探测仪均存在功能单一的缺陷， 只能运于某种特定的工程施工中，适应性弱。因此，研制发明一种能够满足隧道、边坡等不同施工类型、不同施工规模锚杆探测精度、探测范围要求的工程适应性锚杆探测仪，具有充分的现实必要性与广阔的市场前
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发明内容
本发明针对现有探测技术的不足，提供一种低成本，频率、精度、探测范围均可控的锚杆探测仪。为达到本发明的目的，采用的技术方案如下大范围全感应式锚杆探测仪，包括A适应性探测信号发生模块、M探测精度控制模块、G信号接收电路、E报警电路与F可调式探测支撑系统。各部分的具体组成与功能为I.探测仪的信号频率及探测精度由⑴信号综合控制模块控制，分为M探测精度控制子模块和A适应性信号发生子模块两部分。其中，M探测精度控制子模块由B功率放大模块与Cl线圈控制模块构成。B功率放大模块通过01前置放大器与02集成功率放大器， 调节信号可调发射器产生的交变电流信号的强度，将信号放大500倍以上。C2发射线圈组为一组缠绕在可绕轴心转动的空心转轮上的绕组线圈，Cl线圈控制模块通过转动绕组线圈改变线圈的长度来控制发射线圈的匝数。转轮上有刻槽，以保证转轮转动时线圈的紧密度。因此通过转动转轮调整绕组线圈的有效匝数改变探测仪的探测灵敏度，并由人机对话界面提示是否已达精到要求。2.通过(I)信号综合控制模块中的A适应性信号发生子模块控制发射信号频率。 此模块由高性能单片机与高速数/模转换芯片组成，可提供人机对话操作界面，根据工程实际情况，人为输入隧道围岩、边坡等岩土体性质及其他环境介质参数，由发射模块自动生成适应性振荡电路信号，经由C2发射线圈组向外部发射，建立电磁场。同时由D信号自检系统进行自检，检测发射信号精度、功率是否已达要求，并同时在人机对话操作界面体现。3. (3)信号处理模块由G接收电路与E报警电路构成。G接收电路为以谐振电容为核心的接收绕组线圈，拾取所返回的衰减振荡信号，经由F开关型调制有效值低通滤波综合电路进行过滤，并传至接收电路，由H增益放大模块放大传至I波形解析模块，最终由 J电流电压转换电路处理，得到较易识别的电压信号，并利用M单片机进行信号强度、频率及有效值电平等参数的分析。根据电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场，称为原生磁场。原生磁场能在锚杆位置物体内部能感生涡电流，涡电流又会产生磁场，为次生磁场，反过来影响原来的涡流磁场，使原振荡电路振荡幅度降低，是属于与金属物体有关的涡流损耗、介质损耗及磁滞损耗等，反映在电磁场的线圈中相当于线圈的等效电阻增大、电流减小，引发探测器发出锚杆位置、分布情况等信号。最终根据分析结果利用M单片机对电压值进行K数模/AD转换并模拟岩土体中锚杆等金属的长度及分布情况， 以数字化图像的形式在探测结果界面呈现。(4)人机交互及探测报警模块为一并联有声响与警示灯警报器的E报警电路，与 G接收电路相连。当E报警电路检测到G接收电路的电压信号后，会通过El声响及E2警示灯控制电路进行报警，报警方式为间歇、短促、尖锐的声音信号与持续明亮的红灯警示信号，其声音信号间歇时间与探测仪探测的金属距离成正比，即当探测仪距离锚杆等金属越近，报警声响间隔时间越短，越急促。4.整个探测仪由组装式可伸缩机械臂可调式F支撑系统支撑，根据工程规模、探测范围进行调整，可实现对不同位置锚杆等金属全方位的探测，有效工作半径为Ι-lOm，适用于各种土木工程等施工过程中的金属探测。本发明具有以下优点I.探测精度高、深度大。所述的探测仪可根据工程需求调整探测精度，能够很大程度降低深度对探测精度的衰减作用，探测深度大，同时自身具有精度自检系统，误差能满足工程要求。2.工程适应性强。所述的探测仪具有较强的工程适应性，主要表现在(I)其探测精度可根据工程需求认为设定；(2)整个探测系统由装卸式可伸缩机械臂支撑，通过伸缩与360°转动探头实现对不同范围、不同位置锚杆等金属全方位的探测，适用于隧道、高边坡等各类土木工程的施工；(3)实现了能源自给，在扩大探测仪的作业范围同时也节省了能源。3.操作简单，界面友好。所述的探测仪除机械臂的装卸外，全部过程皆由人机对话系统控制，施工人员工作强度小；所有信号处理均由单片机进行后台分析并直接显示探测结果，故操作过程简单且界面较为友好，对施工人员技术水平要求低，只需进行基础培训即可熟练操作。4.探测成本低。所述的探测仪生产成本、工作成本均较低，同时可在各类型的土木工程中循环适用，进一步降低其综合成本。
图I本发明的大范围全感应式锚杆探测仪工作流程原理图。图2本发明的大范围全感应式锚杆探测仪中线圈控制电路转轮，其中I为带有刻槽的转轴，II为电动机，III为线圈。图3本发明的大范围全感应式锚杆探测仪中人机对话显示窗口界面。图4本发明的大范围全感应式锚杆探测仪装卸式可伸缩机械臂，其中，IV为探测信号发射与接收装置，V-I与V-2为伸缩装置，VI-I与VI-2为装卸节点，VII为支撑骨架， VIII-2为底座，IX为旋转轴承，V-3为探测仪蓄电池，XII-2为摩擦发电装置，XII-I为发电蓄电池，VIII-I为滚轮，VIII-I为扶手，NI为液晶显示器与单片机组装模块，N2为键盘。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细说明。如图I所示，本发明主要分为5个核心部分(I)信号综合控制模块:A适应性信号发生模块、B功率放大模块、Cl线圈控制模块、C2发射线圈组与D信号自检系统；(2)信号接收模块=P接收线圈组、F开关型调制有效值低通滤波综合电路、G接收电路；(3)信号处理模块H增益放大模块、I波形解析模块、J电流/压转换电路、K数/模转换电路与M单片机处理系统；(4)人机交互及探测报警模块N1液晶显示器、N2键盘、E报警电路(El声响电路、E2警示电路)；(5)支撑模块F支撑系统。根据工程实际情况，由(4)人机交互及探测报警模块输入工程类型、围岩分类、岩土体物理参数等信息，随之A适应性信号发生模块中单片机自带程序计算精度并产生相应振荡电路信号。通过B功率放大模块将此信号进行倍率放大，传至C2发射线圈组，并利用 Cl线圈控制模块通过改变线圈有效匝数使得探测仪取得最佳精确度，再利用D信号自检系统中的逻辑电路进行自检，并在人机对话界面显示自检结果，直到精度达到要求即可进行岩土体中锚杆等金属的探测工作。当岩土体中锚杆等金属材料进人由C2发射线圈组产生的磁场区时，使锚杆位置内产生涡流。探测仪的P接收线圈组可以马上检测到此信号，经由F开关型调制有效值低通滤波综合电路将干扰信号过滤后传至G接收电路通过H增益放大模块将其放大到可分析的强度。随后利用I波形解析模块、J电流/压转换电路、K数/模转换电路对其进行处理交由M单片机处理系统分析判读锚杆等金属的存在位置、大小及分布情况，最终将接收信号处理以数字化图像的形式通过(4)人机交互及探测报警模块进行反馈。如图2所示本发明利用特定功率、可双向转动的II电动机带动I转轴从而构成Cl 线圈控制模块。在电动机转动的过程中增加/减少线圈的有效匝数，同时在I转轴上预先刻有螺纹以保证在转轴转动的过程中，线圈具有较高的紧密度。电动机所需转动的圈数由单片机计算所得，可利用转轴直径、预制螺纹的间距及线圈直径经行精确控制。如图3所示本发明界面友好，操作简单。可先在人机对话界面直接输入相应工程信息，点击“确认”键及进入单片机计算阶段。通过计算由单片机智能控制(I)信号综合控制模块产生适用于探测的信号。如图4所示本发明利用机械臂作为支撑系统可根据工程规模进行适应性调整。主要分为3部分底座VIII、VII支撑骨架与V伸缩装置。同时VI-I与VI-2为装卸节点，由特定型号的螺钉与螺母组成，可将机械臂拆成便携式手持伸缩支撑，适用于作业空间有限、探测规模较小的土木工程。同时IV探测信号发射与接收装置通过IX旋转轴承可实现360° 绕轴转动，并用光缆同NI液晶显示器与单片机组装模块连接。同时3个VIII-I滚轮中均装有与滚轮共轴的ΧΠ-2摩擦发电装置，在探测过程中XII-2摩擦发电装置通过与VIII-I滚轮内壁摩擦发电，并可将电储存在XII-I为发电蓄电池中，作为整个探测装置的备用电源。
权利要求
1.大范围全感应式锚杆探测仪，包括A适应性探测信号发生模块、Ml探测精度控制模块、G接收电路、E报警电路与F支撑系统。其特征在于本探测仪可根据工程实际需求，产生频率、精度均可控的适应性探测信号；其可调式探测支撑系统可进行旋转与伸缩，同时探头可进行360°旋转，可实现对不同位置锚杆等金属全方位的探测，有效工作直径为I-IOm; 最终通过接收电路对返回信号进行处理，以图像形式反馈金属分布情况，并进行报警；此外，本探测仪可实现能源自给。
2.根据权利要求I所述的大范围全感应式锚杆探测仪，其特征在于通过(I)信号综合控制模块控制探测器信号频率及探测精度。由B功率放大模块与Cl 线圈控制模块构成其Ml探测精度控制子模块，通过B功率放大模块调节信号可调发射器产生的交变电流信号的强度、Cl线圈控制模块通过转动绕组线圈改变线圈的长度来控制发射线圈的匝数，使得发射电路取得最高灵敏度，即精度最高，并由人机对话界面提示是否已达精到要求。
3.根据权利要求I和2所述的大范围全感应式锚杆探测仪，其特征在于通过(I)信号综合控制模块中的A适应性信号发生子模块控制发射信号频率，此模块由M高性能单片机与高速数/模转换芯片组成，可提供人机对话操作界面，根据工程实际情况，人为输入隧道围岩、边坡等岩土体性质及其他环境介质参数，由A适应性信号发生模块自动生成适应性振荡波信号。同时由D信号自检系统进行自检，检测发射信号是否已达精度要求，并同时在人机对话操作界面体现。
4.根据权利要求I所述的大范围全感应式锚杆探测仪，其特征在于(3)信号处理模块由G接收电路与E报警电路构成。G接收电路为以谐振电容为核心的接收绕组线圈，拾取所返回的衰减振荡信号，经由F开关型调制有效值低通滤波综合电路进行过滤，并传至接收电路，由H增益放大模块放大传至I波形解析模块，最终由J电流电压转换电路处理，得到较易识别的电压信号，并利用单片机进行信号强度、频率及有效值电平等参数的分析，并根据分析结果以数字化图像的形式模拟岩土体中锚杆的长度及分布情况。G接收电路与E报警电路相连，当报警电路检测到接收电路的电压信号后，会通过声响及警示灯控制电路进行报警，报警方式为间歇、短促、尖锐的声音信号与持续明亮的红灯警示信号，其声音信号间歇时间与探测仪探测的金属距离成正比。
5.根据权利要求I所述的大范围全感应式锚杆探测仪，其特征在于选用组装式可伸缩机械臂作为金属探测器的F可调式支撑系统，由轻质合金材料制成中空构件，可通过简单旋转与伸缩可实现对不同位置锚杆等金属全方位的探测，有效工作半径为l-10m。
6.根据权利要求I所述的大范围全感应式锚杆探测仪，其特征在于探测仪F可调式支撑系统底座3个滚轮中均装有与滚轮共轴的摩擦发电装置，在探测过程中摩擦发电装置通过与滚轮内壁摩擦发电，并将电储存在发电蓄电池中，作为整个探测装置的备用电源。
全文摘要
本发明涉及一种大范围全感应式锚杆探测仪，属于无损检测领域。本套装置主要包括(1)信号综合控制模块、(2)信号接收模块、(3)信号处理模块、(4)人机交互及探测报警模块与(5)支撑模块F支撑系统5大模块。由(1)信号综合控制模块根据工程特征计算探测信号精度，并智能建立适应性磁场，并由(2)信号接收模块接收、(3)信号处理模块进行后处理，并通过(4)人机交互及探测报警模块以图像形式呈现锚杆等金属的分布情况。整个探测装置由(5)支撑模块支撑，可通过自由伸缩机械臂及360°旋转探头，实现全方位探测。本探测仪可实现智能化探测，精度高、探测距离大，界面友好、操作简单，并且可自主发电，实现能源自给，具有较为广阔的运用前景。
文档编号G01V3/11GK102590872SQ20121003380
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月15日 优先权日2012年2月15日
发明者刘镇, 周翠英, 尤帆帆, 杨旭 申请人:中山大学