CN101571515B - 基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置，采用不同材质的特制锤子(四角锤)自由随机敲击锚杆外露端端头(锚头)作为激励震源，产生变频伪随机信号在锚杆中传播，采用响应频率为1KHz-20KHz的传感器和数据(信号)采集装置接收锚杆中的声波反射信号，对接收信息进行相关分析和谱分析等计算处理和反射界面反射时间识别，获得锚杆有关几何参数和受力状态参数。具有震源激励能量小、检测装置轻便、效率高、数据可靠性高，检测结果达到高精度等优点。

Description

基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种在矿山工程、岩土工程、地下工程中对锚杆(含锚索)进行检测的方法，尤其涉及一种基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置。

背景技术

现有技术中，对锚杆进行检测的方法主要有拉拔实验、取岩芯法、声波法(含应力波)、超声波法等。

拉拔实验、取岩芯法均属于破坏性的检测方法，虽然是传统的测试方法，但使用起来费工费时，效率低，且抽检的样本数十分有限，难免会以偏概全，无法成为常规的检测手段。

声波法(含应力波)、超声波法属于无损检测方法，目前正逐渐取代传统的测试方法。超声波法由于采用高频波(大于20K)，测试中衰减大，反射信号弱，造成信息识别困难，往往影响结果的准确性，且必须配备超声波发生器，在矿山井下检测必须防爆的问题难以解决，应用效果不理想且受限制。

现有技术中，锚杆无损检测中主要采用声波法，采用的频率段为2K-10K，测试效率高、效果好，应用前景广阔。

上述现有技术至少存在以下缺点：

在激励震源的选择上片面强调高能量作用，且只激励一次，只能得到一个频率成分的信号，而忽略了不同频率成分的作用，使得锚杆体的反射信号识别变得困难，且激励震源能量大会影响传感器的安装，增大了噪声，从而影响了方法的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种反射信息容易识别、检测精度高的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法，包括步骤：

首先，产生变频伪随机信号，利用多种不同材质的锤子分别随机击震锚杆的外端锚头，产生激励信号；

然后，在所述锚杆上固定声波信号接收传感器，并在所述声波信号接收传感器上连接数据采集装置；

之后，通过计算机对所述数据采集装置采集的数据进行处理和识别计算，对所述锚杆进行无损检测。

本发明的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测装置，包括声波信号接收传感器，所述声波信号接收传感器上连接有数据采集装置，所述数据采集装置连接有计算机；还包括多种不同材质的锤子。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置，由于采用多种不同材质的锤子随机击震方法产生激励信号，可以克服单一信号激发能量弱不易识别、现场测试条件苛刻、稳定性差的不足，使反射信息容易识别、检测精度高。

附图说明

图1为本发明基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法及装置的原理示意图；

图2为本发明的具体实施例中用四角锤(铜锤、铁锤、铝锤、胶木锤)为激励震源对浇注锚杆激发的一组检测信号图形；

图3为图2对应的频谱；

图4为图2中第2道震源子波与第1道反射波的互相关函数曲线；

图5为图2中第2道震源子波与第3道反射波的互相关函数曲线；

图6为图2中第2道震源子波与第4道反射波的互相关函数曲线。

具体实施方式

本发明的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法，其较佳的具体实施方式是，包括步骤：

首先，产生变频伪随机信号，利用多种不同材质的锤子分别随机击震锚杆的外端锚头，产生激励信号；

然后，在所述锚杆上固定声波信号接收传感器，并在所述声波信号接收传感器上连接数据采集装置；

之后，通过计算机对所述数据采集装置采集的数据进行处理和识别计算，对所述锚杆进行无损检测。

所述数据处理和识别计算包括以下一项或多项：

所述激励信号的延长叠加、相关分析、谱分析；所述锚杆的几何参数计算、受力状态参数计算。

所述声波信号接收传感器的频率范围可以为1KHz-20KHz。

所述激励信号为变频伪随机信号，所述变频伪随机信号包括震源信号和声波反射信号。

可以选择延续时间相对短的震源信号为相关函数，利用相关算法对不同频率的声波反射波信号作相关处理，进行多道信息对比和识别，从被噪声淹没的信号中提取锚杆底端的声波反射信号，求取不同界面的反射时间。

还可以利用谱分析比较法，进行锚杆的受力状态参数计算，得到锚杆的相对和绝对受力大小。

本发明的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测装置，其较佳的具体实施方式是，包括声波信号接收传感器，所述声波信号接收传感器上连接有数据采集装置，所述数据采集装置连接有计算机；还包括多种不同材质的锤子。

所述多种不同材质的锤子可以包括铜、铁、铝、硬胶木4种材质。

所述4种材质的锤子可以为4个锤子，每个锤子分别为不同的材质；也可以为1个锤子，该锤子有4个角，每个角分别为不同的材质。

下面对本发明的原理进行详细的描述：

如图1所示，变频伪随机信号是用特制锤子——四角锤随机击震锚杆外端锚头产生的激励信号(也可以分别是四只小锤，材质分别为铜、铁、铝、硬胶木，也可以是其他材质，但材质的硬度差越大越好)，每个锤子随机敲击1次，由于每次击震的强度和频率的不同，会在锚头产生不同的震源信号和声波反射信号，这种随机敲击激发产生的信号即是变频伪随机信号。用四角锤随机敲击中无需使用很大的力，要求越随机越好，由于是自由随机敲击，非常能满足现场测试条件，故适用性非常强。

通过高强磁铁把传感器固定在锚头上，要求传感器的响应频率范围0.1～20KHz，传感器与锚杆形成一体，接收敲击产生的震源信号和经锚杆体传播后反射回来的声波反射信号，传感器接收的信号由数据(信号)采集装置离散采集并存储，可由计算机控制和调用。

如图2所示，利用计算机进行反射声波信号的数据处理和识别计算，计算机调用数据采集装置采集的声波反射信号数据，形成波形图共4道，每种材质锤子击震各对应一道。

如图3所示，利用FFT(快速傅立叶变换)对每道数据求出频谱。把每道数据进行延长叠加，形成变频时间序列，此过程也可以省略。

如图4、图5、图6所示，在4道声波反射信号中任选一道的震源子波作为相关函数，对变频时间序列或未作延长叠加各道分别作互相关分析，从被噪声淹没的信号中提取锚杆底端及锚固界面的声波反射信号，从而计算锚杆的几何参数(锚杆长度、自由段长度、锚注段长度等)。结合频谱分析和已知受力锚杆的频谱，计算锚杆受力状态参数。

具体实施例，再参见图1至图6：

利用室内浇注锚杆(锚杆浇注段长度为700mm)进行基于变频伪随机信号的锚杆无损检测。激励震源选择铜、铁、铝、硬胶木材质的四角锤，对应的反射声波信号波形如图2，可以看出不同材质锤激发产生的声波波形、能量、频率特征具有明显不同，若从单一锤击产生的波形求取反射时间比较困难。按照本发明的实施方案，对每道数据求出频谱，

从图3可以看出，各道的峰值频率非常接近，约3.5KHz，反映了随机击震形成的声波反射信号序列通常看似随机的、无规律的，但实际上却有一定的规律。为了有效识别不同反射界面的反射时间，在4道声波反射信号中任选一道的震源子波作为相关函数，一般说来，选择延续时间短的子波计算效果较好，选择第2道震源子波作为相关函数，分别与第1、3、4道进行互相关分析。

如图4、5、6所示，从难识别的声波反射信号中提取锚杆底端及锚固界面的声波反射信号及时间，根据图4、5、6，分别计算出锚杆长度为1820mm、1814mm、1795mm，平均1809.7mm，实际1800mm，相对误差0.54％；锚注段长度为7010mm、708mm、698mm，平均705.3mm，实际700mm，相对误差0.76％，达到高精度检测。

本发明中，采用不同材质的特制锤子自由随机敲击锚杆外露端端头(锚头)作为激励震源，产生变频伪随机信号在锚杆中传播，采用数据(信号)采集装置接收锚杆中的反射声波，对接收信息进行处理识别，获得锚杆有关技术参数和受力状态参数。解决了现有方法中单一频率、要求大能量激励震源、稳定性等存在的不足。基于伪随机信号的含多种频率、小能量激励震源(小锤敲击)对锚杆进行无损检测，具有检测装置轻便、效率高、数据可靠性高，检测结果达到高精度等优点。

简单总结，本发明主要包括下述三个方面：

1、变频伪随机信号的产生：

用不同激励震源随机击震锚杆外端锚头产生的激励信号，其产生过程就是使用锤击作为激励震源对锚杆进行随机击震，由于每次击震的强度和频率的不同，会在锚头产生不同的震源信号和反射信号，这种随机激发产生的信号即是变频伪随机信号。在一定情况下，可分为两类：即不同材质锤子为激励震源随机激发的信号和同一材质锤子为激励震源随机激发的信号。具有这种性质的序列通常看似随机的、无规律的，但实际上却有一定的规律。

采用不同材质的特制锤子自由随机敲击锚杆外露端锚头作为激励震源，敲击中无需使用很大的力(已通过试验证实激发能量并非越大越好)，越随机越好，本发明中特制锤子为四角锤(也可以分别是四只小锤)，材质分别为铜、铁、铝、硬胶木，也可以是其他材质，但材质的硬度差越大越好，这样，就可以产生不同频率的激励信号(实验已证实)。由于是自由随机敲击，非常能满足现场测试条件，故适用性非常强。为简化起见，同样可以只用一种材质的锤子自由随机敲击，但要求敲击时要有轻敲、重敲节奏上的差别，以保证产生不同频率的激励信号。

2、锚杆反射声波信号的接收装置：

锚杆无损检测中接收锚杆反射声波的接收装置为传感器和数据采集装置，可以用常规的传感器和数据采集器即可。传感器又称为检波器、拾振器、换能器，根据接收信号的方式，接收传感器可分为速度型和加速度型两类，要求频率范围0.1～20kHz。数据采集装置要求能实时存储，一般的数据采集器都能满足要求。

3、反射声波信号的数据处理和识别计算：

主要有信号的延长叠加、相关分析、谱分析、锚杆几何参数和受力状态参数计算，由计算机处理计算。

数据采集装置接收到的锚杆反射声波信号的强弱与锚杆几何参数和受力状态参数有关，一般来说，反射信号为弱信号，信噪比低，特征不明显，必须通过一定的数据处理方法加以分析和识别。首先把接收的声波信号进行延长叠加，形成信号序列。选择相关子波，利用相关算法对激励信号和反射波信号做相关，从被噪声淹没的信号中提取锚杆底端声波反射信号，求出不同界面的反射时间，从而计算锚杆的几何参数(锚杆长度、自由段长度、锚注段长度等)。根据锚杆与围岩体不同界面的反射时间，选定时窗进行频谱分析，求出锚杆受力状态参数。

本发明基于变频伪随机信号的含多种频率、小能量激励震源对锚杆进行无损检测，由于采用随机击震方法产生变频信号，可以克服单一信号激发能量弱不易识别、频率单一、现场测试条件要求苛刻、稳定性差的不足。具有检测装置轻便、效率高、数据可靠性高，检测结果达到高精度等优点。结合配套的信息识别和检测方法，可以达到对锚杆(含锚索)的锚固状态、受力状况、杆体长度等物理量精确检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法，其特征在于，包括步骤：

首先，产生变频伪随机信号，利用多种不同材质的锤子分别随机击震锚杆的外端锚头，产生激励信号；

然后，在所述锚杆上固定声波信号接收传感器，并在所述声波信号接收传感器上连接数据采集装置；

之后，通过计算机对所述数据采集装置采集的数据进行处理和识别计算，对所述锚杆进行无损检测；

所述激励信号为变频伪随机信号，所述变频伪随机信号包括震源信号和声波反射信号；

选择延续时间相对短的震源信号为相关函数，利用相关算法对不同频率的声波反射波信号作相关处理，进行多道信息对比和识别，从被噪声淹没的信号中提取锚杆底端的声波反射信号，求取不同界面的反射时间。

2.根据权利要求1所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法，其特征在于，所述数据处理和识别计算包括：

所述激励信号的延长叠加、相关分析、谱分析的一项或多项；

和所述锚杆的几何参数计算、受力状态参数计算的一项或多项。

3.根据权利要求1所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法，其特征在于，所述声波信号接收传感器的频率范围为1KHz-20KHz。

4.根据权利要求1所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测方法，其特征在于，利用谱分析比较法，进行锚杆的受力状态参数计算，得到锚杆的相对和绝对受力大小。

5.一种基于变频伪随机信号的锚杆无损检测装置，其特征在于，包括声波信号接收传感器，所述声波信号接收传感器上连接有数据采集装置，所述数据采集装置连接有计算机；还包括对锚杆外端锚头进行随机敲震以产生变频伪随机信号的多种不同材质的锤子。

6.根据权利要求5所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测装置，其特征在于，所述多种不同材质的锤子包括铜、铁、铝、硬胶木4种材质。

7.根据权利要求6所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测装置，其特征在于，所述4种材质的锤子为4个锤子，每个锤子分别为不同的材质。

8.根据权利要求6所述的基于变频伪随机信号的锚杆无损检测装置，其特征在于，所述4种材质的锤子为1个锤子，该锤子有4个角，每个角分别为不同的材质；用该锤随机击震中无需使用很大的力，越随机越好。

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