CN104406549B - 锚杆长度测量方法及锚杆长度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锚杆长度测量方法及锚杆长度测量仪，其发射模块根据设定的频率间隔产生多个不同频率值的正弦信号，并将这些正弦信号依次发射到锚杆上；每个正弦信号从锚杆的始端开始进行传输，在锚杆末端发生反射后又反向传输到锚杆始端，这样在锚杆始端入射波和反射波会叠加形成驻波信号；接收模块依次接收锚杆始端的驻波信号；控制模块将所有驻波信号电压值和频率值映射在一个二维曲线上；通过寻找二维曲线的第一个波谷点所对应的频率值来实现锚杆长度的测量。本发明的测量信号为电磁波，能够实现无损检测，具有耦合方便，测量长度范围宽，测量精度高等优点。

Description

锚杆长度测量方法及锚杆长度测量仪

技术领域

本发明涉及锚杆长度测量领域，具体涉及一种锚杆长度测量方法及锚杆长度测量仪。

背景技术

目前，国内外测量锚杆长度的方法主要有拉拔实验法、冲击应力波法和超声波法等。拉拔实验方法多停留在用千斤顶进行机械破损性拉拔实验阶段，会对锚固结构产生严重破坏，降低锚杆对围岩的加固作用，因此只能少量抽检。冲击应力波法通过检测从锚杆底部反射回来的波的时间，结合固结波速理论，求出锚杆的长度，存在振动波和锚杆的耦合问题，测量效果往往因人而异。超声波法可以实现锚杆长度的无损检测，将超声波耦合进入杆体，然后分析声频应力波在锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律。但是超声波在锚杆内衰减严重，通常只能对3米以内的锚杆进行检测，对锚杆测量端头也要求苛刻，需要现场对锚杆端头进行打磨平整，才能将超声波耦合进入杆体。由此可见，现有方法均无法测量10米以上的金属锚杆的长度。

发明内容

本发明所要解决的是传统测量方法无法测量10m以上金属锚杆的长度的问题，而提供的一种能够实现10米以上的金属锚杆的长度测量的锚杆长度测量方法及锚杆长度测量仪。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

锚杆长度测量方法，包括如下步骤：

步骤1、设定发射模块产生的正弦信号的起始频率f_L、终止频率f_H、频率间隔f_DIV；

步骤2、从起始频率f_L开始，发射模块依据频率间隔f_DIV产生l个不同频率值的正弦信号，并将这l个不同频率值的正弦信号依次发射到锚杆上；

步骤3、每个正弦信号从锚杆的始端开始进行传输，在锚杆末端发生反射后又反向传输到锚杆始端，这样在锚杆始端入射波和反射波会叠加形成驻波信号；接收模块依次接收锚杆始端的驻波信号；

步骤4、控制模块将驻波信号电压值和频率值分别映射在y轴和x轴上表示，所有驻波信号电压值和对应的频率值将构成一个二维曲线；

步骤5、控制模块寻找上述二维曲线的第一个波谷点所对应的频率值f₀；

步骤6、控制模块根据下式计算锚杆的长度L，即

L＝V_q/4f₀ ①

式中：f₀为二维曲线第一个波谷点所对应的频率值；V_q为正弦信号在锚杆中的传播速度。

上述步骤5具体过程为：

步骤5.1、设定迭代次数N、有效阈值K和抽取间隔k，从不同频率值对应的驻波信号电压值所构成的驻波离散数组N(i)，i＝0,1,2,3，...,l-1中以k为间隔抽取出满足式②的数据N((i+1)*k)依次保存在新的驻波离散数组N_L(i)中，

②

步骤5.2、找出上述新的驻波离散数组N_L(i)的第一个数据N_L(0)；若新的驻波离散数组N_L(i)的第一个数据N_L(0)为驻波离散数组N(i)的第q个数据N(q)，即N_L(0)＝N(q)，则以N(q)为中心，根据式③扩展出2k+1个数据，并将这些数据依次保存在扩展离散数组N_S(i)，i＝0,1,2,3，...,2k中，

N_S(i)＝{N(q-k),N(q+1-k),...,N(q-1+k),N(q+k)} ③

步骤5.3、将迭代次数设为2k-1，从扩展离散数组N_S(i)中把满足式④的数据N_S(i+1)依次保存到波谷数组N_e(i)中，

④

步骤5.4，找出波谷数组N_e(i)的第一个数据N_e(0)；若波谷数组N_e(i)的第一个数据N_e(0)为扩展离散数组N_S(i)中的第m个数据，也是驻波离散数组N(i)的第q+m个数据，即N_e(0)＝N_S(m)＝N(q+m)；则二维曲线的第一个波谷点所对应的频率值f₀为：

f₀＝f_L+f_DIV*(q+m) ⑤

式中，f_L为起始频率，f_DIV为频率间隔。

上述步骤5.1中，设定的迭代次数N与设定的抽取数据间隔k有关，即

上述步骤5.1中，设定的有效阈值K与控制模块内置的AD转换位数α有关，即0<K<2^α。

上述步骤2中，发射模块产生的正弦信号的总数l为：

①

式中，f_L为设定的起始频率，f_H为设定的终止频率，f_DIV为设定的频率间隔。

上述步骤2中，发射模块采用等时间间隔的方式将l个不同频率值的正弦信号依次发射到锚杆上。

基于上述测量方法所设计的锚杆长度测量仪，主要由发射模块、接收模块、控制模块、系统电源、晶振、LCD和SD卡组成；上述发射模块包括信号产生电路和信号放大电路；上述接收模块包括信号检波电路和信号滤波电路；系统电源、晶振、LCD和SD卡连接在控制模块上，控制模块的输出端连接信号产生电路的输入端，信号产生电路的输出端与信号放大电路的输入端相连，信号放大电路的输出端连接锚杆的始端；信号检波电路的输入端连接锚杆的始端，信号检波电路的输出端与信号滤波电路的输入端相连，信号滤波电路的输出端连接控制模块的输入端。

所述信号放大电路为多级信号放大电路。放大电路由五个宽频运算放大器和八个高精度电阻构成，放大电路输入端由两个运放构成两路电压跟随器，提高放大电路的输入阻抗，隔离前端信号对后级电路的影响；放大电路中间部分由一个运放和四个电阻构成加法器，将两路极性相反的信号合并成一路信号；放大电路的输出端由两个运放和四个电阻构成两级串联的同向比例放大电路。

所述信号检波电路为双运放精密检波电路。检波电路由两个运放，四个电阻和四个肖特基快速二极管构成，其中由一个运放，一个电阻和两个二极管构成带负反馈的负半波整流电路，与另外一个运放构成的正半波整流电路信号叠加，输出全波整流信号。

所述信号滤波电路为2个二阶有源低通滤波器级联而成。每个二阶有源低通滤波器由一个运放，四个电阻和两个电容构成，其中两个电阻和两个电容构成二阶无源低通RC滤波电路，另外两个电阻和一个运放在一起构成同向比例放大电路，两部分电路组合起来构成二阶有源低通滤波电路。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、信号与锚杆耦合方便，稳定性好，操作简单，针对超声波衰减严重和耦合复杂的问题，采用电磁波作为测量信号，将信号经过宽频率放大器放大后，再经过耦合匹配电路处理，获得适合在锚杆中传播的交流正弦信号。

2、测量长度范围宽，克服了传统测量方法无法测量10m以上金属锚杆的长度。

3、测量精度高，与传统锚杆长度测量仪相比，采用运放精密检波技术，消除了二极管检波对电压阈值的要求，采用12位高速数模转换器模块实时提取不同频率的电压信号，极大的提高了ARM主控制器对数据处理的精度。

4、测量信号为电磁波，能够实现无损检测，具有耦合方便，测量长度范围宽，测量精度高等优点。这样将极大提高矿井锚杆施工的速度和质量，并能有效控制锚杆质量情况，为煤矿安全生产提供保障。

附图说明

图1为锚杆测量仪的系统框图。

图2为图1中信号产生电路的原理图。

图3为图1中信号放大电路的原理图。

图4为图1中信号检波电路的原理图。

图5为图1中信号滤波电路的原理图。

具体实施方式

一种锚杆长度测量仪，如图1所示，主要由发射模块、接收模块、控制模块、系统电源、晶振、LCD和SD卡组成；上述发射模块包括信号产生电路和信号放大电路；上述接收模块包括信号检波电路和信号滤波电路；系统电源、晶振、LCD和SD卡连接在控制模块上，控制模块的输出端连接信号产生电路的输入端，信号产生电路的输出端与信号放大电路的输入端相连，信号放大电路的输出端连接锚杆的始端；信号检波电路的输入端连接锚杆的始端，信号检波电路的输出端与信号滤波电路的输入端相连，信号滤波电路的输出端连接控制模块的输入端。在本实施例中，控制模块为ARM控制模块。信号产生电路输出两路幅度相同，极性相反的正弦小信号，两路小信号经过信号放大电路处理，输出单路幅度适当的正弦信号，该正弦信号将耦合进锚杆传输。从锚杆反射回来的信号经过信号检波电路进行检波，再经过信号滤波电路，输出适合ARM控制模块处理的直流信号。SD卡用来存储测量数据，测量操作和测量数据绘制的波形在LCD上显示，系统电源模块为系统提供工作电源，晶振为ARM控制模块提供稳定的工作频率。上述锚杆长度测量仪的测量信号为电磁波，能够实现无损检测，具有耦合方便，测量长度范围宽，测量精度高等优点。这样将极大提高矿井锚杆施工的速度和质量，并能有效控制锚杆质量情况，为煤矿安全生产提供保障。

信号产生电路，参见图2，晶振为DDS核提供基准频率，ARM控制模块通过ARM I/O接口编程来控制信号产生电路内部频率调谐控制寄存器FTW的值，FTW寄存器进而控制DDS核输出，DDS核的输出经过DAC转换输出两路幅值相等，相位相反的正弦信号INA+和INA-。FTW寄存器的值和输出频率的关系由下式决定。

式中，round表示取模值，f_OUT表示输出频率，f_SYSCLK表示DDS核的系统频率。这样对于每一个输出频率，就有一个寄存器值与之相对应，通过外部编程让寄存器值发生周期的变化，就可以得到输出频率的周期变化。

信号放大电路，参见图3，采用多级信号放大，运放A和运放B构成双路电压跟随器，以隔离信号产生电路对信号放大电路的影响。运放C对输入信号INA+和INA-进行极性转换，将两路信号合并成单路正弦信号，由于信号产生电路输出信号幅度不超过200mV，需要进行放大，又考虑到信号带宽范围为0至100MHz，每级放大增益不能过高，因此需要运放D和运放E进行逐级放大处理，获得合适的输出信号OUTA。

信号检波电路，参见图4，采用双运放精密检波电路，解决了二极管包络检波的阈值缺陷，当输入信号为INB的负半波正弦信号(即INB<0)时，二极管D2导通，D1截止，运放A和R1、R2、R3构成反相比例放大电路，OUTB＝-R3*INB/R2，这样负极性信号就转变成正极性信号，当输入信号为INB的正半波正弦信号(即INB>0)时，D4导通，D3截止，OUTB＝INB。实现了全波整流。

信号滤波电路，参见图5，采用两个二阶有源低通滤波器级联，构成四阶有源低通滤波电路。在二阶有源低通滤波器I中，运放A和R3、R4构成同相比例放大电路，通带增益为A₁＝1+R4/R3，R1、C1和R2、C2构成两级RC低通滤波器，通常R1＝R2，C1＝C2，通带截止频率f₁＝0.37/(2πR1C1)，调整R3、R4的值和R1、C1的值，使得通带增益和通带截止频率满足ARM控制处理器对信号电压和通频带的要求。

上述锚杆长度测量仪所实现的锚杆长度测量方法，包括如下步骤：

步骤1：锚杆长度测量的控制操作，初始数据设定由键盘输入。操作界面，测量波形和测量结果的显示都是通过LCD实现。键盘输入预设数据和执行开始测量操作后，ARM控制模块会自动控制信号产生电路按照等时间间隔依次输出不同频率的正弦信号INA+和INA-，频率值按照等频率间隔，从起始频率开始到终止频率结束(即每个时间间隔内产生的频率相同，不同时间间隔内的频率按照频率间隔不断增加)。

键盘输入的预设数据包括信号产生电路产生的正弦信号的起始频率f_L KHz、终止频率f_H KHz、频率间隔f_DIV KHz，正弦信号在锚杆中的传播速度V_q m/s。

步骤2：信号产生电路产生不同频率的时间间隔τ。该时间间隔τ由后级信号放大电路、信号检波电路和信号滤波电路选择的器件参数决定，且τ值在程序里直接设定。在每个时间间隔τ内，信号产生电路输出的是同一个频率值的两路正弦信号INA+和INA-，这两路正弦信号INA+和INA-经过信号放大电路后输出正弦信号OUTA，信号OUTA从锚杆的始端进行传输，在锚杆末端发生反射，信号又反向传输到锚杆始端，这样在锚杆始端入射波和反射波会叠加形成驻波INB，驻波信号INB作为信号检波电路的输入信号，信号检波电路的输出信号OUTB经过信号滤波电路后输出直流电压信号OUTC，直流电压信号OUTC传给ARM控制模块，经过ARM控制模块内部集成的AD数模转换模块后变成数字电压值信号，这样就完成了对一个频率值对应的驻波信号电压值的获取。

当测量开始后，信号产生电路自动会等间隔产生若干个不同频率值的正弦信号，这里设定频率值的总数为l，则设定离散数组N(i)，i＝0,1,2,3，...,l-1，将不同频率对应的驻波信号电压值依次保存在N(i)中。

步骤3：将驻波信号电压值和频率值分别映射在y轴和x轴上表示，所有驻波信号电压值和对应的频率值将构成一个二维曲线，第一个波谷点对应的频率值即是所求频率值。

步骤4：首先寻找曲线上所有波谷点的大概范围，从N(i)数组等间隔k(0<k<l)取出部分点进行比较，找出离波谷点最近的点保存在新数组N_L(i)中。设定迭代次数为N，其中设定有效阈值为K，K值与AD转换模块的位数有关，假定AD转换模块位数为α，则0<K<2^α。设定满足(1)式的数据个数为p，0＝<p<＝N，设定数组N_L(i)，i＝0,1,2,3，...,p-1，求解式(1)，把满足条件的数据N((i+1)*k)依次保存在N_L(i)中。

步骤5：N_L(i)中保存了所有离波谷点最近的点，N_L(i)中第一个点必定是离第一个波谷点最近的点，然后以这个点为中心，从数组N(i)中截取一段数据保存在新数组中，新数组包括第一个波谷及附近的所有数据点。

假定N_L(0)为N(i)中的第q个数据，即N_L(0)＝N(q)，设定新数组为N_S(i)，i＝0,1,2,3，...,2k，以N(q)为中心扩展新数组，将数据保存在数组N_S(i)内，使得新数组N_S(i)为(2)式。

N_S(i)＝{N(q-k),N(q-k-1),...,N(q+k-1),N(q+k)} (2)

步骤6：从N_S(i)这个数组的数据中寻找波谷点，得到的数据对应的频率就是我们所求的频率。

设定迭代次数为2k-1，设定满足(3)式的数据点数为r，设定数组N_e(i)，i＝0,1,2,3，...,r-1，求解(3)式，把满足条件的数据N_S(i+1)依次保存到N_e(i)中。

步骤7：假定N_e(0)为N_S(i)中的第m个数据，即N_e(0)＝N_S(m)，也是驻波离散数组N(i)的第q+m个数据，即N_e(0)＝N(q+m)，令s＝q+m。步骤8：设定f₀＝f_L+f_DIV*s，锚杆长度L＝V_q/4f₀。

Claims (9)

1.锚杆长度测量方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1、设定发射模块产生的正弦信号的起始频率f_L、终止频率f_H、频率间隔f_DIV；

步骤2、从起始频率f_L开始，发射模块依据频率间隔f_DIV产生l个不同频率值的正弦信号，并将这l个不同频率值的正弦信号依次发射到锚杆上；

步骤3、每个正弦信号从锚杆的始端开始进行传输，在锚杆末端发生反射后又反向传输到锚杆始端，这样在锚杆始端入射波和反射波会叠加形成驻波信号；接收模块依次接收锚杆始端的驻波信号；

步骤4、控制模块将驻波信号电压值和频率值分别映射在y轴和x轴上表示，所有驻波信号电压值和对应的频率值将构成一个二维曲线；

步骤5、控制模块寻找上述二维曲线的第一个波谷点所对应的频率值f₀；

步骤5.1、设定迭代次数N、有效阈值K、频率值的总数l和抽取间隔k，从不同频率值对应的驻波信号电压值所构成的驻波离散数组N(i)，i＝0,1,2,3，...,l-1中以k为间隔抽取出满足下式的数据N((i+1)*k)依次保存在新的驻波离散数组N_L(i)中，

$\left\{\begin{array}{c}N(i*k)-N\left(\right(i+1)*k)>0,\\ N\left(\right(i+1)*k)-N\left(\right(i+2)*k)<0,i\&Element;\&lsqb;0,N-2\&rsqb;\\ N\left(\right(i+1)*k)>K\end{array}\right.$

步骤5.2、找出上述新的驻波离散数组N_L(i)的第一个数据N_L(0)；若新的驻波离散数组N_L(i)的第一个数据N_L(0)为驻波离散数组N(i)的第q个数据N(q)，即N_L(0)＝N(q)，则以N(q)为中心，根据式下扩展出2k+1个数据，并将这些数据依次保存在扩展离散数组N_S(i)，i＝0,1,2,3，...,2k中，

N_S(i)＝{N(q-k),N(q+1-k),...,N(q-1+k),N(q+k)}

步骤5.3、将迭代次数设为2k-1，从扩展离散数组N_S(i)中把满足下式的数据N_S(i+1)依次保存到波谷数组N_e(i)中，

$\left\{\begin{array}{c}{N}_S\left(i\right)-N_S(i+1)>=0,i\&Element;\&lsqb;0,2k-2\&rsqb;\\ N_S(i+1)-N_S(i+2)<0,i\&Element;\&lsqb;0,2k-2\&rsqb;\end{array}\right.$

步骤5.4，找出波谷数组N_e(i)的第一个数据N_e(0)；若波谷数组N_e(i)的第一个数据N_e(0)为扩展离散数组N_S(i)中的第m个数据，也是驻波离散数组N(i)的第q+m个数据，即N_e(0)＝N_S(m)＝N(q+m)；则二维曲线的第一个波谷点所对应的频率值f₀为：

f₀＝f_L+f_DIV*(q+m)

式中，f_L为起始频率，f_DIV为频率间隔；

步骤6、控制模块根据下式计算锚杆的长度L，即

L＝V_q/4f₀

式中：f₀为二维曲线第一个波谷点所对应的频率值；V_q为正弦信号在锚杆中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的锚杆长度测量方法，其特征是，步骤5.1中，设定的迭代次数N与设定的抽取数据间隔k有关，即

3.根据权利要求1所述的锚杆长度测量方法，其特征是，步骤5.1中，设定的有效阈值K与控制模块内置的AD转换位数α有关，即0<K<2α。

4.根据权利要求1所述的锚杆长度测量方法，其特征是，步骤2中，发射模块产生的正弦信号的总数l为：

式中，f_L为设定的起始频率，f_H为设定的终止频率，f_DIV为设定的频率间隔。

5.根据权利要求1所述的锚杆长度测量方法，其特征是，步骤2中，发射模块采用等时间间隔的方式将l个不同频率值的正弦信号依次发射到锚杆上。

6.实现权利要求1所述锚杆长度测量方法的锚杆长度测量仪，其特征在于：主要由发射模块、接收模块、控制模块、系统电源、晶振、LCD和SD卡组成；上述发射模块包括信号产生电路和信号放大电路；上述接收模块包括信号检波电路和信号滤波电路；系统电源、晶振、LCD和SD卡连接在控制模块上，控制模块的输出端连接信号产生电路的输入端，信号产生电路的输出端与信号放大电路的输入端相连，信号放大电路的输出端连接锚杆的始端；信号检波电路的输入端连接锚杆的始端，信号检波电路的输出端与信号滤波电路的输入端相连，信号滤波电路的输出端连接控制模块的输入端。

7.根据权利要求6所述的锚杆长度测量仪，其特征在于：所述信号放大电路为多级信号放大电路。

8.根据权利要求6所述的锚杆长度测量仪，其特征在于：所述信号检波电路为双运放精密检波电路。

9.根据权利要求6所述的锚杆长度测量仪，其特征在于：所述信号滤波电路为2个二阶有源低通滤波器级联而成。