一种超声导波锚杆质量无损检测仪的制作方法

本发明涉及一种超声导波锚杆质量无损检测仪，属于无损检测领域。

背景技术：

锚杆锚固技术作为支护系统的一个重要组成部分，被广泛地应用于煤矿巷道以及边坡围岩的加固与支护中。在工程应用上，锚杆的锚固质量的好坏直接关系着工程项目的安全，引起锚杆失效的原因有很多，如：锚固剂与杆体和围岩粘结不牢，锚杆所处的环境恶劣造成介质老化，受到机械或者外力冲击造成断裂等等，锚杆一旦失效，会对岩土结构的稳定性产生巨大威胁，甚至造成灾难性的后果。

锚杆锚固技术已广泛应用于各类岩土工程中，目前国内外的锚杆锚固质量检测主要有液压千斤顶拉拔试验法、扭矩扳手法、内置测力传感器法和钻孔取芯法等，由于这些传统的检测方法普遍存在成本高、检测范围有限、精度较差等问题，且部分方法属于有损检测，因此本设计把锚杆锚固的研究工作放在了无损检测领域，并且选用无损检测领域应用范围最广的超声导波无损检测方法，保障了岩土工程项目的安全，对锚杆锚固质量检测领域具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决现有锚杆锚固质量检测中存在的成本高、检测范围有限、精度较差的问题，提出一种超声导波锚杆质量无损检测仪。该仪器采用高低频超声导波对锚杆锚固质量进行综合检测，能够在工程现场检测出锚杆的长度、有效锚固长度以及锚固力、内部缺陷位置等信息，并对锚杆锚固质量进行综合评价。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

超声导波锚杆质量无损检测仪包括：电源供电模块、主处理器fpga控制模块、超声导波激励信号发生模块、功率放大模块、压电换能器模块、信号调理模块、数据采集模块、从处理器stm32控制模块和人机交互模块。

其中，电源供电模块为整个系统各子模块电路提供电压，以保障各个模块正常工作。电源模块与主处理器fpga控制模块、超声导波激励信号发生模块、功率放大模块、压电换能器模块、信号调理模块、数据采集模块、从处理器stm32控制模块和人机交互模块相连。

主处理器fpga控制模块包含基本的fpga电路组成结构，包括fpga芯片、下载电路、复位电路和时钟电路，能够保证fpga最小系统正常工作。fpga因为运算处理速度快、灵活性高等优点使得其在信号处理方面有着优异的表现。

超声导波激励信号发生模块通过verilog编程语言结合dds技术实现信号发生功能，发射出频率和幅值可调的汉宁窗调制的正弦波信号，即在主处理器fpga控制模块的控制下发射出超声导波信号a，为整个锚杆锚固质量无损检测仪提供输入信号。

功率放大模块将超声导波激励信号发生模块发射的超声导波信号a进行功率放大，然后传递给压电换能器模块；放大后的超声导波信号b能量更加集中，能够在锚杆中传播更远的距离，更加完整的反馈锚杆内的信息。

压电换能器模块作为无损检测仪和待测锚杆试件的连接部分，具有可随时更换的优点，起到了重要的信号承载及传递作用；压电换能器模块将功率放大模块传递的信号b输出给待测锚杆试件，再将经待测锚杆试件反射后的信号c传递给信号调理模块。

信号调理模块的功能是对压电换能器模块接收的信号c进行隔离限幅和滤波去噪处理，使信号调理模块输出的信号d的电压幅值在可控范围内，满足后续电路正常工作的要求；信号调理模块包括程控放大电路、隔离限幅电路和滤波电路；压电换能器模块接收的信号c依次经过程控放大电路、隔离限幅电路和滤波电路后输出的信号d被数据采集模块采集。

数据采集模块对采集到的信号d进行模数转换，将信号d包含的模拟量信息转换为数字量信息传回主处理器fpga控制模块，并存储在fpga的fifo中，以便后续电路进行波形显示。

从处理器stm32控制模块用于接收主处理器fpga控制模块的数字量信息，并控制人机接口电路进行波形显示。从处理器stm32控制模块包括stm32芯片、复位电路、晶振电路、时钟电路和程序下载电路；主处理器fpga控制模块输出的数字量信息经过从处理器stm32控制模块传递到人机交互模块；其中，主处理器fpga控制模块与从处理器stm32控制模块之间选择fsmc总线方式进行通信。

人机交互模块一方面将按键控制信息通过从处理器stm32控制模块传递到主处理器fpga控制模块来调节超声导波信号a的频率和幅值，另一方面对从处理器stm32控制模块接收到的主处理器fpga控制模块的数字量信息进行显示。人机交互模块包括：按键控制模块、rs232通信模块、液晶显示模块和flash存储模块；按键控制模块用于调节超声导波激励信号发生模块的信号输出频率和幅值，从而输出不同的高低频超声导波信号a；rs232通信模块能够和pc连接，将主处理器fpga控制模块传递的数字量信息传到pc端；液晶显示模块包括一块tft触摸显示屏，将锚杆锚固长度计算、缺陷位置定位算法写入液晶显示模块的程序中，并通过触摸屏和图形化的方式将锚杆反射波形信息和测量结果直观的呈现在使用者面前；flash存储模块用于存储反射波形和数据，方便后续对历史测量记录进行查看等操作。通过人机交互模块的设计，大大提高了产品的易用性，方便使用者高效的进行锚杆锚固质量的测量。

超声导波锚杆质量无损检测仪的工作过程如下：

步骤一，启动检测仪并打开检测仪上的电源开关，通过电源供电模块为检测仪供电；

步骤二，对检测仪参数进行设定。根据实际待测试件的情况，通过人机交互模块对待测试件的材料参数进行选择。

步骤三，进行超声导波锚杆质量无损检测测试。当选用低频超声导波对锚杆试件进行测试时，将低频压电换能器探头通过传感器夹具固定在锚杆顶端，通过按键控制模块控制并选择超声导波激励信号的参数，激励信号参数设置好以后，在主处理器fpga控制模块的fpga芯片的控制下，超声导波激励信号发生模块发出低频的汉宁窗调制的正弦信号，即信号a；信号a经过功率放大模块后输出低频超声导波信号b传到压电换能器模块，低频超声导波信号b在锚杆中进行往复传播，之后激发波和反射回波同时通过压电换能器模块的另一端输出为信号c，信号c经过信号调理模块的处理后输出为信号d，信号d通过数据采集模块进行模数转换，将输出的数字量信息存储到fpga内部的fifo中。

当选用高频超声导波对锚杆试件进行测试时，将高频压电换能器探头通过传感器夹具固定在锚杆顶端，通过按键控制模块控制并选择超声导波激励信号的参数，激励信号参数设置好以后，在主处理器fpga控制模块的fpga芯片的控制下，超声导波激励信号发生模块发出高频的汉宁窗调制的正弦信号，即信号a；信号a经过功率放大模块后输出高频超声导波信号b传到压电换能器模块，高频超声导波信号b在锚杆中进行往复传播，之后激发波和反射回波同时通过压电换能器模块的另一端输出为信号c，信号c经过信号调理模块的处理后输出为信号d，信号d通过数据采集模块进行模数转换，将输出的数字量信息存储到fpga内部的fifo中。

步骤四，记录不同锚杆试件的测量结果。通过主处理器fpga控制模块与从处理器stm32控制模块的通信，从处理器stm32控制模块对信号d的数字量信息进行处理，通过内部算法计算锚杆长度、有效锚固长度、锚固力，并对锚固段内部的缺陷进行定位，最终将数据处理的结果通过液晶显示模块进行显示，将包括的反射回波信息和锚杆锚固结构信息直观的呈现在使用者面前。

有益效果

1、本发明的成本较低，元器件的购置成本可以控制在千元以下；检测范围广，检测频率覆盖了锚杆信号检测的高频段和低频段，检测误差不超过3％。

2、本发明选用触摸屏的交互式设计方法，触摸灵敏度高，反应迅速，大大提高了检测效率。

3、本装置适用范围广，可以对各种环境下的锚杆锚固结构进行无损检测。传统的通过小锤敲击震动产生应力波的测量方法，会因为敲击力的不同造成测量偏差，本装置选用自主发生超声导波的方法，可根据实际测量需要生成不同频率的超声导波信号，对测量结果评定更加全面。

4、本检测仪可根据实际工作环境的需要设计成便于携带的一体化测量装置，也可设计成车载式或固定式的仪器，以满足不同的实际工程应用需求。

5、该仪器利用超声导波对锚杆锚固质量进行无损检测，应用在地下隧道、边坡围岩、煤矿巷道等各类岩土工程中，可以检测出锚杆的长度，有效锚固长度，锚固段缺陷位置，锚固力，并对锚杆锚固质量进行综合评价。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为本发明所要检测的锚杆锚固结构示意图；

图3为超声导波激励信号波形图；

图4为锚杆低频导波测试波形图；

图5为锚杆高频导波测试波形图；

图6为锚杆锚固质量的综合评价结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的实施方式做进一步详细说明。

实施例1：

本发明设计的超声导波锚杆质量无损检测仪组成结构框图如图1所示，检测仪整体选用便携式的外壳进行封装设计，主要结构包括电源供电模块、主处理器fpga控制模块、超声导波激励信号发生模块、功率放大模块、压电换能器模块、信号调理模块、数据采集模块、从处理器stm32控制模块和人机交互模块。

其中，电源模块与主处理器fpga控制模块、超声导波激励信号发生模块、功率放大模块、压电换能器模块、信号调理模块、数据采集模块、从处理器stm32控制模块和人机交互模块。

主处理器fpga控制模块与超声导波激励信号发生模块、数据采集模块、从处理器stm32控制模块和电源供电模块相连。

超声导波激励信号发生模块与主处理器fpga控制模块、功率放大模块和电源供电模块相连。

功率放大模块与超声导波激励信号发生模块、压电换能器模块和电源供电模块连接。

压电换能器模块与功率放大器模块、信号调理模块、电源供电模块和待测锚杆试件相连。

信号调理模块与压电换能器模块、数据采集模块和电源供电模块连接。

数据采集模块与信号调理模块、主处理器fpga控制模块和电源供电模块连接。

从处理器stm32控制模块与主处理器fpga控制模块、人机交互模块和电源供电模块连接。

人机交互模块与主处理器fpga控制模块、从处理器stm32控制模块和电源供电模块连接。

本实施例中待测的锚杆锚固结构信息为：锚杆长度l为1m，锚固长度l1为0.5m，缺陷位置到锚杆顶端距离l2为0.7m，锚杆直径20mm。其中，锚杆弹性模量为210gpa，密度为7800kg/m³，锚固介质为树脂，弹性模量为20gpa，密度为2200kg/m³。其结构示意图如图2所示。

工作过程：

步骤一，启动检测仪并打开检测仪上的电源开关，通过电源供电模块为检测仪供电；

步骤二，对检测仪参数进行设定。根据实际待测试件的情况，通过人机交互模块对待测试件的材料参数进行选择。

步骤三，进行超声导波锚杆质量无损检测测试。当选用低频超声导波对锚杆试件进行测试时，将低频压电换能器探头通过传感器夹具固定在锚杆顶端，压电换能器选用physicalacoustics公司生产的接触式超声纵波直探头ut1000sn572，其工作频率为100-1000khz，通过按键控制模块控制并选择超声导波激励信号的参数，激励信号参数设置好以后，在主处理器fpga控制模块的fpga芯片的控制下，超声导波激励信号发生模块发出低频的汉宁窗调制的正弦信号，即信号a，信号a的波形图如图3所示；信号a经过功率放大模块后输出的低频超声导波信号b传到压电换能器模块，低频超声导波信号b在锚杆中进行往复传播，之后激发波和反射回波同时通过压电换能器模块的另一端输出为信号c，信号c经过信号调理模块的处理后输出为信号d，信号d通过数据采集模块进行模数转换，将输出的数字量信息存储到fpga内部的fifo中。

当选用高频超声导波对锚杆试件进行测试时，将高频压电换能器探头通过传感器夹具固定在锚杆顶端，压电换能器选用美国olympus公司生产的接触式超声纵波直探头a103s-rm，其中心频率为1mhz，通过按键控制模块控制并选择超声导波激励信号的参数，激励信号参数设置好以后，在主处理器fpga控制模块的fpga芯片的控制下，超声导波激励信号发生模块发出高频的汉宁窗调制的正弦信号，即信号a，信号a的波形图如图3所示；信号a经过功率放大模块后输出的高频超声导波信号b传到压电换能器模块，高频超声导波信号b在锚杆中进行往复传播，之后激发波和反射回波同时通过压电换能器模块的另一端输出为信号c，信号c经过信号调理模块的处理后输出为信号d，信号d通过数据采集模块进行模数转换，将输出的数字量信息存储到fpga内部的fifo中。

步骤四，记录不同锚杆试件的测量结果。通过主处理器fpga控制模块与从处理器stm32控制模块的通信，从处理器stm32控制模块对信号d的数字量信息进行处理，通过内部算法计算锚杆长度、锚固长度、锚固力，并对锚固段内部的缺陷进行定位，最终将数据处理的结果通过液晶显示模块进行显示，将包括的反射回波信息和锚杆锚固结构信息直观的呈现在使用者面前，低频导波测试的波形图如图4所示，高频导波测试的波形图如图5所示。

最后，对检测结果进行分析处理。分别采用锚杆锚固系统中衡量锚固质量的四个因素：有效锚固长度、基频、频率比、锚固力，来对锚杆锚固质量进行综合评价。判断标准为：

(1)有效锚固长度越长，锚固质量越好。首先选用高频超声导波测出激发波到锚杆底端第一次反射回波的时间间隔，同时可以得到激发波到锚固段缺陷位置的时间间隔，再结合该频率下超声导波的能量速度计算求解锚杆长度和缺陷位置。然后，选用低频超声导波测出激发波到锚固段上界面第一次反射回波的时间间隔，再结合该频率下的超声导波的能量速度得到自由段锚杆的长度。最后，用锚杆的长度减去自由段锚杆的长度便可求出锚杆的有效锚固长度。

本实施方式中，测出锚杆的长度l为1.04m，有效锚固长度l1为0.51m，缺陷到锚杆顶端的距离l2为0.74m，测量的锚杆长度、锚固长度及缺陷误差分别为3.7％、2.4％和5.14％。

(2)在锚固参数相同的情况下，自由段长度越短，有效锚固长度越长，基频越高，锚固质量越好。反之，则锚固质量越差。

本实施方式中，根据测试结果，得到锚杆回波信号的基频为776.59hz。

(3)频率比：将频率进行无量纲化，即用锚杆振动的各谐振频率之差与基频的比来评价锚杆的锚固质量。锚固质量劣的锚杆，其频率比为1；锚固质量优的锚杆，其频率比接近于2。锚固质量中等的锚杆，其频率比介于1与2之间。

本实施方式中，根据测试结果，得到频率比为1.58。

(4)锚固力：锚杆锚固力计算公式为：

p＝πdlτ

其中，p为锚固力，d为杆体直径，l为有效锚固长度，τ为粘结强度。

本实施方式中，计算锚杆的锚固力为10吨。

根据高频与低频导波的测试结果，计算锚杆的有效锚固长度、基频、频率比、锚固力，给出此锚杆的锚固质量评级为优。

将锚杆锚固质量检测结果通过人机交互模块显示给使用者。本实施方式的锚杆锚固质量的综合评价结果如图6所示。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。