一种新型锚杆锚固质量检测仪

张 佩，李太全，涂雅蒙，叶 辉，周 超

(1.长江大学 物理与光电工程学院，湖北 荆州434020；2.武汉市工程科学技术研究院，湖北 武汉430000)

0 引言

锚杆锚固质量检测仪多采用超声应力波法，实现对锚杆长度、灌浆密实度的无损检测，在岩土工程领域得到了广泛应用。锚杆锚固质量无损检测的研究工作最早始于1978年，瑞典的Thurner H.F.[1]提出用测超声波能量损耗的原理来检测锚杆系统的灌注质量。随后，GendynamikAB公司于1980年推出了Boltometer Version锚杆质量检测仪[2]。20世纪80年代初，英国Aberdeen大学的Rodger[3]博士展开了锚杆无损检测相关的研究，并开发出锚固质量无损检测系统GRANIT。淮南矿业学院的王鹤龄、汪明武[4-6]教授等对MT-1型锚杆检测仪进行二次开发，研制出了新型锚杆检测仪。2000年以来，我国众多高校、科研院所和地质勘探机构对锚杆锚固检测技术进行了深入的研究[7-8]，涌现出一批性能优异的锚杆锚固质量检测仪。然而，这些仪器大多价格昂贵，相对体积较大，不利于携带。

基于此，研制了一种新型锚杆锚固质量检测仪，改变以往采用电缆传输数据的方式，采用蓝牙方式与手机(或者电脑)连接，简化了仪器的复杂程度，具有操作简单、检测效果良好、成本低廉和便于携带等特点。

1 锚杆锚固检测仪的总体设计

新型锚杆锚固质量检测仪总体结构如图1所示。为了简化仪器的结构，检测仪的应力波激励使用锤击方式，所以总体结构中没有考虑激励源。

图1 锚杆锚固质量检测仪的总体结构

该仪器分为2部分：① 上位机，由手机或者笔记本电脑承担，负责操作命令的发布和数据处理；② 数据采集系统，该部分以蓝牙方式与上位机通信，由单片机模块MCU解释并执行上位机的命令。

2 数据采集系统的设计

对于仪器的数据采集系统，按照中华人民共和国行业标准JGJ/T 182-2009《锚杆锚固质量无损检测技术规程》，将系统的频率范围设定为100 Hz～100 kHz，最高采样率设计为2 Msps，分辨率为16 bits，信号调理电路的增益为28～70 dB可编程调节。其中信号调理电路由运算放大器OPA350、PGA112和ADA4941-1组成，具体电路如图2所示。模数转换器选择了ADS1606，MCU采用STM32F407，蓝牙模块采用了TI的CC2564MODA。

仪器传感器采用压电式加速度传感器，所以，在图2的信号调理电路中，第一级放大器为电荷放大器，由低噪声运算放大器OPA350组成，放大器增益设计为6倍；中间级PGA112为可编程增益放大器，完成电路的增益调节；末级放大器ADA494-1为单端转差分电路，增益设计为4倍，作为模数转换器ADS1606的驱动电路。

图2 信号调理电路

2.1 前置放大器的优化

为了检测到微弱的回波，信号调理电路的噪声特性至关重要，而电路噪声特性主要取决于前置放大器的噪声特性。锚杆锚固质量检测仪的震动传感器采用压电加速度传感[9]，所以，前置放大器为电荷放大器。电荷放大器的简化模型[10]如图3所示。

由图3可知，放大器的输出噪声谱密度为:

(1)

式中，A=1+R3/R1。

在100 Hz～100 kHz频带内，|ZCa|=1.592 MΩ～1.592 kΩ，考虑OPA350的输入电阻达到1013Ω，可取R2=100 MΩ，有R2>>|ZCa|；而

式(1)近似为：

(2)

由式(2)可知，在考虑OPA350驱动能力的情况下，降低R1、R3的阻值有利于减小放大器的输出噪声，所以，电路设计中选取了R1=200 Ω、R3=1 kΩ，此时，前置放大器的输出噪声约为13.3 μV。

图3 电荷放大器的简化模型

2.2 ADS1606与STM32F407的接口设计

ADS1606的采样速率高达5 Msps(双倍采样模式下高达10 Msps)，其采样率与时钟频率的关系为f=fCLK/8，其中，fCLK为ADS1606的输入时钟频率，围绕ADS1606的电路设计在文献[13]中有详细的描述。在此主要说明ADS1606与STM32F407的接口设计。

ADS1606与STM32F407的接口设计如图4所示。ADS1606的时钟由STM32F407的定时器TIM4产生，为了方便产生2 Msps、1 Msps、500 ksps和250 ksps的采样率系列，将STM32F407的系统频率调节为160 MHz，通过设置TIM4的ARR和CC，可在TIM4的CH4输出16、8、4和2 MHz的方波以实现上述的采样率。

ADS1606的数据输出与STM32F407的FSMC连接，选择了Bank1的SRAM2与ADS1606的数据口连接，所以ADS1606的nCS与STM32F407的FSMC_NE2连接，端口地址为0x64000000。ADS1606内含一深度可调的FIFO，其深度由FIFO_LEV设定[14]，设定FIFO_LEV=100B，深度为8。这样每8次采样产生一个nDRDY信号，在STM32F407收到nDRDY后，一次读取8个数据，较大地节省了数据读取时间。

图4 ADS1606与STM32F407的接口电路

2.3 数据触发电路设计

触发电路的设计是保证有效数据采集的关键，虽然可以根据ADS1606的采集数据确定触发，但将每个采集数据与触发电平比较会消耗不少的CPU时间，所以，触发电路的设计选用了STM32F407片内ADC的模拟看门狗来完成。设置ADC模拟看门狗的高门限寄存器ADC_HTR和低门限寄存器ADC_LTR，当ADC的转换数据高于ADC_HTR或低于ADC_LTR时，产生AWD中断。在ADS1606进行数据采集时，从信号调理电路同时输出一路信号到STM32F407的ADC，在收到AWD中断时，系统触发。

3 上位机软件设计

锚杆锚固质量检测仪的工作采用的是命令—应答工作模式，上位机发出操作命令，数据采集模块完成命令后回传响应消息，上位机根据接收的消息，发布新的命令。具体工作流程如下：

① 仪器上电后，与上位机建立蓝牙连接；

② 上位机发布工作参数，包括：采样率、采样长度、触发电平和放大器增益等；

③ 上位机发布采集命令，数据采集系统进入数据采集状态，并将采集数据存入环形存储器；同时，触发电路启动，侦测触发信号；

④ 当触发电路侦测到触发信号时，设定采集数据的起始点和终止点，继续数据采集；

⑤ 当数据采集达到终止点时，停止数据采集，并向上位机发布数据采集完成的消息；

⑥ 上位机收到数据采集完成的消息后，发布数据传输命令，进入数据传送；

⑦ 数据传送结束后，上位显示采集结果，确认有效后可保存文件并进行数据分析。

4 实测数据分析

为配合数据采集系统的工作，分别开发了基于Windows和Android的测试控制软件，Windows下的测控界面如图5所示，图中标注的是实验室中对1 m长钢筋的测试结果，左侧标注线为起始波峰点，时间为0.115 ms，右侧标注线为低端回波波峰点，时间为0.495 ms，设钢筋中的声速为5 300 m/s，得到钢筋长度为1.007 m。

图5 Windows测控界面

仪器的噪声性能决定了其微弱信号提取能力，为此对仪器噪声性能进行了测试。将前置放大器的输入端交流短路，程控放大器的增益设定分别为1、2、4、8、16、32、64，ADS1606以1 Msps自由采样，采样数据即为系统的噪声输出。程控放大器的增益设定为1(信号调理电路总增益为28 dB)时的采样输出如图6所示，噪声电压为0.738 mV，折算到输入端约为30 μV。提高程控放大器的增益，等效输入噪声小于30 μV，在程控放大器增益设定为64时，其等效输入噪声约为13 μV。

图6 噪声性能测试

与武汉中岩科技锚杆无损检测仪RSM-RBT比较，该仪器采样率为5 ksps～1 Msps、系统噪声小于30 μV，新型锚杆锚固质量检测仪性能指标与其相当。

5 结束语

新型锚杆锚固质量检测仪采用数据采集系统与计算机组合、通过蓝牙连接的方式实现，较大地降低了仪器成本，并增强了仪器的便携性。仪器的采样率2 Msps、1 Msps、500 ksps、250 ksps可编程调节，分辨率为16 bits，系统噪声小于50 μV。由于前置放大器的输入阻抗很高，易受到外界电磁干扰，特别是50 Hz的工频干扰，所以传感器与仪器间的馈线应尽可能地缩短，也可以考虑将电荷放大器前移至传感器处或采用压电集成电路(IEPE)[15-16]有源加速度传感器。

[1] THURNER H F.Boltometer-Instrument for Non-destructive Testing of Grouted Rock Bolts[C]∥2nd International Symposium on Filed Measurements in Geomachanics，Rotterdam：A.A.Balkema，1988：135-143.

[2] 钟宏伟，胡祥云，熊永红，等.锚杆锚固质量声波检测技术的现状分析[J].工程地球物理学报，2005，2(1)：50-55.

[3] IVANOVIC A，NEILSON R D，RODGER A A.Numerical Modeling of Single Tendon Ground Anchorage System[J].Geotechnical，Engineering，2001，149(2)：103-113.

[4] 汪明武，王鹤龄.锚固质量的无损检测技术[J].岩石力学与工程学报，2002，21(1)：126-129.

[5] 汪明武，王鹤龄.声频应力波在锚杆锚固状态检测中的应用[J].地质与勘探，1998，34(4)：43-45.

[6] 汪明武，王鹤龄，谢焰.锚杆锚固质量无损检测技术的研究[J].工程地质学报，1999，7(1)：63-64.

[7] 柯玉军.锚杆检测技术研究及应用[D].兰州：兰州大学，2006.

[8] 李义，王成.应力反射波法检测锚杆锚固质量的实验研究[J].煤炭学报，2000，25(2)：160-164.

[9] 吴晓娜，侯小兵．扩展压电传感器频率响应范围的方法研究[J].电子测量技术，2015，38(6)：100-103.

[10] 何峥嵘.运算放大器电路的噪声分析和设计[J].微电子学，2006，36(2)：148-153.

[11] 梁鑫，徐慧.压电加速度传感器测量电路的设计[J].压电与声光，2015，37(2)：354-356.

[12] Texas Instruments.OPAx350 High-speed，Single-supply，Rail-to-Rail Operational Amplifiers Micro Amplifier Series[DB/OL].http：∥www.ti.com/lit/ds/symlink/opa350.pdf.2017.

[13] 杜昊，兰家隆，龙再川，等.基于ADS1606的高速、高精度ADC设计[J].国外电子元器件，2007(1)：56-60.

[14] Texas Instruments.16-Bit，5MSPS Analog-to-Digital Converter[DB/OL].http：∥www.ti.com/lit/ds/symlink/ ads1606.pdf.2014.

[15] 金浩，张晋敏，唐华杰，等.压电传感器前置信号接收电路设计[J].仪表技术与传感器，2014(12)：10-12.

[16] 史强强，张亚维.多类型振动信号采集卡设计[J].电子测量技术，2017，40(7)：157-160.