基于電磁駐波法的錨桿無損檢測(cè)技術(shù)研究

樓嘉晗 羅蕊

摘 要：傳統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度測(cè)量方法無法實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)或受限于測(cè)量的錨桿長(zhǎng)度，為滿足礦巷錨桿支護(hù)技術(shù)的實(shí)際需求，本項(xiàng)目計(jì)劃研發(fā)一套基于電磁波理論的錨桿長(zhǎng)度無損檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)、大量程測(cè)量，能夠滿足礦井特殊安全要求。通過添加金屬導(dǎo)線，把單根金屬錨桿等效成傳輸線，這樣就可以使用傳輸線和天線理論來測(cè)量單根金屬錨桿。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè)；電磁波理論；錨桿；傳輸線

1 總體設(shè)計(jì)框圖

錨桿長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x主要由ARM控制模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)檢波模塊、信號(hào)濾波模塊以及LCD和SD卡等組成，總體設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示。

系統(tǒng)原理：信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出兩路幅度相同、極性相反的正弦小信號(hào)，兩路小信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大電路處理，輸出單路幅度適當(dāng)?shù)恼倚盘?hào)，該正弦信號(hào)將耦合進(jìn)錨桿傳輸。從錨桿反射回來的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)檢波電路進(jìn)行檢波，再經(jīng)過信號(hào)濾波電路，輸出適合ARM控制模塊處理的直流信號(hào)。SD卡用來存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量操作和測(cè)量數(shù)據(jù)繪制的波形在LCD上顯示，系統(tǒng)電源模塊為系統(tǒng)提供工作電源，晶振為ARM控制模塊提供穩(wěn)定的工作頻率。

2 信號(hào)產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

晶振為DDS核提供基準(zhǔn)頻率，ARM控制模塊通過ARM I/O接口編程來控制信號(hào)產(chǎn)生模塊內(nèi)部頻率調(diào)諧控制寄存器FTW的值，F(xiàn)TW寄存器進(jìn)而控制DDS核輸出，DDS核的輸出經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換輸出兩路幅值相等，相位相反的正弦信號(hào)INA+和INA-。FTW寄存器的值和輸出頻率的關(guān)系由公式（1）決定。

（1）

（1）中round表示取模值，four表示輸出頻率，fSYSCLK表示DDS核的系統(tǒng)頻率。這樣對(duì)于每一個(gè)輸出頻率，就有一個(gè)寄存器值與之相對(duì)應(yīng)，通過外部編程讓寄存器值發(fā)生周期的變化，就可以得到輸出頻率的周期變化。

3 信號(hào)放大模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)放A和運(yùn)放B構(gòu)成雙路電壓跟隨器，隔離信號(hào)發(fā)生模塊對(duì)信號(hào)放大電路的影響。運(yùn)放C對(duì)輸入信號(hào)INA+和INA-進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，將兩路信號(hào)合并成單路正弦信號(hào)，由于信號(hào)產(chǎn)生電路輸出信號(hào)幅度不超過200mV，需要進(jìn)行放大，又考慮到信號(hào)帶寬范圍為0至100MHz，每級(jí)放大增益不能過高，因此需要運(yùn)放D和運(yùn)放E進(jìn)行逐級(jí)放大處理，獲得合適的輸出信號(hào)OUTA。

4 信號(hào)檢波模塊設(shè)計(jì)

檢波模塊采用雙運(yùn)放精密檢波電路，當(dāng)輸入信號(hào)為INB的負(fù)半波正弦信號(hào)（即INB<0）時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，運(yùn)放A和R1、R2、R3構(gòu)成反相比例放大電路，OUTB = - R3*INB/R2，這樣負(fù)極性信號(hào)就轉(zhuǎn)變成正極性信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)為INB的正半波正弦信號(hào)（即INB>0）時(shí)，D4導(dǎo)通，D3截止，OUTB = INB。實(shí)現(xiàn)了全波整流。

5 信號(hào)濾波模塊設(shè)計(jì)

兩個(gè)二階有源低通濾波器級(jí)聯(lián)，構(gòu)成四階有源低通濾波電路，組成濾波模塊。在二階有源低通濾波器I中，運(yùn)放A和R3、R4構(gòu)成同相比例放大電路，調(diào)整R3、R4的值和R1、C1的值，使得通帶增益和通帶截止頻率滿足ARM控制處理器對(duì)信號(hào)電壓和通頻帶的要求。

6 軟件設(shè)計(jì)

錨桿長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x上電后，會(huì)初始化整個(gè)系統(tǒng)，首先讓顯示模塊正常工作，為了控制功耗，會(huì)先關(guān)閉信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)放大和檢波與濾波模塊的電源。當(dāng)選擇開始測(cè)量后，會(huì)啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及信號(hào)放大和檢波與濾波模塊。ARM處理器可控制AD9913產(chǎn)生頻率0～100MHz的正弦信號(hào)，然后會(huì)得到一組電壓值，通過算法比較，獲得首個(gè)電壓值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，通過Lk = Vq / 4?k，即可以求得錨桿長(zhǎng)度。

7 方案驗(yàn)證結(jié)果

以銅芯線代替金屬錨桿進(jìn)行測(cè)試。通過串口，將錨桿始端電壓值經(jīng)過檢波、濾波后上傳到電腦進(jìn)行分析，以頻率?為橫坐標(biāo)，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換后的值為縱坐標(biāo)，在matlab中畫出波形圖，其中L1 = 4m的波形，L2 = 10 的波形。已知錨桿L1 = 4m，測(cè)出正弦信號(hào)在錨桿中的傳播速度Vq = 2.096×108 m/s，通過已求出的傳播速度Vq，可以計(jì)算出L2 = Vq / 4? = 9.8868 m，相對(duì)誤差為1.132%，以上數(shù)據(jù)表明，該方案具有很高的測(cè)量精度。

8 預(yù)期目標(biāo)

通過研發(fā)錨桿長(zhǎng)度無損檢測(cè)儀來對(duì)煤礦錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行檢測(cè)，擬達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）錨桿長(zhǎng)度無損檢測(cè)儀產(chǎn)生的寬頻信號(hào)能夠測(cè)量幾米至幾十米的長(zhǎng)度范圍，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度的限制。

（2）錨桿長(zhǎng)度無損檢測(cè)儀采用寬動(dòng)態(tài)精密檢波技術(shù)，實(shí)時(shí)提取不同頻段的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，極大的提高了ARM主控制器對(duì)數(shù)據(jù)的處理精度。

（3）在可行性得到驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以適應(yīng)礦井等實(shí)際工程中的惡劣環(huán)境，并使其滿足本質(zhì)安全、低功耗、便攜、易用等實(shí)際應(yīng)用需求。

（4）對(duì)設(shè)備的操作流程進(jìn)行最簡(jiǎn)化處理，令使用者可用最快的時(shí)間掌握正確的測(cè)量方法，盡可能減少人為因素導(dǎo)致的誤差或其他意料外行為。

9 項(xiàng)目研究意義

無損檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度的技術(shù)在施工、驗(yàn)收、維護(hù)等過程中有著實(shí)際工程需求，是保障煤礦安全高效開采的重要手段。同時(shí)該項(xiàng)目具有便攜、低功耗、測(cè)量方便迅速、精度高、量程大且滿足礦井特殊安全要求的特點(diǎn)，其實(shí)用性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的測(cè)試手段。若該項(xiàng)目得以順利實(shí)施，將大大提高礦井錨桿施工的速度和質(zhì)量，并能有效發(fā)現(xiàn)錨桿斷裂的情況，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]徐釗，房咪咪，周紅偉，等.基于電駐波的錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量方法[J].工礦自動(dòng)化，201339（9）：112-115.

[2]鄭振宇.錨桿錨固質(zhì)量的電磁檢測(cè)方法研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），2012.