專利名稱：一種錨桿長(zhǎng)度的無損測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量方法，尤其是一種適用于金屬錨桿的電磁技術(shù)的長(zhǎng)度無損測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
錨桿被廣泛應(yīng)用于地下巷道以及邊坡圍巖的加固與支護(hù)中。如果錨桿的安裝長(zhǎng)度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，或使用中錨桿發(fā)生斷裂等，對(duì)錨固質(zhì)量影響很大。因此，錨桿長(zhǎng)度的無損檢測(cè)非常必要。但是，目前用于錨桿無損檢測(cè)的方法如超聲波法、沖擊應(yīng)力波法等，都存在著振動(dòng)波與錨桿的耦合問題，操作復(fù)雜，測(cè)量效果往往因人而異。運(yùn)用電磁技術(shù)對(duì)錨桿進(jìn)行無損檢測(cè)，目前包括以下幾種方法(1)穿地雷達(dá)法。穿地雷達(dá)成功地用于探測(cè)混凝土中的鋼筋。甚至可以確定鋼筋是否錨固完好。其主要的缺陷是消耗功率大且探測(cè)深度不夠，一般小于Im ;(2)自感應(yīng)法。采用一個(gè)線圈套在錨桿外露端頭，把錨桿作為線圈的芯。錨桿的長(zhǎng)度影響自感應(yīng)系數(shù)的大小，測(cè)量自感應(yīng)系數(shù)，可計(jì)算出錨桿的長(zhǎng)度。該方法實(shí)際操作過于復(fù)雜，實(shí)用意義不大；(3)天線法。1990年南非的 Agnew把混凝土中的鋼筋看作為一個(gè)天線，實(shí)驗(yàn)室研究證明，該方法可以成功地測(cè)試鋼筋的長(zhǎng)度，從而也可用于測(cè)量金屬錨桿的長(zhǎng)度(Agnew G D. An investigation of methods for producing a non 一 destructive grouted tendon tester [J]. Consultancy report, University of ffitwatersrand, Johannesburg, 1 9 9 0.)。但是天線福射能量的測(cè)量跟信號(hào)耦合、環(huán)境介質(zhì)和測(cè)量位置關(guān)系密切，因此難于實(shí)用；(4)相位差法。通過檢測(cè)入射波與反射波之間的相位差來計(jì)算錨桿長(zhǎng)度。這種用電波測(cè)量金屬錨桿的方法，連接耦合較為方便。但是對(duì)于長(zhǎng)度大多在幾米到十幾米的錨桿，需要特別高速且精準(zhǔn)的時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)起來很困難。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種方法簡(jiǎn)單、量程大、功耗低、使用方便的錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量裝置及方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量裝置，它包括連接有顯示器的單片機(jī)，單片機(jī)的輸出端連接有測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器，測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器的輸出端連接有阻抗匹配電路，阻抗匹配電路上設(shè)有與被測(cè)錨桿始端相接觸的探針，阻抗匹配電路的輸出端經(jīng)峰值檢波電路連接有A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與單片機(jī)的輸入端相連接；所述的阻抗匹配電路主要由串聯(lián)為一組的電阻R2和電阻R3和串聯(lián)為一組的電阻Rl和電阻R4構(gòu)成，兩組電阻交匯之處短接；峰值檢波電路由二極管D1、電阻R5和電容Cl組成，二極管Dl 的負(fù)極與電阻R4連接，二極管Dl的的正極分別連接電阻R5、電容Cl和A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，電阻R5和電容Cl與電阻R3連接，并接地；所述的單片機(jī)型號(hào)為PIC18F6680，所述的測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器的型號(hào)為⑶CE906，所述的A/D轉(zhuǎn)換器為PIC18F6680內(nèi)部集成。3. 一種錨桿長(zhǎng)度的無損測(cè)量錨桿長(zhǎng)度方法，其特征在于包括以下步驟a、將探針與被測(cè)錨桿的始端相接觸；
b、開啟電源，使單片機(jī)給測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器發(fā)送控制信號(hào)；
c、測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器以IOkHz為步長(zhǎng)，順序發(fā)出IOOkHz到80MHz的測(cè)試頻率信號(hào)， 其中測(cè)試頻率信號(hào)的輸出峰值電壓恒定為3. 3V ；
d、測(cè)試頻率信號(hào)經(jīng)阻抗匹配電路和探針從被測(cè)錨桿的始端進(jìn)入，測(cè)試頻率信號(hào)波沿被測(cè)錨桿始端向內(nèi)傳輸，當(dāng)測(cè)試頻率信號(hào)波到達(dá)被測(cè)錨桿的終端后，產(chǎn)生信號(hào)反射并在被測(cè)錨桿上形成駐波；
e、被測(cè)錨桿上形成駐波的電壓信號(hào)依次經(jīng)探針、阻抗匹配電路、峰值檢波電路和A/ D轉(zhuǎn)換器傳輸至單片機(jī)經(jīng)顯示器顯示電信號(hào)的波長(zhǎng)，完成一次錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量的信號(hào)采集；
f、重復(fù)步驟c、d、e，對(duì)被測(cè)錨桿進(jìn)行多次不同頻率的信號(hào)采集，并記錄每一次采集到的駐波電壓信號(hào)和對(duì)應(yīng)的測(cè)試頻率信號(hào)，比較多次采集的駐波電壓值的大??；
g、取產(chǎn)生最小駐波電壓的測(cè)試頻率f，通過公式L=V/(4f)計(jì)算出被測(cè)錨桿的長(zhǎng)度L； 式中f為測(cè)得產(chǎn)生最小駐波電壓的測(cè)試頻率，V為電波在被測(cè)錨桿中的傳播速度。有益效果本發(fā)明能對(duì)金屬錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行在線無損測(cè)量，通過測(cè)量探針與被測(cè)金屬錨桿始端直接接觸發(fā)送測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)從被測(cè)錨桿的始端進(jìn)入直至被測(cè)錨桿的終端，再由被測(cè)錨桿的終端返回被測(cè)錨桿的始端，由于測(cè)量信號(hào)為電信號(hào)，返回的電信號(hào)經(jīng)探針再送回測(cè)量?jī)x器，通過改變測(cè)試信號(hào)的輸出頻率，測(cè)出產(chǎn)生電壓最小值的頻率節(jié)點(diǎn)，即可計(jì)算出埋在巖體中幾米到幾十米的被測(cè)錨桿的長(zhǎng)度，并且對(duì)測(cè)量信號(hào)波形沒有嚴(yán)格要求， 測(cè)量使用時(shí)與錨桿耦合連接十分方便，符合本質(zhì)安全要求，便于在煤礦井下環(huán)境中使用。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)算快速準(zhǔn)確、實(shí)用可靠、可體積小、功耗低，具有廣泛的實(shí)用性。


圖1是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖。圖1中1-顯示器，2-單片機(jī)，3-測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器，4-阻抗匹配電路，5-探針，6-被測(cè)錨桿，7-峰值檢波電路，8-A/D轉(zhuǎn)換器。圖2是本發(fā)明的阻抗匹配電路和峰值檢波電路原理結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明的被測(cè)錨桿長(zhǎng)度測(cè)試頻率波長(zhǎng)原理示意圖。圖3中L 一被測(cè)錨桿的長(zhǎng)度，A —被測(cè)錨桿的始端，B —被測(cè)錨桿的終端，λ1、λ 2 、λ3、λ4 —波長(zhǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述
圖1所示，本發(fā)明的錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量裝置主要由顯示器1、單片機(jī)2、測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器3、阻抗匹配電路4、探針5、被測(cè)錨桿6、峰值檢波電路7、A/D轉(zhuǎn)換器8構(gòu)成。其中單片機(jī)2的型號(hào)為PIC18F6680，單片機(jī)2的輸出端與測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器3的輸入端連接，測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器3的型號(hào)為CDCE906，測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器3的輸出端與阻抗匹配電路4 的輸入端連接，阻抗匹配電路4上連接有探針5，阻抗匹配電路4的輸出端與峰值檢波電路 7的輸入端連接，峰值檢波電路7的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器8的輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器8為PIC18F6680內(nèi)部集成，A/D轉(zhuǎn)換器8的輸出端與單片機(jī)2的輸入端連接，單片機(jī)2的輸出端連接有顯示器1。圖2所示，阻抗匹配電路4主要由串聯(lián)為一組的電阻R2和電阻R3和串聯(lián)為一組的電阻Rl和電阻R4構(gòu)成，兩組電阻交匯之處短接，電阻Rl —端連接測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器 3，電阻R2 —端連接探針5 ；峰值檢波電路7由二極管D1、電阻R5和電容Cl組成，二極管Dl 的負(fù)極與阻抗匹配電路4中的電阻R4連接，二極管Dl的的正極分別連接電阻R5、電容Cl 和A/D轉(zhuǎn)換器8的輸入端，電阻R5和電容Cl與阻抗匹配電路4中的電阻R3連接，并接地。本發(fā)明的錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量方法
a、將探針5與被測(cè)錨桿6的始端A相接觸；
b、開啟電源，通過單片機(jī)2給測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器3發(fā)送控制信號(hào)；
c、測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器3以IOkHz為步長(zhǎng)，順序發(fā)出IOOkHz到80MHz的測(cè)試頻率信號(hào)， 其中測(cè)試頻率信號(hào)的輸出峰值電壓恒定為3. 3V ；
d、測(cè)試頻率信號(hào)經(jīng)阻抗匹配電路4和探針5從被測(cè)錨桿6的始端A進(jìn)入，如圖3所示， 測(cè)試頻率信號(hào)波沿被測(cè)錨桿6的始端A向內(nèi)傳輸，當(dāng)測(cè)試頻率信號(hào)波到達(dá)被測(cè)錨桿6的終端B后，產(chǎn)生電壓信號(hào)反射波并在被測(cè)錨桿6上形成駐波；
e、被測(cè)錨桿6上形成駐波的電壓信號(hào)依次經(jīng)探針5、阻抗匹配電路4、峰值檢波電路7 和A/D轉(zhuǎn)換器8傳輸至單片機(jī)2，完成一次被測(cè)錨桿長(zhǎng)度L測(cè)量的信號(hào)采集；
f、重復(fù)步驟c、d、e，對(duì)被測(cè)錨桿6進(jìn)行多次不同頻率的信號(hào)采集，并記錄每一次采集到的駐波電壓信號(hào)和對(duì)應(yīng)的測(cè)試頻率信號(hào)，比較多次采集的駐波電壓值的大?。浑S著測(cè)量頻率信號(hào)的頻率不斷增加，所產(chǎn)生電信號(hào)頻率的波長(zhǎng)λ工、λ 2、λ 3、λ 4不斷變化；
g、取產(chǎn)生最小駐波電壓的測(cè)試頻率f，根據(jù)電磁波駐波原理，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度L剛好等于測(cè)試信號(hào)波長(zhǎng)周期的1/4時(shí)，錨桿長(zhǎng)度等效為終端開路的λ/4傳輸線，其始端A為電壓駐波的節(jié)點(diǎn)，如圖3所示，為四種測(cè)試頻率的波長(zhǎng)λρ λ2、λ3、λ4的圖形，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度L 明顯大于λ 3時(shí)，其波長(zhǎng)λ工不滿足產(chǎn)生駐波節(jié)點(diǎn)條件的波長(zhǎng)，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度L同樣明顯大于波長(zhǎng)λ 3/4，即L> λ 3/4時(shí)，波長(zhǎng)λ 3為不滿足產(chǎn)生駐波節(jié)點(diǎn)條件的波長(zhǎng)，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度L明顯小于波長(zhǎng)λ 4/4，即L< λ 4/4時(shí)，波長(zhǎng)λ 4同樣為不滿足產(chǎn)生駐波節(jié)點(diǎn)條件的波長(zhǎng)；而當(dāng)錨桿長(zhǎng)度L等于波長(zhǎng)λ2/4，即L=X2/4時(shí)，被測(cè)錨桿6的始端A出現(xiàn)電壓駐波節(jié)點(diǎn)，此時(shí)所測(cè)得的電壓為最小值，波長(zhǎng)λ 2所對(duì)應(yīng)的測(cè)試頻率信號(hào)為最小駐波電壓的測(cè)試頻率f，通過公式L=V/(4f)即可計(jì)算出被測(cè)錨桿6的長(zhǎng)度L ；式中f為測(cè)得產(chǎn)生最小駐波電壓的測(cè)試頻率，V為電波在被測(cè)錨桿中的傳播速度。
權(quán)利要求
1.一種錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量裝置，其特征在于它包括連接有顯示器(1)的單片機(jī)(2)， 單片機(jī)(2)的輸出端連接有測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器(3)，測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器(3)的輸出端連接有阻抗匹配電路(4)，阻抗匹配電路(4)上設(shè)有與被測(cè)錨桿(6)始端相接觸的探針(5)，阻抗匹配電路(4)的輸出端經(jīng)峰值檢波電路(7)連接有A/D轉(zhuǎn)換器(8)，A/D轉(zhuǎn)換器(8)的輸出端與單片機(jī)(2)的輸入端相連接；所述的阻抗匹配電路(4)主要由串聯(lián)為一組的電阻R2 和電阻R3和串聯(lián)為一組的電阻Rl和電阻R4構(gòu)成，兩組電阻交匯之處短接；峰值檢波電路(7)由二極管D1、電阻R5和電容Cl組成，二極管Dl的負(fù)極與電阻R4連接，二極管Dl的的正極分別連接電阻R5、電容Cl和A/D轉(zhuǎn)換器(8)的輸入端，電阻R5和電容Cl與電阻R3連接，并接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量裝置，其特征在于，所述的單片機(jī)(2)型號(hào)為PIC18F6680，所述的測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器(3)的型號(hào)為⑶CE906，所述的A/D轉(zhuǎn)換器(8)為PIC18F6680內(nèi)部集成。
3.—種如權(quán)利要求1所述裝置的無損測(cè)量錨桿長(zhǎng)度方法，其特征在于包括以下步驟a、將探針(5)與被測(cè)錨桿(6)的始端相接觸；b、開啟電源，使單片機(jī)(2)給測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器(3 )發(fā)送控制信號(hào)；c、測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器(3)以IOkHz為步長(zhǎng)，順序發(fā)出IOOkHz到80MHz的測(cè)試頻率信號(hào)f，其中測(cè)試頻率信號(hào)的輸出峰值電壓恒定為3. 3V ；d、測(cè)試頻率信號(hào)經(jīng)阻抗匹配電路(4)和探針(5)從被測(cè)錨桿(6)的始端(A)進(jìn)入，測(cè)試頻率信號(hào)波沿被測(cè)錨桿始端(A)向內(nèi)傳輸，當(dāng)測(cè)試頻率信號(hào)到達(dá)被測(cè)錨桿(6)的終端(B) 后，產(chǎn)生電壓信號(hào)反射波并在被測(cè)錨桿(6)上形成駐波；e、被測(cè)錨桿(6)上形成駐波的電壓信號(hào)依次經(jīng)探針(5)、阻抗匹配電路(4)、峰值檢波電路(7)和A/D轉(zhuǎn)換器(8)傳輸至單片機(jī)(2)，經(jīng)顯示器(1)顯示電信號(hào)的波長(zhǎng)，完成一次錨桿長(zhǎng)度無損測(cè)量的信號(hào)采集；f、重復(fù)步驟c、d、e，對(duì)被測(cè)錨桿(6)進(jìn)行多次不同頻率的信號(hào)采集，并記錄每一次采集到的駐波電壓信號(hào)和對(duì)應(yīng)的測(cè)試頻率信號(hào)，比較多次采集的駐波電壓值的大?。籫、取產(chǎn)生最小駐波電壓的測(cè)試頻率f，由公式L=V/(4f)計(jì)算得出被測(cè)錨桿(6)的長(zhǎng)度 L ；式中f為測(cè)得產(chǎn)生最小駐波電壓的測(cè)試頻率，V為電波在被測(cè)錨桿中的傳播速度。
全文摘要
一種錨桿長(zhǎng)度的無損測(cè)量裝置及方法，裝置包括單片機(jī)、測(cè)量頻率信號(hào)產(chǎn)生器、阻抗匹配電路、與被測(cè)錨桿始端相接觸的探針，阻抗匹配電路的輸出端經(jīng)峰值檢波電路連接有A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端與單片機(jī)的輸入端相連接；通過測(cè)量探針與被測(cè)金屬錨桿始端直接接觸發(fā)送測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)從被測(cè)錨桿的始端進(jìn)入直至被測(cè)錨桿的終端，再由被測(cè)錨桿的終端返回被測(cè)錨桿的始端，返回的電信號(hào)經(jīng)探針再送回測(cè)量?jī)x器，通過改變測(cè)試信號(hào)的輸出頻率，測(cè)出產(chǎn)生電壓最小值的頻率節(jié)點(diǎn)，即可計(jì)算出被測(cè)錨桿的長(zhǎng)度；對(duì)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行在線無損測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)算快速準(zhǔn)確、實(shí)用可靠、可體積小、功耗低。
文檔編號(hào)G01B7/02GK102155905SQ20111007453
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者徐釗, 王婷婷, 王子劍, 鄭紅黨, 霍羽 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)