CN113252782B - 用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于多缺陷长锚索质量无损检测的多方位信号采集装置及方法，该装置包括激振锤、多个锚索传感器、数据采集仪、电源、存储器、计算机，多个锚索传感器依次安装在每根锚索钢绞线出露端，锚索传感器的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接，数据采集仪的信号输出端与存储器和计算机连接，电源与数据采集仪连接。本发明采用多方位叠加式采集技术，能有效采集到微弱信号，并从复杂的波动信号中识别和提取这些有效的微弱信号，通过多方位采集可以准确的计算出各段波速进而识别多个缺陷位置，准确评价锚索锚固质量。

Description

用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置及方法

技术领域

本发明涉及应用地球物理学弹性波振动探测技术领域，具体是一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置及方法。

背景技术

预应力锚索锚固技术在工程中得到了广泛，已成为岩土加固工程的主要支护方法。预应力锚索是指采取预应力方法把锚索锚固在岩体内部的索状支架，靠锚头通过岩体软弱结构面的钻孔锚入岩体内，将不稳定岩体与稳定岩体联在一起，从而改变岩体的应力状态，提高边坡不稳定岩体的整体性和强度。从锚索定义可知，锚索主要应用于已出现变形或对变形要求严格的工程部位，因此，锚索长度和锚固段灌浆质量是锚索施工质量控制的关键。锚索长度和注浆密实度施工属于隐蔽性工程，很难通过人工进行控制。我国研究者曾把未经检测的锚索比喻为工程中的“定时炸弹”。大量工程实践研究表明，锚索预应力达不到设计要求是预应力锚索结构失效破坏的最主要因素，而锚索长度和锚索注浆效果是影响预应力的两个主要因素，尤其是锚索结构体的长度。

目前，国内对于锚索锚固质量无损检测和评价主要采用传统的抗拔力试验。这种方法属于破坏性检测方法，可以检测锚固力参数，但不能检测锚索长度、锚索注浆密实度及锚索缺陷位置等关键参数。

相比传统的检测方法，无损检测具有经济、高效、实用等优点。近年来，在锚杆锚固质量无损检测方面，国内外提出了一种基于声波反射法的无损检测技术。该技术能提供锚固长度和锚固段注浆密实度，已在锚杆质量无损检测中得到了广泛应用，成为评价锚杆锚固效果的主要方法。建设部、国家能源局也相继制定了行业标准《锚杆锚固质量无损检测技术规程》(JGJ/T 182-2009)和《水电水利工程锚杆质量无损检测规程》(DL/T 5424-2009)。但是，锚索结构形式与锚杆不同，锚索由多根柔性钢绞线构成，其长度一般大于20m，比锚杆的长度大。锚索这种特殊结构形式使得常规声波反射法无损检测技术难以奏效。

常规的锚索无损检测面临以下问题：

①锚索都是由多股平行的碳素钢绞线按同一方向扭转捻制而成，该编索方式会使其周围的索线呈螺旋状，且在索体内形成缝隙，所以其内部的应力波传播方式更加复杂；

②锚索锚固结构一般都是内外两端共同锚固，中间部位为自由段。内锚固段中的锚索整体呈枣核状，使反射波与入射波之间产生夹角(相位差)，难以克服其二维效应。此外，内锚固段比较长且变阻抗界面较多，应力波传播时的能量衰减严重；

③锚索的锚固形式有单锚和集束群锚两种。单锚，即每个锚具仅锚固一束锚索，多见于矿山支护中；群锚，即多束锚索共同锚固在一个锚具上，多用于岩土工程。由于群锚中的各束锚索受力不均匀，无法测定其单束受力状况。即使是单锚锚索，因为它们在一定范围内会共同承载形成群锚效应，也会对受力特征方面的检测结果产生影响；

④在岩土工程中，锚索的使用长度都较长，最长甚至可达六十多米。锚索的使用长度越长，所需的检测深度越大，而随着检测深度的增加，应力波的衰减会越来越明显，这就加大了检测难度。

⑤常规的锚索无损检测中缺陷位置的识别都是假设锚索中只存在单一缺陷，采用单一方位布设传感器的方式采集信号，通过测定的平均波速来计算缺陷的位置。对于多缺陷的锚索，波速的离散性较大，采用平均波速只能当缺陷靠近底端时反应相应缺陷的位置，检测结果不够精确。

综上所述，采用常规的锚索数据采集方法，工作效率低且安全风险高，无法达到准确检测锚索长度、锚索注浆密实度以及缺陷位置的效果和目的，亟需一种安全快速的用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置及方法，以便推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有的多缺陷长锚索质量无损检测采集效率低、应力波衰减较大等问题，提供一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置及方法，可进行多方位信号采集，并进行快速的锚索数据叠加，从而提升多缺陷长锚索质量无损检测的效率，降低安全风险。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置，包括激振锤、多个锚索传感器、数据采集仪、电源、存储器、计算机，多个锚索传感器依次安装在每根锚索钢绞线出露端，锚索传感器的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接，数据采集仪的信号输出端与存储器和计算机连接，电源与数据采集仪连接；所述激振锤用于敲击锚索钢绞线出露端，激发产生波形一致的振动信号，所述多个锚索传感器用于分别采集每根锚索钢绞线因激振锤敲击发出的多方位振动信号，所述数据采集仪用于接收来自锚索传感器采集的多方位振动信号，并对多方位振动信号进行存储，所述计算机用于对数据采集仪采集的多方位振动信号进行处理和分析，获得长锚索的长度、灌浆密实度和缺陷位置的整体质量信息。

进一步的，所述数据采集仪与所述锚索传感器通过电缆连接线连接。

进一步的，所述数据采集仪与所述锚索传感器通过电缆连接线连接。

一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集方法，其采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤1、用电缆连接线连接数据采集仪和多个锚索传感器，接通电源，数据采集仪器的系统自动进入操作界面，开机后将光标移动到数据采集仪器的叠加参数设置模块；

步骤2、用户在叠加参数设置模块设置叠加参数，包括叠加次数和叠加方式，其中叠加方式有单次采集和连续采集两个选项；

步骤3、完成叠加参数设置后，将光标移动至波形采集模块，根据步骤2设置的叠加次数和叠加方式进行表示多方位振动信号的波形的采集；

步骤4、将光标移动到文件管理模块，将信号叠加集的波形存储到到存储器中，并同时传输到计算机中进行处理分析；

步骤5、所述计算机对数据采集仪采集的多方位振动信号进行处理和分析，获得长锚索的长度、灌浆密实度和缺陷位置的整体质量信息。

进一步的，所述步骤3具体包括：

若步骤2中叠加方式设置为单次采集：激振锤锤击锚索出露端一次显示一条波形，若波形质量不认可，则重新用激振锤锤击出露端，屏幕刷新一次重新测，若波形质量认可，再次用激振锤锤击出露端，进入下一次波形采集，重复上述操作，直到达到预设的叠加次数为止；

若步骤2中叠加方式为连续采集：根据预设的叠加次数，激振锤连续锤击锚索出露端，连续采集多条波形，若波形质量不认可，则重新用激振锤锤击出露端，屏幕刷新一次重新测，若波形质量认可，则保留波形，分别为为初次采集、三次叠加、六次叠加的原始波形；若对其中一条波形质量不认可，则返回步骤2，将叠加方式设为单次采集，用激振锤单次锤击锚索出露端，修改一条波形。

进一步的，所述步骤5具体包括：

在计算机中读取步骤4中传输过来的每个传感器的波形信号原始数据解编后，对其进行振幅归一化处理，使每个传感器接收到的波形信号处于同一量级水平；读取相邻两个传感器布置位置之间的距离ΔX，以及相邻两个传感器信号的起跳实践Δt_x，计算出各测段波速

根据/>

计算出缺陷位置x_q；然后对波形信号进行放大，再采用反褶积滤波技术压制干扰波信号，提取波阻抗界面的反射系数，根据反射系数在时间轴上的位置、正负值和大小与锚固体波速，评价锚固体长度、注浆密实度。

进一步的，步骤5中采用非线性放大技术对波形信号进行放大。

进一步的，所述非线性放大技术包括真振幅恢复补偿技术。

本发明的有益效果：

本发明信号采集方式采用多方位布测和垂直叠加技术，能有效的降低随机噪声，增强弱信号，并且达到将波速量化的目的，具有操作简单、多方位布测和多次叠加的功能，相比传统的锚索检测方法，本发明可以增强锚索锚固段底部弱信号，实现对多缺陷锚索的缺陷位置进行快速定位，可以适用于多缺陷的长锚索质量无损检测。

附图说明

图1为本发明一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集装置的结构示意图；

图2为本发明一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集方法的流程图；

图3为本发明所指的有效合格的原始波形图示例；

图4为本发明采用的叠加式采集后波形对比示例(从上至下依次为初次采集、三次叠加、六次叠加)。

图中：1—激振锤，2—锚索传感器，3—数据采集仪，4—电缆连接线，5—电源，6—存储器，7—计算机，11—锤头，12—锤体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明适用于长锚索锚固质量检测的叠加式采集装置其中一个实施例，包括激振锤1、多个锚索传感器2、数据采集仪3、电源5、存储器6、计算机7，多个锚索传感器2安装在锚索出露端，其信号输出端与数据采集仪3的信号输入端连接，数据采集仪3的信号输出端与存储器6和计算机7连接，电源5与数据采集仪3连接，用于为数据采集仪3提供工作所需电源。

所述激振锤1包括锤头11和锤体12，锤头11是一个半球形钢制球体，固定在锤体12前端，所述激振锤1用于敲击锚索钢绞线出露端，激发产生波形一致的振动信号，该振动信号是锚索锚固段不同波阻抗界面的反射波数据。

所述多个锚索传感器2依次安装在每根锚索钢绞线出露端，可采用宽锚索传感器，灵敏度高，能有效接收到钢绞线的震动，所述多个锚索传感器2用于分别采集每根锚索钢绞线因激振锤1敲击发出的多方位振动信号。

所述数据采集仪3与所述锚索传感器2通过电缆连接线4连接，所述数据采集仪3用于接收来自锚索传感器2采集的多方位振动信号，并对多方位振动信号进行存储，例如存储于与数据采集仪3连接的存储器6中。所述数据采集仪3具有带触屏操作功能的显示面板，操作面板上具有叠加参数设置模块、波形采集模块、文件管理模块。

所述计算机7用于对数据采集仪3采集的多方位振动信号进行处理和分析，获得长锚索的长度、灌浆密实度和缺陷位置的整体质量信息。

请进一步参考图2，本发明实施例还提供一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的多方位信号采集方法，其采用上述采集装置进行，所述方法包括以下步骤：

步骤1、用电缆连接线4连接数据采集仪3和多个锚索传感器2，接通电源5，数据采集仪器5的系统自动进入操作界面，开机后将光标移动到叠加参数设置模块；

步骤2、用户在叠加参数设置模块设置叠加参数，包括叠加次数和叠加方式，其中叠加方式有单次采集和连续采集两个选项；

步骤3、完成叠加参数设置后，将光标移动至波形采集模块，若步骤2中叠加方式设置为单次采集：激振锤锤1击锚索出露端一次显示一条波形，若波形质量不认可，则重新用激振锤1锤击出露端，屏幕刷新一次重新测，若波形质量认可，参考图3，有效、合格原始波形初至明显，波形清晰，无削波，则保留波形，再次用激振锤1锤击出露端，进入下一次波形采集，重复上述操作，直到达到预设的叠加次数为止；

若步骤2中叠加方式为连续采集：根据预设的叠加次数，激振锤1连续锤击锚索出露端，连续采集多条波形，若波形质量不认可，则重新用激振锤锤击出露端，屏幕刷新一次重新测，若波形质量认可，则保留波形，参考图4，分别为为初次采集、三次叠加、六次叠加的原始波形，从图中可以看到信号叠加以后有效波的能量得到了增强；若对其中一条波形质量不认可，则返回步骤2，将叠加方式设为单次采集，用激振锤单次锤击锚索出露端，修改一条波形；

步骤4、将光标移动到文件管理模块，将信号叠加集的波形存储到到存储器6中，并同时传输到计算机7中进行处理分析；

步骤5、在计算机中7读取步骤4中传输过来的每个传感器的波形信号原始数据解编后，对其进行振幅归一化处理，使每个传感器接收到的波形信号处于同一量级水平，有利于波形对比；读取相邻两个传感器布置位置之间的距离ΔX，以及相邻两个传感器信号的起跳实践Δt_x，计算出各测段波速

根据/>

计算出缺陷位置x_q；采用真振幅恢复补偿技术等非线性放大技术对信号进行放大，再采用反褶积滤波技术压制干扰波信号，提取波阻抗界面的反射系数，根据反射系数在时间轴上的位置、正负值和大小与锚固体波速，评价锚固体长度、注浆密实度。

在实际的长锚索质量无损检测工作中，由于锚固体介质为完全非弹性介质，波在锚固体内传播，波动能量被吸收衰减，加之对于多缺陷的长锚索，波经过长距离传播时，其能量变得非常微弱，单一方向测点布置方式无法测量实际的波速大小及变化情况。本发明的采集方法为在锚索外露端端头瞬间冲击激发产生的弹性波振动信号，信号在锚固体内传播，遇到波阻抗界面将发生波的反射和透射，安装在每根钢绞线附近的锚索传感器2接收到来自不同波阻抗界面的波动信号，传输到数据采集仪3，经多次垂直叠加技术，能有效增强有效弱信号，压制随机干扰信号，提取不同深度界面的反射波信息，评价锚索锚固体长度和密实度。

本发明采用多方位叠加式采集技术，能有效采集到微弱信号，并从复杂的波动信号中识别和提取这些有效的微弱信号，通过多方位采集可以准确的计算出各段波速进而识别多个缺陷位置，准确评价锚索锚固质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集方法，其特征在于：采用信号采集装置进行，所述信号采集装置包括激振锤、多个锚索传感器、数据采集仪、电源、存储器、计算机，多个锚索传感器依次安装在每根锚索钢绞线出露端，锚索传感器的信号输出端与数据采集仪的信号输入端连接，数据采集仪的信号输出端与存储器和计算机连接，电源与数据采集仪连接；所述激振锤用于敲击锚索钢绞线出露端，激发产生波形一致的振动信号，所述多个锚索传感器用于分别采集每根锚索钢绞线因激振锤敲击发出的多方位振动信号，所述数据采集仪用于接收来自锚索传感器采集的多方位振动信号，并对多方位振动信号进行存储，所述计算机用于对数据采集仪采集的多方位振动信号进行处理和分析，获得长锚索的长度、灌浆密实度和缺陷位置的整体质量信息，所述方法包括如下步骤：

步骤1、用电缆连接线连接数据采集仪和多个锚索传感器，接通电源，数据采集仪器的系统自动进入操作界面，开机后将光标移动到数据采集仪器的叠加参数设置模块；

步骤2、用户在叠加参数设置模块设置叠加参数，包括叠加次数和叠加方式，其中叠加方式有单次采集和连续采集两个选项；

步骤3、完成叠加参数设置后，将光标移动至波形采集模块，根据步骤2设置的叠加次数和叠加方式进行表示多方位振动信号的波形的采集；

步骤4、将光标移动到文件管理模块，将信号叠加集的波形存储到存储器中，并同时传输到计算机中进行处理分析；

步骤5、所述计算机对数据采集仪采集的多方位振动信号进行处理和分析，获得长锚索的长度、灌浆密实度和缺陷位置的整体质量信息；

所述步骤3具体包括：

若步骤2中叠加方式设置为单次采集：激振锤锤击锚索出露端一次显示一条波形，若波形质量不认可，则重新用激振锤锤击出露端，屏幕刷新一次重新测，若波形质量认可，再次用激振锤锤击出露端，进入下一次波形采集，重复上述操作，直到达到预设的叠加次数为止；

若步骤2中叠加方式为连续采集：根据预设的叠加次数，激振锤连续锤击锚索出露端，连续采集多条波形，若波形质量不认可，则重新用激振锤锤击出露端，屏幕刷新一次重新测，若波形质量认可，则保留波形，分别为初次采集、三次叠加、六次叠加的原始波形；若对其中一条波形质量不认可，则返回步骤2，将叠加方式设为单次采集，用激振锤单次锤击锚索出露端，修改一条波形。

2.如权利要求1所述的用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集方法，其特征在于：所述步骤5具体包括：

在计算机中读取步骤4中传输过来的每个传感器的波形信号原始数据解编后，对其进行振幅归一化处理，使每个传感器接收到的波形信号处于同一量级水平；读取相邻两个传感器布置位置之间的距离ΔX，以及相邻两个传感器信号的起跳时间Δt_x，计算出各测段波速

根据/>

计算出缺陷位置x_q；然后对波形信号进行放大，再采用反褶积滤波技术压制干扰波信号，提取波阻抗界面的反射系数，根据反射系数在时间轴上的位置、正负值和大小与锚固体波速，评价锚固体长度、注浆密实度。

3.如权利要求2所述的用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集方法，其特征在于：步骤5中采用非线性放大技术对波形信号进行放大。

4.如权利要求3所述的用于多缺陷长锚索质量无损检测的信号采集方法，其特征在于：所述非线性放大技术包括真振幅恢复补偿技术。

Images