CN117968904A - 一种锚杆轴向应力超声测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚杆轴向应力超声测试系统及方法，该系统包括超声波模块，用于产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；应力计算模块，用于采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。本发明能够实现锚杆轴向应力无损测量与监测，具有测量精度高、测量误差低及综合成本低等优点。

Description

一种锚杆轴向应力超声测试系统及方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，具体涉及一种锚杆轴向应力超声测试系统及方法。

背景技术

锚杆是一种常用于土木工程和岩土工程中的支护材料，用于防止土层或岩层的滑移、坍塌或变形。其有效的预紧力状态对于确保结构的稳定性和安全性至关重要。因此，准确测量和监测锚杆轴向预紧力是土木工程和岩土工程领域中的重要问题。传统的拉拔试验等方法破坏性大，成本高，耗时长。光纤光栅传感器在锚杆应力监测方面具有稳定性和可靠性，例如，光纤布拉格光栅传感器对地铁隧道拱肩和隧道拐角处的锚杆的应力进行监测。然后光纤光栅传感器应力监测施工复杂，总体成本偏高。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种锚杆轴向应力超声测试系统及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提出了一种锚杆轴向应力超声测试系统，包括：

超声波模块，用于产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；

应力计算模块，用于采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。

作为优选地，所述超声波模块包括：

超声激励与采集单元和压电传感器；

所述压电传感器通过超声波粘合剂粘接在锚杆顶部。

作为优选地，所述应力计算模块根据声时差计算锚杆轴向应力包括：

根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量；

根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力。

作为优选地，根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量具体为：

，

其中，为锚杆在外力加载状态下的变形量，/>为锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的声时差，/>为超声波信号的传播速度。

作为优选地，根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力具体为：

，

其中，F为锚杆轴向应力，E为锚杆的弹性模量，S为锚杆的截面积，为锚杆在外力加载状态下的变形量，L为锚杆的装夹长度。

第二方面，本发明提出了一种锚杆轴向应力超声测试方法，包括以下步骤：

利用超声波模块产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；

利用应力计算模块采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。

作为优选地，所述超声波模块包括：

超声激励与采集单元和压电传感器；

所述压电传感器通过超声波粘合剂粘接在锚杆顶部。

作为优选地，所述应力计算模块根据声时差计算锚杆轴向应力包括：

根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量；

根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力。

作为优选地，根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量具体为：

，

其中，为锚杆在外力加载状态下的变形量，/>为锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的声时差，/>为超声波信号的传播速度。

作为优选地，根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力具体为：

，

其中，F为锚杆轴向应力，E为锚杆的弹性模量，S为锚杆的截面积，为锚杆在外力加载状态下的变形量，L为锚杆的装夹长度。

本发明具有以下有益效果：

本发明相比于传统应力测量方法，只需要将传感器粘接或者通过磁吸头探头，就能完成锚杆轴向应力无损测量与监测，测量精度高，测量误差低，可以低于5%以内，综合成本低，操作简单。

附图说明

图1为一种锚杆轴向应力超声测试系统的结构示意图；

图2为一种锚杆轴向应力超声测试系统的原理示意图；

图3为一种锚杆轴向应力超声测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提出了一种锚杆轴向应力超声测试系统，包括：

超声波模块，用于产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；

应力计算模块，用于采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。

在本实施例中，所述超声波模块包括：

超声激励与采集单元和压电传感器；

所述压电传感器通过超声波粘合剂粘接在锚杆顶部。

示例性地，本实施例基于声弹效应，通过超声波粘合剂（超声波耦合剂，甘油，甘脂、环氧树脂等）将压电传感器（PZT，ZnO，PVDF等）粘接在锚杆顶部，然后通过超声激励与采集一体化主机产生激励电压（0-400V可调），作用于压电传感器，压电传感器与超声激励与采集一体化主机通过磁吸头进行连接。然后，激励电压作用于压电传感器，产生超声波信号，超声波信号中心频率主要由压电传感器固有中心频率与模式决定，在本实施例中，主要是超声纵波信号。

本实施例在锚杆加载外部力后，相比于松弛状态，锚杆会出现锚杆长度拉伸，如图2所示。在这种状态下，在加载外部力的锚杆中传输的纵波相比于松弛状态下，会出现声时差T1-T0，声时差通过插值算法和互相关算法可以获得。在声时差的计算中，插值算法可以在有限的测量点之间估计出未知的声时差值，首先，确定需要插值的点，这通常是两个已知测量点之间的中间点；然后，选择合适的插值函数，如线性函数或其他更高阶的多项式函数；最后使用选择的插值函数，根据已知点的值计算出插值点的声时差值。

插值算法是函数逼近的重要方法之一，已知函数f(x)在一定区间内的取值点，通过插值方法在已知取值点的基础上制作适当的特殊函数来计算未知点，特殊函数的值用作函数f(x)在区间内其他点的近似值。插值算法不同，给定的特殊函数也是不同的。由于高阶插值龙格现象的问题，实际计算中通常使用低阶插值的方式。超声波测量仪所采集的超声波信号可以看作为在时间轴上以0.01 μs为间隔的离散数据点，通过直线将这些离散的点进行连接，构成了超声波分布函数。

常规的插值方法例如线性插值法，此方法是在已知函数f(x)的函数取值点之间构造特殊函数，插值函数是一次多项式，因此线性插值在各个节点上的插值误差为零，作为一种简单的插值方式，它仅能扩充数据点的数量，插值点在原始函数上仍位于原始数据点之间的连线上，并不能解决信号失真的问题。因此需要高阶函数来构造一条光滑曲线来通过每个已知的数据点，来“补全”信号曲线，解决信号失真的问题。

构造的特殊函数需要经过原始函数所有已知的取值点，才能保证数据的准确性和真实性，而多项式阶数则需要到达高阶才能依次通过这些取值点。然而随着多项式阶数越来越高，随之而来的计算量也急剧增大，同时插值精度并不会提高，由于龙格现象函数曲线将出现剧烈的振荡。

为了既能够使构造的特殊插值函数经过所有已知的取值点，同时避免龙格现象，采用分段函数插值的方法。即每两个数据点之间为一段，每一段都对应一个插值函数，最终得到一个插值函数序列。每个分段函数采用三次函数的形式构造，保证了多段函数之间的衔接是光滑的。这种插值方法称为三次样条插值法，所构造的特殊函数称为Spline样条函数。基本构造方法是在已知数据节点分成的n个区间，每个区间内构造一个三次函数，共n段，每一段三次函数方程定义为：

，

其中代表第i个数值节点，每段小区间/>上，/>都代表一个三次方程，整个区间对应的三次函数/>可表示为：

，

其中为每个小区间上的四个未知数，n个区间上共有4n个未知数。三次样条插值方法存在四个约束条件，第一个条件需要三次样条函数必须穿过所有已知的数据取值点，/>为第i个取值点的值：

，

第二个条件要求所有取值点之间连续，即前一段方程节点处的函数值和后一段函数值相等，即0阶连续：

，

第三个条件要求每个节点处有相同的斜率，保证曲线没有剧烈的跳动，即1阶导数连续：

，

第四个条件要求每个节点处有相同的曲率，保证曲线弯曲程度相同，即2阶导数连续：

，

通过上述关系及边界条件即可对方程进行求解，使用上述三次样条插值方法对采集系统得到的初始信号波形进行特殊函数构造。

在声时差的计算中，互相关算法可以找出两个时间序列（例如，两个不同的纵波传播时间序列）之间的延迟。首先计算两个时间序列的互相关函数，得到两个序列之间最佳的对齐方式；然后在互相关函数中寻找峰值，这个峰值对应的延迟就是两个时间序列之间的声时差。

本实施例先通过插值算法在测量点之间估计出连续的声时差值，然后使用互相关算法在这些估计值之间找到最匹配的延迟，从而得到更为准确的声时差。这种方法有助于提高声时差计算的准确性和稳定性。

在本实施例中，所述应力计算模块根据声时差计算锚杆轴向应力包括：

根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量；

根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力。

示例性地，中空锚杆预应力测量原理与紧固件轴力测量原理一样，紧固件在拉力范围内，会随拉力增大而伸长，拉力消失后将恢复初始长度，因此将紧固件视为在弹簧，即满足胡克定律：

，

其中F为力的大小，单位为牛顿（N）；k为物体的劲度系数，是常数；X是物体的形变量，单位是米（m）。再由胡克定律转化为预紧力计算关系。主要技术是声弹性原理，即紧固件在自由状态下，紧固件内部不存在预紧力（不考虑残余应力），而紧固件在紧固状态下，由于预紧力的作用，紧固件将发生形变，因此此时紧固件的变形量为。

本实施例根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力具体为：

，

其中，F为锚杆轴向应力，E为锚杆的弹性模量，S为锚杆的截面积，为锚杆在外力加载状态下的变形量，L为锚杆的装夹长度。

系统发射和接收超声波脉冲电信号、测量并计算发射和回波电信号之间时间差。为锚杆在外力加载状态下的变形量，/>为外力加载状态下测得的信号时间，/>为松弛状态下测得的信号时间，则/>为锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的声时差，因此锚杆的变形量可以由以下方程给出：

，

式中为超声波信号在试件内的传播速度，最终由智能紧固件系统依据/>并结合轴向应力计算公式可得到当前状态下的锚杆的预应力。

以测量1件的中空锚杆轴向应力为例，本实施例将锚杆放置在液压拉伸机中，确保磁吸头和压电换能器接触良好，同时利用超声波采集系统进行信号接收，采集系统的采样频率为100MHz，超声波最大接收频率为25MHz，在测量过程中，通过液压拉拔机为锚杆施加预载应力，拉拔机数字面板上可以实时显示当前施加的预应力,施加的预应力范围为0~90kN，测试间隔为10kN。计算并获取应力补偿系数。然后将获取的只与锚杆冶金材料相关的应力补偿系数，带入预应力检测系统软件，利用拉拔机从10-90kN之间随机输出拉力值，并同时采集对应拉力下超声波的回波信号，得到对应的TOF时间。测试结果如表1所示，随着加载力增加，测量误差逐步减小，在42kN后，测量误差都＜5%。

本实施例通过多路切换器，系统可以最大实现256路锚杆同时监测，综合成本低。

本实施例相比于传统应力测量方法，只需要将传感器粘接或者通过磁吸头探头，就能完成锚杆轴向应力测量与监测，测量精度高，测量误差低，可以低于5%以内，综合成本低，操作简单。

实施例2：

如图3所示，本发明实施例提出了一种锚杆轴向应力超声测试方法，包括以下步骤S1和S2：

S1、利用超声波模块产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；

S2、利用应力计算模块采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。

在本实施例中，所述超声波模块包括：

超声激励与采集单元和压电传感器；

所述压电传感器通过超声波粘合剂粘接在锚杆顶部。

在本实施例中，所述应力计算模块根据声时差计算锚杆轴向应力包括：

根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量；

根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力。

在本实施例中，根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量具体为：

，

其中，为锚杆在外力加载状态下的变形量，/>为锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的声时差，/>为超声波信号的传播速度。

在本实施例中，根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力具体为：

，

其中，F为锚杆轴向应力，E为锚杆的弹性模量，S为锚杆的截面积，为锚杆在外力加载状态下的变形量，L为锚杆的装夹长度。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锚杆轴向应力超声测试系统，其特征在于，包括：

超声波模块，用于产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；

应力计算模块，用于采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。

2.根据权利要求1所述的一种锚杆轴向应力超声测试系统，其特征在于，所述超声波模块包括：

超声激励与采集单元和压电传感器；

所述压电传感器通过超声波粘合剂粘接在锚杆顶部。

3.根据权利要求1所述的一种锚杆轴向应力超声测试系统，其特征在于，所述应力计算模块根据声时差计算锚杆轴向应力包括：

根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量；

根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力。

4.根据权利要求3所述的一种锚杆轴向应力超声测试系统，其特征在于，根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量具体为：

，

其中，为锚杆在外力加载状态下的变形量，/>为锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的声时差，/>为超声波信号的传播速度。

5.根据权利要求3所述的一种锚杆轴向应力超声测试系统，其特征在于，根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力具体为：

，

其中，F为锚杆轴向应力，E为锚杆的弹性模量，S为锚杆的截面积，为锚杆在外力加载状态下的变形量，L为锚杆的装夹长度。

6.一种锚杆轴向应力超声测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用超声波模块产生超声波信号，将超声波信号传输至锚杆，并分别采集锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号；

利用应力计算模块采用插值算法对锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的超声波回波信号进行插值计算，得到对应的超声波时间序列；然后采用互相关算法估计超声波时间序列之间的延迟，得到声时差；最后根据声时差计算锚杆轴向应力。

7.根据权利要求6所述的一种锚杆轴向应力超声测试方法，其特征在于，所述超声波模块包括：

超声激励与采集单元和压电传感器；

所述压电传感器通过超声波粘合剂粘接在锚杆顶部。

8.根据权利要求6所述的一种锚杆轴向应力超声测试方法，其特征在于，所述应力计算模块根据声时差计算锚杆轴向应力包括：

根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量；

根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力。

9.根据权利要求8所述的一种锚杆轴向应力超声测试方法，其特征在于，根据声时差计算锚杆在外力加载状态下的变形量具体为：

，

其中，为锚杆在外力加载状态下的变形量，/>为锚杆在松弛状态下和外力加载状态下的声时差，/>为超声波信号的传播速度。

10.根据权利要求8所述的一种锚杆轴向应力超声测试方法，其特征在于，根据锚杆在外力加载状态下的变形量计算锚杆轴向应力具体为：

，

其中，F为锚杆轴向应力，E为锚杆的弹性模量，S为锚杆的截面积，为锚杆在外力加载状态下的变形量，L为锚杆的装夹长度。