李家宇 孫利華 孫洪偉 侯韶棟 肖云軒

石家莊鐵道大學(xué)

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基于ARM的錨桿無損檢測儀設(shè)計

李家宇 孫利華 孫洪偉 侯韶棟 肖云軒

石家莊鐵道大學(xué)

錨桿錨固技術(shù)在隧道、采掘、高邊坡和深基坑等工程支護中得到廣泛應(yīng)用。由于錨桿被固定在巖體中，因此檢測錨桿錨固質(zhì)量以及運行狀態(tài)是否穩(wěn)定等一項艱難的工作。傳統(tǒng)的檢測方法具有破壞性，且開銷大的缺點，應(yīng)力波反射法應(yīng)用在錨桿錨固質(zhì)量無損檢測上，顯示出了良好的效果。同時，ARM大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快，具有體積小、低功耗、低成本、高性能的有點。所以利用ARM對采集的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了對錨桿的無損檢測。

錨桿 ARM 無損檢測 小波變換

現(xiàn)階段錨桿支護是一種普遍采用的支護手段。因此定量評價錨桿錨固質(zhì)量無論是對支護安全評價還是對錨桿支護設(shè)計參數(shù)的取值都是非常重要的。

1　錨桿無損檢測系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分共同組成。系統(tǒng)硬件部分由以S3C6410處理器（ARM11）為核心，包含用ICP加速度傳感器組成的信號采集電路模塊，A/D轉(zhuǎn)換電路模塊（數(shù)模轉(zhuǎn)換電路），信號調(diào)理電路模塊，還有用LCD觸摸屏做成的顯示模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，可擴展接口模塊組成。

系統(tǒng)軟件部分，基于WinCE6.0操作系統(tǒng)的平臺，用C++進行程序編寫，進行錨桿無損檢測軟件程序設(shè)計。應(yīng)用程序軟件由數(shù)據(jù)存取模塊，參數(shù)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)的實時采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊等幾個模塊組成。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1ARM微處理器的選擇

本設(shè)計對比了當(dāng)前的ARM處理器芯片，經(jīng)過性能、成本、使用等多方面的考慮，最終選擇了由韓國的三星公司設(shè)計生產(chǎn)的基于ARM11內(nèi)核的S3C6410處理器。S3C6410處理器的功能強大，具有非常突出的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在各類消費電子產(chǎn)品和各種工業(yè)控制設(shè)備中。

S3C6410設(shè)計的出發(fā)點就是為用戶提供一個具有成本效益、功耗低、性能高的應(yīng)用處理器。是一個16/32位的RISC處理器，采用 64/32位內(nèi)部總線，配有多種接口，支持DRAM和Flash ROM接口。

1.2加速度傳感器的選取

系統(tǒng)采用IEPE加速度傳感器，壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電特性制作而成。其最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)時間久，應(yīng)用廣泛。缺點是市場上產(chǎn)品太多，質(zhì)量參差不齊。

ICP式也叫做IEPE式，就是在壓電式的基礎(chǔ)上，整合了一個內(nèi)部集成放大器制作而成。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可遠距離測量，直接連接示波器使用。

1.3信號調(diào)理電路設(shè)計

感器采集到的信號一般都不能滿足采集器的信號范圍要求，所以不能直接將信號與采集器相連，必須在信號進入采集器之前進行信號調(diào)理，將信號調(diào)理成滿足采集器要求的信號。如圖2所示的信號調(diào)理電路。

圖2　信號調(diào)理電路

1.4系統(tǒng)電源設(shè)計

整個系統(tǒng)的外圍電路采用的是5V直流電源供電，但是S3C6410芯片的內(nèi)核需要1.2V供電，部分電路需要1.8V和3.3V供電，所以本文利用LM1117-1.8和LM1117-3.3將5V電壓轉(zhuǎn)換成1.8V和3.3V。LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，LM1117系列芯片中有可調(diào)輸出電壓的型號，也有幾個固定的輸出電壓的轉(zhuǎn)換型號，比如輸出電壓為1.8V，2.5V，3.3V，5V等的固定輸出電壓型號芯片，電路設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，功能穩(wěn)定，使用起來非常方便。具體的實現(xiàn)電路如圖3，圖4所示。

圖3　1.8V轉(zhuǎn)換電路

圖4　3.3V轉(zhuǎn)換電路

2　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)正確連接之后，通電正常啟動。需要兩個操作人員共同完成信號采集。操作人員甲負責(zé)操作軟件，打開錨桿無損檢測儀的應(yīng)用程序軟件，進入程序后，點擊參數(shù)設(shè)置，將采樣速率設(shè)置為44.1k/s， 采樣點數(shù)設(shè)置為2048個點，參數(shù)設(shè)置好之后，點擊采集按鈕，同時發(fā)出指令，進行信號采集。操作人員乙接收到操作人員甲發(fā)出的指令，立即用小錘敲擊錨桿，敲擊的動作要干脆利落，產(chǎn)生一個瞬間激勵，發(fā)出應(yīng)力波。信號被錨桿無損采集設(shè)備接收到，同時將信號波形顯示出來，工作人員甲觀察采集信號波形，如果采集的信號質(zhì)量很差，那么就舍棄本次操作，重復(fù)以上操作，直至采集到高質(zhì)量的信號為止。完成采集操作，將波形顯示出來如圖5所示。

圖5　信號采集測試界面

3　結(jié)束語

本文采用應(yīng)力波反射法理論進行錨桿無損檢測。基于ARM嵌入式技術(shù)設(shè)計了錨桿無損采集儀，該采集系統(tǒng)能夠有效的對檢測信號進行采集、存儲、顯示、分析和處理，能夠評判錨桿質(zhì)量的優(yōu)劣。

［1］ 張昌鎖，李義，ZOU Steve. 錨桿錨固體系中的固結(jié)波速研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，S2：3604-3608

［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