基于电磁驻波法的锚杆无损检测技术研究

楼嘉晗 罗蕊

摘 要：传统锚杆长度测量方法无法实现无损检测或受限于测量的锚杆长度，为满足矿巷锚杆支护技术的实际需求，本项目计划研发一套基于电磁波理论的锚杆长度无损检测设备，实现无损检测、大量程测量，能够满足矿井特殊安全要求。通过添加金属导线，把单根金属锚杆等效成传输线，这样就可以使用传输线和天线理论来测量单根金属锚杆。

关键词：无损检测；电磁波理论；锚杆；传输线

1 总体设计框图

锚杆长度测量仪主要由ARM控制模块、信号产生模块、信号放大模块、信号检波模块、信号滤波模块以及LCD和SD卡等组成，总体设计框图如下图1所示。

系统原理：信号产生模块输出两路幅度相同、极性相反的正弦小信号，两路小信号经过信号放大电路处理，输出单路幅度适当的正弦信号，该正弦信号将耦合进锚杆传输。从锚杆反射回来的信号经过信号检波电路进行检波，再经过信号滤波电路，输出适合ARM控制模块处理的直流信号。SD卡用来存储测量数据，测量操作和测量数据绘制的波形在LCD上显示，系统电源模块为系统提供工作电源，晶振为ARM控制模块提供稳定的工作频率。

2 信号产生模块设计

晶振为DDS核提供基准频率，ARM控制模块通过ARM I/O接口编程来控制信号产生模块内部频率调谐控制寄存器FTW的值，FTW寄存器进而控制DDS核输出，DDS核的输出经过DAC转换输出两路幅值相等，相位相反的正弦信号INA+和INA-。FTW寄存器的值和输出频率的关系由公式（1）决定。

（1）

（1）中round表示取模值，four表示输出频率，fSYSCLK表示DDS核的系统频率。这样对于每一个输出频率，就有一个寄存器值与之相对应，通过外部编程让寄存器值发生周期的变化，就可以得到输出频率的周期变化。

3 信号放大模块设计

运放A和运放B构成双路电压跟随器，隔离信号发生模块对信号放大电路的影响。运放C对输入信号INA+和INA-进行极性转换，将两路信号合并成单路正弦信号，由于信号产生电路输出信号幅度不超过200mV，需要进行放大，又考虑到信号带宽范围为0至100MHz，每级放大增益不能过高，因此需要运放D和运放E进行逐级放大处理，获得合适的输出信号OUTA。

4 信号检波模块设计

检波模块采用双运放精密检波电路，当输入信号为INB的负半波正弦信号（即INB<0）时，二极管D2导通，D1截止，运放A和R1、R2、R3构成反相比例放大电路，OUTB = - R3*INB/R2，这样负极性信号就转变成正极性信号，当输入信号为INB的正半波正弦信号（即INB>0）时，D4导通，D3截止，OUTB = INB。实现了全波整流。

5 信号滤波模块设计

两个二阶有源低通滤波器级联，构成四阶有源低通滤波电路，组成滤波模块。在二阶有源低通滤波器I中，运放A和R3、R4构成同相比例放大电路，调整R3、R4的值和R1、C1的值，使得通带增益和通带截止频率满足ARM控制处理器对信号电压和通频带的要求。

6 软件设计

锚杆长度测量仪上电后，会初始化整个系统，首先让显示模块正常工作，为了控制功耗，会先关闭信号产生模块、信号放大和检波与滤波模块的电源。当选择开始测量后，会启动信号产生模块、AD转换模块以及信号放大和检波与滤波模块。ARM处理器可控制AD9913产生频率0～100MHz的正弦信号，然后会得到一组电压值，通过算法比较，获得首个电压值最小时对应的频率，通过Lk = Vq / 4?k，即可以求得锚杆长度。

7 方案验证结果

以铜芯线代替金属锚杆进行测试。通过串口，将锚杆始端电压值经过检波、滤波后上传到电脑进行分析，以频率?为横坐标，AD模数转换后的值为纵坐标，在matlab中画出波形图，其中L1 = 4m的波形，L2 = 10 的波形。已知锚杆L1 = 4m，测出正弦信号在锚杆中的传播速度Vq = 2.096×108 m/s，通过已求出的传播速度Vq，可以计算出L2 = Vq / 4? = 9.8868 m，相对误差为1.132%，以上数据表明，该方案具有很高的测量精度。

8 预期目标

通过研发錨杆长度无损检测仪来对煤矿锚杆长度进行检测，拟达到以下目标：

（1）锚杆长度无损检测仪产生的宽频信号能够测量几米至几十米的长度范围，弥补了传统测量对测量长度的限制。

（2）锚杆长度无损检测仪采用宽动态精密检波技术，实时提取不同频段的信号进行AD转换，极大的提高了ARM主控制器对数据的处理精度。

（3）在可行性得到验证的基础上，针对具体应用环境进行针对性设计，以适应矿井等实际工程中的恶劣环境，并使其满足本质安全、低功耗、便携、易用等实际应用需求。

（4）对设备的操作流程进行最简化处理，令使用者可用最快的时间掌握正确的测量方法，尽可能减少人为因素导致的误差或其他意料外行为。

9 项目研究意义

无损检测锚杆长度的技术在施工、验收、维护等过程中有着实际工程需求，是保障煤矿安全高效开采的重要手段。同时该项目具有便携、低功耗、测量方便迅速、精度高、量程大且满足矿井特殊安全要求的特点，其实用性远超传统的测试手段。若该项目得以顺利实施，将大大提高矿井锚杆施工的速度和质量，并能有效发现锚杆断裂的情况，为煤矿安全生产提供保障。

参考文献

[1]徐钊，房咪咪，周红伟，等.基于电驻波的锚杆长度无损测量方法[J].工矿自动化，201339（9）：112-115.

[2]郑振宇.锚杆锚固质量的电磁检测方法研究[D].中国地质大学（武汉），2012.