专利名称：一种锚杆长度的无损测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种锚杆长度无损测量方法，尤其是一种适用于金属锚杆的电磁技术的长度无损测量方法。
背景技术：
锚杆被广泛应用于地下巷道以及边坡围岩的加固与支护中。如果锚杆的安装长度没有达到设计要求，或使用中锚杆发生断裂等，对锚固质量影响很大。因此，锚杆长度的无损检测非常必要。但是，目前用于锚杆无损检测的方法如超声波法、冲击应力波法等，都存在着振动波与锚杆的耦合问题，操作复杂，测量效果往往因人而异。运用电磁技术对锚杆进行无损检测，目前包括以下几种方法(1)穿地雷达法。穿地雷达成功地用于探测混凝土中的钢筋。甚至可以确定钢筋是否锚固完好。其主要的缺陷是消耗功率大且探测深度不够，一般小于Im ;(2)自感应法。采用一个线圈套在锚杆外露端头，把锚杆作为线圈的芯。锚杆的长度影响自感应系数的大小，测量自感应系数，可计算出锚杆的长度。该方法实际操作过于复杂，实用意义不大；(3)天线法。1990年南非的 Agnew把混凝土中的钢筋看作为一个天线，实验室研究证明，该方法可以成功地测试钢筋的长度，从而也可用于测量金属锚杆的长度(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.)。但是天线福射能量的测量跟信号耦合、环境介质和测量位置关系密切，因此难于实用；(4)相位差法。通过检测入射波与反射波之间的相位差来计算锚杆长度。这种用电波测量金属锚杆的方法，连接耦合较为方便。但是对于长度大多在几米到十几米的锚杆，需要特别高速且精准的时钟，实现起来很困难。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种方法简单、量程大、功耗低、使用方便的锚杆长度无损测量装置及方法。为实现上述目的，本发明的锚杆长度无损测量装置，它包括连接有显示器的单片机，单片机的输出端连接有测量频率信号产生器，测量频率信号产生器的输出端连接有阻抗匹配电路，阻抗匹配电路上设有与被测锚杆始端相接触的探针，阻抗匹配电路的输出端经峰值检波电路连接有A/D转换器，A/D转换器的输出端与单片机的输入端相连接；所述的阻抗匹配电路主要由串联为一组的电阻R2和电阻R3和串联为一组的电阻Rl和电阻R4构成，两组电阻交汇之处短接；峰值检波电路由二极管D1、电阻R5和电容Cl组成，二极管Dl 的负极与电阻R4连接，二极管Dl的的正极分别连接电阻R5、电容Cl和A/D转换器的输入端，电阻R5和电容Cl与电阻R3连接，并接地；所述的单片机型号为PIC18F6680，所述的测量频率信号产生器的型号为⑶CE906，所述的A/D转换器为PIC18F6680内部集成。3. 一种锚杆长度的无损测量锚杆长度方法，其特征在于包括以下步骤a、将探针与被测锚杆的始端相接触；
b、开启电源，使单片机给测量频率信号产生器发送控制信号；
c、测量频率信号产生器以IOkHz为步长，顺序发出IOOkHz到80MHz的测试频率信号， 其中测试频率信号的输出峰值电压恒定为3. 3V ；
d、测试频率信号经阻抗匹配电路和探针从被测锚杆的始端进入，测试频率信号波沿被测锚杆始端向内传输，当测试频率信号波到达被测锚杆的终端后，产生信号反射并在被测锚杆上形成驻波；
e、被测锚杆上形成驻波的电压信号依次经探针、阻抗匹配电路、峰值检波电路和A/ D转换器传输至单片机经显示器显示电信号的波长，完成一次锚杆长度无损测量的信号采集；
f、重复步骤c、d、e，对被测锚杆进行多次不同频率的信号采集，并记录每一次采集到的驻波电压信号和对应的测试频率信号，比较多次采集的驻波电压值的大小；
g、取产生最小驻波电压的测试频率f，通过公式L=V/(4f)计算出被测锚杆的长度L； 式中f为测得产生最小驻波电压的测试频率，V为电波在被测锚杆中的传播速度。有益效果本发明能对金属锚杆长度进行在线无损测量，通过测量探针与被测金属锚杆始端直接接触发送测试信号，测试信号从被测锚杆的始端进入直至被测锚杆的终端，再由被测锚杆的终端返回被测锚杆的始端，由于测量信号为电信号，返回的电信号经探针再送回测量仪器，通过改变测试信号的输出频率，测出产生电压最小值的频率节点，即可计算出埋在岩体中几米到几十米的被测锚杆的长度，并且对测量信号波形没有严格要求， 测量使用时与锚杆耦合连接十分方便，符合本质安全要求，便于在煤矿井下环境中使用。其结构简单、操作方便、测算快速准确、实用可靠、可体积小、功耗低，具有广泛的实用性。


图1是本发明的原理结构框图。图1中1-显示器，2-单片机，3-测量频率信号产生器，4-阻抗匹配电路，5-探针，6-被测锚杆，7-峰值检波电路，8-A/D转换器。图2是本发明的阻抗匹配电路和峰值检波电路原理结构图。图3是本发明的被测锚杆长度测试频率波长原理示意图。图3中L 一被测锚杆的长度，A —被测锚杆的始端，B —被测锚杆的终端，λ1、λ 2 、λ3、λ4 —波长。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述
图1所示，本发明的锚杆长度无损测量装置主要由显示器1、单片机2、测量频率信号产生器3、阻抗匹配电路4、探针5、被测锚杆6、峰值检波电路7、A/D转换器8构成。其中单片机2的型号为PIC18F6680，单片机2的输出端与测量频率信号产生器3的输入端连接，测量频率信号产生器3的型号为CDCE906，测量频率信号产生器3的输出端与阻抗匹配电路4 的输入端连接，阻抗匹配电路4上连接有探针5，阻抗匹配电路4的输出端与峰值检波电路 7的输入端连接，峰值检波电路7的输出端与A/D转换器8的输入端连接，A/D转换器8为PIC18F6680内部集成，A/D转换器8的输出端与单片机2的输入端连接，单片机2的输出端连接有显示器1。图2所示，阻抗匹配电路4主要由串联为一组的电阻R2和电阻R3和串联为一组的电阻Rl和电阻R4构成，两组电阻交汇之处短接，电阻Rl —端连接测量频率信号产生器 3，电阻R2 —端连接探针5 ；峰值检波电路7由二极管D1、电阻R5和电容Cl组成，二极管Dl 的负极与阻抗匹配电路4中的电阻R4连接，二极管Dl的的正极分别连接电阻R5、电容Cl 和A/D转换器8的输入端，电阻R5和电容Cl与阻抗匹配电路4中的电阻R3连接，并接地。本发明的锚杆长度无损测量方法
a、将探针5与被测锚杆6的始端A相接触；
b、开启电源，通过单片机2给测量频率信号产生器3发送控制信号；
c、测量频率信号产生器3以IOkHz为步长，顺序发出IOOkHz到80MHz的测试频率信号， 其中测试频率信号的输出峰值电压恒定为3. 3V ；
d、测试频率信号经阻抗匹配电路4和探针5从被测锚杆6的始端A进入，如图3所示， 测试频率信号波沿被测锚杆6的始端A向内传输，当测试频率信号波到达被测锚杆6的终端B后，产生电压信号反射波并在被测锚杆6上形成驻波；
e、被测锚杆6上形成驻波的电压信号依次经探针5、阻抗匹配电路4、峰值检波电路7 和A/D转换器8传输至单片机2，完成一次被测锚杆长度L测量的信号采集；
f、重复步骤c、d、e，对被测锚杆6进行多次不同频率的信号采集，并记录每一次采集到的驻波电压信号和对应的测试频率信号，比较多次采集的驻波电压值的大小；随着测量频率信号的频率不断增加，所产生电信号频率的波长λ工、λ 2、λ 3、λ 4不断变化；
g、取产生最小驻波电压的测试频率f，根据电磁波驻波原理，当锚杆长度L刚好等于测试信号波长周期的1/4时，锚杆长度等效为终端开路的λ/4传输线，其始端A为电压驻波的节点，如图3所示，为四种测试频率的波长λρ λ2、λ3、λ4的图形，当锚杆长度L 明显大于λ 3时，其波长λ工不满足产生驻波节点条件的波长，当锚杆长度L同样明显大于波长λ 3/4，即L> λ 3/4时，波长λ 3为不满足产生驻波节点条件的波长，当锚杆长度L明显小于波长λ 4/4，即L< λ 4/4时，波长λ 4同样为不满足产生驻波节点条件的波长；而当锚杆长度L等于波长λ2/4，即L=X2/4时，被测锚杆6的始端A出现电压驻波节点，此时所测得的电压为最小值，波长λ 2所对应的测试频率信号为最小驻波电压的测试频率f，通过公式L=V/(4f)即可计算出被测锚杆6的长度L ；式中f为测得产生最小驻波电压的测试频率，V为电波在被测锚杆中的传播速度。
权利要求
1.一种锚杆长度无损测量装置，其特征在于它包括连接有显示器(1)的单片机(2)， 单片机(2)的输出端连接有测量频率信号产生器(3)，测量频率信号产生器(3)的输出端连接有阻抗匹配电路(4)，阻抗匹配电路(4)上设有与被测锚杆(6)始端相接触的探针(5)，阻抗匹配电路(4)的输出端经峰值检波电路(7)连接有A/D转换器(8)，A/D转换器(8)的输出端与单片机(2)的输入端相连接；所述的阻抗匹配电路(4)主要由串联为一组的电阻R2 和电阻R3和串联为一组的电阻Rl和电阻R4构成，两组电阻交汇之处短接；峰值检波电路(7)由二极管D1、电阻R5和电容Cl组成，二极管Dl的负极与电阻R4连接，二极管Dl的的正极分别连接电阻R5、电容Cl和A/D转换器(8)的输入端，电阻R5和电容Cl与电阻R3连接，并接地。
2.根据权利要求1所述的锚杆长度无损测量装置，其特征在于，所述的单片机(2)型号为PIC18F6680，所述的测量频率信号产生器(3)的型号为⑶CE906，所述的A/D转换器(8)为PIC18F6680内部集成。
3.—种如权利要求1所述装置的无损测量锚杆长度方法，其特征在于包括以下步骤a、将探针(5)与被测锚杆(6)的始端相接触；b、开启电源，使单片机(2)给测量频率信号产生器(3 )发送控制信号；c、测量频率信号产生器(3)以IOkHz为步长，顺序发出IOOkHz到80MHz的测试频率信号f，其中测试频率信号的输出峰值电压恒定为3. 3V ；d、测试频率信号经阻抗匹配电路(4)和探针(5)从被测锚杆(6)的始端(A)进入，测试频率信号波沿被测锚杆始端(A)向内传输，当测试频率信号到达被测锚杆(6)的终端(B) 后，产生电压信号反射波并在被测锚杆(6)上形成驻波；e、被测锚杆(6)上形成驻波的电压信号依次经探针(5)、阻抗匹配电路(4)、峰值检波电路(7)和A/D转换器(8)传输至单片机(2)，经显示器(1)显示电信号的波长，完成一次锚杆长度无损测量的信号采集；f、重复步骤c、d、e，对被测锚杆(6)进行多次不同频率的信号采集，并记录每一次采集到的驻波电压信号和对应的测试频率信号，比较多次采集的驻波电压值的大小；g、取产生最小驻波电压的测试频率f，由公式L=V/(4f)计算得出被测锚杆(6)的长度 L ；式中f为测得产生最小驻波电压的测试频率，V为电波在被测锚杆中的传播速度。
全文摘要
一种锚杆长度的无损测量装置及方法，装置包括单片机、测量频率信号产生器、阻抗匹配电路、与被测锚杆始端相接触的探针，阻抗匹配电路的输出端经峰值检波电路连接有A/D转换器，A/D转换器的输出端与单片机的输入端相连接；通过测量探针与被测金属锚杆始端直接接触发送测试信号，测试信号从被测锚杆的始端进入直至被测锚杆的终端，再由被测锚杆的终端返回被测锚杆的始端，返回的电信号经探针再送回测量仪器，通过改变测试信号的输出频率，测出产生电压最小值的频率节点，即可计算出被测锚杆的长度；对锚杆长度进行在线无损测量，其结构简单、操作方便、测算快速准确、实用可靠、可体积小、功耗低。
文档编号G01B7/02GK102155905SQ20111007453
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者徐钊, 王婷婷, 王子剑, 郑红党, 霍羽 申请人:中国矿业大学