CN114544763A - 一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与装置 - Google Patents

一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与装置 Download PDF

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CN114544763A CN202210047199.8A CN202210047199A CN114544763A CN 114544763 A CN114544763 A CN 114544763A CN 202210047199 A CN202210047199 A CN 202210047199A CN 114544763 A CN114544763 A CN 114544763A
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Abstract

本申请提供了一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与装置，属于无损检测技术领域。包括以下步骤：S1.结构调试：在非全长锚固锚杆外露端的托盘处固定有可用激震锤敲打的螺母，在托盘和螺母上分别设置一加速度传感器，用高强磁铁固定，两个加速度传感器位于锚杆同侧，将加速度传感器经信号线与信息分析器连接调试好；S2.振动信号采集与分析：用激震锤敲击偏离加速度传感器一侧的螺母，使非全长锚固锚杆产生振动，通过托盘和螺母上设置的两个加速度传感器将采集到的振动信号传输给信息分析器，信息分析器采集两个加速度传感器接受的每个信号；S3.采用人工神经网络。本申请具有操作简单、检测装置轻便、效率高、工程实用性高等优点。

Description

一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与 装置
技术领域
本申请涉及无损检测技术领域，具体而言，涉及一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与装置。
背景技术
目前煤矿主要是井工开采，在井下开采大量巷道，而对巷道进行支护主要采用锚杆和锚索支护，为了确保锚杆和锚索支护巷道的安全性，同时节约支护成本，有必要对锚杆和锚索的锚固质量进行检测。
在现有技术中，对于锚杆和锚索进行质量检测，主要采用抗拉拔试验、取岩芯法、声波法（含应力波）。
其中拉拔试验、取岩芯法均属于传统检测方法，属于破坏性试验。改变了锚杆和锚索支护状态，其测得结果与实际受力状况差异很大。此外，该检测方法费时费力，不能大面积地进行检测。
声波法（含应力波）虽然属于无损检测方法，也是目前普遍采用锚杆锚固质量无损检测方法。但是由于超声波随着锚杆长度衰减严重，所以不适用于长锚杆和锚索，而且对锚固介质、锚杆端头也有要求。
上述几种方法主要有几个检测难点：第一，对于锚杆和锚索自身有要求，适用于短锚杆，这就大大地限制了检测对象；第二，对于检测条件也有要求，例如需要特定的锚固介质、锚杆端头需要磨。另外，不适用于煤矿采用的预应力锚杆和锚索。第三，现有的检测技术在保证无损检测的同时，不能保证精确性。
目前通过施加激振力，产生信号从而实现无损检测，也由于检测环境的复杂性，所检测得出的结果精确性不高。
发明内容
为了弥补以上不足，本申请提供了一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与装置。
本申请实施例提供了一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，包括以下步骤：
S1.结构调试：在非全长锚固锚杆外露端的托盘处固定有可用激震锤敲打的螺母，在托盘和螺母上分别设置一加速度传感器，用高强磁铁固定，两个加速度传感器位于锚杆同侧，将加速度传感器经信号线与信息分析器连接调试好；
S2.振动信号采集与分析：用激震锤敲击偏离加速度传感器一侧的螺母，使非全长锚固锚杆产生振动，通过托盘和螺母上设置的两个加速度传感器将采集到的振动信号传输给信息分析器，信息分析器采集两个加速度传感器接受的每个信号，并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
S3.采用人工神经网络：利用人工神经网络方法，建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚杆轴向受力的关系，从而实现锚杆工作状态的无损检测。
在一种具体的实施方案中，包括以下步骤：
S1.结构调试：在非全长锚固锚索外露端的托盘处固定有可用激震锤敲打的锁具，在托盘和螺母上分别设置一加速度传感器，用高强磁铁固定，两个加速度传感器位于锚索同侧，将加速度传感器经信号线与信息分析器连接调试好；
S2.振动信号采集与分析：用激震锤敲击偏离加速度传感器一侧的锁具，使非全长锚固锚索产生振动，通过托盘和锁具上设置的两个加速度传感器将采集到的振动信号传输给信息分析器，信息分析器采集两个加速度传感器接受的每个信号，并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
S3.采用人工神经网络：利用人工神经网络方法，建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚索轴向受力的关系，从而实现锚索工作状态的无损检测。
在一种具体的实施方案中，所述人工神经网络方法用于建立分析后的信号和锚杆轴力之间的关系，保证无损检测结果的精确性。
在一种具体的实施方案中，所述人工神经网络方法用于建立分析后的信号和锚索轴力之间的关系，保证无损检测结果的精确性。
本申请实施例还提供了一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，包括固定设置在围岩内部的锚固段、锚杆、托盘、加速度传感器、信息分析器、激震锤、螺母和高强磁铁，所述锚杆的一端设置有自由端，所述自由端固定设置在所述锚固段内，所述锚杆的另一端贯穿所述围岩且设置在所述围岩的外侧，所述托盘设置在所述锚杆的外漏端且所述托盘设置为所述围岩的外表面，所述托盘通过所述激震锤敲打所述螺母的方式固定。
在一种具体的实施方案中，所述高强磁铁设置有两组，两组所述高强磁铁分别设置在所述托盘的外表面和所述螺母的下表面，所述加速度传感器设置有两组，两组所述加速度传感器通过所述高强磁铁分别固定在所述螺母和所述托盘上。
在一种具体的实施方案中，包括固定设置在围岩内部的锚固段、锚索、托盘、加速度传感器、信息分析器、激震锤、锁具和高强磁铁，所述锚索的一端设置有自由端，所述自由端固定设置在所述锚固段内，所述锚索的另一端贯穿所述围岩且设置在所述围岩的外侧，所述托盘设置在所述锚索的外漏端且所述托盘设置为所述围岩的外表面，所述托盘通过所述激震锤敲打所述锁具的方式固定。
在一种具体的实施方案中，所述高强磁铁设置有两组，两组所述高强磁铁分别设置在所述托盘的外表面和所述锁具的下表面，所述加速度传感器设置有两组，两组所述加速度传感器通过所述高强磁铁分别固定在所述锁具和所述托盘上。
在一种具体的实施方案中，两组所述加速度传感器通过信号线与所述信息分析器相连。
有益效果：本发明操作简易、准确度高，用于解决对被检测的锚杆和锚索需要特定的锚固介质，甚至破坏锚固环境的问题；利用声波法中声波随着锚杆长度会发生衰减情况，以声波法检测对锚杆长度有局限性，而本发明通过加速度传感器采集信号，利用神经网络建立信号特征值之间的关系，从而对锚杆和锚索工作状态进行定量评价，提高锚杆和锚索锚固质量判断的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本申请实施方式提供的流程框图；
图2为本申请实施方式提供的应用于非全长锚固锚杆和锚索工作状态无损检测的装置布置示意图。
图中：1、托盘；2、螺母；3、激震锤；4、锚杆；5、高强磁铁；6、加速度传感器；7、信息分析器；8、自由端；9、锚固段；10、围岩。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
请参阅图1-2，本申请提供一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，包括以下步骤：
S1.结构调试：在非全长锚固锚杆4外露端的托盘1处固定有可用激震锤3敲打的螺母2，在托盘1和螺母2上分别设置一加速度传感器6，用高强磁铁5固定，两个加速度传感器6位于锚杆4同侧，将加速度传感器6经信号线与信息分析器7连接调试好；
S2.振动信号采集与分析：用激震锤3敲击偏离加速度传感器6一侧的螺母2，使非全长锚固锚杆4产生振动，通过托盘1和螺母2上设置的两个加速度传感器6将采集到的振动信号传输给信息分析器7，信息分析器7采集两个加速度传感器6接受的每个信号，并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
S3.采用人工神经网络：利用人工神经网络方法，建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚杆4轴向受力的关系，从而实现锚杆4工作状态的无损检测。
在本实施例中，人工神经网络方法用于建立分析后的信号和锚杆4轴力之间的关系，保证无损检测结果的精确性。
本申请还提供一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，包括固定设置在围岩10内部的锚固段9、锚杆4、托盘1、加速度传感器6、信息分析器7、激震锤3、螺母2和高强磁铁5，锚杆4的一端设置有自由端8，自由端8固定设置在锚固段9内，锚杆4的另一端贯穿围岩10且设置在围岩10的外侧，托盘1设置在锚杆4的外漏端且托盘1设置为围岩10的外表面，托盘1通过激震锤3敲打螺母2的方式固定。
在本实施例中，高强磁铁5设置有两组，两组高强磁铁5分别设置在托盘1的外表面和螺母2的下表面，加速度传感器6设置有两组，两组加速度传感器6通过高强磁铁5分别固定在螺母2和托盘1上。
在本实施例中，两组加速度传感器6通过信号线与信息分析器7相连。
实施例2
请参阅图1-2，本申请提供一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，包括以下步骤：
S1.结构调试：在非全长锚固锚索外露端的托盘1处固定有可用激震锤3敲打的锁具，在托盘1和螺母2上分别设置一加速度传感器6，用高强磁铁5固定，两个加速度传感器6位于锚索同侧，将加速度传感器6经信号线与信息分析器7连接调试好；
S2.振动信号采集与分析：用激震锤3敲击偏离加速度传感器6一侧的锁具，使非全长锚固锚索产生振动，通过托盘1和锁具上设置的两个加速度传感器6将采集到的振动信号传输给信息分析器7，信息分析器7采集两个加速度传感器6接受的每个信号，并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
S3.采用人工神经网络：利用人工神经网络方法，建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚索轴向受力的关系，从而实现锚索工作状态的无损检测。
在本实施例中，人工神经网络方法用于建立分析后的信号和锚索轴力之间的关系，保证无损检测结果的精确性。
本申请还提供一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，包括固定设置在围岩10内部的锚固段9、锚索、托盘1、加速度传感器6、信息分析器7、激震锤3、锁具和高强磁铁5，锚索的一端设置有自由端8，自由端8固定设置在锚固段9内，锚索的另一端贯穿围岩10且设置在围岩10的外侧，托盘1设置在锚索的外漏端且托盘1设置为围岩10的外表面，托盘1通过激震锤3敲打锁具的方式固定。
在本实施例中，高强磁铁5设置有两组，两组高强磁铁5分别设置在托盘1的外表面和锁具的下表面，加速度传感器6设置有两组，两组加速度传感器6通过高强磁铁5分别固定在锁具和托盘1上。
在本实施例中，两组加速度传感器6通过信号线与信息分析器7相连。
该一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法与装置的工作原理：
使用时，先将预先准备好的加速度传感器6，通过高强磁铁5的强大吸附能力，分别粘贴在锚杆4或锚索锚固系统的螺母2和托盘1上，加速度传感器6固定位置位于锚杆4或锚索同侧；
然后利用激震锤3，敲击螺母2或锚索锁具，使锚杆4或锚索产生振动，其中敲击位置位于螺母2或锁具上所固定加速度传感器6的另一侧，同时，振动的锚,4或锚索会带动螺母2或锁具和托盘1，产生振幅和频率不同的振动，这些振动信号会被传感器捕捉到；
然后信号分析器7对加速度传感器6所传递的信号，采集并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
最后利用人工神经网络方法建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚杆4或锚索轴向受力的关系，从而实现锚杆4或锚索工作状态的无损检测。
下面对本发明的原理，进行详细的介绍：
如图1所示，激震锤3与加速度传感器6和信号分析器7应配套使用，在测试不同的锚杆4或锚索时，可以避免仪器更换带来的误差；用激震锤3敲击螺母2或锁具，使螺母2或锁具、锚杆4或锚索和托盘1产生振动信号，敲击螺母2或锁具位置应位于加速度传感器6另一侧；
锚杆4或锚索在工作状态下，由于轴向应力的影响，其锚固系统振动情况会随着不同的轴向应力，有着不同的变化；此外，锚杆4或锚索某一特定数值轴力状态下，螺母2或锁具和托盘1的振动情况也不同，所以当敲击螺母2或锁具后，螺母2或锁具产生的振动信号，和托盘1产生的信号会有差异，基于此原理，本发明解决锚杆和锚索无损检测的难题，信号分析器7得到的螺母2或锁具和托盘1的振动信号，通过对比两者振幅和频率，分析其衰减情况，最终，通过螺母2或锁具和托盘1的振幅与频率的差值，加上衰减情况可以精准确定，所测锚杆2或锚索的受力大小，最终实现锚杆4或锚索的无损检测。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.结构调试：在非全长锚固锚杆(4)外露端的托盘(1)处固定有可用激震锤(3)敲打的螺母(2)，在托盘(1)和螺母(2)上分别设置一加速度传感器(6)，用高强磁铁(5)固定，两个加速度传感器(6)位于锚杆(4)同侧，将加速度传感器(6)经信号线与信息分析器(7)连接调试好；
S2.振动信号采集与分析：用激震锤(3)敲击偏离加速度传感器(6)一侧的螺母(2)，使非全长锚固锚杆(4)产生振动，通过托盘(1)和螺母(2)上设置的两个加速度传感器(6)将采集到的振动信号传输给信息分析器(7)，信息分析器(7)采集两个加速度传感器(6)接受的每个信号，并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
S3.采用人工神经网络：利用人工神经网络方法，建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚杆(4)轴向受力的关系，从而实现锚杆(4)工作状态的无损检测。
2.根据权利要求1所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.结构调试：在非全长锚固锚索外露端的托盘(1)处固定有可用激震锤(3)敲打的锁具，在托盘(1)和锁具上分别设置一加速度传感器(6)，用高强磁铁(5)固定，两个加速度传感器(6)位于锚索同侧，将加速度传感器(6)经信号线与信息分析器(7)连接调试好；
S2.振动信号采集与分析：用激震锤(3)敲击偏离加速度传感器(6)一侧的锁具，使非全长锚固锚索产生振动，通过托盘(1)和锁具上设置的两个加速度传感器(6)将采集到的振动信号传输给信息分析器(7)，信息分析器(7)采集两个加速度传感器(6)接受的每个信号，并分析每个信号的频率、最大振幅和衰减系数；
S3.采用人工神经网络：利用人工神经网络方法，建立两个信号的频率、最大振幅和衰减系数之差与锚索轴向受力的关系，从而实现锚索工作状态的无损检测。
3.根据权利要求2所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，其特征在于，所述人工神经网络方法用于建立分析后的信号和锚杆(4)轴力之间的关系，保证无损检测结果的精确性。
4.根据权利要求3所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的方法，其特征在于，所述人工神经网络方法用于建立分析后的信号和锚索轴力之间的关系，保证无损检测结果的精确性。
5.一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，其特征在于，包括固定设置在围岩(10)内部的锚固段(9)、锚杆(4)、托盘(1)、加速度传感器(6)、信息分析器(7)、激震锤(3)、螺母(2)和高强磁铁(5)，所述锚杆(4)的一端设置有自由端(8)，所述自由端(8)固定设置在所述锚固段(9)内，所述锚杆(4)的另一端贯穿所述围岩(10)且设置在所述围岩(10)的外侧，所述托盘(1)设置在所述锚杆(4)的外漏端且所述托盘(1)设置为所述围岩(10)的外表面，所述托盘(1)通过所述激震锤(3)敲打所述螺母(2)的方式固定。
6.根据权利要求5所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，其特征在于，所述高强磁铁(5)设置有两组，两组所述高强磁铁(5)分别设置在所述托盘(1)的外表面和所述螺母(2)的下表面，所述加速度传感器(6)设置有两组，两组所述加速度传感器(6)通过所述高强磁铁(5)分别固定在所述螺母(2)和所述托盘(1)上。
7.根据权利要求6所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，其特征在于，包括固定设置在围岩(10)内部的锚固段(9)、锚索、托盘(1)、加速度传感器(6)、信息分析器(7)、激震锤(3)、锁具和高强磁铁(5)，所述锚索的一端设置有自由端(8)，所述自由端(8)固定设置在所述锚固段(9)内，所述锚索的另一端贯穿所述围岩(10)且设置在所述围岩(10)的外侧，所述托盘(1)设置在所述锚索的外漏端且所述托盘(1)设置为所述围岩(10)的外表面，所述托盘(1)通过所述激震锤(3)敲打所述锁具的方式固定。
8.根据权利要求7所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，其特征在于，所述高强磁铁(5)设置有两组，两组所述高强磁铁(5)分别设置在所述托盘(1)的外表面和所述锁具的下表面，所述加速度传感器(6)设置有两组，两组所述加速度传感器(6)通过所述高强磁铁(5)分别固定在所述锁具和所述托盘(1)上。
9.根据权利要求8所述的一种用于非全长锚固锚杆和锚索工作载荷无损检测的装置，其特征在于，两组所述加速度传感器(6)通过信号线与所述信息分析器(7)相连。
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