樓嘉晗 羅蕊

摘 要：傳統(tǒng)錨桿長度測量方法無法實現(xiàn)無損檢測或受限于測量的錨桿長度，為滿足礦巷錨桿支護技術(shù)的實際需求，本項目計劃研發(fā)一套基于電磁波理論的錨桿長度無損檢測設(shè)備，實現(xiàn)無損檢測、大量程測量，能夠滿足礦井特殊安全要求。通過添加金屬導(dǎo)線，把單根金屬錨桿等效成傳輸線，這樣就可以使用傳輸線和天線理論來測量單根金屬錨桿。

關(guān)鍵詞：無損檢測；電磁波理論；錨桿；傳輸線

1 總體設(shè)計框圖

錨桿長度測量儀主要由ARM控制模塊、信號產(chǎn)生模塊、信號放大模塊、信號檢波模塊、信號濾波模塊以及LCD和SD卡等組成，總體設(shè)計框圖如下圖1所示。

系統(tǒng)原理：信號產(chǎn)生模塊輸出兩路幅度相同、極性相反的正弦小信號，兩路小信號經(jīng)過信號放大電路處理，輸出單路幅度適當(dāng)?shù)恼倚盘?，該正弦信號將耦合進錨桿傳輸。從錨桿反射回來的信號經(jīng)過信號檢波電路進行檢波，再經(jīng)過信號濾波電路，輸出適合ARM控制模塊處理的直流信號。SD卡用來存儲測量數(shù)據(jù)，測量操作和測量數(shù)據(jù)繪制的波形在LCD上顯示，系統(tǒng)電源模塊為系統(tǒng)提供工作電源，晶振為ARM控制模塊提供穩(wěn)定的工作頻率。

2 信號產(chǎn)生模塊設(shè)計

晶振為DDS核提供基準(zhǔn)頻率，ARM控制模塊通過ARM I/O接口編程來控制信號產(chǎn)生模塊內(nèi)部頻率調(diào)諧控制寄存器FTW的值，F(xiàn)TW寄存器進而控制DDS核輸出，DDS核的輸出經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換輸出兩路幅值相等，相位相反的正弦信號INA+和INA-。FTW寄存器的值和輸出頻率的關(guān)系由公式（1）決定。

（1）

（1）中round表示取模值，four表示輸出頻率，fSYSCLK表示DDS核的系統(tǒng)頻率。這樣對于每一個輸出頻率，就有一個寄存器值與之相對應(yīng)，通過外部編程讓寄存器值發(fā)生周期的變化，就可以得到輸出頻率的周期變化。

3 信號放大模塊設(shè)計

運放A和運放B構(gòu)成雙路電壓跟隨器，隔離信號發(fā)生模塊對信號放大電路的影響。運放C對輸入信號INA+和INA-進行極性轉(zhuǎn)換，將兩路信號合并成單路正弦信號，由于信號產(chǎn)生電路輸出信號幅度不超過200mV，需要進行放大，又考慮到信號帶寬范圍為0至100MHz，每級放大增益不能過高，因此需要運放D和運放E進行逐級放大處理，獲得合適的輸出信號OUTA。

4 信號檢波模塊設(shè)計

檢波模塊采用雙運放精密檢波電路，當(dāng)輸入信號為INB的負半波正弦信號（即INB<0）時，二極管D2導(dǎo)通，D1截止，運放A和R1、R2、R3構(gòu)成反相比例放大電路，OUTB = - R3*INB/R2，這樣負極性信號就轉(zhuǎn)變成正極性信號，當(dāng)輸入信號為INB的正半波正弦信號（即INB>0）時，D4導(dǎo)通，D3截止，OUTB = INB。實現(xiàn)了全波整流。

5 信號濾波模塊設(shè)計

兩個二階有源低通濾波器級聯(lián)，構(gòu)成四階有源低通濾波電路，組成濾波模塊。在二階有源低通濾波器I中，運放A和R3、R4構(gòu)成同相比例放大電路，調(diào)整R3、R4的值和R1、C1的值，使得通帶增益和通帶截止頻率滿足ARM控制處理器對信號電壓和通頻帶的要求。

6 軟件設(shè)計

錨桿長度測量儀上電后，會初始化整個系統(tǒng)，首先讓顯示模塊正常工作，為了控制功耗，會先關(guān)閉信號產(chǎn)生模塊、信號放大和檢波與濾波模塊的電源。當(dāng)選擇開始測量后，會啟動信號產(chǎn)生模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及信號放大和檢波與濾波模塊。ARM處理器可控制AD9913產(chǎn)生頻率0～100MHz的正弦信號，然后會得到一組電壓值，通過算法比較，獲得首個電壓值最小時對應(yīng)的頻率，通過Lk = Vq / 4?k，即可以求得錨桿長度。

7 方案驗證結(jié)果

以銅芯線代替金屬錨桿進行測試。通過串口，將錨桿始端電壓值經(jīng)過檢波、濾波后上傳到電腦進行分析，以頻率?為橫坐標(biāo)，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換后的值為縱坐標(biāo)，在matlab中畫出波形圖，其中L1 = 4m的波形，L2 = 10 的波形。已知錨桿L1 = 4m，測出正弦信號在錨桿中的傳播速度Vq = 2.096×108 m/s，通過已求出的傳播速度Vq，可以計算出L2 = Vq / 4? = 9.8868 m，相對誤差為1.132%，以上數(shù)據(jù)表明，該方案具有很高的測量精度。

8 預(yù)期目標(biāo)

通過研發(fā)錨桿長度無損檢測儀來對煤礦錨桿長度進行檢測，擬達到以下目標(biāo)：

（1）錨桿長度無損檢測儀產(chǎn)生的寬頻信號能夠測量幾米至幾十米的長度范圍，彌補了傳統(tǒng)測量對測量長度的限制。

（2）錨桿長度無損檢測儀采用寬動態(tài)精密檢波技術(shù)，實時提取不同頻段的信號進行AD轉(zhuǎn)換，極大的提高了ARM主控制器對數(shù)據(jù)的處理精度。

（3）在可行性得到驗證的基礎(chǔ)上，針對具體應(yīng)用環(huán)境進行針對性設(shè)計，以適應(yīng)礦井等實際工程中的惡劣環(huán)境，并使其滿足本質(zhì)安全、低功耗、便攜、易用等實際應(yīng)用需求。

（4）對設(shè)備的操作流程進行最簡化處理，令使用者可用最快的時間掌握正確的測量方法，盡可能減少人為因素導(dǎo)致的誤差或其他意料外行為。

9 項目研究意義

無損檢測錨桿長度的技術(shù)在施工、驗收、維護等過程中有著實際工程需求，是保障煤礦安全高效開采的重要手段。同時該項目具有便攜、低功耗、測量方便迅速、精度高、量程大且滿足礦井特殊安全要求的特點，其實用性遠超傳統(tǒng)的測試手段。若該項目得以順利實施，將大大提高礦井錨桿施工的速度和質(zhì)量，并能有效發(fā)現(xiàn)錨桿斷裂的情況，為煤礦安全生產(chǎn)提供保障。

參考文獻

[1]徐釗，房咪咪，周紅偉，等.基于電駐波的錨桿長度無損測量方法[J].工礦自動化，201339（9）：112-115.

[2]鄭振宇.錨桿錨固質(zhì)量的電磁檢測方法研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），2012.