采用余弦线性扫描信号进行锚杆无损检测的装置及方法与流程

本发明涉及锚杆无损检测的装置及方法，属于工程检测领域。

背景技术：

锚杆无损检测是边坡和洞室工程施工中广泛使用的一种检测方法，主要是通过在杆头采用声波进行击发和接收，根据声波在杆底和杆中间产生的反射情况来检测锚杆长度和注浆密实度。该方法是声波一维反射法，由于声波在杆体内会产生复杂的转化和容易受周围环境的噪声干扰，检测工作中存在干扰大、反射波信号弱、检测精度低的缺点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种采用余弦线性扫描信号进行锚杆无损检测的装置及方法，具有抗干扰能力强、不会产生误判、检测准确率高等优点。

本发明的技术方案如下：

一种采用余弦线性扫描信号进行锚杆无损检测的方法，包括如下步骤：

①通过程序编码生成一个具有一定时间长度、起始频率和终止频率的余弦信号，经发射换能器产生余弦振动信号，将该振动信号作为发射信号输出到锚杆体内，同时接收来自杆体内部的反射信号；

②对接收的反射信号进行解码，解码采用傅立叶分析方法，解码核函数、角频率、起始与终止频率与发射信号相同；

③提取杆底和杆身的反射信号，评判检测锚杆。

本发明通过程序编码生成一个具有一定时间长度、起始频率和终止频率的余弦信号(由于余弦信号具有初始位移大、容易识别、精度高的特点，所以锚杆检测选用余弦信号，而不选用正弦信号)，将其寄生在存贮器中，使用时，通过计算机指令将其发送到信号模块上，经放大后加到发射换能器(即下文中提到的无损检测装置)上产生余弦振动信号，进入被检测锚杆体内，余弦信号在锚杆体内传播时，遇到砂浆空腔、不密实、锚杆底端等声波反射层时，会被反射回来，重新被锚杆头部的接收传感器接收和记录。传感器接收到的信号不仅是反射余弦信号，还包括从杆头发射的余弦波、侧面波、干扰波及其它的一些声波，为了只提取反射波，就必须对接收到的信号进行解码，也就是只保留与发射的余弦信号一样的反射余弦信号。解码采用傅立叶分析方法，解码核函数、角频率、起始与终止频率与发射信号相同，经过解码，只保留了余弦反射信号，其它信号全被滤除。

所述步骤③中，利用L_i＝V_GT×T_i计算所有反射点长度，最远的反射点为杆底，之前的反射点为缺陷，且成前后相关，分别计算缺陷长度，最后用计算长度合格百分比η_L，用计算注浆饱和度百分比η_B，其中L_i为反射点距杆外露端点的长度，V_GT为杆体波速度，T_i为各反射点时间，L_J为锚杆实测长度，L_s为锚杆设计长度，为空腔累计长度。

得出上述η_L和η_B后，参照说明书附图6的表格进行锚杆质量评判。

一种用上述无损检测方法的无损检测装置，包括依次相连的电源模块、声波信号发射和接收模块以及信号发射与接收探头；所述检测探头包括一端为锚杆头套筒的不锈钢外壳，锚杆头套筒上设置有夹紧螺丝，不锈钢外壳内封装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒外侧为激励线圈，超磁致伸缩棒与锚杆头套筒之间有隔振体，隔振体内为压电晶体，压电晶体与锚杆头套筒之间设置有金属垫。

所述电源模块包括依次连接的充电模块、蓄电池和升压整流模块。

所述声波信号发射和接收模块包括：主要由信号发生器、编码器、D/A转换器和时钟控制系统组成的发射模块，以及主要由双通道接收器、A/D转换器、显示与存贮设备组成的接收模块，发射模块、接收模块与信号放大单元连接。

本发明采用余弦线性扫描编码，发射具有密码信息的声波信号，同时接收来自杆体内部的反射声波信号，通过对接收的信号进行解码，还原发射出去的真实检测信号，判断检测锚杆的长度和空腔长度。本发明具有抗干扰能力强、不会产生误判、检测准确率高等优点。

附图说明

图1是本发明信号发射与接收探头的剖面结构示意图；

图2是本发明的无损检测原理图；

图3是本发明无损检测装置的组成示意图；

图4为发射信号编码流程图；

图5为接收解码流程图；

图6为锚杆质量评价标准表格。

具体实施方式

如图3所示，无损检测装置包括依次相连的电源模块、声波信号发射和接收模块以及信号发射与接收探头。电源模块由充电模块、蓄电池、升压整流模块3部分组成；发射模块包括信号发生器、编码器、D/A转换器、信号放大器和时钟控制器5部分；接收模块包括2通道接收、A/D转换器、显示与存贮；

如图1所示，检测探头包括一端为锚杆头套筒2的不锈钢外壳1，锚杆头套筒2上设置有夹紧螺丝8，不锈钢外壳1内封装有超磁致伸缩棒3，超磁致伸缩棒3外侧为激励线圈4，超磁致伸缩棒3与锚杆头套筒2之间有隔振体5，隔振体5内为压电晶体6(压电陶瓷接收晶体)，压电晶体6与锚杆头套筒2之间设置有金属垫7。

如图2所示，检测时，将锚杆头套筒2套在锚杆出露端，用夹紧螺丝8上紧。

如图4所示，对发射信号进行编码，当编码电流通过激励线圈4时，超磁致伸缩棒3随着编码信号发射伸缩，产生与编码一致的声波信号，经杆头传入杆体上，当这些信号经过有空腔的位置和到达杆的另一端时，就反射回来，被压电晶体6接收。

检测信号处理与计算：将检测信号文件拷入计算机中，按图5流程进行处理。对检测信号进行解码后，提取杆底和杆身的反射信号，利用L_i＝V_GT×T_i(L_i为反射点距杆外露端点的长度，V_GT为杆体波速度，T_i为各反射点时间)计算所有反射点长度，最远的反射点为杆底，之前的反射点为缺陷，且成前后相关，分别计算缺陷长度，最后用(L_J为锚杆实测长度，L_s为锚杆设计长度)计算长度合格百分比η_L，用(L_J为锚杆实测长度，为空腔累计长度)计算注浆饱和度百分比η_B。

得出上述η_L和η_B后，参照说明书附图6的表格进行锚杆质量评判。

以下采用一个具体实施例来说明本发明的流程及设备：

某边坡采用1m×1m混凝土栅格支护，栅格交叉点采用Φ26、长度5m～10m的螺纹钢锚杆支护，现需要检测锚杆长度、注浆密实度，评价锚杆锚固效果。检测仪器与技术：

(1)锚杆无损检测仪

锚杆无损检测仪的发射和接收信号为声波余弦线性扫描信号，其主要性能指标为：通道数1道，通频带100～20000Hz。主机声波信号发生器为高精度、高分辨率晶体频率振荡发生器，16位A/D转换，动态范围144dB的信号放大器，时钟控制器为高精度石英晶振型时钟控制芯片。主机存贮采用1G电子硬盘，显示屏为14英寸液晶屏。

余弦谐波发射长度为0.5个周期、时长100μs，扫描初始频率2000Hz，终止频率为10000Hz，信号编码采用余弦泰勒级数展开技术，接收信号的解码采用傅立叶变换。

(2)检测探头为集超磁发射和压电接收为一体的声波探头，工作时，超磁体在主机发射控制下产生余弦声波信号，信号传播到锚杆内，遇到不保满的缺陷或杆底时，会产生回波，回波沿杆体反射回来被压电体所接收。发射和接收振幅误差小于5％，相位差小于0.1μs。检测探头结构如图1，不锈钢外壳1为探头金属外壳，锚杆头套筒2带有镶嵌槽，超磁致伸缩棒3为稀土轴向取向多晶超磁致伸缩材料，其外侧为激励线圈4，隔振体5为硅胶隔振充填体，其内部为接收压电晶体6，压电晶体6为厚度2mm、直径8mm，中频率范围100～30000Hz的压电体，压电晶体6的一侧为声传导金属垫7。

检测过程：

(1)仪器现场处理

现场检测前先除去锚杆上的挂网、浮浆，使用工具将埋藏在混凝土上的杆头凿出，使杆头外露不少于5cm。

(2)仪器连接与安装

仪器、探头和锚杆的连接如图2和图3，先用黄油等粘合剂将探头的镶嵌孔充满，然后将探头镶嵌在杆头上，用螺丝上紧，杆头与探头间不应为空腔，以保证声波振荡传播。

(3)现场检测

安装好仪器后，设置检测工程、项目、锚杆编号等工程特性参数，设置检测日期、仪器、检测人员等责任参数，设置记录长度、扫描时间间隔、检测信号扫描长度、扫描起始和终止频率、信号增益等仪器工作参数。

每一个锚杆进行3次检测，3次检测的波形相似。

检测信号解码和资料分析：

(1)解码：

将检测的信号传到计算机上，利用声波余弦扫描解码软件进行解码，显示接收到的回波信号，每个锚杆检测的3个信号的解码信号相同。

(2)解释：

解码后的信号无回波，说明锚杆体长度超过扫描信号接收时间范围，或发射信号能量弱；一个或多个回波，利用综合杆体速度和回波时间计算异常位置，最远的为杆低反射，长度为杆长，其它的为缺陷和缺陷位置。