專利名稱：一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀，該儀器利用高低頻導波相結(jié)合 的方法對錨桿錨固質(zhì)量進行無損檢測，可以現(xiàn)場檢測出錨桿的長度、有效錨固 長度、錨固力，對錨桿錨固質(zhì)量進行綜合評價，適用于煤礦巷道、地下隧道等 各類巖土工程中的錨桿錨固質(zhì)量檢測，屬于無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
錨桿作為支護系統(tǒng)的一個重要組成部分，被廣泛地應(yīng)用于地下巷道以及邊 坡圍巖的加固與支護中。在工程實際中，錨桿錨固質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著工程 項目的安全，錨桿一旦失效，會對巖土工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大威脅，甚至造成 災(zāi)難性的后果。
引起錨桿失效的主要原因有1、錨桿錨固長度不足，未達到設(shè)計要求；2、 由于施工不當，造成錨固劑與桿體和圍巖未能有效粘結(jié)；3、在錨桿安裝一段時 期后，因地質(zhì)條件變化或者爆破、重型機械和地震力引發(fā)的沖擊使得錨桿局部 處于應(yīng)力集中狀態(tài)，導致錨桿被拉斷；4、由于圍巖的橫向滑動，使錨桿的應(yīng)力 狀態(tài)由軸向拉應(yīng)力變?yōu)闄M向剪應(yīng)力，導致錨桿被剪斷；5、由于錨桿所處的環(huán)境 惡劣，受到潮濕空氣、地下水的滲入，使得錨固介質(zhì)逐步老化，造成錨桿失效。 目前，錨桿錨固技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類巖土工程中，為了拉動內(nèi)需，我國在2010 年前將投入4萬億元資金進行各種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為了保障巖土工程項目的安 全，對錨桿錨固質(zhì)量進行無損檢測具有重要的意義。
目前，在工程實際中， 一般采用拉拔試驗法檢測錨桿錨固質(zhì)量，拉拔試驗 法采用千斤頂對錨桿進行拉拔試驗，以錨固力是否達到設(shè)計值來評價錨桿錨固 質(zhì)量，其缺點在于對錨桿進行拉拔試驗會使錨桿的錨固力發(fā)生損失，因此只能 對錨桿進行少量的抽樣檢測，無法全面了解工程中錨桿的錨固質(zhì)量，進行拉拔 試驗也比較耗時、費力。對于錨固質(zhì)量較好的錨固體，其強度遠大于錨桿本身 的強度，因此在測出錨桿的極限錨固力之前，錨桿桿體已經(jīng)被拉斷，因此拉拔 試驗法這種測試方法本身存在一定的局限性。另外，拉拔試驗法只能獲得錨桿
3的錨固力，對于錨桿長度、錨桿錨固段的長度等表征錨桿錨固質(zhì)量的重要指標 無法進行檢測。另一種檢驗錨桿錨固質(zhì)量的方法是取巖芯法，用取芯鉆沿平行 錨桿的方向把錨桿、錨固介質(zhì)以及部分巖石整體取出來，用目測的方法對錨固 質(zhì)量進行評價。雖然取巖芯可以提供非常有用的信息，但它不僅是一個破壞性 的檢測手段，而且受到許多因素的制約而無法成為一個常規(guī)的檢測手段。這兩 種方法都是破壞性檢測方法。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是為解決錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測問題，提出一種錨桿 錨固質(zhì)量檢測儀。該儀器采用高頻和低頻導波對錨桿錨固質(zhì)量進行綜合檢測的 智能檢測，能夠在工程現(xiàn)場檢測出錨桿的長度、有效錨固長度以及錨固力，并 對錨桿錨固質(zhì)量進行綜合評價。
本檢測儀包括中央控制模塊、導波激發(fā)模塊、功率放大模塊、通道切換模 塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、用戶交互模塊、充電電池模塊、電源適配 器以及導波收發(fā)傳感器。
其中，中央控制模塊由嵌入式處理器及帶斷電保護的存儲器組成。在其上 運行有嵌入式操作系統(tǒng)和錨桿錨固質(zhì)量檢測分析處理程序。中央控制模塊負責 控制檢測儀的運行，并對檢測結(jié)果進行分析和評價。
導波激發(fā)模塊根據(jù)中央控制模塊設(shè)定的頻率、電壓、周期，生成相應(yīng)的導 波激勵信號。
功率放大模塊根據(jù)中央控制模塊設(shè)定的增益，將導波激發(fā)模塊生成的導波 激勵信號進行功率放大。
通道切換模塊受中央控制模塊的控制，在進行高頻導波測試時，當導波激 發(fā)模塊激發(fā)導波時，將功率放大模塊與導波收發(fā)傳感器、信號調(diào)理模塊接通； 在接收回波信號時，切斷功率放大模塊通路，將導波收發(fā)傳感器與信號調(diào)理模 塊接通。在進行低頻導波測試時，將導波收發(fā)傳感器與信號調(diào)理模塊接通。
信號調(diào)理模塊在中央控制模塊的控制下，將由導波收發(fā)傳感器經(jīng)通道切換 模塊傳送來的導波激勵信號進行限幅、濾波和放大。
數(shù)據(jù)采集模塊在中央控制模塊的控制下，對信號調(diào)理模塊處理后的信號進 行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集回波信號。用戶交互模塊具有液晶面板和圖形化操作界面，負責提供輸入輸出交互界 面，用戶通過該模塊輸入檢測參數(shù)，并通過該模塊對檢測儀進行操作。此外，
該模塊還提供網(wǎng)絡(luò)接口以及USB標準接口，使檢測儀能夠與網(wǎng)絡(luò)或其他外設(shè)進
行通訊。
充電電池模塊為整個儀器供電。 電源適配器為充電電池充電。
導波收發(fā)傳感器包括高頻探頭和低頻探頭，分別在錨桿內(nèi)激勵、接收高頻 和低頻導波信號。
各組成部分的連接關(guān)系為
中央控制模塊與導波激發(fā)模塊、功率放大模塊、通道切換模塊、信號調(diào)理
模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、用戶交互模塊、充電電池模塊相連。
導波激發(fā)模塊與中央控制模塊、功率放大模塊、充電電池模塊相連。 功率放大模塊與中央控制模塊、導波激發(fā)模塊、通道切換模塊、充電電池
模塊相連。
通道切換模塊與中央控制模塊、功率放大模塊、導波收發(fā)傳感器、信號調(diào) 理模塊、充電電池模塊相連。
信號調(diào)理模塊與中央控制模塊、通道切換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、充電電池 模塊相連。
數(shù)據(jù)采集模塊與中央控制模塊、信號調(diào)理模塊、充電電池模塊相連。 用戶交互模塊與中央控制模塊、充電電池模塊相連。
充電電池模塊與中央控制模塊、導波激發(fā)模塊、功率放大模塊、通道切換 模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、用戶交互模塊、電源適配器相連。 本檢測儀的具體工作過程是
首先，啟動檢測儀，通過充電電池模塊為檢測儀供電；
之后，進行檢測參數(shù)設(shè)定。根據(jù)現(xiàn)場情況，通過用戶交互模塊設(shè)定檢測材 料參數(shù)。
然后，進行導波測試。當進行高頻導波測試時，將導波收發(fā)傳感器高頻探 頭置于錨桿端部，將檢測儀設(shè)置為高頻導波檢測模式，中央控制模塊根據(jù)輸入 的檢測材料參數(shù)自動設(shè)置導波激發(fā)模塊高頻導波的激發(fā)參數(shù)、功率放大模塊的 信號增益、信號調(diào)理模塊的濾波與放大參數(shù)。在中央控制模塊的控制下，通過導波激發(fā)模塊生成導波激勵信號，經(jīng)過功率放大模塊將信號進行放大，再經(jīng)通 道切換模塊將信號輸出至導波收發(fā)傳感器，在錨桿內(nèi)激發(fā)導波。之后，由中央 控制模塊控制通道切換模塊，將導波收發(fā)傳感器高頻探頭感應(yīng)到的回波信號切 換到信號調(diào)理模塊進行信號預(yù)處理，然后由數(shù)據(jù)采集模塊將經(jīng)預(yù)處理后的信號 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并存儲到中央控制模塊的存儲器中。
當進行低頻導波測試時，將導波收發(fā)傳感器低頻探頭置于錨桿端部，將檢 測儀設(shè)置為低頻導波檢測模式，中央控制模塊設(shè)置好低頻檢測時信號調(diào)理模塊 的濾波與放大參數(shù)，并設(shè)置通道切換模塊使導波收發(fā)傳感器低頻探頭與信號調(diào) 理模塊接通。由導波收發(fā)傳感器低頻探頭在錨桿中激發(fā)低頻導波信號，導波收 發(fā)傳感器低頻探頭感應(yīng)到的信號經(jīng)信號調(diào)理模塊進行信號預(yù)處理，然后由數(shù)據(jù) 采集模塊將經(jīng)預(yù)處理后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并存儲到中央控制模塊的存儲器 中。
最后，對檢測結(jié)果進行分析處理。根據(jù)得到的高頻與低頻導波檢測數(shù)據(jù)， 通過中央控制模塊，計算錨桿的長度、錨桿有效錨固長度以及錨固力，并給出 錨桿錨固質(zhì)量的檢測結(jié)果，通過用戶交互模塊顯示給用戶。
本檢測儀可根據(jù)需要設(shè)計成便攜式的可獨立工作的一體化小型儀器，也可 設(shè)計成采用車載式或固定式儀器等，以滿足實際工程應(yīng)用的不同需要。
有益效果
本實用新型提出的錨桿錨固質(zhì)量檢測儀，采用高頻與低頻導波檢測，可對 錨桿錨固質(zhì)量進行全面評價。采用在錨桿端頭激勵導波對錨桿進行檢測的方式， 不會損傷錨桿。本檢測儀操作簡單，能夠?qū)崟r顯示檢測結(jié)果，可制成便攜式、 車載式或固定式等多種方式，使工作人員能夠在實際工程中對錨桿錨固質(zhì)量進 行快速檢測。


圖l為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2為本實用新型實施方式的的材料參數(shù)設(shè)置示意圖3為錨桿高頻導波參數(shù)設(shè)置示意圖4為錨桿高頻導波測試波形圖5為低頻導波測試波形圖。圖6為錨桿錨固質(zhì)量的綜合評價結(jié)果；
其中，1-中央控制模塊，2-導波激發(fā)模塊，3-功率放大模塊，4-通道切換模 ±央，5-信號調(diào)理模塊，6-數(shù)據(jù)采集模塊，7-用戶交互模塊，8-充電電池模±央，9-電源適配器，10-導波收發(fā)傳感器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型的實施方式做進一步詳細說明。 本實用新型的錨桿錨固質(zhì)量檢測儀采用便攜式的可獨立工作的一體化小型
設(shè)計，其結(jié)構(gòu)組成如圖l所示。
包括中央控制模塊K導波激發(fā)模塊2、功率放大模塊3、通道切換模塊4、
信號調(diào)理模塊5、數(shù)據(jù)采集模塊6、用戶交互模塊7、充電電池模塊8、電源適配
器9以及導波收發(fā)傳感器10。
中央控制模塊1與導波激發(fā)模塊2、功率放大模塊3、通道切換模塊4、信號
調(diào)理模塊5、數(shù)據(jù)采集模塊6、用戶交互模塊7、充電電池模塊8相連。
導波激發(fā)模塊2與中央控制模塊1、功率放大模塊3、充電電池模塊8相連。 功率放大模塊3與中央控制模塊1、導波激發(fā)模塊2、通道切換模塊4、充電
電池模塊8相連。
通道切換模塊4與中央控制模塊1、功率放大模塊3、導波收發(fā)傳感器IO、信 號調(diào)理模塊5、充電電池模塊8相連。
信號調(diào)理模塊5與中央控制模塊1、通道切換模塊4、數(shù)據(jù)采集模塊6、充電 電池模塊8相連。
數(shù)據(jù)采集模塊6與中央控制模塊1、信號調(diào)理模塊5、充電電池模塊財目連。 用戶交互模塊7與中央控制模塊1 、充電電池模塊8相連。 充電電池模塊8與中央控制模塊1、導波激發(fā)模塊2、功率放大模塊3、通道
切換模塊4、信號調(diào)理模塊5、數(shù)據(jù)采集模塊6、用戶交互模塊7、電源適配器9相連。
具體工作過程如下
假定需要對長度為2.1m，直徑為22mm的錨桿進行錨固質(zhì)量檢測。其中，錨 桿彈性模量為210GPa，密度為7850kg/m3，錨固介質(zhì)為樹脂，彈性模量為20GPa，
7密度為2200kg/m3，錨桿安裝時采用的樹脂錨固劑長度為500mm。 首先，啟動檢測儀，通過充電電池模塊8為檢測儀供電； 之后，根據(jù)現(xiàn)場情況，通過用戶交互模塊7設(shè)定材料參數(shù)，如圖2所示。 然后，進行導波測試。當進行高頻導波測試時，將導波收發(fā)傳感器10高頻 探頭置于錨桿端部，將檢測儀設(shè)置為高頻導波檢測模式，中央控制模塊l設(shè)置導 波激發(fā)模塊高頻導波的參數(shù)以及功率放大模塊的信號增益，高頻導波參數(shù)設(shè)置 如圖3所示。同時，中央控制模塊1將信號調(diào)理模塊5設(shè)置為高通濾波。在中央控 制模塊l的控制下，通過導波激發(fā)模塊2生成導波激勵信號，經(jīng)過功率放大模塊3 將信號進行放大，再經(jīng)通道切換模塊4將信號輸出至導波收發(fā)傳感器10高頻探 頭，在錨桿內(nèi)激發(fā)導波。之后，由中央控制模塊1控制通道切換模塊4，將導波 收發(fā)傳感器10高頻探頭感應(yīng)到的回波信號切換到信號調(diào)理模塊5進行信號預(yù)處 理，然后由數(shù)據(jù)采集模塊6將經(jīng)預(yù)處理后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并存儲到中央控 制模塊l的存儲器中。錨桿高頻導波測試波形如圖4所示。
當進行低頻導波測試時，將導波收發(fā)傳感器10低頻探頭置于錨桿端部，將 檢測儀設(shè)置為低頻導波檢測模式。中央控制模塊1將信號調(diào)理模塊5設(shè)置為低通 濾波，并設(shè)置通道切換模塊4使導波收發(fā)傳感器10低頻探頭與信號調(diào)理模塊5接 通。由導波收發(fā)傳感器10低頻探頭在錨桿中激發(fā)低頻導波信號。之后，導波收 發(fā)傳感器10低頻探頭感應(yīng)到的信號經(jīng)信號調(diào)理模塊5迸行信號預(yù)處理，然后由數(shù) 據(jù)采集模塊6將經(jīng)預(yù)處理后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并存儲到中央控制模塊l的存 儲器中。錨桿低頻導波測試波形如圖5所示。
最后，對檢測結(jié)果進行分析處理。采用錨桿錨固系統(tǒng)的有效錨固長度、基 頻、頻率比、錨固力這4個參數(shù)對錨桿錨固質(zhì)量進行綜合評價。判斷標準為
(1) 有效錨固長度越長，錨固質(zhì)量越好。首先用高頻導波測出錨桿底端第 一次反射回波時間及該頻率下導波的能量速度得到錨桿的長度。然后，通過低 頻導波測得錨桿錨固段上界面第一次反射回波時間及該頻率下的導波的能量速 度得到自由段錨桿的長度。最后，通過錨桿的長度和自由段錨桿的長度求出錨 桿的有效錨固長度。
本實施方式中，測出錨桿的長度為2.12m，有效錨固長度為0.43m。
(2) 在錨固參數(shù)相同的情況下，自由段長度越短，有效錨固長度越長，基 頻越高，錨固質(zhì)量越好。反之，則錨固質(zhì)量越差。本實施方式中，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，得到錨桿回波信號的基頻為781.25Hz。
(3) 頻率比將頻率進行無量綱化，即用錨桿振動的各諧振頻率之差與基 頻的比來評價錨桿的錨固質(zhì)量。錨固質(zhì)量劣的錨桿，其頻率比為l;錨固質(zhì)量優(yōu) 的錨桿，其頻率比接近于2。錨固質(zhì)量中等的錨桿，其頻率比介于1與2之間。
本實施例中，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，得到頻率比為1.95。
(4) 錨固力錨桿錨固力計算公式為
p為錨固力，"為桿體直徑，/為有效錨固長度，r為粘結(jié)強度。
本實施方式中，計算錨桿的錨固力為12噸。
根據(jù)高頻與低頻導波的測試數(shù)據(jù)，計算錨桿的有效錨固長度、基頻、頻率 比，給出此錨桿的錨固質(zhì)量評價為優(yōu)。
將錨桿錨固質(zhì)量檢測結(jié)果通過用戶交互模塊顯示給用戶。本實施方式的錨
桿錨固質(zhì)量的綜合評價結(jié)果如圖6所示。
權(quán)利要求1、一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀，其特征在于包括中央控制模塊(1)、導波激發(fā)模塊(2)、功率放大模塊(3)、通道切換模塊(4)、信號調(diào)理模塊(5)、數(shù)據(jù)采集模塊(6)、用戶交互模塊(7)、充電電池模塊(8)、電源適配器(9)、導波收發(fā)傳感器(10)；各組成部分的連接關(guān)系為中央控制模塊(1)與導波激發(fā)模塊(2)、功率放大模塊(3)、通道切換模塊(4)、信號調(diào)理模塊(5)、數(shù)據(jù)采集模塊(6)、用戶交互模塊(7)、充電電池模塊(8)相連；導波激發(fā)模塊(2)與中央控制模塊(1)、功率放大模塊(3)、充電電池模塊(8)相連；功率放大模塊(3)與中央控制模塊(1)、導波激發(fā)模塊(2)、通道切換模塊(4)、充電電池模塊(8)相連；通道切換模塊(4)與中央控制模塊(1)、功率放大模塊(3)、導波收發(fā)傳感器(10)、信號調(diào)理模塊(5)、充電電池模塊(8)相連；信號調(diào)理模塊(5)與中央控制模塊(1)、通道切換模塊(4)、數(shù)據(jù)采集模塊(6)、充電電池模塊(8)相連；數(shù)據(jù)采集模塊(6)與中央控制模塊(1)、信號調(diào)理模塊(5)、充電電池模塊(8)相連；用戶交互模塊(7)與中央控制模塊(1)、充電電池模塊(8)相連；充電電池模塊(8)與中央控制模塊(1)、導波激發(fā)模塊(2)、功率放大模塊(3)、通道切換模塊(4)、信號調(diào)理模塊(5)、數(shù)據(jù)采集模塊(6)、用戶交互模塊(7)、電源適配器(9)相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀，其特征在于 導波收發(fā)傳感器(10)包括高頻探頭和低頻探頭，分別在錨桿內(nèi)激勵、接收高頻和低頻導波信號。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀，其特征在于-用戶交互模塊(7)具有液晶面板和圖形化操作界面，并具有網(wǎng)絡(luò)接口以及USB標準接口，能夠與其它外設(shè)進行通訊。
專利摘要本實用新型涉及一種錨桿錨固質(zhì)量檢測儀，屬于無損檢測領(lǐng)域。該檢測儀包括中央控制模塊1、導波激發(fā)模塊2、功率放大模塊3、通道切換模塊4、信號調(diào)理模塊5、數(shù)據(jù)采集模塊6、用戶交互模塊7、充電電池模塊8、電源適配器9以及導波收發(fā)傳感器10。本檢測儀采用高頻與低頻導波的雙模式檢測，可對錨桿錨固質(zhì)量進行全面評價。本檢測儀操作簡單，能夠?qū)崟r顯示檢測結(jié)果，可制成便攜式、車載式或固定式等多種方式，使工作人員能夠在實際工程中對錨桿錨固質(zhì)量進行快速檢測。
文檔編號G01L1/25GK201359490SQ200920000790
公開日2009年12月9日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者文 何, 唐永剛, 寧建國, 成 王 申請人:北京理工大學