周天涯 馮自振 佘一鳴 李帥 秦玉玲
石家莊鐵道大學(xué)
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基于DSP的錨桿無損檢測系統(tǒng)
周天涯 馮自振 佘一鳴 李帥 秦玉玲
石家莊鐵道大學(xué)
錨桿在各種礦山、公路、鐵路以及其他地下工程的廣泛應(yīng)用大大提高了安全生產(chǎn)水平。但是由于錨桿的工作環(huán)境惡劣,容易出現(xiàn)銹蝕、斷裂等缺陷,錨桿缺陷帶來嚴(yán)重的安全隱患。DSP是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器,其主要應(yīng)用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。將采集得到的數(shù)據(jù),利用DSP結(jié)合小波變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以有效地對錨桿實現(xiàn)無損檢測。
錨桿 DSP 無損檢測 小波變換
錨桿是支護系統(tǒng)的一個重要的組成部分,根據(jù)圍巖的性質(zhì)以及服務(wù)特點采用全長錨固錨桿、部分錨固錨桿以及端錨式錨桿對圍巖及邊坡進(jìn)行加固。因此,非常有必要對錨固質(zhì)量、錨桿的完整性以及錨桿中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。
錨桿無損檢測系統(tǒng)主要由信號采集電路、信號處理電路、DSP處理器和顯示部分組成。利用IEPE壓電式傳感器,將導(dǎo)波在錨桿傳播的模擬量轉(zhuǎn)化數(shù)字量,并輸入到DSP內(nèi)進(jìn)行小波變換,處理后得到的結(jié)果發(fā)送至上位機進(jìn)行顯示。
1.1加速度傳感器選取
在錨桿無損檢測系統(tǒng)中,信號采集裝置采用加速度傳感器,其中,IEPE加速度傳感器與其他加速度傳感器相比,具有優(yōu)秀的抗噪聲性、易封裝性和可遠(yuǎn)距離測量的優(yōu)點且性價比較高。被廣泛應(yīng)用在加速度檢測、振動檢測或聲音檢測中。所以本文采用IEPE加速度傳感器,其具體參數(shù)如表1所示。
表1 IEPE加速度傳感器參數(shù)
1.1.1恒壓源模塊
為了得到4mA恒定電流,首先需要將5V電壓源升到24V恒壓源。電路中選取MAX5025芯片,MAX5025的固定頻率、脈沖寬度都可以調(diào)節(jié),而且具有低噪音、輸出電壓高的特點。因此它在升壓、反饋等電路中得到廣泛應(yīng)用。采用MAX5025實現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)24 V的升壓電路,其電路圖如圖1所示,其中有一個RC濾波電路,其目的用來減少輸出噪聲。并且該電路輸出的電壓值是由外接電阻R1和R2來決定的,一般R2的阻值范圍為5 kΩ~50 kΩ,則R1阻值為
這里由于輸出的是24 V電壓,則VOUT=24,此時選取R2=8.2k?,
圖1 升壓電路
1.1.2恒流源模塊
LM334是三端可調(diào)恒流源器件,用它設(shè)計恒流源電路,外接元器件少,容易制作并且精度高,穩(wěn)定性好。LM334工作時,只需要保證輸出端的電阻是一定的,那么輸出的電流也就是恒定的,進(jìn)而達(dá)到恒流輸出的效果,輸出電流的公式為:
式中,VREF=0.134V。
R2=10R
這里要求輸出4 mA的電流,那么根據(jù)上式可以求出電阻R3=32?、R5=320?。LM334構(gòu)成的恒流源電路如圖2所示。
圖2 恒流源電路
該系統(tǒng)選擇的是TI公司的一款浮點DSP控制器TMS320F28335。它的精度高,成本低,功耗小,性能高,外設(shè)集成度高,數(shù)據(jù)以及程序存儲量大,A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。
TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力,具備32位浮點處理單元,6個DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF,有多達(dá)18路的PWM輸出,其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM),12位16通道ADC。
在傳送到DSP之前,需要對這些信號一些調(diào)理和處理,例如對信號進(jìn)行隔離、放大等,以便于后期處理。這樣干擾信號不僅得到減弱,更有利于數(shù)據(jù)采集,從而使檢測到的信號更加準(zhǔn)確。
由于IEPE加速度傳感器采集的信號中有8 V~12 V的直流偏置電壓,所以在對信號放大前必須將直流信號濾除掉,這里就需要一個交流耦合電路來隔直通交,其中最簡單的就是RC高通濾波器。
隨著錨桿支護在煤礦巷道中的廣泛應(yīng)用,錨桿支護施工質(zhì)量引起的垮巷冒頂事故時常發(fā)生,因此,錨桿錨固工程質(zhì)量無損、動態(tài)檢測理論和技術(shù)研究已成為采礦工程界亟待解決的問題。本文應(yīng)用應(yīng)力波反射法實現(xiàn)對錨桿的無損探傷,應(yīng)用DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使得檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[1]郭鳳卿,張昌鎖. 錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)及研究進(jìn)展[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報,2005,S1:14-17
[2]吳石增,黃鴻. 傳感器與測控技術(shù)[M]. 北京:中國電力出版社,2003
[3]MAX5025 Datasheet. Maxim Corporation, 2001.12