專利名稱：一種基于鐵磁體磁致伸縮效應(yīng)的錨桿長度檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵磁性材料無損檢測方法，具體涉及一種基于鐵磁體磁致伸縮 效應(yīng)的錨桿長度檢測方法。
背景技術(shù)：
錨桿錨固技術(shù)由于其安全快速、低成本等特點在鐵路、公路、礦業(yè)工程等 的地下結(jié)構(gòu)工程(隧道、洞室等)和邊坡護理中應(yīng)用廣泛。在使用過程中，錨 桿由于各種原因會出現(xiàn)裂紋、腐蝕等失效現(xiàn)象，造成安全隱患，需要定期對其 健康狀況進行評估。錨桿錨固屬于隱蔽工程，施工過程中管理和監(jiān)督較為困難， 由于錨桿在錨固后嵌入巖層中，監(jiān)督單位無法對其實際長度進行有效的檢測。 錨桿嵌入巖石的長度是錨桿能否發(fā)揮其效用的關(guān)鍵之一，同時受施工質(zhì)量的影 響加上沒有完備檢測手段所造成的事故與經(jīng)濟損失越來越多，因此對錨桿的長 度及質(zhì)量檢測與評價工作至關(guān)重要。
目前國內(nèi)外對錨桿的長度檢測尚停留在用千斤頂拉拔試驗階段，這種方法
既費工又費時，且檢測方法是破損性的，故僅限于抽檢。瑞典的Geodynamik公 司首先提出用超聲波能量損耗的原理來檢測錨桿質(zhì)量，該方法激發(fā)條件苛刻、 衰減快、重復(fù)性差且檢測錨桿長度的精確性較低；90年代,美國礦業(yè)管理局開發(fā) 出能檢測錨桿應(yīng)變和延伸率的超聲波儀器,但它無法評價錨桿的施工質(zhì)量，測錨 桿長度的精確性較低；我國學(xué)者對錨桿檢測的研究大多限于應(yīng)用脈沖應(yīng)力波法， 目前還處于探索階段，測試結(jié)果不甚理想。現(xiàn)有關(guān)于錨桿長度測量的方法、裝 置和專利，在實際應(yīng)用中均存在一定的不足。申請?zhí)?00710099588.0 —種檢測 埋置于不同介質(zhì)中錨桿長度的方法，引入一根與被檢測錨桿直徑、材料、形狀 相同的自由錨桿，通過被測錨桿與自由錨桿頻率掃描信號峰值及回波速度頻率 響應(yīng)的類比，計算錨桿長度。該方法忽視了被檢測錨桿與自由錨桿環(huán)境差別導(dǎo) 致的頻響特性變化，檢測誤差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于鐵磁體磁致伸縮效應(yīng)的錨桿長度檢測方 法，該方法能夠快速準確的測量錨桿長度。
本發(fā)明的原理是鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)及其逆效應(yīng)。鐵磁體(如金屬 ^、 &、鐵氧體等)由于磁化狀態(tài)的改變，將產(chǎn)生交變機械變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。磁致伸縮的激發(fā)原理相當復(fù)雜，從自由能極小的觀點看，磁 性材料的磁化狀態(tài)變化時，為使系統(tǒng)的總能量最小，其自身的形狀和體積發(fā)生 改變。對鐵磁性材料施加適當?shù)慕蛔兇艌?，利用磁致伸縮效應(yīng)可以產(chǎn)生超聲波。 超聲波在介質(zhì)中不連續(xù)的交界面上產(chǎn)生多次往復(fù)反射，進而產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和 幾何彌散而形成超聲導(dǎo)波；相反的，機械變形會使磁場發(fā)生變化，使在磁場中 的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象叫做磁致伸縮逆效應(yīng)。利用鐵磁性材料這種磁-力換能效應(yīng)可以實現(xiàn)錨桿中超聲波的激勵和檢測。錨桿中導(dǎo)波回波信號中包含 有錨桿長度、缺陷等信息，對導(dǎo)波回波信號進行適當?shù)奶幚砗头治?，可以精確 的測量被測錨桿的實際長度。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下
(1) 將磁致伸縮導(dǎo)波傳感器環(huán)繞安裝在被測錨桿自由端，該傳感器根據(jù)現(xiàn)場 工作環(huán)境選用匹配的結(jié)構(gòu)，無需緊密接觸或介質(zhì)耦合；
(2) 在大于磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝位置的錨桿自由端范圍內(nèi)施加靜態(tài)偏置 磁場使其磁化，靜態(tài)偏置磁場由直流線圈或永久磁鐵產(chǎn)生，其磁場方向平行于
錨桿軸線方向；
(3) 向磁致伸縮導(dǎo)波傳感器施加激勵脈沖信號，在錨桿自由端激勵出由磁致 伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的機械振動，設(shè)置激勵脈沖信號、激勵頻率以及靜態(tài)偏置磁場的 大小，在錨桿中激勵出以縱向模態(tài)為主的導(dǎo)波；
(4) 接收單元利用磁致伸縮逆效應(yīng)將被檢測構(gòu)件中的彈性波信號轉(zhuǎn)換為電信 號，該信號中包含有錨桿長度信息，檢測到的電信號通過信號放大、濾波整流、 信號平均、A/D轉(zhuǎn)換處理后進入檢測信號處理單元；
(5) 利用計算式「 = $得到導(dǎo)波在被測錨桿中的傳播群速度F ，其中A為傳
感器中心與錨桿自由端面之間距離，j;為檢測信號錨桿錨固端一次回波信號和錨
桿自由端面二次回波信號之間的時間間隔；
(6) 利用計算式丄-^ + A得到被測錨桿全長L，其中r為檢測信號錨桿錨固
端面一次回波到達時間；
(7) 錨桿長度檢測信號處理軟件能夠進行實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)查看，對(5)、 (6)步驟重復(fù)n次，取被測錨桿長度算數(shù)平均值Z， Z即為被測錨桿實際長度，數(shù)據(jù)分析后直接生成檢測報告。 本發(fā)明具有的有益效果是
利用鐵磁性材料這種磁-力換能效應(yīng)可以實現(xiàn)錨桿中超聲波的激勵和檢測。 錨桿中導(dǎo)波回波信號中包含有錨桿長度、缺陷等信息，對導(dǎo)波回波信號進行適 當?shù)奶幚砗头治?，可以精確的測量被測錨桿的實際長度。


圖l是本發(fā)明的檢測原理圖。
圖2是本發(fā)明待檢測錨桿簡圖。
圖3是本發(fā)明開放式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器。
圖4是本發(fā)明閉合式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器。
圖5是本發(fā)明偏置磁場原理圖。
圖6是本發(fā)明磁致伸縮導(dǎo)波傳感器簡圖。
圖7是本發(fā)明應(yīng)用于錨桿長度檢測的檢測信號。
圖8是本發(fā)明應(yīng)用于錨桿長度檢測激發(fā)導(dǎo)波群速度曲線。
圖中l(wèi).磁致伸縮導(dǎo)波傳感器；2.靜態(tài)偏置磁場；3.總控PC; 4.ARM板信 號處理電路；5.高頻信號發(fā)生器；6.功率放大器；7.檢測信號前置放大器；8.整 流濾波電路；9.A/D轉(zhuǎn)換器；IO.存儲示波器；ll.導(dǎo)波激勵單元；12.導(dǎo)波接收單 元；13.檢測信號處理單元；14.被檢測錨桿；15.錨桿自由端；16.錨桿錨固端； 17.錨桿自由端端面；18.錨桿錨固端端面；19.開放式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器；20. 接插板；21.閉合式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器；22.線圈骨架；23.陣列磁鐵；24.程控 開關(guān)；25.ARM控制程序；26.電磁脈沖信號；27.錨桿自由端一次回波信號；28. 錨桿錨固端一次回波信號；29.錨桿自由端二次回波信號；30.錨桿中"G，3模態(tài)導(dǎo) 波群速度曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步的說明。
本發(fā)明的檢測原理圖如圖1所示。首先將磁致伸縮導(dǎo)波傳感器1安裝在被 測錨桿自由端15， 16為錨桿錨固端。該傳感器無需和被測錨桿接觸或耦合，測 量磁致伸縮導(dǎo)波傳感器中心與錨桿自由端面17之間的距離^ 。在大于磁致伸縮 導(dǎo)波傳感器安裝位置的錨桿自由端15范圍內(nèi)施加合適的靜態(tài)偏置磁場使其磁 化，靜態(tài)偏置磁場2可由直流線圈或圓周陣列磁鐵23產(chǎn)生，本發(fā)明采用直流線圈偏置。ARM板信號處理電路4通過通訊電纜與高頻信號發(fā)生器5的控制 端連接，高頻信號發(fā)生器5的輸出端連接功率放大器6的輸入端。功率放大器6 的輸出端通過高頻電纜將激勵脈沖信號輸送到磁致伸縮導(dǎo)波傳感器1。磁致伸縮 導(dǎo)波傳感器1利用磁致伸縮效應(yīng)在被測錨桿14中激勵縱向模態(tài)導(dǎo)波，如圖2所 示。導(dǎo)波在錨桿中傳播經(jīng)端面反射后由磁致伸縮導(dǎo)波傳感器1利用逆磁致伸縮 效應(yīng)接收，檢測信號進入導(dǎo)波接收單元12，先后經(jīng)過信號放大器7，整流濾波 電路8， A/D轉(zhuǎn)換器9，進入檢測信號處理單元13,檢測信號處理單元由存儲示
波器10和總控PC3組成?？偪豍C3中信號處理軟件根據(jù)計算式7 = |得到導(dǎo)
波在被測錨桿中的傳播群速度r，其中^為傳感器中心與錨桿自由端面之間距 離，7;為檢測信號錨桿錨固端一次回波信號28和錨桿自由端面二次回波信號29
之間的時間間隔。利用計算式丄=5 + ^得到被測錨桿全長^，即錨桿自由端面
17到錨桿錨固端面18之間的距離。其中r為檢測信號錨桿錨固端面一次回波到 達時間。檢測信號處理軟件自動將以上計算過程重復(fù)100次，取被測錨桿長度
算術(shù)平均值Z， Z即為被測錨桿實際長度。數(shù)據(jù)分析后可以直接生成檢測報告。
圖6所示為本發(fā)明中磁致伸縮導(dǎo)波傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。激勵線圈和接收 線圈采用同一線圈，有開放式磁致伸縮導(dǎo)波傳感器19和閉合式磁致伸縮導(dǎo)波傳 感器21兩種類型，如圖3、圖4所示，其中開放式由扁平電纜及接插板20組成， 閉合式線圈由漆包線和線圈骨架22組成。由程控開關(guān)24編程實現(xiàn)導(dǎo)波激勵和 檢測信號接收。磁致伸縮導(dǎo)波傳感器在工作中，ARM程序控制25首先選通導(dǎo) 波激勵單元11,在被測錨桿14中激勵出導(dǎo)波，如圖2所示； 一定時間t后，ARM 程序控制25選通導(dǎo)波接收單元12，進行導(dǎo)波接收。
通過下述實例將有助于理解本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的內(nèi)容。
如圖2所示，待測錨桿14長度為5000m附、內(nèi)徑為20mm、外徑為30mm的
普通中空注漿錨桿。磁致伸縮導(dǎo)波傳感器1結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示,導(dǎo)波激勵和接收用同一線圈實現(xiàn)，該線圈由扁平電纜及接插板20組成，線圈長度為50附m， 直徑為35mm，匝數(shù)為20匝，用線徑為0.5mm的扁平電纜繞制而成；靜態(tài)偏置 磁場采用直流線圈提供，偏置線圈長度為100mm，直徑40mm，匝數(shù)為1000匝， 用線徑為l附m的漆包銅絲繞制而成。整個磁致伸縮導(dǎo)波傳感器以相對待測錨桿 自由端軸心對稱位置安裝，測量得傳感器中心與錨桿自由端面之間距離^為 150m附。用直流穩(wěn)壓電源對偏置線圈2供電，供電電流為3^,對待測錨桿自由端 進行靜態(tài)磁化處理。利用ARM板信號處理電路4和高頻信號發(fā)生器5設(shè)置激勵 信號為頻率為100《、脈沖個數(shù)為4個、間隔時間為200柳、重復(fù)次數(shù)為500次。 激勵信號經(jīng)過功率放大器6放大后傳輸?shù)酱胖律炜s導(dǎo)波傳感器1，通過磁致伸縮 效應(yīng)在被測錨桿14中激勵縱向模態(tài)導(dǎo)波。導(dǎo)波在錨桿中傳播經(jīng)端面反射后由磁 致伸縮導(dǎo)波傳感器1利用逆磁致伸縮效應(yīng)接收，檢測信號進入導(dǎo)波接收單元12， 先后經(jīng)過信號放大器7，整流濾波電路8， A/D轉(zhuǎn)換器9，進入檢測信號處理單 元13。得到的檢測信號如圖7所示。圖7中標示為電磁脈沖信號26，錨桿自由 端一次回波信號27，錨桿錨固端一次回波信號28，錨桿自由端二次回波信號29. 由圖5可知，檢測信號錨桿錨固端一次回波信號和錨桿自由端面二次回波信號
之間的時間間隔 ;為59^，由計算式「 = ^"計算得導(dǎo)波速度為5084.7附"，與 圖8中錨桿中丄(0,2)模態(tài)導(dǎo)波群速度曲線30相符；檢測信號錨桿錨固端面一次
回波到達時間r為1960/^，利用計算式i^^+A得到被測錨桿全長i:為
5.133m。運用檢測信號分析軟件自動將以上計算過程重復(fù)100次，取被測錨桿 長度算術(shù)平均值Z，得到被測錨桿實際長度為5.102m，誤差率^7為2.04%，完全
符合使用要求。
權(quán)利要求
1、一種基于鐵磁體磁致伸縮效應(yīng)的錨桿長度檢測方法，其特征在于包括該方法的步驟如下(1)將磁致伸縮導(dǎo)波傳感器環(huán)繞安裝在被測錨桿自由端，該傳感器根據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境選用匹配的結(jié)構(gòu)，無需緊密接觸或介質(zhì)耦合；(2)在大于磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝位置的錨桿自由端范圍內(nèi)施加靜態(tài)偏置磁場使其磁化，靜態(tài)偏置磁場由直流線圈或永久磁鐵產(chǎn)生，其磁場方向平行于錨桿軸線方向；(3)向磁致伸縮導(dǎo)波傳感器施加激勵脈沖信號，在錨桿自由端激勵出由磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的機械振動，設(shè)置激勵脈沖信號、激勵頻率以及靜態(tài)偏置磁場的大小，在錨桿中激勵出以縱向模態(tài)為主的導(dǎo)波；(4)接收單元利用磁致伸縮逆效應(yīng)將被檢測構(gòu)件中的彈性波信號轉(zhuǎn)換為電信號，該信號中包含有錨桿長度信息，檢測到的電信號通過信號放大、濾波整流、信號平均、A/D轉(zhuǎn)換處理后進入檢測信號處理單元；(5)利用計算式得到導(dǎo)波在被測錨桿中的傳播群速度V，其中L1為傳感器中心與錨桿自由端面之間距離，T1為檢測信號錨桿錨固端一次回波信號和錨桿自由端面二次回波信號之間的時間間隔；(6)利用計算式得到被測錨桿全長L，其中T為檢測信號錨桿錨固端面一次回波到達時間；(7)錨桿長度檢測信號處理軟件能夠進行實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)查看，對(5)、(6)步驟重復(fù)n次，取被測錨桿長度算數(shù)平均值<overscore>L</overscore>，<overscore>L</overscore>即為被測錨桿實際長度，數(shù)據(jù)分析后直接生成檢測報告。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于鐵磁體磁致伸縮效應(yīng)的錨桿長度檢測方法。將磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝在被測錨桿自由端；在磁致伸縮導(dǎo)波傳感器安裝位置施加靜態(tài)偏置磁場；向磁致伸縮導(dǎo)波傳感器施加激勵脈沖信號，在錨桿自由端激勵出機械振動。設(shè)置激勵脈沖信號、激勵頻率以及靜態(tài)偏置磁場的大小，在錨桿中激勵出以縱向模態(tài)為主的導(dǎo)波；接收單元利用磁致伸縮逆效應(yīng)將被檢測構(gòu)件中的彈性波信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過信號放大、濾波整流、信號平均、A/D轉(zhuǎn)換處理后進入檢測信號處理單元后檢測出被測錨桿實際長度。本發(fā)明可以實現(xiàn)錨桿中超聲波的激勵和檢測。檢測信號中包含有錨桿長度、缺陷等信息，對導(dǎo)波回波信號進行處理和分析，可以精確的測量被測錨桿的實際長度。
文檔編號G01B7/02GK101545755SQ200910098260
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者洋 劉, 呂福在, 唐志峰 申請人:浙江大學(xué)