一種新型錨桿錨固質量檢測儀

張 佩，李太全，涂雅蒙，葉 輝，周 超

(1.長江大學 物理與光電工程學院，湖北 荊州434020；2.武漢市工程科學技術研究院，湖北 武漢430000)

0 引言

錨桿錨固質量檢測儀多采用超聲應力波法，實現對錨桿長度、灌漿密實度的無損檢測，在巖土工程領域得到了廣泛應用。錨桿錨固質量無損檢測的研究工作最早始于1978年，瑞典的Thurner H.F.[1]提出用測超聲波能量損耗的原理來檢測錨桿系統的灌注質量。隨后，GendynamikAB公司于1980年推出了Boltometer Version錨桿質量檢測儀[2]。20世紀80年代初，英國Aberdeen大學的Rodger[3]博士展開了錨桿無損檢測相關的研究，并開發出錨固質量無損檢測系統GRANIT。淮南礦業學院的王鶴齡、汪明武[4-6]教授等對MT-1型錨桿檢測儀進行二次開發，研制出了新型錨桿檢測儀。2000年以來，我國眾多高校、科研院所和地質勘探機構對錨桿錨固檢測技術進行了深入的研究[7-8]，涌現出一批性能優異的錨桿錨固質量檢測儀。然而，這些儀器大多價格昂貴，相對體積較大，不利于攜帶。

基于此，研制了一種新型錨桿錨固質量檢測儀，改變以往采用電纜傳輸數據的方式，采用藍牙方式與手機(或者電腦)連接，簡化了儀器的復雜程度，具有操作簡單、檢測效果良好、成本低廉和便于攜帶等特點。

1 錨桿錨固檢測儀的總體設計

新型錨桿錨固質量檢測儀總體結構如圖1所示。為了簡化儀器的結構，檢測儀的應力波激勵使用錘擊方式，所以總體結構中沒有考慮激勵源。

圖1 錨桿錨固質量檢測儀的總體結構

該儀器分為2部分：① 上位機，由手機或者筆記本電腦承擔，負責操作命令的發布和數據處理；② 數據采集系統，該部分以藍牙方式與上位機通信，由單片機模塊MCU解釋并執行上位機的命令。

2 數據采集系統的設計

對于儀器的數據采集系統，按照中華人民共和國行業標準JGJ/T 182-2009《錨桿錨固質量無損檢測技術規程》，將系統的頻率范圍設定為100 Hz～100 kHz，最高采樣率設計為2 Msps，分辨率為16 bits，信號調理電路的增益為28～70 dB可編程調節。其中信號調理電路由運算放大器OPA350、PGA112和ADA4941-1組成，具體電路如圖2所示。模數轉換器選擇了ADS1606，MCU采用STM32F407，藍牙模塊采用了TI的CC2564MODA。

儀器傳感器采用壓電式加速度傳感器，所以，在圖2的信號調理電路中，第一級放大器為電荷放大器，由低噪聲運算放大器OPA350組成，放大器增益設計為6倍；中間級PGA112為可編程增益放大器，完成電路的增益調節；末級放大器ADA494-1為單端轉差分電路，增益設計為4倍，作為模數轉換器ADS1606的驅動電路。

圖2 信號調理電路

2.1 前置放大器的優化

為了檢測到微弱的回波，信號調理電路的噪聲特性至關重要，而電路噪聲特性主要取決于前置放大器的噪聲特性。錨桿錨固質量檢測儀的震動傳感器采用壓電加速度傳感[9]，所以，前置放大器為電荷放大器。電荷放大器的簡化模型[10]如圖3所示。

由圖3可知，放大器的輸出噪聲譜密度為:

(1)

式中，A=1+R3/R1。

在100 Hz～100 kHz頻帶內，|ZCa|=1.592 MΩ～1.592 kΩ，考慮OPA350的輸入電阻達到1013Ω，可取R2=100 MΩ，有R2>>|ZCa|；而

式(1)近似為：

(2)

由式(2)可知，在考慮OPA350驅動能力的情況下，降低R1、R3的阻值有利于減小放大器的輸出噪聲，所以，電路設計中選取了R1=200 Ω、R3=1 kΩ，此時，前置放大器的輸出噪聲約為13.3 μV。

圖3 電荷放大器的簡化模型

2.2 ADS1606與STM32F407的接口設計

ADS1606的采樣速率高達5 Msps(雙倍采樣模式下高達10 Msps)，其采樣率與時鐘頻率的關系為f=fCLK/8，其中，fCLK為ADS1606的輸入時鐘頻率，圍繞ADS1606的電路設計在文獻[13]中有詳細的描述。在此主要說明ADS1606與STM32F407的接口設計。

ADS1606與STM32F407的接口設計如圖4所示。ADS1606的時鐘由STM32F407的定時器TIM4產生，為了方便產生2 Msps、1 Msps、500 ksps和250 ksps的采樣率系列，將STM32F407的系統頻率調節為160 MHz，通過設置TIM4的ARR和CC，可在TIM4的CH4輸出16、8、4和2 MHz的方波以實現上述的采樣率。

ADS1606的數據輸出與STM32F407的FSMC連接，選擇了Bank1的SRAM2與ADS1606的數據口連接，所以ADS1606的nCS與STM32F407的FSMC_NE2連接，端口地址為0x64000000。ADS1606內含一深度可調的FIFO，其深度由FIFO_LEV設定[14]，設定FIFO_LEV=100B，深度為8。這樣每8次采樣產生一個nDRDY信號，在STM32F407收到nDRDY后，一次讀取8個數據，較大地節省了數據讀取時間。

圖4 ADS1606與STM32F407的接口電路

2.3 數據觸發電路設計

觸發電路的設計是保證有效數據采集的關鍵，雖然可以根據ADS1606的采集數據確定觸發，但將每個采集數據與觸發電平比較會消耗不少的CPU時間，所以，觸發電路的設計選用了STM32F407片內ADC的模擬看門狗來完成。設置ADC模擬看門狗的高門限寄存器ADC_HTR和低門限寄存器ADC_LTR，當ADC的轉換數據高于ADC_HTR或低于ADC_LTR時，產生AWD中斷。在ADS1606進行數據采集時，從信號調理電路同時輸出一路信號到STM32F407的ADC，在收到AWD中斷時，系統觸發。

3 上位機軟件設計

錨桿錨固質量檢測儀的工作采用的是命令—應答工作模式，上位機發出操作命令，數據采集模塊完成命令后回傳響應消息，上位機根據接收的消息，發布新的命令。具體工作流程如下：

① 儀器上電后，與上位機建立藍牙連接；

② 上位機發布工作參數，包括：采樣率、采樣長度、觸發電平和放大器增益等；

③ 上位機發布采集命令，數據采集系統進入數據采集狀態，并將采集數據存入環形存儲器；同時，觸發電路啟動，偵測觸發信號；

④ 當觸發電路偵測到觸發信號時，設定采集數據的起始點和終止點，繼續數據采集；

⑤ 當數據采集達到終止點時，停止數據采集，并向上位機發布數據采集完成的消息；

⑥ 上位機收到數據采集完成的消息后，發布數據傳輸命令，進入數據傳送；

⑦ 數據傳送結束后，上位顯示采集結果，確認有效后可保存文件并進行數據分析。

4 實測數據分析

為配合數據采集系統的工作，分別開發了基于Windows和Android的測試控制軟件，Windows下的測控界面如圖5所示，圖中標注的是實驗室中對1 m長鋼筋的測試結果，左側標注線為起始波峰點，時間為0.115 ms，右側標注線為低端回波波峰點，時間為0.495 ms，設鋼筋中的聲速為5 300 m/s，得到鋼筋長度為1.007 m。

圖5 Windows測控界面

儀器的噪聲性能決定了其微弱信號提取能力，為此對儀器噪聲性能進行了測試。將前置放大器的輸入端交流短路，程控放大器的增益設定分別為1、2、4、8、16、32、64，ADS1606以1 Msps自由采樣，采樣數據即為系統的噪聲輸出。程控放大器的增益設定為1(信號調理電路總增益為28 dB)時的采樣輸出如圖6所示，噪聲電壓為0.738 mV，折算到輸入端約為30 μV。提高程控放大器的增益，等效輸入噪聲小于30 μV，在程控放大器增益設定為64時，其等效輸入噪聲約為13 μV。

圖6 噪聲性能測試

與武漢中巖科技錨桿無損檢測儀RSM-RBT比較，該儀器采樣率為5 ksps～1 Msps、系統噪聲小于30 μV，新型錨桿錨固質量檢測儀性能指標與其相當。

5 結束語

新型錨桿錨固質量檢測儀采用數據采集系統與計算機組合、通過藍牙連接的方式實現，較大地降低了儀器成本，并增強了儀器的便攜性。儀器的采樣率2 Msps、1 Msps、500 ksps、250 ksps可編程調節，分辨率為16 bits，系統噪聲小于50 μV。由于前置放大器的輸入阻抗很高，易受到外界電磁干擾，特別是50 Hz的工頻干擾，所以傳感器與儀器間的饋線應盡可能地縮短，也可以考慮將電荷放大器前移至傳感器處或采用壓電集成電路(IEPE)[15-16]有源加速度傳感器。

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