专利名称：一种锚杆锚固质量检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种锚杆锚固质量检测仪，该仪器利用高低频导波相结合的方 法对锚杆锚固质量进行无损检测，可以现场检测出锚杆的长度，有效锚固长度， 锚固力，对锚杆锚固质量进行综合评价，适用于煤矿巷道、地下隧道等各类岩 土工程中的锚杆锚固质量检测，属于无损检测领域。
背景技术：
锚杆作为支护系统的一个重要组成部分，被广泛地应用于地下巷道以及边 坡围岩的加固与支护中。在工程实际中，锚杆的锚固质量的好坏直接关系着工 程项目的安全，锚杆一旦失效，会对岩土工程的稳定性产生巨大威胁，甚至造 成灾难性的后果。
引起锚杆失效的主要原因有1、锚杆锚固长度不足，未达到设计要求；2、 由于施工不当，造成锚固剂与杆体和围岩未能有效粘结；3、在锚杆安装一段时 期后，因地质条件变化或者爆破、重型机械和地震力引发的冲击使得锚杆局部 处于应力集中状态，导致锚杆被拉断；4、由于围岩的横向滑动，使锚杆的应力 状态由轴向拉应力变为横向剪应力，导致锚杆被剪断；5、由于锚杆所处的环境 恶劣，受到潮湿空气、地下水的渗入，使得锚固介质逐步老化，造成锚杆失效。 目前，锚杆锚固技术已广泛应用于各类岩土工程中，为了拉动内需，我国在2010 年前将投入4万亿元资金进行各种基础设施的建设，为了保障岩土工程项目的安 全，对锚杆锚固质量进行无损检测具有重要的意义。
目前，在工程实际中， 一般采用拉拔试验法检测锚杆锚固质量。拉拔试验 法采用千斤顶对锚杆进行拉拔试验，以锚固力是否达到设计值来评价锚杆锚固 质量，其缺点在于对锚杆进行拉拔试验会使锚杆的锚固力发生损失，因此只能 对锚杆进行少量的抽样检测，无法全面了解工程中锚杆的锚固质量，进行拉拔 试验也比较耗时、费力。对于锚固质量较好的锚固体，其强度远大于锚杆本身 的强度，因此在测出锚杆的极限锚固力之前，锚杆杆体已经被拉断，因此拉拔 试验法这种测试方法本身存在一定的局限性。另外，拉拔试验法只能获得锚杆的锚固力，对于锚杆长度、锚杆锚固段的长度等表征锚杆锚固质量的重要指标 无法进行检测。另一种检验锚杆锚固质量的方法是取岩芯法，用取芯钻沿平行 锚杆的方向把锚杆、锚固介质以及部分岩石整体取出来，用目测的方法对锚固 质量进行评价。虽然取岩芯可以提供非常有用的信息，但它不仅是一个破坏性 的检测手段，而且受到许多因素的制约而无法成为一个常规的检测手段。这两 种方法都是破坏性检测方法。
发明内容
本发明的目的是为解决锚杆锚固的质量检测问题，提出一种锚杆锚固质量 检测仪。该仪器釆用高频和低频导波对锚杆锚固质量进行综合检测的智能检测， 能够在工程现场检测出锚杆的长度、有效锚固长度以及锚固力，并对锚杆锚固 质量进行综合评价。
本检测仪包括中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通道切换模 块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块、电源适配 器以及导波收发传感器。
其中，中央控制模块由嵌入式处理器及带断电保护的存储器组成。在其上 运行有嵌入式操作系统和锚杆锚固质量检测分析处理程序。中央控制模块负责 控制检测仪的运行，并对检测结果进行分析和评价。
导波激发模块负责根据中央控制模块设定的频率、电压、周期，生成相应 的导波激励信号。
功率放大模块根据中央控制模块设定的增益，将导波激发模块生成的导波 激励信号进行功率放大。
通道切换模块受中央控制模块的控制，在进行高频导波测试时，当导波激 发模块激发导波时，将功率放大模块与导波收发传感器、信号调理模块接通； 在接收回波信号时，切断功率放大模块通路，将导波收发传感器与信号调理模 块接通。在进行低频导波测试时，将导波收发传感器与信号调理模块接通。
信号调理模块在中央控制模块的控制下，将由导波收发传感器经通道切换 模块传送来的导波激励信号进行限幅、滤波和放大。
数据采集模块在中央控制模块的控制下，对信号调理模块处理后的信号进
行模数转换，釆集回波信号。用户交互模块具有液晶面板和图形化操作界面，负责提供输入输出交互界 面，用户通过该模块输入检测参数，并通过该模块对检测仪进行操作。此外， 该模块还提供网络接口以及USB标准接口，使检测仪能够与网络或其他外设进 行通讯。
充电电池模块为整个仪器供电。 电源适配器为充电电池充电。
导波收发传感器包括高频探头和低频探头，分别在在锚杆内激励、接收高 频和低频导波信号。
各组成部分的连接关系为
中央控制模块与导波激发模块、功率放大模块、通道切换模块、信号调理
模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块相连。
导波激发模块与中央控制模块、功率放大模块、充电电池模块相连。 功率放大模块与中央控制模块、导波激发模块、通道切换模块、充电电池
模块相连。
通道切换模块与中央控制模块、功率放大模块、导波收发传感器、信号调 理模块、充电电池模块相连。
信号调理模块与中央控制模块、通道切换模块、数据采集模块、充电电池 模块相连。
数据采集模块与中央控制模块、信号调理模块、充电电池模块相连。 用户交互模块与中央控制模块、充电电池模块相连。
充电电池模块与中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通道切换 模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、电源适配器相连。 本检测仪的具体工作过程是
首先，启动检测仪，通过充电电池模块为检测仪供电；
之后，进行检测参数设定。根据现场情况，通过用户交互模块设定检测材 料参数。
然后，进行导波测试。当进行高频导波测试时，将导波收发传感器高频探 头置于锚杆端部，将检测仪设置为高频导波检测模式，中央控制模块根据输入 的检测材料参数自动设置导波激发模块高频导波的激发参数、功率放大模块的 信号增益、信号调理模块的滤波与放大参数。在中央控制模块的控制下，通过导波激发模块生成导波激励信号，经过功率放大模块将信号进行放大，再经通 道切换模块将信号输出至导波收发传感器，在锚杆内激发导波。之后，由中央 控制模块控制通道切换模块，将导波收发传感器高频探头感应到的回波信号切 换到信号调理模块进行信号预处理，然后由数据采集模块将经预处理后的信号 进行模数转换，并存储到中央控制模块的存储器中。
当进行低频导波测试时，将导波收发传感器低频探头置于锚杆端部，将检 测仪设置为低频导波检测模式，中央控制模块设置好低频检测时信号调理模块 的滤波与放大参数，并设置通道切换模块使导波收发传感器低频探头与信号调 理模块接通。由导波收发传感器低频探头在锚杆中激发低频导波信号，导波收 发传感器低频探头感应到的信号经信号调理模块进行信号预处理，然后由数据 采集模块将经预处理后的信号进行模数转换，并存储到中央控制模块的存储器 中。
最后，对检测结果进行分析处理。根据得到的高频与低频导波检测数据， 通过中央控制模块，计算锚杆的长度、锚杆有效锚固长度以及锚固力，并给出 锚杆锚固质量的检测结果，通过用户交互模块显示给用户。
本检测仪可根据需要设计成便携式的可独立工作的一体化小型仪器，也可 设计成采用车载式或固定式仪器等，以满足实际工程应用的不同需要。
有益效果
本发明提出的锚杆锚固质量检测仪，采用高频与低频导波的双模式检测， 可对锚杆锚固质量进行全面评价。采用在锚杆端头激励导波对锚杆锚固质量进 行检测的方式，不会损伤锚杆。本检测仪操作简单，能够实时显示检测结果， 可制成便携式、车载式或固定式等多种方式，使工作人员能够在实际工程中对 锚杆锚固质量进行快速检测。
图l为本发明的结构示意图2为本发明实施方式的材料参数设置示意图;
图3为高频导波参数设置示意图4为锚杆高频导波测试波形图5为锚杆低频导波测试波形图；图6为锚杆锚固质量的综合评价结果。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明的实施方式做进一步详细说明。 本发明的锚杆锚固质量检测仪结构组成如图l所示，采用便携式的可独立工
作的一体化小型设计，包括中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通
道切换模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块、
电源适配器以及导波收发传感器。
其中，中央控制模块与导波激发模块、功率放大模块、通道切换模块、信
号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块相连。
导波激发模块与中央控制模块、功率放大模块、充电电池模块相连。 功率放大模块与中央控制模块、导波激发模块、通道切换模块、充电电池
模块相连。
通道切换模块与中央控制模块、功率放大模块、导波收发传感器、信号调 理模块、充电电池模块相连。
信号调理模块与中央控制模块、通道切换模块、数据采集模块、充电电池 模块相连。
数据采集模块与中央控制模块、信号调理模块、充电电池模块相连。 用户交互模块与中央控制模块、充电电池模块相连。
充电电池模块与中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通道切换 模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、电源适配器相连。
具体工作过程如下
假定需要对长度为2.1m，直径为22mm的锚杆进行锚固质量检测。其中，锚 杆弹性模量为210GPa，密度为7850kg/m3，锚固介质为树脂，弹性模量为20GPa， 密度为2200kg/m3，锚杆安装时采用的树脂锚固剂长度为500mm。
首先，启动检测仪，通过充电电池模块为检测仪供电；
之后，根据现场情况，通过用户交互模块设定材料参数。材料参数设置如 图2所示。
然后，进行导波测试。当进行高频导波测试时，将导波收发传感器高频探头置于锚杆端部，将检测仪设置为高频导波检测模式，中央控制模块设置导波 激发模块高频导波的参数以及功率放大模块的信号增益，高频导波参数设置如 图3所示。同时，中央控制模块将信号调理模块设置为高通滤波。在中央控制模 块的控制下，通过导波激发模块生成导波激励信号，经过功率放大模块将信号 进行放大，再经通道切换模块将信号输出至导波收发传感器，在锚杆内激发导 波。之后，由中央控制模块控制通道切换模块，将导波收发传感器高频探头感 应到的回波信号切换到信号调理模块进行信号预处理，然后由数据采集模块将 经预处理后的信号进行模数转换，并存储到中央控制模块的存储器中。锚杆高 频导波测试波形如图4所示。
当进行低频导波测试时，将导波收发传感器低频探头置于锚杆端部，将检 测仪设置为低频导波检测模式。中央控制模块将信号调理模块设置为低通滤波， 并设置通道切换模块使导波收发传感器低频探头与信号调理模块接通。由导波 收发传感器低频探头在锚杆中激发低频导波信号。之后，导波收发传感器低频 探头感应到的信号经信号调理模块进行信号预处理，然后由数据采集模块将经 预处理后的信号进行模数转换，并存储到中央控制模块的存储器中。锚杆低频
导波测试波形如图5所示。
最后，对检测结果进行分析处理。采用锚杆锚固系统的有效锚固长度、基
频、频率比、锚固力这4个参数对锚杆锚固质量进行综合评价。判断标准为
(1) 有效锚固长度越长，锚固质量越好。首先用高频导波测出锚杆底端第 一次反射回波时间及该频率下导波的能量速度得到锚杆的长度。然后，通过低 频导波测得锚杆锚固段上界面第一次反射回波时间及该频率下的导波的能量速 度得到自由段锚杆的长度。最后，通过锚杆的长度和自由段锚杆的长度求出锚 杆的有效锚固长度。
本实施方式中，测出锚杆的长度为2.12m，有效锚固长度为0.43m。
(2) 在锚固参数相同的情况下，自由段长度越短，有效锚固长度越长，基 频越高，锚固质量越好。反之，则锚固质量越差。
本实施方式中，根据测试数据，得到锚杆回波信号的基频为781.25Hz。
(3) 频率比将频率进行无量纲化，即用锚杆振动的各谐振频率之差与基 频的比来评价锚杆的锚固质量。锚固质量劣的锚杆，其频率比为l;锚固质量优 的锚杆，其频率比接近于2。锚固质量中等的锚杆，其频率比介于1与2之间。本实施方式中，根据测试数据，得到频率比为1.95。
(4)锚固力锚杆锚固力计算公式为
尸=;z"d/r
其中，p为锚固力，"为杆体直径，/为有效锚固长度，r为粘结强度。
本实施方式中，计算锚杆的锚固力为12吨。
根据高频与低频导波的测试数据，计算锚杆的有效锚固长度、基频、频率 比，给出此锚杆的锚固质量评价为优。
将锚杆锚固质量检测结果通过用户交互模块显示给用户。本实施方式的锚 杆锚固质量的综合评价结果如图6所示。
权利要求
1、一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于包括中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通道切换模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块、电源适配器、导波收发传感器；其中，中央控制模块由嵌入式处理器及带断电保护的存储器组成，在其上运行有嵌入式操作系统和锚杆锚固质量检测分析处理程序；中央控制模块负责控制检测仪的运行，并对检测结果进行分析和评价；导波激发模块根据中央控制模块设定的频率、电压、周期，生成相应的导波激励信号；功率放大模块根据中央控制模块设定的增益，将导波激发模块生成的信号进行功率放大；通道切换模块在中央控制模块的控制下，在进行高频导波测试时，当导波激发模块激发导波时，将功率放大模块与导波收发传感器、信号调理模块接通；在接收回波信号时，切断功率放大模块通路，将导波收发传感器和信号调理模块接通；在进行低频导波测试时，将导波收发传感器与信号调理模块接通；信号调理模块在中央控制模块的控制下，将由导波收发传感器经通道切换模块传送来的电信号进行限幅、滤波和放大；数据采集模块在中央控制模块的控制下，对信号调理模块处理后的信号进行模数转换，采集回波信号；用户交互模块提供输入输出交互界面，用户通过该模块输入检测参数，并通过该模块对检测仪进行操作；充电电池模块为整个仪器供电；电源适配器为充电电池充电；导波收发传感器包括高频探头和低频探头，分别在锚杆内激励、接收高频和低频导波信号；各组成部分的连接关系为中央控制模块与导波激发模块、功率放大模块、通道切换模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块相连；导波激发模块与中央控制模块、功率放大模块、充电电池模块相连；功率放大模块与中央控制模块、导波激发模块、通道切换模块、充电电池模块相连；通道切换模块与中央控制模块、功率放大模块、导波收发传感器、信号调理模块、充电电池模块相连；信号调理模块与中央控制模块、通道切换模块、数据采集模块、充电电池模块相连；数据采集模块与中央控制模块、信号调理模块、充电电池模块相连；用户交互模块与中央控制模块、充电电池模块相连；充电电池模块与中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通道切换模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、电源适配器相连。
2、如权利要求1所述的一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于检测仪的工 作过程是首先，启动检测仪，通过充电电池模块为检测仪供电； 之后，根据现场情况，通过用户交互模块设定检测材料参数； 然后，进行导波测试，当进行高频导波测试时，将导波收发传感器高频探 头置于锚杆端部，将检测仪设置为高频导波检测模式，中央控制模块根据输入 的检测材料参数自动设置导波激发模块高频导波的激发参数、功率放大模块的 信号增益、信号调理模块的滤波与放大参数，在中央控制模块的控制下，通过 导波激发模块生成导波激励信号，经过功率放大模块将信号进行放大，再经通 道切换模块将信号输出至导波收发传感器，在锚杆内激发导波，之后，由中央 控制模块控制通道切换模块，将导波收发传感器高频探头感应到的回波信号切 换到信号调理模块进行信号预处理，然后由数据采集模块将经预处理后的信号 进行模数转换，并存储到中央控制模块的存储器中；当进行低频导波测试时，将导波收发传感器低频探头置于锚杆端部，将检 测仪设置为低频导波检测模式，中央控制模块设置好低频检测时信号调理模块 的滤波与放大参数，并设置通道切换模块使导波收发传感器低频探头与信号调 理模块接通；由导波收发传感器低频探头在锚杆中激发低频导波信号，导波收 发传感器低频探头感应到的信号经信号调理模块进行信号预处理，然后由数据 采集模块将经预处理后的信号进行模数转换，并存储到中央控制模块的存储器 中；最后，对检测结果进行分析处理，根据得到的高频与低频导波检测数据， 通过中央控制模块，计算锚杆的长度、锚杆有效锚固长度以及锚固力，并给出锚杆锚固质量的检测结果，通过用户交互模块显示给用户。
3、 如权利要求1所述的一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于 导波收发传感器包括高频探头和低频探头，分别在锚杆内激励、接收高频和低频导波信号。
4、 如权利要求1所述的一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于 用户交互模块具有液晶面板和图形化操作界面，并具有网络接口以及USB标准接口，能够与其它外设进行通讯。
全文摘要
本发明涉及一种锚杆锚固质量检测仪，属于无损检测技术领域。该检测仪包括中央控制模块、导波激发模块、功率放大模块、通道切换模块、信号调理模块、数据采集模块、用户交互模块、充电电池模块、电源适配器以及导波收发传感器。本检测仪采用高频与低频导波的双模式检测，可对锚杆锚固质量进行全面评价。本检测仪操作简单，能够实时显示检测结果，可制成便携式、车载式或固定式等多种方式，使工作人员能够在实际工程中对锚杆锚固质量进行快速检测。
文档编号G01N29/14GK101458232SQ20091000078
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者文 何, 唐永刚, 宁建国, 成 王 申请人:北京理工大学