锚杆超声质量无损检测仪

锚杆超声质量无损检测仪

郭俊任有为张欣达

西山煤电（集团）山西支护器材有限责任公司

摘要：超声导波锚杆质量无损检测采用超声导波对锚杆锚固质量进行综合检测，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、内部缺陷位置等信息，并对锚杆锚固质量进行综合评价。本文介绍超声导波锚杆质量无损检测仪的原理、方法与分析及实验结果，来说明该设备的使用价值。

关键词：超声导波锚杆无损检测

锚杆锚固技术作为支护系统的一个重要组成部分，被广泛地应用于煤矿巷道以及边坡围岩的加固与支护中。在工程应用上，锚杆的锚固质量好坏直接关系着工程项目的安全。引起锚杆失效的原因有很多，如：锚固剂与杆体和围岩粘结不牢，锚杆所处的环境恶劣造成介质老化，受到机械或者外力冲击造成断裂等，锚杆一旦失效，会对岩土结构的稳定性产生巨大威胁，甚至造成灾难性的后果。

目前国内外的锚杆锚固质量检测主要有液压千斤顶拉拔试验法、扭矩扳手法、内置测力传感器法和钻孔取芯法等，由于这些传统的检测方法普遍存在成本高、检测范围有限、精度较差等问题，且部分方法属于有损检测，因此超声导波无损检测锚杆锚固质量的方法应用范围最广，保障了岩土工程项目的安全，对锚杆锚固质量检测领域具有重要的意义。

一、超声导播锚杆的锚固质量的无损检测仪的构成

超声导波锚杆质量无损检测仪包括：电源模块、主处理器FPGA控制模块、超声导波激励信号发生模块、功率放大模块、压电换能器模块、信号调理模块、数据采集模块、从处理器STM32控制模块和人机交互模块，如图1。

图1

电源模块为整个系统各子模块电路提供电压，以保障各个模块正常工作。

主处理器FPGA控制模块包含基本的FPGA电路组成结构，包括FPGA芯片、下载电路、复位电路和时钟电路，能够保证FPGA最小系统正常工作。

超声导波激励信号发生模块通过Verilog编程语言结合DDS技术实现信号发生功能，发射出频率和幅值可调的汉宁窗调制的正弦波信号，即在主处理器FPGA控制模块的控制下发射出超声导波信号A，为整个锚杆锚固质量无损检测仪提供输入信号。

功率放大模块将超声导波激励信号发生模块发射的超声导波信号A进行功率放大，然后传递给压电换能器模块；放大后的超声导波信号B能量更加集中，能够在锚杆中传播更远的距离，更加完整的反馈锚杆内的信息。

压电换能器模块作为无损检测仪和待测锚杆试件的连接部分，起到了重要的信号承载及传递作用；压电换能器模块将功率放大模块传递的信号B输出给待测锚杆试件，再将经待测锚杆试件反射后的信号C传递给信号调理模块。

信号调理模块的功能是对压电换能器模块接收的信号C进行隔离限幅和滤波去噪处理，使信号调理模块输出的信号D的电压幅值在可控范围内。

数据采集模块对采集到的信号D进行模数转换，将信号D包含的模拟量信息转换为数字量信息传回主处理器FPGA控制模块，并存储在FPGA的FIFO中，以便后续电路进行波形显示。

从处理器STM32控制模块用于接收主处理器FPGA控制模块的数字量信息，并控制人机接口电路进行波形显示。

人机交互模块将按键控制信息通过从处理器STM32控制模块传递到主处理器FPGA控制模块来调节超声导波信号A的频率和幅值，也可对从处理器STM32控制模块接收到的主处理器FPGA控制模块的数字量信息进行显示。

二、超声导波锚杆质量无损检测仪的原理

超声导波对锚杆试件进行测试时，将压电换能器探头通过传感器夹具固定在锚杆顶端，选择超声导波激励信号的参数，在主处理器FPGA控制下，发生模块发出汉宁窗调制的正弦信号，即信号A；信号A经过功率放大模块后输出信号B传到压电换能器模块，超声导波信号B在锚杆中进行往复传播，之后激发波和反射回波同时通过压电换能器模块输出信号C，信号C经过信号调理模块处理后输出信号D，信号D通过数据采集模块进行转换，将输出的信息存储到FPGA内部的FIFO中。

图3

本实例中待测的锚杆锚固结构信息为：锚杆长度L为1m，锚固长度L1为0.5m，缺陷位置到锚杆顶端距离L2为0.7m，锚杆直径20mm。其中，锚杆弹性模量为210GPa，密度为7800kg/m3，锚固介质为树脂，弹性模量为20GPa，密度为2200kg/m3。其结构示意图如图2所示。

记录不同锚杆试件的测量结果。通过主处理器FPGA控制模块与从处理器STM32控制模块的通信，对信号D进行处理，通过内部算法计算锚杆长度、有效锚固长度、锚固力，并对锚固段内部的缺陷进行定位，最终将数据处理的结果通过显示模块显示，导波测试的波形图如图3所示。

三、超声导波锚杆质量无损检测仪的测试结论

对检测结果进行分析处理。分别采用锚杆锚固系统中衡量锚固质量的四个因素：有效锚固长度、基频、频率比、锚固力，来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。选用超声导波测出激发波到锚杆底端第一次反射回波的时间间隔，同时可以得到激发波到锚固段缺陷位置的时间间隔，再结合该频率下超声导波的能量速度计算求解锚杆长度和缺陷位置及自由段锚杆的长度。最后，用锚杆的长度减去自由段锚杆的长度便可求出锚杆的有效锚固长度。

本实施方式中，测出锚杆的长度L为1.04m，有效锚固长度L1为0.51m，缺陷到锚杆顶端的距离L2为0.74m，测量的锚杆长度、锚固长度及缺陷误差分别为3.7%、2.4%和5.14%。

（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，根据测试结果，得到锚杆回波信号的基频为776.59Hz。

（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1；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，根据测试结果，得到频率比为1.58。

（4）锚固力：锚杆锚固力计算公式为：

图4

作者简介：郭俊（1974.9，男，硕士，太原理工大学毕业机械电子工程专业，工程师，西山煤电（集团）山西支护器材有限责任公司）