CN109844518B - 超声波岩石锚杆状态监测的方法和系统 - Google Patents

超声波岩石锚杆状态监测的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于确定岩石锚杆状况变化的方法和系统。一些方法可以包括，在第一时间点沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的第一飞行时间；以及在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的第二飞行时间。还确定温度校正值。使用第一和第二飞行时间以及温度校正值来计算第一和第二时间点的剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化。利用第一和第二飞行的温度校正的相对变化来确定岩石锚杆的状态变化。

Description

超声波岩石锚杆状态监测的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及岩石锚杆(rock bolt)状态监测，具体而言涉及超声波岩石锚杆状态监测及其在地面控制中的应用。
背景技术
岩石锚杆是用于稳定隧道的锚固螺栓，例如采矿隧道和其他岩石挖掘。它们将在挖掘中通常更不稳定的暴露岩石表面的载荷转移到岩体的通常更坚固、封闭的内部。可能需要在岩石锚杆寿命期间监测和维持岩石锚杆的状态。可能还需要监测施加在岩石锚杆网络上的载荷，以便提供关于地面活动的信息，例如由爆破引起的地震事件。
用于岩石锚杆状态监测的一套技术被称为非破坏性技术，因为它们允许在不对岩石锚杆造成损坏的情况下监测岩石锚杆。这种技术可以允许原位监测岩石锚杆的状态。
发明内容
一些实施例中，提供了一种用于确定岩石锚杆状态变化的方法。该方法包括，在第一时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量每个剪切和纵向波的第一飞行时间；在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量每个剪切和纵向波的第二飞行时间；确定温度校正值；使用第一和第二飞行时间以及温度校正值来计算第一和第二时间点的每个剪切和纵向超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化；和利用第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，确定岩石锚杆的状态变化。
在一些实施例中，提供了一种用于确定岩石锚杆是否已经屈服的方法。该方法包括，在第一时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域(regime)时，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向超声波中每一个的第一飞行时间；在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向超声波中每一个的第二飞行时间；使用剪切和纵向波中每一个的第一和第二飞行时间来计算第一和第二时间点之间的岩石锚杆的估计的温度变化；将第一和第二时间点之间的岩石锚杆的估计的温度变化与其预期温度变化进行比较；并基于该比较，确定岩石锚杆是否已经屈服。
在一些实施例中，提供了一种用于确定屈服型岩石锚杆的状态变化的方法。该方法包括，在岩石锚杆处于弹性变形区域的参考时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的参考飞行时间；在参考时间点之后的其他时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个在每一个其他时间点的其他飞行时间；基于所述参考飞行时间和其他飞行时间，确定岩石锚杆状态变化。
在一些实施例中，提供了一种用于确定岩石锚杆中轴向应力变化的方法。该方法包括，在第一时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量每个剪切和纵向波的第一飞行时间；在第一时间点之后的第二时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量每个剪切和纵向波的第二飞行时间；并且基于第一和第二飞行时间，确定第一和第二时间点之间的岩石锚杆中轴向应力的变化。
在一些实施例中，提供了一种用于确定岩石锚杆中轴向应力变化的方法。该方法包括，在第一时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切或纵向超声波，以测量所述波的第一飞行时间；在第一时间点之后的第二时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播与第一时间点相同类型的波，以测量所述波的第二飞行时间；确定温度校正值；使用第一和第二飞行时间和温度校正值来计算第一和第二时间点的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化；并确定第一和第二时间点之间的岩石锚杆中轴向应力的变化。
在一些实施例中，提供了一种用于岩石锚杆状态监测的系统。该系统包括用于固定到岩石锚杆的第一部件；第一超声换能器，配置为以第一频率发射剪切超声波；第二超声换能器，被配置为以第二频率发射纵向超声波，其中，在使用中，第一和第二超声换能器以并排配置布置在第一部件和岩石锚杆之间，并且其中第一部件包括一个或多个激励装置，该激励装置可操作地连接到第一和第二换能器，用于激励第一和第二超声换能器。
在一些实施例中，提供了一种用于岩石锚杆状态监测的系统。该系统包括第一部件，用于固定到岩石锚杆，其中所述第一部件包括换能器感应线圈；一个或多个超声换能器，其中，在使用中，所述一个或多个超声换能器布置在所述第一部件和所述岩石锚杆之间，并且可操作地连接到所述换能器感应线圈；和第二部件，用于接近第一部件，第二部件包括感应线圈。
在一些实施例中，提供了一种用于确定被灌浆岩石锚杆的灌浆质量的方法。该方法包括在第一时间点沿着岩石锚杆传播剪切或纵向超声波，以测量岩石锚杆的两个或更多个区段中的每一个区段的所述波的相应第一飞行时间；在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播与第一时间点相同类型的波，以测量所述两个或更多个区段中的每一个区段的所述波的相应第二飞行时间；比较岩石锚杆的两个或更多个区段中的每一个区段的相应的第一和第二飞行时间；并基于所述比较，确定灌浆质量。
在一些实施例中，提供了一种用于确定岩石锚杆的两个锚定点之间的岩石锚杆区段的状态变化的方法，载荷可在所述锚定点之间自由地传递。该方法包括在第一时间点沿着岩石锚杆传播剪切或纵向超声波，以测量所述区段的第一飞行时间；在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播与第一时间点相同类型的波，以测量所述区段的第二飞行时间；确定温度校正值；使用第一和第二飞行时间以及温度校正值来计算在第一和第二时间点的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化；并利用第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，确定岩石锚杆的状态变化。
本公开的实施例的其他方面和特征将通过阅读以下描述对本领域普通技术人员而言变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例的示例，其中：
图1是安装在岩石中的岩石锚杆的示意图；
图2是显示作为岩石锚杆温度函数的超声波飞行时间的相对变化的图；
图3A和3B分别是显示岩石锚杆承受的载荷对剪切和纵向超声波飞行时间相对变化的影响的图；
图4是安装在岩石中的岩石锚杆的另一示意图，示出了与本公开实施例相关的各种量；
图5显示了C20W钢筋螺栓拉伸测试的结果；
图6是图5的拉伸测试中纵向和剪切超声波的飞行时间的温度校正的相对变化之间的关系的图；
图7是纵向和剪切超声波的飞行时间的温度校正的相对变化之间的关系的示意图；
图8显示在对GarfordTM动态螺栓上进行拉伸测试的结果；
图9显示图5的拉伸测试的估计温度变化与载荷之间的相关性；
图10显示屈服岩石锚杆行为值随时间的变化趋势；
图11A是安装在岩石中的岩石锚杆的示意图，示出了与本公开的实施例相关的各种量；
图11B是拉伸测试期间施加在钢筋螺栓上的循环载荷的图；
图11C示出了在图11B的拉伸测试期间测量的剪切波在三个分段上的飞行时间的相对变化；
图11D是显示图11C中确定的三个分段的示意图；
图11E是显示Normet D型螺栓的锚定区段的示意图；
图11F是载荷变化随飞行时间的温度校正的相对变化的校准曲线的示意图；
图12是显示纵向和剪切超声波在岩石锚杆柄中的传播的示意图；
图13显示纵向超声波回波信号；
图14显示另一纵向超声波回波信号；
图15A显示与图13的纵向超声波回波信号同时获得的剪切超声波回波信号；
图15B显示与图14的纵向超声波回波信号同时获得的剪切超声波回波信号；
图16是在GarfordTM屈服型岩石锚杆的拉伸测试期间，纵向和剪切超声波的飞行时间的温度校正的相对变化之间的关系图；
图17是在图16的拉伸测试期间，纵向超声波的直接回波的飞行时间的变化的测量值和下限估计值之间的差值的图；
图18A和18B是根据本公开的实施例的系统的示意图；
图19A和19B是图18A和18B的系统的部件的实施例的透视图；
图20A示出了在钢管中灌浆的C20W钢筋螺栓上的各个参考点的原始回波信号；
图20B和20C示出了将带通滤波器应用于图20A的信号的效果；
图21A至21F是根据本公开另一实施例的系统的换能器配置的示意图；
图22是根据本发明另一实施例的换能器极化的示意图；
图23A和23B是根据本公开另一实施例的系统的换能器配置的顶视图和侧视图；
图24A和24B是根据本公开另一实施例的系统的换能器配置的顶视图和侧视图；
图24C和24D是根据本公开另一实施例的系统的换能器配置的顶视图和侧视图；
图24E和24F是根据本公开另一实施例的系统的换能器配置的顶视图和侧视图；
图25A至25C是根据本公开另一实施例的系统的分解图；
图25D是图25A至25C的系统的传感器部件的平面图；
图25E到25G是图25A至25C的系统的传感器和接收器部件的示例性实施例的视图；；
图25H和25I是图25A至25C的系统在组装状态下的视图；
图26A是可以形成根据本公开的实施例的系统的一部分的温度测量组件的示意图；
图26B是根据本公开的实施例的具有嵌入式温度测量组件的部件的示意性侧视图；
图26C是根据本公开的实施例的具有嵌入式温度测量组件的部件的视图；
图26D是图26C的部件(包括RFID标签)的示意性侧视图；
图26E是根据本公开的实施例的具有嵌入式温度测量组件的部件的示意性侧视图；
图27A是压电元件的安装引导件的视图；
图27B是图27A的安装引导件和粘附在岩石锚杆暴露端上的压电元件的分解图；
图27C是图27A的安装引导件及其一旦安装后相对于压电元件的位置的视图；
图27D是与图27A的安装引导件配合的传感器部件的凹陷区域的视图；
图27E是图27A的安装引导件的侧视图及其相对于图27D的传感器部件的待安装位置；
图28A至28C是根据本公开另一实施例的系统的分解图；
图28D是图28A至28C的系统的组装底座的视图；
图28E是图28A至28C的系统的组装盖的视图；
图29是根据本公开的实施例的岩石锚杆检查系统的示意图。
具体实施方式
本公开的一些实施例涉及用于确定岩石锚杆的状态变化的方法。
在一些实施例中，一种用于确定岩石锚杆状态变化的方法可以包括在第一和第二时间点沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以便测量超声波在第一和第二时间点的飞行时间；确定温度校正值；然后，使用所述飞行时间和温度校正值计算所述飞行时间的温度校正的相对变化。然后可以使用所述飞行时间的温度校正的相对变化来确定岩石锚杆状态的变化。
在一些实施例中，用于确定岩石锚杆是否已经屈服的方法可以包括在第一和第二时间点沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以便测量超声波的飞行时间；使用飞行时间来计算第一和第二时间点之间的岩石锚杆的估计温度变化，并将估计的温度变化与岩石锚杆的预期温度变化进行比较。然后可以使用该比较来确定岩石锚杆是否已经屈服。
在一些实施例中，用于确定屈服型岩石锚杆的状态变化的方法可以包括在参考时间点沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波以测量参考飞行时间，并且在参考时间点之后的其他时间点，沿着岩石锚栓传播剪切和纵向超声波以测量其他飞行时间。然后可以根据测量的飞行时间确定屈服型岩石锚杆的状态变化。
在一些实施例中，用于确定岩石锚杆中的轴向应力的变化的方法可以包括在第一和第二时间点沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的飞行时间。然后可以根据飞行时间确定岩石锚杆的轴向应力的变化。
在一些实施例中，一种用于确定岩石锚杆中的轴向应力变化的方法可以包括在第一和第二时间点沿着岩石锚杆传播剪切或纵向超声波以测量该波的飞行时间；确定温度校正值并使用飞行时间和温度校正值来计算飞行时间之间的温度校正的相对变化。然后可以确定轴向应力的变化。
本公开的一些实施例涉及一种用于岩石锚杆状态监测的系统。
在一些实施例中，用于岩石锚杆状态监测的系统可包括，用于固定到岩石锚杆的第一部件和配置成分别以第一和第二频率发射剪切和纵向超声波的第一和第二超声换能器。在使用中，第一和第二超声换能器以并排配置设置在第一部件和岩石锚杆之间。此外，第一部件包括一个或多个激励装置，该激励装置可操作地连接到第一和第二换能器，用于激励第一和第二超声换能器。
在一些实施例中，用于岩石锚杆状态监测的系统可包括用于固定到岩石锚杆的第一部件，一个或多个超声换能器，以及用于接近第一部件的第二部件。第一部件包括换能器感应线圈，第二部件包括感应线圈。在使用中，所述一个或多个超声换能器布置在第一部件和岩石锚杆之间并且可操作地连接到换能器感应线圈。
参照图1，现在将讨论超声波岩石锚杆状态监测的一些原理。如图1所示，超声换能器(UT)10可以安装在岩石锚杆12上，岩石锚杆12已经使用灌浆或树脂16安装在岩石14中。岩石锚杆12通过锚定板13锚固到岩石14上，而锚定板13通过锚定螺母17固定就位。岩石锚杆的头部15被限定为岩石锚杆12的一部分，从岩石14穿过螺母17延伸出。UT 10将超声波18传递并传播进岩石锚杆12中并收听从内部的不连续部分反射的回波20a和20b。回波20a和20b被反射并在不同时间t1和t2返回到UT 10。实线箭头和点画线箭头分别表示波18及其回波20a和20b的传播方向。
超声波18可以是纵向超声波或剪切超声波(也称为横波)。在纵向超声波中，供波传播的介质粒子平行于波的传播方向移位。在剪切超声波中，供波传播的介质粒子垂直于波的传播方向移位。应注意，在整篇公开中，如果未指定涉及哪种波形，则应理解，涉及剪切和纵向超声波类型。
飞行时间(TOF)在此定义为超声波(例如波18)在UT 10和反射表面(例如岩石锚杆的趾端22)之间往返所花费的时间。在图1中，t1和t2分别表示来自岩石锚杆12中的断裂(未示出)和岩石锚杆的趾端22的回波的TOF。
例如，如果岩石锚杆12在中间断裂，则该断裂可以反射入射的超声波18以形成被UT捕获的回波。这种回波的出现表明岩石锚杆断裂。
TOF受到岩石锚杆12的长度和岩石锚杆12所承受的载荷以及温度的影响。例如，对于由AISI 1020制成的19毫米直径钢螺栓，1.7℃的温度变化将导致纵向超声波的TOF的变化与5kN载荷导致的变化相同。对于剪切超声波，0.9℃的温度变化对TOF产生与5kN载荷变化相同的影响。
对AISI 1020钢棒进行了实验室测试，作为TOF与温度之间线性关系的一个例子。图2显示了纵向和剪切超声波的TOF随温度的相对变化之间的线性关系。在这种情况下，TOF的相对变化是指与初始参考测量相比的TOF的百分比变化。
从图2的图可以确定描述AISI 1020钢棒的TOF与温度之间关系的温度系数。例如，基于图2所示结果，剪切超声波的温度系数确定为CTs＝0.0141％/℃，纵向超声波的温度系数确定为CTL＝0.0106％/℃。
各种类型的材料、杆、岩石锚杆等的温度系数可以根据需要在实验室校准测试中确定。因此，可以进行校准测试以确定各种市售和使用的岩石锚杆的温度系数。
参见图3A和3B，在C20W型钢筋上的另一个实验室测试结果表明，TOF与施加在岩石锚杆上的轴向载荷(应力)的相对变化之间的关系呈现出两个斜率非常不同的线段。较陡的斜率表示弹性变形区域，较不陡的斜率表示塑性变形区域，如图3A和3B所示。点划线是数据拟合的直线。应注意，图3A表示使用剪切超声波的测试结果，图3B表示使用纵向超声波的测试结果。
根据本公开，可以开发线性模型以将纵向和剪切超声波的TOF与弹性变形区域的应力和温度相关联。将参照图4描述该线性模型。
图4示出了与图1相同的岩石锚杆12。此外，在岩石锚杆12内部的位置x1和x2处存在两个反射器点(未示出)。s1(t)和s2(t)分别是来自第一和第二反射器的回波信号。t1和t2是这些回波信号的相应到达时间。d是x1和x2之间的距离，τ分别是t1和t2之间的持续时间。τD是整个岩石锚杆长度D的往返TOF。
对于图3A和3B中显示的每个弹性变形段，应力和温度的任何变化与相对于参考状态的相对TOF的变化之间的关系可以通过以下方程式近似地控制：
Figure BDA0002029577870000061
Figure BDA0002029577870000062
在上述方程式中，上标e表示弹性变形区域；下标L和S分别表示与纵向和剪切超声波相关的值或系数；下标0表示在参考状态下，即在第一时间点取的值；τ表示TOF并如上所定义；
Figure BDA0002029577870000063
和
Figure BDA0002029577870000064
分别为弹性变形区域中纵向和剪切波的应力系数；CTL和CTS分别是纵向和剪切波的温度系数。
应注意，应力系数可以在实验室校准试验中以与上述温度系数类似的方式确定。因此，可以进行校准测试以确定各种岩石锚杆的应力系数，例如，市售的和使用过的岩石锚杆。
<σ>和<T>以及相关的上标和下标分别表示在岩石锚杆12的规定的变形区域中的两个反射器之间区段上的轴向应力和温度的空间平均值，并且定义如下：
Figure BDA0002029577870000065
Figure BDA0002029577870000066
应注意，当参考x1和x2之间的岩石锚杆区段时，应理解该讨论适用于两个参考反射器之间的任何其他区段。在一些实施例中，x1和x2之间的距离可以是岩石锚杆12的整个长度，即D。
换言之，通过使用多个反射器，可以获得沿整个岩石锚杆的关于该岩石锚杆状态的分布信息。
因此，通过对方程式(1)和(2)针对
Figure BDA0002029577870000071
求解，可按如下获得相对于参考状态的平均轴向应力变化：
Figure BDA0002029577870000072
其中
Figure BDA0002029577870000073
应注意的是，在方程式(5)中，βT，
Figure BDA0002029577870000074
和
Figure BDA0002029577870000075
是系数，这些系数的值可以如上所述在实验室校准试验中确定，而
Figure BDA0002029577870000076
和
Figure BDA0002029577870000077
可以在安装岩石锚杆之前或之后，在第一时间点在参考状态下测量，并且
Figure BDA0002029577870000078
和
Figure BDA0002029577870000079
可以在例如需要确定岩石锚杆的状态变化时，在第二时间点测量。
基于方程式(1)和(2)，也可以如下定义TOF的温度校正的相对变化：
Figure BDA00020295778700000710
Figure BDA00020295778700000711
在方程式(7)和(8)中，τL0和τS0可以第一时间点的参考状态获取，无论岩石锚杆处于何种变形区域；τL和τS可以在用户希望监测岩石锚杆时或待确定岩石锚杆状态的变化时，在第二时间点测量。应注意<T>-<T0>分别是第二时间点与参考时间点或第一时间点之间感兴趣的岩石锚杆区段的平均温度的差值。在
Figure BDA00020295778700000712
中使用下标Tc和上标rel来表示温度校正和相对变化。
对于每个测量时间点的剪切和纵向超声波中的每一个，可以确定TOF之间的温度校正的相对变化之间的关系，这将结合图5和6进行描述。
图5显示了在拉伸测试的四个加载和卸载循环期间，完全灌浆的C20W钢筋岩石锚杆的载荷变化以及面板的相关位移(其相当于该特定试验中的岩石锚杆伸长)。位移数据显示岩石锚杆两次进入塑性变形区域，一次在循环3中，另一次在循环4中。
图6显示了在完全灌浆的C20W钢筋岩石锚杆上进行载荷变化试验时，来自岩石锚杆趾部的纵向超声波回波的TOF与来自该趾部的剪切超声波回波的TOF的温度校正的相对变化图。
在图6中，岩石锚杆状态的变化，从弹性区域的变形到塑性区域的变形，可以清楚地区分，每个区域显示不同的斜率，即弹性变形区域的斜率为
Figure BDA0002029577870000081
塑性变形区域的斜率为
Figure BDA0002029577870000082
因此，基于在第一和第二时间点的纵向和剪切超声波的TOF的温度校正的相对变化之间的关系，可以确定岩石锚杆是否处于弹性或塑性变形区域中。
也可以确定岩石锚杆所经历的永久伸长。参照图7，令P为岩石锚杆的当前状态点，O为选作参考的岩石锚杆的较早状态点。令τL(·)和τS(·)分别是状态点下的纵向和剪切超声波的温度校正的TOF。令<σ(·)>是岩石锚杆在状态点所经受的应力的空间平均值。如果使岩石锚杆分别从状态点P和O松弛到无应力状态，则令l(P)和l(O)为岩石锚杆的无应力长度。
如果要释放在状态P的岩石锚杆所经受的应力，则岩石锚杆将沿着弹性变形路径从状态点P过渡到状态点P′，该弹性变形路径是连接这两个点的直线。因此，如图7中标记的，可以将
Figure BDA0002029577870000083
定义为纵向超声波的TOF的相对变化与剪切超声波的TOF的相对变化的坐标系中该线的斜率，其中取状态点O作为参考。令P′为岩石锚杆具有与状态点O相同的空间平均应力时的状态点，即，
<σ(P′)>＝<σ(O)> (9)
此外，令δτS1和δτL1是相对于状态点O在状态点P′处纵向和剪切超声波的TOF的相对变化。由于状态点O和P′具有相同的空间平均应力，δτS1和δτL1仅归因于两个状态之间的塑性变形，因此
Figure BDA0002029577870000084
并且δτS2和δτL2仅归因于状态点O(或P′)和P之间的应力变化。
因此，可以推导出以下内容：
Figure BDA0002029577870000085
Figure BDA0002029577870000086
Figure BDA0002029577870000087
Figure BDA0002029577870000088
从方程式(10)至(14)，可以获得：
Figure BDA0002029577870000089
和
Figure BDA0002029577870000091
方程式(15)和(16)可以用更一般的形式改写如下：
Figure BDA0002029577870000092
Figure BDA0002029577870000093
其中l0和<σ0>分别代表在参考状态(即第一时间点)下，岩石锚杆的长度和岩石锚杆上应力的空间平均值，l和<σ>是当前状态下岩石锚杆的相应值，并且
Figure BDA0002029577870000094
和
Figure BDA0002029577870000095
在方程式(7)和(8)中进行了定义并且可以原位测量，例如，在第二时间点原位测量。
应注意的是，也可用下面的方程式取代方程式(11)以与获得方程式(18)类似的方式来确定<σ>-<σ0>：
Figure BDA0002029577870000096
得到的方程式显然会有一个与方程式(18)具有相同根的不同形式并且可以很容易地转换为方程式(18)。
因此，岩石锚杆的永久伸长可以根据方程式(17)确定，岩石锚杆所经受的轴向应力可根据方程式(18)确定。
Figure BDA0002029577870000097
可以按如下确定。
由于金属的塑性变形是晶格结构位移的结果，并且不会改变金属的基础晶体结构，因此在岩石锚杆屈服之前确定的应力系数，
Figure BDA0002029577870000098
和
Figure BDA0002029577870000099
可适用于之后的弹性变形，无论岩石锚杆有无屈服历史。因此，根据方程式(1)和(2)，以下方程式可适用于从状态点P到状态点P′的弹性变形路径：
Figure BDA00020295778700000910
Figure BDA00020295778700000911
因此，从点P到P′的弹性变形路径的斜率可以由下式给出：
Figure BDA00020295778700000912
因此，考虑到方程式(20)和(21)并且令
Figure BDA00020295778700000913
方程式(22)减化为
Figure BDA0002029577870000101
在上面的方程式中可以看到，弹性变形路径的斜率值可以取决于当前状态和所选择的坐标系(即，参考状态)。
图8显示了对Garford DynamicTM岩石锚杆进行拉伸测试直到螺栓断裂期间的(τS0τL)/(τL0τS)的变化，其中τS0，τL0表示在施加载荷之前纵向和剪切超声波的TOF，τS和τL表示测试期间的相应TOF。如图8所示，(τS0τL)/(τL0τS)的值接近1，变化小于1％。因此，可以定义以下关系：
Figure BDA00020295778700001014
参见方程式(22)，这意味着无论采用何种参考状态，弹性变形路径的斜率可以用
Figure BDA0002029577870000102
近似到1％以内。因此，可以定义以下关系：
Figure BDA0002029577870000103
可以在实验室中获得
Figure BDA0002029577870000104
的值的同时，
Figure BDA0002029577870000105
的值可以使用方程式(24)和预定的
Figure BDA0002029577870000106
值来原位确定或通过计算在弹性变形区域中
Figure BDA0002029577870000107
对
Figure BDA0002029577870000108
的斜率来确定，如图6所示。最后，可以使用
Figure BDA0002029577870000109
的值代替
Figure BDA00020295778700001010
如方程式(26)所示。
可以进一步使用纵向波的TOF的温度校正的相对变化和剪切波的TOF的温度校正的相对变化来确定岩石锚杆正在经历的总伸长。
如果E是岩石锚杆的杨氏模量，则在长度dx上由应力σ(x)引起的弹性变形dε可以如下获得：
Figure BDA00020295778700001011
因此，参考图4所示的示意图以及方程式(27)和(3)，由点x1和x2之间螺栓区段上的应力分布σ(x)引起的弹性变形可以定义为：
Figure BDA00020295778700001012
因此，当同一螺栓区段上的平均应力从参考状态<σ0>变为状态<σ>时，可以使用以下方程式确定相对于参考状态的弹性变形：
Figure BDA00020295778700001013
再次参照图7，总变形是点P′处的塑性变形和从P′到点P的弹性变形的总和。因此，如果令Δp1、Δel和Δl分别是相对于参考状态的塑性变形、弹性变形和总变形(伸长)，则可以结合方程式(17)、(18)和(29)获得：
Figure BDA0002029577870000111
在这方面，如果岩石锚杆在采用参考时(即第一时间点)没有经历塑性变形，则在安装岩石锚杆之前测量的岩石锚杆的长度可以用作上面方程式中l0的值。
还可以使用纵向或剪切超声波的TOF的温度校正的相对变化来确定岩石锚杆中的轴向应力变化。例如，如果对于岩石锚杆仅可以有效检测到一种类型的超声波，则这可能是期望的。具体地，依据多种因素，包括岩石锚杆长度、几何形状和构造材料，可能发生的是仅纵向超声波回波或仅剪切超声波回波可以被有效检测。
如果岩石锚杆始终保持在弹性变形极限内，则可由方程式(1)或(2)确定轴向应力，如果可以校正温度影响的话。具体而言，通过重新排列这些方程式并采用方程式(7)和(8)中定义的TOF的温度校正的相对变化，可以获得：
Figure BDA0002029577870000112
其中下标j对于纵向波代表L或对于剪切波代表S。
还可以在不校正温度对TOF的影响的情况下检测塑性变形。在仅能够判断岩石锚杆是否已经屈服可以提供有价值信息(例如用于监测和确保矿井安全)的某些情况下，这可能是所需要的。例如，这可以在布署钢筋螺栓时适用，因为这些螺栓不能承受大的塑性变形。
因此，通过求解方程式(1)和(2)，可以获得：
Figure BDA0002029577870000113
当i)岩石锚杆在第二时间点的状态(即当岩石锚杆的状态变化正在被确定时)以及ii)岩石锚杆在参考时间点或第一时间点的状态，处于相同弹性变形区域时，方程式(32)成立。如果由于某种原因，从选取参考测量的第一时间点以来岩石锚杆已经屈服，则方程式(32)可能不再有效，并且其使用将导致相对于参考状态的过度估计的温度变化。
这样，通过将第一和第二时间点之间的岩石锚杆的估计的温度变化与预期的温度变化进行比较，可以确定岩石锚杆是否已经屈服。具体地，如果估计的温度变化大于预期的温度变化，则可以确定岩石锚杆已经屈服。确定岩石锚杆是否已经屈服所需的估计的和预期的温度变化之间有多大的差异可取决于被监测岩石锚杆的具体特征。可以在监视之前设置期望的阈值。
为了说明可如何使用估计的和预期的温度变化之间的差异，图9的顶部包括在对图5所示(也在图9的底部示出)拉伸测试期间测量的TOF施加±10℃周期性温度变化的影响之后从方程式(32)计算的温度变化。在屈服点处，如果发生从弹性变形区域到塑性变形区域的转变，估计的温度变化开始增加到高于预期的温度变化。
此外，考虑到岩石内部的岩石锚杆区段的温度变化通常小于环境空气的温度变化或者部分或完全暴露的岩石锚杆头部的温度变化，将从方程式(32)估计的温度变化与环境空气的或岩石锚杆头部的预期温度变化范围进行比较，可以提供用于检测岩石锚杆是否已进入塑性变形区域并因此已经屈服的保守值。
此外，为了提高检测灵敏度，可以将第二时间点的温度与在接近正在进行状态的环境温度下获得的参考温度的温度进行比较。这意味着可能需要对纵向和剪切超声波采用多个参考来覆盖较大的温度范围。
也可以确定特定类型的屈服岩石锚杆的状态变化。这里，“屈服岩石锚杆”指的是岩石锚杆被设计成在预定条件下屈服，以便避免响应于预定的应力诱发事件的某些结果，例如断裂。一种这样的岩石锚杆以商品名Garford DynamicTM出售，由澳大利亚的GarfordPty Ltd.制造。这类屈服岩石锚杆呈现出振荡塑性变形区域，部分原因是为了吸收地震事件。
对于这种屈服型岩石锚杆，可以确定从弹性变形区域到振荡塑性变形区域的转变或确定屈服岩石锚杆即将发生的破坏。这可以通过确定岩石锚杆行为值并监测其随时间的进展来实现。岩石锚杆行为值可根据下式确定：
Figure BDA0002029577870000121
在方程式(33)中，τL和τS分别是纵向和剪切超声波在岩石锚杆的一区段上的TOF，无论岩石锚杆是处于弹性变形区域还是塑性变形区域。在该方程式中使用βT可以消除温度对TOF的影响，从而忽略该温度影响。
图10显示了在GarfordTM型屈服岩石锚杆的拉伸测试中，方程式(33)所定义的岩石行为值γ的演变。在测试中对岩石锚杆应用加载和卸载循环。通过观察γ的进展，可以识别振荡塑性变形行为以及即将发生的螺栓失效。这些状态变化在图10中标出，其中γ值的突然下降是由于测试中载荷中断。如图10所示，没有振荡塑性变形区域可能表明岩石锚杆即将发生故障。
上面已经讨论的本公开方法的实施例可以使用两个或更多个时间点之间的纵向和剪切超声波的TOF的温度校正的相对变化。因此，一些实施例可涉及确定温度校正值以便确定TOF的温度校正的相对变化。现在将更详细地描述这一点。
首先，为了简化，以下描述对纵向和剪切超声波的TOF的温度校正的相对变化将使用统一形式：
Figure BDA0002029577870000122
其中下标j对于纵向超声波代表L或对于剪切超声波代表S。
参照图4示意图中的注释，可以假设对于岩石锚杆12的正在进行的状态，沿着感兴趣的岩石锚杆12区段为线性温度分布，例如在要确定岩石锚杆状态变化时的第二时间点。该线性分布可描述如下：
Figure BDA0002029577870000123
类似地，可以假设在第一时间点参考状态时为线性分布，描述如下：
Figure BDA0002029577870000124
在上面的方程式中，当在第一时间点采用参考并且T头部、T趾部、D和x为岩石锚杆的正在进行状态下(例如在第二时间点)的对应值时，T0，头部、T0，趾部、D0和x0分别表示岩石锚杆头部和趾部的温度、岩石锚杆的长度以及岩石锚杆上某点的位置。此外，可以假设：
Figure BDA0002029577870000131
因此，通过对x1和x2之间的区段应用方程式(4)和(37)到方程式(35)和(36)，可以获得：
Figure BDA0002029577870000132
其中，当在第一时间点采用参考时，x10、x20、t10、t20和τD0分别是x1、x2、t1、t2和τD的值。可以使用纵向超声波或剪切超声波，并且可以根据这两种波类型中的哪一种提供更好的信号质量来选择纵向超声波或剪切超声波。方程式(38)提供在螺栓受到应力时<T>-<T0>的近似估计。当螺栓没有应力时，等号成立。
为了确定<T>-<T0>，可以测量岩石锚杆头部和趾部的温度。一旦确定<T>-<T0>，可以从方程式(34)获得TOF的温度校正的相对变化。
然而，如果岩石锚杆趾端22深深地嵌入岩石14中，则趾端22处的温度变化或改变可以忽略不计，在这种情况下，方程式(38)简化为：
Figure BDA0002029577870000133
因此，应用方程式(39)到方程式(34)可以获得：
Figure BDA0002029577870000134
此外，如果感兴趣的区段是岩石锚杆12的整个长度，则方程式(40)中的因子
Figure BDA0002029577870000135
可简化为
Figure BDA0002029577870000136
因此，在一些实施例中，为获得TOF的温度校正的相对变化，可能仅需要测量或确定岩石锚杆头部的温度。
在一些实施例中，还可以通过假设线性温度分布和通过在岩石锚杆12的应力稳定区域中使用参考反射器，来确定TOF的温度校正的相对变化。
参照图11A的示意图，注意到在超声换能器10和锚定螺母17之间的岩石锚杆头部15的部分中可存在无应力且因此应力稳定的区域，因为岩石锚杆12的这部分没有载荷。
此外，在完全灌浆的岩石锚杆12的趾部区段中可存在另一个应力稳定区域。具体地，可以通过用护套或防粘连包裹物覆盖趾部区段以防止该区段粘合到周围浆液16上，来使该趾部区段成为应力稳定区域。
可以提供参考反射器(未示出)，每个应力稳定区域中提供一个。在一些实施例中，反射器可以是垂直于岩石锚杆柄的小孔。可以定制所述孔的直径和深度以提供所需的信号质量。例如，可以在头部15处的无应力区域中钻出直径为0.5mm的半深孔，并且可以在趾部部分中钻出1mm直径的通孔。趾部区段中的孔可能需要较大，因为可能需要来自该区域的较强的反射以补偿通过更长传播距离的较大的超声波能量损失。头部15处的无应力区域中的孔可能需要较小，以便不阻挡太多的入射超声波。
此外，在一些实施例中，来自头部15处的无应力区域中的参考孔的回波信号可用于在进行任何数据处理和演绎(interpretation)之前检查UT和电子设备(例如下面讨论的信号处理装置)的性能。
参照图11A，可以将l1定义为岩石锚杆头端24和反射器1之间的距离，l2定义为反射器2和趾端22之间的距离，τ1和τ2分别定义为沿着l1和l2的超声波往返TOF，l10、l20、τ10和τ20定义为当在第一时间点选取参考时，l1、l2、τ1和τ2的值。
由于反射器处于应力稳定区域，因此τ1和τ2的任何变化可能仅归因于温度变化。因此，可以通过测量剪切和纵向超声波在第一和第二时间点中的每一个时间点在岩石锚杆的第一和第二应力稳定区域上的附加飞行时间来确定温度校正值。即，通过对这两个应力稳定区域应用方程式(38)，可以获得：
Figure BDA0002029577870000141
和
Figure BDA0002029577870000142
求解上述两个方程式的T头部-T0，头部和T趾部-T0，趾部，可以得到：
Figure BDA0002029577870000143
和
Figure BDA0002029577870000144
此外，结合方程式(38)与方程式(34)并考虑方程式(43)和(44)，可以得到：
Figure BDA0002029577870000145
因此，如果感兴趣的区段是整个岩石锚杆，则方程式(45)简化为：
Figure BDA0002029577870000151
此外，如上所讨论，因为趾部区段的温度变化可以忽略不计(因为趾端22深深嵌入岩石14中)，所以可以通过令T趾部-T0，趾部＝0求解方程式(41)中的T头部-T0，头部，可以得到：
Figure BDA0002029577870000152
因此，考虑方程式(47)并设置T趾部-T0，趾部＝0，将方程式(38)代入方程式(34)，可以得到：
Figure BDA0002029577870000153
因此，基于方程式(48)，当趾部区段的温度变化可以忽略不计时，可以只需要一个参考反射器，即头部区段中的参考反射器，来确定温度校正值，并由此确定TOF的温度校正的相对变化。
如果感兴趣的区段是整个岩石锚杆，则方程式(48)简化为：
Figure BDA0002029577870000154
此外，如果使用相同类型的超声波来测量τD0和τj0，则τD0可以等于方程式(49)中的τj0。
因此，还可以确定岩石锚杆的永久伸长，而不需要提前对岩石锚杆进行实验室校准来确定例如温度系数CTL和CTS。在一些实施例中，用于确定永久伸长的方法可包括通过使用方程式(45)、(46)、(48)和(49)之一确定
Figure BDA0002029577870000155
和
Figure BDA0002029577870000156
确定
Figure BDA0002029577870000157
和
Figure BDA0002029577870000158
之间的关系，例如通过对弹性区域中所需数量的数据点绘制
Figure BDA0002029577870000159
对
Figure BDA00020295778700001510
通过计算弹性变形区域中
Figure BDA00020295778700001511
对
Figure BDA00020295778700001512
的斜率来计算
Figure BDA00020295778700001513
(如图6所示)；以及使用方程式(17)确定岩石锚杆的永久伸长。在这类实施例中，可能不需要校准的数据或实验室数据，并且需要的测量可全部在原位或在现场进行。
已经参考可以进行测量的两个时间点描述了上述实施例：在第一时间点，即参考状态，以及在第二时间点，即正在进行的状态。仅在两个时间点测量对于许多上述实施例来说足可以确定岩石锚杆的各种状态和状态变化。然而，可以采取在其他时间点的附加测量，即可以确定并且在本文描述的实施例中使用关于正在进行状态的附加信息。
在一些实施例中，可能需要在其他时间点的附加测量以获得相关结果。例如，当确定屈服型岩石锚杆(例如GarfordTM动态螺栓)的岩石锚杆行为值时，可能需要在其他时间点进行多次测量以监测岩石锚杆的正在进行的状态。
对正在进行的状态的附加测量可以帮助更快地检测被监测的岩石锚杆中的异常。然而，在所有实施例中不需要超出第二时间点的附加测量。测量还可以以期望的频率或以预定间隔进行。所需的测量频率可取决于安装有岩石锚杆的地面稳定性或岩石面稳定性。
此外，应注意，参考状态，即第一时间点，可以选取岩石锚杆使用寿命期间的任何时间点，而不管载荷或变形历史，并且本文描述的方法的实施例可以用于确定相对于该参考状态的相对塑性变形和应力变化。如果将岩石锚杆处于应力状态的时间点取作参考，则稍后(例如在第二时间点)测量的应力变化，可以相对于参考状态为正或负。
此外，如果在岩石锚杆张紧之后选取参考状态，则只要参考状态从未屈服，可使用本文所述方法的实施例来测量或确定相对于原始无应力状态的塑性变形。
用于岩石锚杆状态监测的方法的上述实施例可以应用于获得关于岩石锚杆的安装和/或岩石锚杆已经安装到其中的岩石的状态的附加信息。
例如，当仪表岩石锚杆，即设置为其状态被监测的岩石锚杆，在矿井或挖掘中被布置为网络，并且单个岩石锚杆比邻近的岩石锚杆感测到的应力小得多时，能够确定岩石锚杆是否被充分灌浆或以其他方式安装在岩石面中。
在另一示例中，当仪表岩石锚杆在矿井或其他挖掘中被布置为网络并且岩石面区域中所有装有仪表的岩石锚杆经历相同的载荷变化趋势时，能够检测并确定该区域的地面活动的存在和性质。此外，从分布式仪表岩石锚杆的各种组合获得的信息和测量值可以允许人们创建岩石面中应力状态或应力状态随时间变化的3D表示，示出风险区域。这种应力表示可通过将其与矿井应力状态的3D建模相结合得到进一步改善。此外，将分布式仪表岩石锚杆测量的应力分布与地震传感器检测的微地震活动信息相结合，可以使风险区域的识别更加可靠。
在另一个示例中，可以使用灌浆岩石锚杆的不同区段中TOF的测量来监测或确定灌浆的质量。因此，在一些实施例中，在任何地面运动前安装岩石锚杆之后不久就可以评估灌浆质量。
图11B示出了在拉伸测试期间将循环载荷施加到S20W钢筋螺栓。图11C示出了在由螺栓上的每个1mm的两个通孔限定的三个分段上测量的剪切超声波的TOF的相对变化(图11D)。对岩石锚杆完全灌浆。载荷从两个支承板之间的载荷传感器(load cell)施加到岩石锚杆。
如图11C所示，L1区段在载荷的每个阶跃变化时经历了显著的TOF变化，而L2和L3区段没有显示超出测量误差的任何TOF变化。这意味着由于L1区段中的灌浆质量更靠近岩石锚杆头部，载荷没有转移到L2和L3区段。
例如，如果L1区段没有很好地灌浆，则更多的载荷将转移到L2区段，并且因此，除了L1区段较大的TOF变化之外，还会观察到L2区段的更大的TOF变化。如果L1和L2区段都没有很好地灌浆，则所有三个区段都会观察到TOF的变化。
在一些实施例中，在实践中，可以在岩石锚杆已经稍微收紧之前甚至之后选取参考状态。在第二时间点，在进一步收紧岩石锚杆之后，可以再次测量每个区段的TOF。TOF相对于各个参考的相对变化以及这些变化在不同区段中的相对重要性可以提供在安装岩石锚杆之后不久灌浆质量的量度。
在实践中，在一些实施例中，一些类型的螺栓可以锚定在离散位置，而锚定位置之间的区段可以自由移动。例如，上面讨论的GarfordTM型屈服岩石锚杆在拉伸测试期间锚固在支承板和趾部上。如图11E所示，NormetTM D型螺栓可以锚定在标记为110、111和112的桨形区段。因此，载荷可以在锚定点之间自由转移。在这样的实施例中，可以仅使用一种类型的超声波来检测和估计锚定点之间的塑性变形。
作为示例，为了检查图11E中的D型螺栓的锚固区段110和111之间的区段，在每个区段中钻参考孔，优选地在最靠近锚定区段(标记为113和114)之间直杆的桨叶的中间钻孔。检查依赖于所施加的载荷相对于参考状态(例如，无应力状态)的变化与所选择的超声波类型的TOF的(温度校正的)变化之间的预先建立的校准曲线。
参照图11F，令校准曲线120为被检查的相同类型岩石锚杆的载荷变化Δ载荷对TOF的温度校正的相对变化ξ的预先建立的关系。令g(ξ)为表示该校准关系的函数：
Δ载荷＝g(ξ) (50)
根据方程式(1)和(2)，对应于弹性变形的斜率由
Figure BDA0002029577870000171
给出，其中j对于纵向波或剪切波分别为L或S。设P为当前状态点，其中TOF的经温度校正的相对变化在该点被测量为
Figure BDA0002029577870000172
单独的
Figure BDA0002029577870000173
的值不允许将当前载荷确定为穿过点P的垂直线上的任何点，并且校准曲线120上的点Q1与原始参考载荷水平下的点R3之间在不同载荷下时将产生相同量的
Figure BDA0002029577870000174
在螺栓先前已经达到曲线上的状态点Q2之后可以达到状态点P，然后在沿着从Q2到P的虚线弹性变形路径将载荷释放到状态P，或者在螺栓先前达到点R2的原始参考载荷水平之后，然后沿着从R2到P的虚线弹性变形路径重新加载到状态点P。
令R1是可以通过将状态点Q1的载荷释放到原始参考载荷而达到的状态点。由于卸载伴随着弹性变形，因此从点Q1到点R1的路径是斜率为
Figure BDA0002029577870000175
的直线。
令Q3为校准曲线120上的状态点，其可以通过沿着从R3到Q3的虚线弹性变形路径从状态点R3重新加载螺栓而达到。该路径是斜率为
Figure BDA0002029577870000176
的直线。点Q3的载荷值提供了对螺栓可能经历的最高载荷变化的估计，因为螺栓可能已经达到状态点Q3，然后沿着从Q3到R3的弹性变形路径返回到状态点R3。
Figure BDA0002029577870000177
和
Figure BDA0002029577870000178
的值，在ξ的水平轴上也被标记为
Figure BDA00020295778700001710
和
Figure BDA00020295778700001711
分别提供了螺栓区段的相对于该螺栓区段参考状态下的长度的相对塑性伸长的下限和上限的估计。
在数学上，可以通过求解方程式50的体系和以下Δ载荷方程式来确定岩石锚杆可能经历的最大载荷变化(即状态点Q3处的载荷变化)的估计。
Figure BDA0002029577870000179
其中方程式(50)和(51)分别表示校准曲线120和通过点R3和Q3的直线。解是它们的交叉点。
再次参照图11F。可按如下获得相对于参考状态的最小和最大塑性伸长的估计：
Figure BDA0002029577870000181
Figure BDA0002029577870000182
其中l0是被检查的岩石锚杆区段处于参考状态时的长度。
应注意，校准函数Δ载荷＝g(ξ)不必是显式数学形式，而是可为测量数据表的形式。方程式(50)和(51)s的解和
Figure BDA0002029577870000183
l的计算可以通过包括数值插值的数值方法来实现，以找到在TOF的温度校正的相对变化的给定值下Δ载荷的值。
应当理解，尽管以上讨论主要针对纵向波和剪切波，但是相同的测量原理可以应用于其他类型的声波，例如，不同模式和频率的引导声波，以及本公开没有明确讨论的类型的岩石锚杆，例如薄壁可充气岩石锚杆或薄壁分裂设置岩石锚杆等。
上面公开的实施例包括检测和/或测量在岩石锚杆的区段或整个长度上行进的超声纵向和/或剪切波的TOF。因此，可能需要分析从超声波的测量获得的信号以确定例如TOF。在这方面，现在将描述超声波传播的一些原理和检测超声波回波的实施例。
参照图12，通常，当高频纵向波26(由平行箭头表示)沿着柄或轴向方向在岩石锚杆12的圆柱形杆30内部传播时，一些能量将被转换为以角度θ倾斜地传播的剪切超声波28(用虚线箭头表示)。该转换可以称为“模式转换”。
反过来，当转换的剪切超声波28行进时，其一些能量将被转换回纵向超声波26。纵向和剪切超声波之间的转换发生在杆边界32上的每一点处，导致来自反射表面(未示出)，例如杆中的参考孔或杆的趾端的多个回波。连续回波之间的时间延迟可以定义为：
τ＝(d/cosθ)/vS-dtanθ/vL (54)
其中d是杆直径，VS和VL分别是剪切和纵向超声波的速度，θ可以由下式给出：
θ＝sin-1(vS/vL) (55)
作为示例，图13示出了在施加轴向载荷之前从GarfordTM动态螺栓的趾端反射的纵向波回波信号。信号由相对较弱振幅的直接回波引导，直接回波之后是由纵向和剪切超声波之间的模式转换产生的较强振幅的尾部回波。
虽然，在上面公开的一些实施例中，可能对确定直接回波的TOF感兴趣，但是如果回波的振幅与信号中的噪声和尾随回波的振幅相比太弱，则可能难以这样做。
在一些实施例中，可以通过测量具有比直接回波具有更强振幅的尾部回波的TOF来确定直接回波的TOF，例如，通过测量第三尾部回波的TOF。然后可以使用以下通式确定直接回波的TOF：
τL_直接＝τTE_n-n*τ (56)
其中τTE_n表示纵向超声波的第n个尾部回波的TOF。在上面的例子中，如果使用第3尾部回波，则n用3代替。
然后可以通过将互相关方法应用于一对相对高质量的相邻尾部回波来确定连续回波之间的延迟τ。也可以使用尾部回波的其他组合。例如，如果使用第1和第3尾部回波，则τ值将是这两个尾部回波之间的时间延迟除以2。
当杆受到应力时，超声波信号波形可由于应力变化或螺栓变形而改变。图14示出了在八次载荷循环之后并且在载荷释放之后针对与图13中相同的岩石锚杆获得的回波信号。与图13相比，除了TOF增加之外，直接回波由于噪声而更难以辨别，如“直接回波”旁边的问号所指明。因此，如果用户要继续监视岩石锚杆的状态，则他或她可能无法识别应该使用哪个回波。例如，他或她可能将第4尾部回波误认为第3尾部回波，结果产生错误的状态评估或岩石锚杆状态变化。
在一些实施例中，可以通过跟踪相应的剪切超声波或回波来识别期望的纵向超声回波。
图15A和图15B分别示出了在与获得图13和14中所示纵向超声波信号相同的时刻获得的剪切超声波回波信号。图15A对应于图13，图15B对应于图14。
在这方面，应注意，沿岩石锚杆的柄方向传播的剪切超声波不经历模式转换，因此不会转换成纵向超声波。因此，在图15A和15B中没有识别尾部回波。因此，跟踪剪切超声波回波可比跟踪纵向超声波回波容易。
此外，应注意，纵向超声波的TOF对载荷比剪切波的TOF更敏感。这可以在图16中看到，图16示出了在GarfordTM动态螺栓的拉伸测试中获得的结果。当螺栓受到应力时，纵向超声波的TOF的相对变化总是大于剪切超声波的TOF的TOF的相对变化。换言之，可以给出以下关系式：
Figure BDA0002029577870000191
其中ΔτL_直接和Δτs分别是直接纵向超声波回波和剪切超声波回波的TOF相对于它们各自在参考或第一时间点τL_直接0和τs0的初始值的变化，其都是在温度效应消除后。关系式(57)可以改写为
Figure BDA0002029577870000192
图17显示了对GarfordTM动态螺栓的相同拉伸测试测量的ΔτL_直接和(Δτs/τs0)*τL_直接0之间的差异。负值是测量误差的结果。应注意的是，对于这种类型的岩石锚杆和对于这种特定的测试，ΔτL_直接不会偏离(Δτs/τs0)*τL_直接0超过两个连续尾部回波之间的时间延迟τ，如图13所示。
因此，在一些实施例中，可以通过下述确定纵向超声波的直接回波的TOF：
(1)选择最好质量的纵向超声波回波；
(2)确定所选回波的TOF并校正温度的影响，从而将温度校正的TOF表示为τL_选择；
(3)确定测量信号的两个连续回波之间的时间延迟τ；
(4)计算τL_选择-τTE_n_0，其中τTE_n_0是在第一时间点采用参考时第n个尾部回波的初始TOF值，使用τTE_0_0来表示τL_直接0，对所有τTE_n_0继续这样做；
(5)识别以下条件成立的n值(即第n个回波)：0＜τL_选择-τTE_n_0＜τ(59)，如果τTE_n_0中没有一个满足上述条件，则丢弃当前信号，因为当前信号可能已被噪声破坏；和
(6)按如下确定ΔτL_直接：
Figure BDA0002029577870000201
应注意的是，只要τL_直接没有偏离(Δτs/τs0)*τL_直接0超过两个相邻尾部回波之间的时间延迟，上述实施例可能才适用。因此，实施例对给定类型岩石锚杆的适用性和适用应力范围可以在实验室或其他初步测试中预先确定。但是，方程式(56)可适用于许多或所有已知类型的岩石锚杆。
此外，与完全灌浆的岩石锚杆(其中尾部回波被灌浆材料部分地吸收)相比，高端动态螺栓(例如，GarfordTM动态螺栓和NormetTM D型螺栓)的检查可能更有可能受益于上述实施例，因为它们倾向于较少地灌浆。因此，在这些岩石锚杆中，尾部回波可能更加明显。
实验室测试表明，纵向波波回波信号的波形可能对岩石锚杆的变形(例如弯曲)比剪切波回波信号更敏感。因此，提供了一种用于检测岩石锚杆的弯曲的方法。该方法包括测量纵向和剪切波回波信号的波形变化，例如，当前波形相对于参考波形的振幅或互相关系数，然后比较纵向波回波信号的波形变化与剪切波回波信号的波形变化。纵向波回波信号的波形相对较大的变化伴随剪切波回波信号的稳定波形时表明岩石锚杆变形。此外，纵向波形的变化与剪切波形的变化之间的差异可以提供岩石锚杆变形(例如弯曲)的量度。
确定回波信号的TOF相对于参考状态的TOF的变化的一种方式是计算当前回波信号的波形相对于参考信号的位移量。这样做将要求参考信号的波形以数字形式存储在存储介质中，并在需要比较时调用。由于参考信号的波形对于每个单独的螺栓是唯一的，因此可以优选地比较来自同一螺栓的相同参考反射器的信号的波形。
如果需要检查大量的岩石锚杆，则优选以电子方式标记每个仪表岩石锚杆可能是有益的，例如利用射频识别(RFID)标签。当检查岩石锚杆时，检查系统可以读取标签，然后调用预先存储的与标签相关(即与被检查的岩石锚杆相关)的参考波形，然后将当前波形与调用的参考波形进行比较，来确定各个回波信号的TOF，最后在相同的标签识别号下记录和/或传送新获得的检查信息。依据信号处理和数据分析需要，可以调用与相同标签识别号相关的更多历史信号和检查信息。
此外，应注意，在实践中，许多岩石锚杆具有尖的趾部，以便于在安装期间螺栓穿过灌浆。为了从岩石锚杆的趾部获得改进质量的超声回波信号，可能希望在趾部形成方形切口以增加反射区域。可以将一尖形塑料护套推到趾端上，以便于将其安装到灌浆中。这种塑料护套的另一个好处是可以减少对灌浆的超声能量损失，因为即使在趾部和塑料护套之间的小气隙也可以防止超声波能量在趾部损失。
现在将更详细地描述用于岩石锚杆状态监测的系统的实施例。所述系统的实施例可以用于执行一个或多个上述方法的实施例。
在一些实施例中，用于岩石锚杆状态监测的系统可以是用于不接触并且同时激发和检测超声波的系统。
图18A示出了根据本公开系统的一个实施例的横截面示意图。该系统可包括第一部件34，用于固定到从岩石面延伸出来的岩石锚杆12的头部15；和一个或多个超声换能器10a，10b等。应注意，图18A中仅示出了两个超声换能器。因此，以下描述中的一些将涉及两个超声换能器。然而，如下面关于图21至24所讨论的，该系统可包括另外的超声换能器。该系统还包括用于接近第一部件34的第二部件36。
在一些实施例中，第一部件34包括可操作地连接(例如电连接)所述一个或多个超声换能器10a，10b的换能器感应线圈38。第二部件36包括感应线圈40。
如所示，在使用中，所述一个或多个超声换能器10a，10b可以布置在第一部件34和岩石锚杆12之间。具体地，在所示实施例中，所述一个或多个超声换能器10a和10b与岩石锚杆12的前表面42可操作地接合，例如导电接合。可以使用导电粘合剂，例如银环氧树脂膏剂(未示出)，将所述一个或多个超声换能器10a，10b安装在前表面42上。
类似地，所述一个或多个超声换能器10a，10b可以可操作地接合第一部件34。例如，导电橡胶层44可以定位在所述一个或多个超声换能器10a，10b和第一部件34之间，与所述一个或多个超声换能器10a，10b直接接触。
具体地，在一些实施例中，可以在所述一个或多个超声换能器10a，10b的顶表面和底表面上均涂覆薄导电层。这些导电层可以用作电极。可以例如使用银环氧树脂膏剂，将底部电极导电粘合到也是导体的岩石锚杆的前表面42。然后将顶部电极与导电橡胶层44接触。
此外，金属箔46可以布置在导电橡胶层44和第一部件34之间，金属箔46接触导电橡胶层44和第一部件34的接触表面47。第一引线或引线48也可以设置为将金属箔46可操作地连接(例如电连接)到换能器感应线圈38。具体地，在一些实施例中，金属箔46可以焊接到线圈(例如引线48)的1个电引线上。
因为，在一些实施例中，所述一个或多个超声换能器10a，10b由易碎的压电陶瓷材料制成，如果换能器感应线圈38直接连接到所述一个或多个超声换能器10a，10b，则所述一个或多个超声换能器10a，10b在不均匀的力或尖锐的力下容易破裂，当第一部件34固定到头部15并且施加夹紧力时，线圈的第一引线48可能破坏制成所述一个或多个超声换能器10a，10b的材料。导电橡胶层44可用于使夹紧力均匀。
此外，由于将第一引线48直接焊接到导电橡胶层44可能是困难或不切实际的，因此在一些实施例中，提供金属箔46以用作第一引线48和导电橡胶层44之间的桥接。
在一些实施例中，如果同时使用多个超声换能器，则接触表面47可以成形为适应不同厚度的超声换能器。
因此，在一些实施例中，在使用时，第一部件34可以固定到岩石锚杆头部15，从而将所述一个或多个超声换能器10a，10b固定在适当位置并且与第一部件34和岩石锚杆12可操作地接合。
第二部件36可以包括从感应线圈40引向电缆连接器52的第二引线或引线50，电缆连接器52在使用中可以可操作地连接到信号检测和处理装置，例如电子信号产生、检测和处理装置。例如，所述系统可以包括超声波脉冲发生器/接收器51，用于为感应线圈40供电和捕获感应线圈40检测的电信号。脉冲发生器/接收器51还可以连接到电子设备53以进行数据记录、处理和/或岩石锚杆状态的显示和通信。当存在时，脉冲发生器/接收器51可以手动或通过电子设备53控制。
在一些实施例中，电子设备53可以是配备有数据采集板的便携式计算机。电子设备53可以硬连线到电源插座、可以由电池供电，和/或可以由电池供电并且可以以无线方式操作。脉冲发生器/接收器51可以由电子设备经由USB端口、由电池或由AC电源直接供电。
在一些实施例中，将电缆连接器52连接到超声脉冲发生器/接收器51的电缆可以是50欧姆同轴电缆。类似地，连接脉冲发生器/接收器51和电子设备53的电缆可以是50欧姆的同轴电缆。在一些实施例中，可用绞合线或USB电缆在脉冲发生器/接收器51和电子设备53之间传输数字化超声和数字控制信号。
电子设备53还可以包括本领域技术人员已知的其他电子部件，例如微控制器、数字信号处理芯片和RF模块。
此外，在一些实施例中，脉冲发生器/接收器51和电子设备53的功能可以组合在单个集成设备中。
在一些实施例中，信号电缆连接器52可以位于第二部件36上的期望位置。例如，信号电缆连接器52可以居中，面向岩石锚杆头部15或在第一部件的圆周侧55上。
如图18A所示，在一些实施例中，第一部件34可以固定到岩石锚杆12，特别是岩石锚杆的头部15。第一部件34可以通过安装在岩石锚杆头部15的适配器54固定到岩石锚杆头部15。第一部件34可以通过螺钉或螺栓56安装到适配器54，而适配器54安装在岩石锚杆头部15。在所示的实施例中，适配器周向地环绕岩石锚杆头部15。
可借助于一对或两对抗振螺钉(未示出)，将适配器54固定到岩石锚杆12上，其中所述抗振螺钉在穿过岩石锚杆12的中心线的适配器的相对侧上并在垂直于螺栓柄的方向上穿过螺纹孔。螺钉可以用粘合剂固定，例如，一种
Figure BDA0002029577870000221
螺纹锁型胶水或安全线。
现场应用中可能需要螺钉的抗振特性，以应对爆炸引起的振动、地震活动，甚至某些岩石锚杆本身在超过屈服应力时的振动(例如，GarfordTM动态岩石锚杆)。
在一些实施例中，适配器54也可以这样的方式设计：它可以直接拧到螺纹岩石螺杆头部15上。在这种情况下，可以应用粘合剂将适配器54固定在岩石锚杆头部15的螺纹表面之间。
在一些实施例中，适配器54和第一部件34可以被设计成并制成一体部件，以直接拧到螺纹岩石锚杆头部15上。
如图18A所示，可以提供另一金属箔57，以通过第二引线或引线59将适配器54可操作地连接(即电连接)到换能器感应线圈38。因此，所述另一金属箔57可以用于将所述一个或多个超声换能器10a，10b的底部电极可操作地连接(即电连接)到换能器感应线圈38。具体地，如果适配器54由导电金属制成，并且金属适配器54与岩石锚杆12(另一导体)电接触，则可以实现这一点，其中岩石锚杆12转而与所述一个或多个超声换能器10a，10b的底部电极导电接触。
橡胶垫片58可以定位在适配器54和第一部件34之间。当第一部件34安装到适配器54上时，橡胶垫片58可以用于允许调节施加到第一部件34的夹紧力，以有助于维持所述系统的各元件之间的合适的可操作的接触，例如电接触，其中所述系统的各元件为可操作的接触，即电接触和/或导电接触，而不会引起可能损坏所述一个或多个超声换能器10a，10b的过大的力。如上所述，这可以通过导电橡胶层44的存在而得到进一步辅助。
此外，在一些实施例中，适配器54和第一部件34可以完全封装到岩石锚杆，例如，借助于可热收缩的胶囊，或除热外可以通过应用其他来源而收缩的其他类型的胶囊，如紫外线照射和其他化学或物理手段。将适配器54和第一部件34封装在胶囊中可有助于保护所述一个或多个超声换能器10a，10b、换能器感应线圈38和任何其他部件免受矿井或挖掘环境中的湿气和其他污染物。
类似地，在一些实施例中，第二部件36也可以被封装。
在操作中，第二部件可以充分靠近第一部件，以便为所述一个或多个超声换能器10a，10b感应供电，从而激励这些超声换能器发射超声波。
如上所述，在两个或更多个超声换能器10a，10b布置为并排配置的实施例中，它们的底部电极通过与岩石锚杆15(即，电导体)的前表面42电接触而电连接；顶部电极也通过与导电橡胶层44电接触而电连接。
因此，当换能器感应线圈38从感应线圈40接收电磁激励时，感应线圈38的两个引线48，59之间的激励电压将施加于所述一个或多个超声换能器10a，10b中的全部超声换能器。换言之，可以同时激发所述一个或多个超声换能器10a，10b中的全部超声换能器。
当两个或更多个超声换能器以堆叠配置布置时(如下所述)，相邻的超声换能器(它们是相接触的)之间的电极可以通过施加粘合剂而电连接在超声换能器之间，以改善换能器之间的声学和电耦合。在一些实施例中，粘合剂可以是高性能银膏。这样，当顶部超声换能器的顶部电极和底部超声换能器的底部电极各自电连接到感应线圈38的引线之一时，所有超声换能器可以在换能器感应线圈38接收到来自感应线圈40的电磁激励时同时被激励。
此外，当之后超声回波被所述一个或多个超声换能器10a，10b检测到时，则所产生的信号将从换能器感应线圈38感应传输到感应线圈40。
在一些实施例中，射频识别(RFID)标签60可以在换能器感应线圈38的前面、后面或旁边包括在、定位到或嵌入第一部件34中。在图18A所示的实施例中，RFID标签60位于换能器感应线圈38的前面。RFID标签60可用于识别其状态正在监测的岩石锚杆12。
在系统的一些实施例中，可以包括无源RFID温度应答器62，用于测量岩石锚杆头部15的温度。RFID温度应答器62可以安装在岩石锚杆头部15上或安装在适配器54上，图18A中示意性地示出了这两种可能的位置。
因此，在一些实施例中，第二部件36还可以包括RFID天线64。RFID读取器或天线64可以位于感应线圈40的后面，因此它不会妨碍感应线圈。
因此，如果存在，RFID读取器64可用于读取RFID标签60和/或无源温度应答器62，并通过信号线66将这些读数传递到电缆连接器52并传递到信号处理装置。
图18B示出了图18A所示图的变体。如图18B所示，在一些实施例中，感应线圈40可代替天线64用于RFID标签读取，在这种情况下，天线64不是必需的。反之，可以使用天线64代替感应线圈，因为RFID天线本身可以是线圈，并且在这种情况下，感应线圈40可以不是必需的。简言之，感应线圈40和天线64可以用单个线圈(例如，线圈40)代替。当开始检查时，线圈40可以连接到电子设备69用于读取RFID。然后，线圈40可以切换到不同的电子设备51和53，以产生、检测和处理超声信号并显示结果。设备69和设备51(和/或设备53)之间的切换可以通过开关100实现。开关100可以是手动的或电子的，例如固态继电器。在其为电子的情况下，开关100可以由电子设备53通过命令信号101控制。
第一和第二部件34，36可以以各种方式制造或生产，例如通过3D打印、注塑或以非导电树脂冷塑。因此，如换能器感应线圈38、感应线圈40、RFID读取器64、第一和第二引线48，59、信号线66和其他可能的部件等各种部件可以嵌入冷塑树脂中或者注塑或3D打印的部件中。然而，可以存在本领域技术人员已知的其他合适的方式来制造第一和第二部件34，36并连接所述各种部件。
适配器54可以由钢或其他合适的金属(例如铝)制成。
第一和第二部件34，36可以具有不同的配置、几何图形和形状。在一些实施例中，第二部件36被配置用于选择性安装到第一部件34。
在一些实施例中，由于第一和/或第二部件34，36的构造和形状，可以使第二部件36紧密接近或接触第一部件34——尽管存在螺栓56的螺栓头68，或者可以根据需要，将第二部件36安装到第一部件34。
现在将参照图19A和19B描述第一和第二部件34，36的一种可能的这种构造。
如图19A所示，第一部件34可以是圆柱形的，具有围绕第一部件34的圆周以大致相等的距离间隔开的钻孔70(在图18A中以横截面示出)，第一部件34可以通过钻孔70安装到适配器54。
如图19A和19B所示，在一些实施例中，第二部件36可以构造成具有中心部分72和多个突起74，所述突起74从中心部分72向外突出且位于与中心部分72相同的平面中。当突起74从中心部分72延伸时，突起74从较窄的近端部分76向较宽的远端部分78张开。因此，突起74提供了第二部件36的齿轮状形状。
突起74彼此间隔开，使得第二部件36可以在一个方向上与第一部件34紧密接近或接触，螺栓56的头部68从第一部件34延伸出并进入突起74之间的空间中。
同时，在第二部件36顺时针或逆时针旋转的另一个方向上，如图19B所示，每个突起74中的钻孔80与第一部件34中的钻孔70对齐。因此，可以使用用于将第一部件34安装到适配器54的相同螺栓56将第二部件36安装到第一部件34。
上述一个或多个超声换能器10a，10b可以是压电超声换能器。具体地，在一些实施例中，一个或多个超声换能器可以是锆钛酸铅(PZT)超声换能器。
作为一个示例，超声换能器可以由APC International，Ltd.生产的APCTM 855(海军型VI)材料制成。具体地，在一些实施例中，一个或多个超声换能器可以是PZT盘或板。
在高压脉冲激励下，逆压电效应将使压电超声换能器以其厚度的共振频率振动。由此产生的振动将作为超声波传递到岩石锚杆12并通过岩石锚杆12传播。当从岩石锚杆12内部的反射器反射的回波撞击相同的超声换能器时，超声换能器的压电效应将该回波的机械振动转换为电压信号，该电压信号可以用超声接收器(例如脉冲发生器/接收器51)捕获。作为一个示例，将具有300微焦耳脉冲能量的475伏的激励脉冲施加到感应线圈40，以在CW20钢筋岩石锚杆拉伸测试期间产生足够强度和质量的回波信号。
由于超声换能器可以在厚度振动模式下操作，因此超声换能器的操作频率主要由PZT盘或板的厚度确定。可以选择PZT盘/板在期望的操作频率下谐振的厚度，以在该频率下获得最佳性能。此外，除了厚度之外，可以基于岩石锚杆12的前表面42上的可用区域以及岩石锚杆12的声学特性和几何形状与长度来确定超声换能器的其他几何尺寸。
此外，因为超声换能器的尺寸可能影响其性能，所以当同时使用多个超声换能器时，可能需要对不同类型的超声换能器使用不同的尺寸以实现平衡性能。例如，可能希望对于来自岩石锚杆的趾端的纵向和剪切超声波回波具有类似振幅。
作为一个例子，在GarfordTM动态岩石锚杆拉伸测试中同时使用APCTM 855的7.5MHz、4.0mmx6.5mm纵向超声波PZT和并排配置的APCTM 855的2.5MHz、7.4mmx7.4mm剪切超声波PZT产生质量足够的足够强的纵向和剪切超声波回波信号。使用图21A中的传感器布局。
关于感应线圈的设计，该线圈的线直径、尺寸和匝数可以被优化以匹配超声换能器的机电特性，用于在期望的和/或预定的超声换能器操作频率下使激励和检测性能最佳。在一个例子中，线圈直径30mm且由0.15mm直径的搪瓷铜线制成的五匝线圈产生了令人满意的结果。
如上所述，每个超声换能器的尺寸可以根据岩石锚杆的具体类型和/或待监测的状态来确定。因此，可以获得超声换能器板并将板的各部分切割成所需的形状和尺寸，以用于上述系统和方法。
此外，在脉冲激励下，超声换能器不仅可以在厚度方向上谐振，以产生所需频率的超声波，而且可以在横向方向上谐振，以在低得多的频率下产生不希望的振动。这些噪声可使所需的超声信号和回波重叠，以测量TOF。此外，当多于一个的超声换能器同时使用时，由这些超声换能器产生的超声波也可以彼此重叠。
因此，可期望使用不同频带的超声换能器并且将带通数字滤波器单独地应用于每个超声换能器的频带，以挑出有用的回声信号。这种带通滤波器可以是信号处理装置(例如电子设备53)的一部分。
现在将参照图20A至20C描述带通滤波器的应用的一个例子。图20A显示了来自树脂中灌浆的仪表C20W钢筋螺栓上的各参考点的原始超声回波信号的轨迹。L第1孔、L第2孔和L端部分别表示来自第1和第2直径1mm的通孔和来自岩石螺栓趾端的纵向波的回波，S第1孔、S第2孔和S端部是来自相应参考点的剪切波的回波。由于纵向超声波换能器和剪切超声波换能器被激励并用于同时接收回波，所以所有回波都出现在同一信号轨迹中。此外，每个超声换能器的横向振动在信号中产生低频噪声，使得信噪比足够低，因此信号可能不如期望的那么有用。因为纵向和剪切超声换能器分别在非常不同的标称中心频率，即7.5MHz和2.5MHz下运行，所以可以通过应用适当的数字滤波器来改善信号的质量。在这方面，图20B显示了与图20A相同的信号，但应用了5.0至8.0MHz的带通滤波器。类似地，图20C显示了与图20A相同的信号，但应用了2.5至3.5MHz的带通滤波器。可以看出，带通滤波器的应用可以帮助区分信号中的回波和噪声。在一些实施例中，可以将不同的数字滤波器应用于每个单独的回波，以改善信噪比。
虽然已经描述了用于岩石锚杆状态监测的非接触式系统的实施例，但是在不使用感应线圈的情况下，用于岩石锚杆状态监测的系统的其他实施例也是可以的。
例如，在一些实施例中，所述一个或多个超声换能器10a，10b的底部电极和顶部电极可以在不使用任何感应线圈的情况下可操作地直接连接到电缆连接器52。这可以是自动无线检查系统集成到第一部件34的情况。
此外，在一些实施例中，脉冲发生器/接收器51和/或电子设备53的功能可以直接结合到第一部件34中，例如直接冷塑到第一部件34中，或者结合到固定到第一部件34的电子盒中。在一些实施例中，图18A中所示的除岩石锚杆之外的所有部件可以作为单个部件提供，该单个部件被拧到和/或胶合到岩石锚杆12的螺纹头部15上。
在一些这样的实施例中，可以仅包括一个温度应答器(RFID或其他)，其直接在岩石锚杆头部15上或者在与岩石锚杆头部15处于热平衡的系统的另一部分上。
此外，如果所述一个或多个超声换能器10a，10b之一以无源方式用作振动传感器，如下所述，则使用感应线圈可能是不希望的，因为它们可切断低于1MHz且在没有线圈的情况下将被所述一个或多个超声换能器10a，10b检测到的所有频率。
现在将参考图21A-F、22、23A、23B和24A-F描述一个或多个超声换能器10a和10b的各种可能配置。
首先，应注意，下面描述的超声换能器的各种配置可以用在上述非接触式系统的实施例中，或者用在岩石锚杆状态监测的系统的不同实施例中，例如，不是非接触式的实施例中。
参照图21A和21B，在一些实施例中，系统可包括配置成发射剪切超声波的第一超声换能器82和配置成发射纵向超声波的第二超声换能器84。在使用中，第一和第二超声换能器82，84以并排配置布置在岩石锚杆12的头部15上，特别是岩石锚杆头部15的前表面42上。例如，第一和第二超声换能器82，84可以使用导电银环氧树脂膏剂安装在前表面42上，如上所述。
在一些实施例中，第一超声换能器82配置成以第一频率发射剪切超声波。第一频率可以在1到10MHz之间，例如2.5MHz。
在一些实施例中，第二超声换能器84配置成以第二频率发射纵向超声波。第二频率可以在1到10MHz之间，例如7.5-8MHz。
第一和第二超声换能器82，84可以被配置为矩形压电板，其平行地且并且并排地布置在岩石锚杆头部15的前表面42上基本同一平面中。
由于第一和第二换能器82，84的并排配置，可以更好地分离剪切和纵向超声波中每一个的信号响应。例如，通过对从超声换能器接收的信号应用带通滤波器，可以更好地隔离剪切和纵向超声波中每一个的信号，使得可以在所公开并在上面描述的方法中更准确地确定TOF。
超声换能器10a，10b，82和84的其他形状、配置和相对布置也是可以的。例如，在一些实施例中，一个或多个超声换能器可以是圆形的或具有不同的几何形状。换能器之间的间隔可以改变，也可以改变它们彼此的相对位置。这种变化可取决于多种因素，包括状态受到监测的岩石锚杆的形状、材料和类型。
类似地，配置所述一个或多个超声换能器中的每一个以发射波的频率可以依据被监测的岩石锚杆的特性而变化。如上所述，依据被监测岩石锚杆的类型，某些频率或频率范围对于给定的波类型可能是更希望的。
因此，在原位安装设备之前，可以例如在实验室环境下进行初始测试，以确定特定岩石锚杆的超声换能器的最佳频率、形状、配置和布置。在这个意义上，用于岩石锚杆状态监测的系统的实施例可以适合于特定类型的岩石锚杆或岩石锚杆类别。
还如图21C所示，该系统的一些实施例包括另外的超声换能器，例如扭转超声换能器86。例如，如果对岩石锚杆的不同特性感兴趣，则这可能是期望的。具体地，沿着岩石锚杆传播的扭转波可以使螺栓柄表面在平行于该表面的圆周方向上振动。灌浆的存在可吸收扭转波能量并影响其传播速度。因此，扭转超声波可能有助于感测灌浆质量。因此，在一些实施例中，附加的换能器还可以帮助获取关于岩石锚杆的状态或状态变化的附加信息。
扭转超声换能器86可以沿着岩石锚杆头部15的前表面42的圆周布置。扭转超声波可以非常适合于在安装岩石锚杆时监测围绕岩石锚杆的灌浆。
如图21D和21E所示，附加的超声换能器87可以是放置在换能器82和84旁边的纵向或剪切波超声换能器，用于检测回波信号和确定来自岩石锚杆头部15无应力区域中的参考反射器的TOF。由于换能器87和所述参考反射器之间的距离短，所述参考反射器可以是浅孔88，其可以通过换能器87看到但不会太深以至于干扰换能器82和84产生的超声波。
此外，换能器87可以具有比换能器82和84小的尺寸，以最小化其能量消耗。此外，换能器87可以通过下述方式具有较高中心频率：由换能器87产生和检测的较高频率波在检测到由换能器82和84产生并从较远的参考反射器反射的较低频率波之前显著消失。应注意，由于较高频率波具有高得多的声学衰减，较高频率的超声波仅能够行进比较低频率短得多的距离。换能器87的这种布置可以用于使用方程式(45)、(46)、(48)和(49)之一来确定TOF的温度校正的相对变化，其中需要换能器87和参考孔88之间的TOF。
图21A至21D、21F和22中的双头箭头表明了由发射的剪切波和扭转波引起的粒子振动方向。这在本文中称为波的极化。依据被监测的岩石锚杆的特性，可能希望不同的超声波极化。例如，对于具有非圆周几何形状的岩石锚杆，例如图22的区段中所示钢筋螺栓89，剪切超声波的极化方向的取向可对信号质量和信号携带的信息产生不同的影响。
而且，可以沿着或垂直于钢筋螺栓89的脊线90选择性地使剪切波极化定向，以有利于回波信号的强度或有利于对螺栓的横向变形的敏感性。这同样适用于在轴向具有一定对称性的其他类型的螺栓，例如，DYWIDAG
Figure BDA0002029577870000271
或D型螺栓。
在使用1个纵向超声换能器84和1个剪切波换能器82的实施例中，可优选使用剪切波换能器82来检测回波信号和确定来自岩石锚杆头部15无应力区域中的参考反射器的TOF。这是因为剪切波的速度对温度更敏感(如图2所见)，并且比纵向波的速度慢(即，TOF更大)；因此，对于TOF测量中的给定绝对测量误差，剪切波检测可以在测量TOF的相对变化时提供更好的准确度。为此，优选在剪切波换能器82的位置下方钻出参考孔88，如图21F所示。
在其他实施例中，可以对一个或多个超声换能器进行不同的配置。图23A和23B示出了三个超声换能器的配置：第一和第二换能器82，84如上所述为排配置，第三超声换能器92与第一超声换能器82堆叠配置。
在其他实施例中，第三超声换能器92也可以堆叠在第二超声换能器84上。
依据所需的信号质量，第三超声换能器92可以在第一或第二超声换能器82，84之上或之下。
在一些实施例中，第三超声换能器92可以配置为发射剪切超声波，而在其他实施例中，第三超声换能器92可以配置为发射纵向超声波。
在第三超声换能器92被配置为发射纵向超声波的实施例中，可能希望第三超声92换能器以第三频率发射波，所述第三频率高于第一和第二超声换能器82，84的第一和第二频率。如上所述，这可有利于检测回波信号和确定来自岩石锚杆头部15无应力区域中的参考反射器的TOF。因此，可以以下述方式选择第三超声换能器92的操作频率：由第三超声换能器92产生的高频波快速衰减，从而不干扰由另外两个超声换能器产生且晚些到达的回波信号的检测。
在第三超声换能器92被配置为发射剪切超声波的实施例中，其极化方向可以垂直于第一超声换能器82的极化方向，使得极化差为90°。此外，除了测量轴向应力和塑性变形之外，具有配置以垂直极化的两个剪切超声换能器可以提供用于检测岩石锚杆弯曲的额外手段，因为当岩石锚杆弯曲时具有两个不同振动方向的剪切波的行为不同。
图24A和24B示出了另一实施例，其中存在三个堆叠的超声换能器，其中两个是用于发射具有彼此垂直的极化方向的剪切超声波的超声换能器，并且其中一个，即最底部的一个，是用于发射纵向超声波的超声换能器。因此，例如，最底部的换能器是第二超声换能器84，中间的换能器是第一超声换能器82，顶部的换能器是第三超声换能器92。这些超声换能器的顺序可以改变成适合特定的岩石锚杆和检测需求。除了测量轴向应力和塑性变形之外，该传感器配置还可以检测岩石锚杆是否弯曲，因为具有两个不同振动方向的剪切波在弯曲下的行为不同。
应注意，在上述实施例中，形状、尺寸、位置和堆叠顺序可以改变并使之适合于特定的岩石锚杆和监测需求。
此外，在一些实施例中，配置为发射剪切超声波的第四超声换能器可以堆叠在配置为发射剪切或纵向超声波的任何超声换能器上。第四超声换能器可以具有极化，使得被配置为发射剪切超声波的超声换能器的极化彼此相差45°。一种这样的可行配置分别在图24C和24D中示出，其中第一和第二剪切超声换能器83和85堆叠，它们的极化相隔90°，并且纵向超声换能器91堆叠在第三剪切超声换能器93上，第三剪切超声换能器的极化为45°。
而且，图21D和21E所示的附加换能器87可以添加到本文公开的传感器的任何其他配置中，用于检测螺栓头的无应力区域中的参考孔88。
在一些实施例中，一个或多个超声换能器可以具有代替或除了用于激励和检测超声波的功能之外的功能。例如，超声换能器之一可以被配置为也用作振动传感器或者仅以无源方式用作振动传感器。在这样的实施例中，如果该超声换能器检测到地震或爆破事件，则电子系统可以自动切换到活动模式并使用所有超声换能器或其他超声换能器来测量和/或监测岩石锚杆状态的任何变化。
在一些实施例中，还可以在一个或多个超声换能器的顶部添加导体层。这可以帮助创建相等高度的堆叠。例如，如果使用三个超声换能器，其中两个被堆叠，则堆叠的换能器的高度可以高于单个超声换能器。因此，可以在单个超声换能器的顶部添加导体94以匹配两个堆叠的换能器的高度。这种配置如图24E和24F所示。这可以有助于形成均匀的表面，用于与例如上述系统的实施例的导电橡胶层44可操作地连接。
应注意，超声换能器的所有上述特征和实施例可适用于关于图18A描述的所述一个或多个超声换能器10a，10b。
将参照图25A至25C所示的分解图描述系统的另一个实施例。在该实施例中，螺母201和螺纹套环203用于将传感器部件204(例如，图18A的实施例中的第一部件34)保持抵靠岩石锚杆头部15的暴露端部，而接收器部件207(例如，图18A的实施例中的第二部件36)将附接到传感器部件204。
压电元件202，例如上述PZT换能器，可操作地连接(例如导电地胶合)到岩石锚杆头部15的暴露端上。
橡胶环或垫圈205可用于提供密封，例如防水密封。
弹簧加载的电连接器206a，b和c可用于将感应线圈(例如上述感应线圈38)连接到压电元件202的顶部和底部电极。
图25D是传感器部件204的平面图，示出了覆盖在压电元件202上的连接器206a，b和c的布置。连接器206a和206b的尖端与压电元件202的顶部电极电接触，连接器206a和206b的另一端与导电材料208电连接。然后将它们电连接到感应线圈(例如上述的感应线圈38)的引线。连接器206c的尖端与岩石锚杆头部15的暴露端电接触，而所述连接器的另一端电连接到所述感应线圈的另一引线。激励/检测感应线圈(例如上述线圈40)固定到接收器部件207的内部底部。
部件204和207的示例实施例示于图25E至25G中。在图25F的实施例中，存在RFID标签60。所有塑料部件均可采用3D打印、冷塑或注塑。
在一些实施例中，安装岩石锚杆期间可以在使用螺纹连接在岩石锚杆端部上的金属帽(未示出)保护压电元件202。在安装岩石锚杆之后，可以移除该保护帽。然后将螺母201滑动到、拧到或以其他方式连接到岩石锚杆头部15。然后将螺纹套环203拧到岩石锚杆头部15上，直到其被岩石锚杆头部15的暴露端完全阻止。传感器部件204将位于螺纹套环203的顶部，同时确保电连接器206a，206b和206c，根据需要定向，例如如图25D所示相对于压电元件202的位置定向。接着，将螺母201拧到部件204的螺纹上以将部件204固定在岩石锚杆头部15上。最后，部件207将附接到部件204。
图25H和25I示出了在岩石锚杆头部15上处于完全组装状态的该实施例。
图26A示出了组件130，其可以集成在第一部件34或第二部件36中，用于使用超声测量岩石锚杆头部15附近的温度。
组件130可以包含：块(bloc)131，其由具有相对高导热率的材料制(例如铝)成，优选是非磁性的，具有平行的第一和第二表面132和133；超声换能器134(例如，PZT盘)，其附接(例如胶合)到第一表面132；以及感应线圈135。感应线圈135的两根引线136和137分别电连接到换能器134的顶部和底部电极。
在组件130将集成到第一部件34的实施例中，感应线圈135可以用感应线圈38代替。当被感应线圈40激励时，换能器134产生超声波，其穿过块131的厚度传播，并在表面132和133之间混响。所选回波的TOF之间的差异或反射回波的TOF是所述块的温度的函数，因此可用于基于预先建立的块材料校准数据来测量所述块的温度。然后将测量的块温度用作岩石锚杆头部温度的估计，以使用上述方程式之一计算TOF的温度校正的相对变化。
温度测量组件的一个实施例示于图26B和26C中。图26B是示出嵌入传感器部件204中的组件的示意图，并且包括上面讨论的其他组件部件(例如压电元件202和电连接器206a，b和c)的示意表示。使用树脂209来固定组件130，同时为嵌所述入树脂中的所有部件提供防水。图26C示出了成品传感器部件204。
如图所示，在一些实施例中，可以将一块铁氧体片210放置在金属块131和感应线圈38和135之间，以减少对导电金属块131的感应诱导的电磁能的损失。
参照图26D，在RFID标签60与金属块131结合使用的实施例中，可以在RFID标签60和块131之间放置一小块铁氧体片210，以减少对导电金属块131的感应诱导的电磁能的损失。
为了提高测量准确度并使所述块温度更接近岩石锚杆头部温度，可能需要改善块131和岩石锚杆头部15之间的热接触。在这方面，一个实施例示于图26E中，其中通过将导热适配器211连接到岩石锚杆头部15上来实现块131和岩石锚杆头部15之间的热接触，同时保持块131和适配器211之间的大量热接触。可以在接触部件之间施加热膏以增强热传导。在一些实施例中，块131的一部分可暴露于环境空气或与岩石锚杆头部15的暴露区域直接热接触。
如上所述，一块铁氧体片210可以放置在金属块131和感应线圈38和135之间，以减少对导电金属块131的感应诱导的电磁能的损失。
如前文所述，压电元件的位置可以显著影响超声信号的质量。参见图27A。为了确保超声换能器的正确安装，可以使用小的对准引导件212。在实践中，在岩石锚杆头部15的暴露端上绘制圆圈214，如图27B所示。然后将引导件212以下述方式胶合到岩石锚杆头部15的端部上：所述引导件的圆形边缘与圆圈216对准，同时所述引导件的凹口213与参考物对准，例如图22所示钢筋螺栓的脊线90，或图11E所示见于D型螺栓的桨叶中间的参考孔。然后，压电元件202胶合到岩石锚杆头部的端部上，抵靠引导件212(图27B和27C)。部件204的底部214具有凹陷区域215(图27D)，以在组装时与引导件212配合(图27E)。因此，引导件212还用于帮助定位所述部件204，使得弹簧加载的连接器206a，206b和206c与压电元件202和岩石锚杆头部15的前表面42的暴露区域具有适当对准。引导件212可以由塑料材料制成，并且可以是3D打印的、冷塑的或注塑的。
将参照图28A至28C所示的分解图描述系统的另一个实施例。该系统包含金属箔301、压电元件302、基座303、螺母304、帽305、两个支承柱塞306和感应线圈(未示出)。在该实施例中，基座303和帽305不导电，并且可以使用非导电塑料材料进行3D打印或模塑。螺母304可以是金属的或塑料的，或者是允许所述螺母成形或加工的其他合适材料。可以将感应线圈(例如上述感应线圈38)胶合到基座303的面303c上，其中两根引线分别穿过两个间隔开的孔。示出了孔303b，而另一个孔未示出并且穿过基座303的中心。压电元件302可以胶合在金属箔301上，金属箔301例如可以是50微米厚的不锈钢箔。然后，可将压电元件302的顶部电极电连接到穿过基座303中心附近的孔(未示出)的引线(未示出)，而金属箔301可以电连接到穿过孔303b的引线。
然后将连接的箔301和压电元件302胶合到基座303的底面303a上。底面303a具有凹陷图案，以便以下述方式适应压电元件302的形状和厚度：一旦连接的箔301和压电元件302胶合到底面303a上，金属箔301就保持面303a是平的(plat)。
可以使用树脂将例如上述RFID标签60等RFID标签(未示出)嵌入基座303中。
图28D示出了组装好的成品基座303。感应线圈38胶合到基座303的底面303c上。
图28E示出了成品帽305。感应线圈40固定到帽305的内部底部。成品基座303的金属箔301可以在安装岩石锚杆之后胶合到岩石锚杆头部15的暴露端上。然后将螺母304滑到基座303上，随后拧到岩石锚杆头部15上，以将基座303固定在岩石锚杆头部15上。成品帽305通过将两个支承柱塞306安置到成品基座303上的两个浅半球形孔303d中而固定到该基座303。
在一些实施例中，本文描述和公开的系统和方法可以实现为岩石锚杆检查系统的一部分，用于检查锚固在加强腔的壁和天花板中的岩石锚杆。特别地，系统包括可分离的第一和第二部件34和36的实施例可以允许用户检查安装在超出手臂能触及范围的高墙或天花板中的岩石锚杆。
参照图29，在一些实施例中，这种检查系统可包括仪表可伸展杆404。岩石锚杆401在其暴露端装配有无源超声传感器组件402(例如第一部件34)，该组件中集成有感应线圈(例如感应线圈38)，并且在一些实施例中，集成有RFID标签(例如RFID标签60)。用户407可以使用可伸展杆404来接近传感器组件402并检查螺栓401，所述可伸展杆404尖端装配有读取器部件403(例如第二部件36)，包括感应线圈(诸如感应线圈40)。读取器403中的感应线圈将用同轴电缆405连接到便携式电池供电的电子读出单元406。在一些实施例中，可伸缩杆404可由伸缩布置的几个短管组成。在这种情况下，电缆405可以穿过这些管的钻孔。电缆405还可以绑接到杆404的外部。
已经描述的仅仅是对本公开实施例的原理的应用的说明。本领域技术人员可以实现其他布置和方法。
应当理解，除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中提及岩石锚杆可以指整个岩石锚杆或岩石锚杆的一部分；因此，除非另有说明，否则飞行时间可以与整个岩石锚杆或岩石锚杆的一部分相关。
此外，即使没有明确说明，本文描述的一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征组合。所有这类组合旨在包括在本公开中。
另外，尽管主要在方法和系统中进行了描述，但也可以考虑其他实现方式。例如，考虑了这样的实现方式：其中指令存储在非瞬时性计算机可读或处理器可读介质上，当执行所述指令时，使得计算机或处理器根据本文描述的实施例去执行所述方法、操作某一系统或执行任何其他步骤、操作或计算。

Claims (60)

1.一种用于确定岩石锚杆是否已进入塑性变形区域、岩石锚杆的永久伸长、岩石锚杆正在经历的轴向应力、或岩石锚杆正在经历的总伸长的方法，所述方法包括：
在第一时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的第一飞行时间；
在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的第二飞行时间；
确定温度校正值；
使用第一和第二飞行时间以及温度校正值来计算第一和第二时间点的剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化；以及
利用第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，确定岩石锚杆状态变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述岩石锚杆是否已进入塑性变形区域包括
确定i)对(ii)的曲线的斜率，所述i)为纵向超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化，所述ii)为剪切超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化，和
将所述斜率同纵向超声波的应力系数与剪切超声波的应力系数的比例进行比较。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述应力系数的比例在所述岩石锚杆处于弹性变形区域时，在校准试验中获得或通过绘制i)对ii)的曲线获得。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述永久伸长根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000011
其中l是所述岩石锚杆在第二个时间点的无应力长度，l0是所述岩石锚杆在第一时间点的无应力长度，
Figure FDA0003633668810000012
是剪切超声波的第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，
Figure FDA0003633668810000013
是纵向超声波的第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，并且
Figure FDA0003633668810000014
是纵向超声波的应力系数对剪切超声波的应力系数的比例。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述应力系数的比例是在所述岩石锚杆处于弹性变形区域时，在校准试验中获得或通过绘制i)对ii)的曲线获得，所述i)为纵向超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化，所述ii)为剪切超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述岩石锚杆正在经历的轴向应力根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000015
其中<σ>-<σ0>是第一和第二时间点之间的轴向应力差，
Figure FDA0003633668810000016
是剪切超声波的第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，
Figure FDA0003633668810000017
是纵向超声波的第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，
Figure FDA0003633668810000018
是纵向超声波的应力系数对剪切超声波的应力系数的比例，并且
Figure FDA0003633668810000019
是纵向超声波的应力系数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述应力系数的比例是在所述岩石锚杆处于弹性变形区域时，在校准试验中获得或通过绘制i)对ii)的曲线获得，所述i)为纵向超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化，所述ii)为剪切超声波的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述岩石锚杆正在经历的总伸长根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000021
其中Δl是所述岩石锚杆的总伸长，l0是所述岩石锚杆在第一时间点的无应力长度，E是杨氏模量，
Figure FDA0003633668810000022
是剪切超声波的第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，
Figure FDA0003633668810000023
是纵向超声波的第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，
Figure FDA0003633668810000024
是纵向超声波的应力系数对剪切超声波的应力系数的比例，并且
Figure FDA0003633668810000025
是纵向超声波的应力系数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述温度校正值包括，在第一时间点测量所述岩石锚杆头部的第一温度，和在第二时间点测量所述岩石锚杆头部的第二温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中对所述岩石锚杆的整个长度感兴趣，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000026
其中
Figure FDA0003633668810000027
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，τj是第二飞行时间，τj0是第一飞行时间，T头部是所述岩石锚杆头部的第二温度，T0，头部是所述岩石锚杆头部的第一温度，CTj是温度系数。
11.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述温度校正值包括，在第一和第二时间点中的每一个测量剪切和纵向超声波在所述岩石锚杆的第一和第二无应力区域的附加飞行时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述剪切和纵向超声波中的每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000028
其中
Figure FDA0003633668810000029
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，τj0是第一飞行时间，τj是第二飞行时间，τD0是在第一时间点在所述岩石锚杆整个长度上的飞行时间，τ10是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，τ20是在第二时间点在第二无应力区域的飞行时间，τ1是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，τ2是在第二时间点在第二无应力区域的飞行时间，t10是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段近端之间的往返飞行时间，t20是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段远端之间的往返飞行时间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中对所述岩石锚杆的整个长度感兴趣，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA00036336688100000210
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一无应力区域在所述岩石锚杆的头部中，并且其中所述第二无应力区域在所述岩石锚杆的趾部区段中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中测量剪切超声波在第一无应力区域的附加飞行时间包括测量来自所述岩石锚杆的头部中的参考反射器的飞行时间。
16.根据权利要求14所述的方法，其中在第一和第二时间点之间所述岩石锚杆的趾部区段中的温度差是可忽略不计的，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000031
其中
Figure FDA0003633668810000032
是第一和第二飞行时的温度校正的相对变化，τj0是第一飞行时间，τj是第二飞行时间，τD0是在第一时间点在所述岩石锚杆整个长度上的飞行时间，τ10是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，τ1是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，t10是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段近端之间的往返飞行时间，t20是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段远端之间的往返飞行时间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中对所述岩石锚杆的整个长度感兴趣，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000033
18.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，还包括将所述岩石锚杆与射频识别标签相关联，并将在第一时间点的测量波形存储为与所述射频识别标签相关联的参考波形。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括读取所述射频识别标签并调用所述参考波形。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将在第二时间点的测量存储为第二波形或所述参考波形。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括调用历史信号和检查信息以用于特定信号处理和数据分析需求。
22.根据权利要求9所述的方法，其中剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000034
其中
Figure FDA0003633668810000035
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，τj是第二飞行时间，τj0是第一飞行时间，T头部是岩石锚杆头部的第二温度，T0,头部是岩石锚杆头部的第一温度，CTj是温度系数，t10是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段近端之间的往返飞行时间，t20是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段远端之间的往返飞行时间，τD0是在第一时间点在整个岩石锚杆上的飞行时间。
23.一种确定岩石锚杆是否已经屈服的方法，所述方法包括：
在第一时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向超声波中每一个的第一飞行时间；
在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向超声波中每一个的第二飞行时间；
使用剪切和纵向波中每一个的第一和第二飞行时间来计算第一和第二时间点之间的岩石锚杆的估计的温度变化；
将第一和第二时间点之间的岩石锚杆的估计的温度变化与其预期温度变化进行比较；和
基于该比较，确定岩石锚杆是否已经屈服。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述估计的温度变化根据下式计算：
Figure FDA0003633668810000041
其中
Figure FDA0003633668810000042
是估计的温度变化，τS0和τL0分别是剪切和纵向超声波的第一飞行时间，τS和τL分别是剪切和纵向超声波的第二飞行时间，
Figure FDA0003633668810000043
是纵向超声波的应力系数对剪切超声波的应力系数的比例，并且CTS和CTL分别是剪切和纵向超声波的温度系数。
25.根据权利要求23或24所述的方法，还包括将所述岩石锚杆与射频识别标签相关联，并将在第一时间点的测量波形存储为与所述射频识别标签相关联的参考波形。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括读取所述射频识别标签并调用所述参考波形。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括将在所述第二时间点的测量存储为与所述射频识别标签相关联的第二波形或存储为所述参考波形。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括调用历史信号和检查信息以用于特定信号处理和数据分析需求。
29.一种确定岩石锚杆是否已经从弹性变形区域转变为振荡塑性变形区域或是否存在即将发生的岩石锚杆故障的方法，所述方法包括：
在岩石锚杆处于弹性变形区域的参考时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的参考飞行时间；
在参考时间点之后的其他时间点，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个在每一个其他时间点的其他飞行时间；
使用所述参考飞行时间和其他飞行时间，确定岩石锚杆状态变化。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述岩石锚杆是否已经转变为振荡塑性变形区域通过根据下式评估岩石锚杆在每一个其他时间点的行为值而确定：
Figure FDA0003633668810000044
其中γ是岩石锚杆的行为值，
Figure FDA0003633668810000045
和
Figure FDA0003633668810000046
分别是纵向和剪切超声波在参考时间点的飞行时间，τL和τS分别是纵向和剪切超声波在每个其他时间点的飞行时间，并且βT是纵向超声波的温度系数对剪切超声波的温度系数的比例。
31.根据权利要求29所述的方法，其中所述即将发生的岩石锚杆故障通过根据下式评估在每个其他时间点的岩石锚杆行为值并确定是否仍存在振荡塑性变形区域来确定：
Figure FDA0003633668810000047
其中γ是岩石锚杆行为值，
Figure FDA0003633668810000051
和
Figure FDA0003633668810000052
分别是纵向和剪切超声波在参考时间点的飞行时间，τL和τS分别是纵向和剪切超声波在每个其他时间点的飞行时间，βT是纵向超声波的温度系数对剪切超声波的温度系数的比例。
32.根据权利要求29-31中任一项所述的方法，还包括将所述岩石锚杆与射频识别标签相关联，并将在第一时间点的测量的波形存储为与所述射频识别标签相关联的参考波形。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括读取所述射频识别标签并调用所述参考波形。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括将在其他时间点之一的测量存储为与所述射频识别标签相关联的另一波形或存储为所述参考波形。
35.根据权利要求32所述的方法，还包括调用历史信号和检查信息，以用于特定信号处理和数据分析需求。
36.一种确定岩石锚杆中轴向应力变化的方法，所述方法包括：
在第一时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的第一飞行时间；
在第一时间点之后的第二时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切和纵向超声波，以测量剪切和纵向波中每一个的第二飞行时间；并且
使用第一和第二飞行时间，确定第一和第二时间点之间的岩石锚杆中轴向应力的变化。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述轴向应力的变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000053
其中
Figure FDA0003633668810000054
是第一和第二时间点之间轴向应力的平均变化，
Figure FDA0003633668810000055
和
Figure FDA0003633668810000056
分别是纵向和剪切超声波在第一时间点的飞行时间，τL和τS分别是纵向和剪切超声波在第二时间点的飞行时间，βT是纵向超声波的温度系数对剪切超声波的温度系数的比例，
Figure FDA0003633668810000057
和
Figure FDA0003633668810000058
分别是剪切和纵向超声波的应力系数。
38.根据权利要求36或37所述的方法，还包括将所述岩石锚杆与射频识别标签相关联，并将在所述第一时间点测量的波形存储为与所述射频识别标签相关联的参考波形。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括读取所述射频识别标签并调用所述参考波形。
40.根据权利要求39所述的方法，还包括将在其他时间点之一的测量存储为与所述射频识别标签相关联的另一波形或存储为所述参考波形。
41.根据权利要求38所述的方法，还包括调用历史信号和检查信息以用于特定信号处理和数据分析需求。
42.一种用于确定岩石锚杆中轴向应力变化的方法，所述方法包括：
在第一时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播剪切或纵向超声波，以测量所述波的第一飞行时间；
在第一时间点之后的第二时间点，当岩石锚杆处于弹性变形区域时，沿着岩石锚杆传播与第一时间点相同类型的波，以测量所述波的第二飞行时间；
确定温度校正值；
使用第一和第二飞行时间和温度校正值来计算第一和第二时间点的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化；和
确定第一和第二时间点之间的岩石锚杆中轴向应力的变化。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述轴向应力的变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000061
其中
Figure FDA0003633668810000062
是第一和第二时间点之间轴向应力的平均变化，
Figure FDA0003633668810000063
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，
Figure FDA0003633668810000064
视情况为剪切或纵向超声波的应力系数。
44.根据权利要求42所述的方法，其中确定所述温度校正值包括在第一时间点测量岩石锚杆头部的第一温度，和在第二时间点测量岩石锚杆头部的第二温度。
45.根据权利要求44所述的方法，其中对岩石锚杆的整个长度感兴趣，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000065
其中
Figure FDA0003633668810000066
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，τj是第二飞行时间，τj0是第一飞行时间，T头部是岩石锚杆头部的第二温度，T0,头部是岩石锚杆头部的第一温度，CTj是温度系数。
46.根据权利要求42所述的方法，其中确定所述温度校正值包括在第一和第二时间点中的每一个，测量剪切和纵向超声波在岩石锚杆的第一和第二无应力区域的附加飞行时间。
47.根据权利要求46所述的方法，其中剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000067
其中
Figure FDA0003633668810000068
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，τj0是第一飞行时间，τj是第二飞行时间，τD0是在第一时间点在所述岩石锚杆整个长度上的飞行时间，τ10是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，τ20是在第二时间点在第二无应力区域的飞行时间，τ1是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，τ2是在第二时间点在第二无应力区域的飞行时间，t10是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段近端之间的往返飞行时间，t20是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段远端之间的往返飞行时间。
48.根据权利要求47所述的方法，其中对所述岩石锚杆的整个长度感兴趣，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000069
49.根据权利要求46所述的方法，其中第一无应力区域在岩石锚杆的头部，并且其中第二无应力区域在岩石锚杆的趾部区段。
50.根据权利要求49所述的方法，其中测量剪切超声波在第一无应力区域的附加飞行时间包括测量来自所述岩石锚杆的头部中的参考反射器的飞行时间。
51.根据权利要求49所述的方法，其中在第一和第二时间点之间所述岩石锚杆的趾部区段中的温度差是可忽略不计的，并且其中剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000071
其中
Figure FDA0003633668810000072
是第一和第二飞行时的温度校正的相对变化，τj0是第一飞行时间，τj是第二飞行时间，τD0是在第一时间点在所述岩石锚杆整个长度上的飞行时间，τ10是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，τ1是在第一时间点在第一无应力区域的飞行时间，t10是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段近端之间的往返飞行时间，t20是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段远端之间的往返飞行时间。
52.根据权利要求51所述的方法，其中对所述岩石锚杆的整个长度感兴趣，并且剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000073
53.根据权利要求42-52中任一项所述的方法，还包括将所述岩石锚杆与射频识别标签相关联，并将在第一时间点的测量波形存储为与所述射频识别标签相关联的参考波形。
54.根据权利要求53所述的方法，还包括读取所述射频识别标签并调用所述参考波形。
55.根据权利要求54所述的方法，还包括将在其他时间点之一的测量存储为与所述射频识别标签相关联的另一波形或存储为所述参考波形。
56.根据权利要求53所述的方法，还包括调用历史信号和检查信息，以用于特定信号处理和数据分析需求。
57.根据权利要求44所述的方法，其中剪切和纵向超声波中每一个的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化根据下式确定：
Figure FDA0003633668810000074
其中
Figure FDA0003633668810000075
是第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，τj是第二飞行时间，τj0是第一飞行时间，T头部是岩石锚杆头部的第二温度，T0,头部是岩石锚杆头部的第一温度，CTj是温度系数，t10是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段近端之间的往返飞行时间，t20是在第一时间点在传感器和岩石锚杆区段远端之间的往返飞行时间，τD0是在第一时间点在整个岩石锚杆上的飞行时间。
58.一种用于确定岩石锚杆的两个锚定点之间的岩石锚杆区段的状态变化的方法，载荷在所述锚定点之间自由地传递，所述方法包括：
在第一时间点沿着岩石锚杆传播剪切或纵向超声波，以测量所述区段的第一飞行时间；
在第一时间点之后的第二时间点，沿着岩石锚杆传播与第一时间点相同类型的波，以测量所述区段的第二飞行时间；
确定温度校正值；
使用第一和第二飞行时间以及温度校正值来计算在第一和第二时间点的第一和第二飞行时间之间的温度校正的相对变化；和
利用第一和第二飞行时间的温度校正的相对变化，确定岩石锚杆的状态变化。
59.根据权利要求58所述的方法，其中确定所述岩石锚杆的状态变化包括确定所述岩石锚杆区段已经经历的最大载荷变化的估计值。
60.根据权利要求58所述的方法，其中确定所述岩石锚杆的状态变化包括确定所述岩石锚杆区段正在经历的最小和最大塑性变形的估计值。
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