专利名称：一种锚杆锚固质量检测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种锚杆锚固质量检测仪，该仪器利用高低频导波相结合 的方法对锚杆锚固质量进行无损检测，可以现场检测出锚杆的长度、有效锚固 长度、锚固力，对锚杆锚固质量进行综合评价，适用于煤矿巷道、地下隧道等 各类岩土工程中的锚杆锚固质量检测，属于无损检测领域。
背景技术：
锚杆作为支护系统的一个重要组成部分，被广泛地应用于地下巷道以及边 坡围岩的加固与支护中。在工程实际中，锚杆锚固质量的好坏直接关系着工程 项目的安全，锚杆一旦失效，会对岩土工程的稳定性产生巨大威胁，甚至造成 灾难性的后果。
引起锚杆失效的主要原因有1、锚杆锚固长度不足，未达到设计要求；2、 由于施工不当，造成锚固剂与杆体和围岩未能有效粘结；3、在锚杆安装一段时 期后，因地质条件变化或者爆破、重型机械和地震力引发的冲击使得锚杆局部 处于应力集中状态，导致锚杆被拉断；4、由于围岩的横向滑动，使锚杆的应力 状态由轴向拉应力变为横向剪应力，导致锚杆被剪断；5、由于锚杆所处的环境 恶劣，受到潮湿空气、地下水的渗入，使得锚固介质逐步老化，造成锚杆失效。 目前，锚杆锚固技术已广泛应用于各类岩土工程中，为了拉动内需，我国在2010 年前将投入4万亿元资金进行各种基础设施的建设，为了保障岩土工程项目的安 全，对锚杆锚固质量进行无损检测具有重要的意义。
目前，在工程实际中， 一般采用拉拔试验法检测锚杆锚固质量，拉拔试验 法采用千斤顶对锚杆进行拉拔试验，以锚固力是否达到设计值来评价锚杆锚固 质量，其缺点在于对锚杆进行拉拔试验会使锚杆的锚固力发生损失，因此只能 对锚杆进行少量的抽样检测，无法全面了解工程中锚杆的锚固质量，进行拉拔 试验也比较耗时、费力。对于锚固质量较好的锚固体，其强度远大于锚杆本身 的强度，因此在测出锚杆的极限锚固力之前，锚杆杆体已经被拉断，因此拉拔 试验法这种测试方法本身存在一定的局限性。另外，拉拔试验法只能获得锚杆
3的锚固力，对于锚杆长度、锚杆锚固段的长度等表征锚杆锚固质量的重要指标 无法进行检测。另一种检验锚杆锚固质量的方法是取岩芯法，用取芯钻沿平行 锚杆的方向把锚杆、锚固介质以及部分岩石整体取出来，用目测的方法对锚固 质量进行评价。虽然取岩芯可以提供非常有用的信息，但它不仅是一个破坏性 的检测手段，而且受到许多因素的制约而无法成为一个常规的检测手段。这两 种方法都是破坏性检测方法。
发明内容
本实用新型的目的是为解决锚杆锚固质量的无损检测问题，提出一种锚杆 锚固质量检测仪。该仪器采用高频和低频导波对锚杆锚固质量进行综合检测的 智能检测，能够在工程现场检测出锚杆的长度、有效锚固长度以及锚固力，并 对锚杆锚固质量进行综合评价。
本检测仪包括中央控制�？�、导波激发�？椤⒐β史糯竽？椤⑼ǖ狼谢荒� 块、信号调理�？�、数据采集�？�、用户交互�？�、充电电池�？椤⒌缭词逝� 器以及导波收发传感器。
其中，中央控制�？橛汕度胧酱砥骷按系绫；さ拇娲⑵髯槌�。在其上 运行有嵌入式操作系统和锚杆锚固质量检测分析处理程序。中央控制�？楦涸� 控制检测仪的运行，并对检测结果进行分析和评价。
导波激发�？楦葜醒肟刂颇？樯瓒ǖ钠德�、电压、周期，生成相应的导 波激励信号。
功率放大�？楦葜醒肟刂颇？樯瓒ǖ脑鲆妫疾し⒛？樯傻牡疾� 激励信号进行功率放大。
通道切换模块受中央控制�？榈目刂疲诮懈咂档疾ú馐允保钡疾� 发�？榧し⒌疾ㄊ保β史糯竽？橛氲疾ㄊ辗⒋衅�、信号调理�？榻油ǎ� 在接收回波信号时，切断功率放大�？橥罚疾ㄊ辗⒋衅饔胄藕诺骼砟� 块接通。在进行低频导波测试时，将导波收发传感器与信号调理�？榻油�。
信号调理模块在中央控制�？榈目刂葡拢傻疾ㄊ辗⒋衅骶ǖ狼谢� �？榇屠吹牡疾だ藕沤邢薹�、滤波和放大。
数据采集�？樵谥醒肟刂颇？榈目刂葡拢孕藕诺骼砟？榇砗蟮男藕沤� 行模数转换，采集回波信号。用户交互模块具有液晶面板和图形化操作界面，负责提供输入输出交互界 面，用户通过该模块输入检测参数，并通过该�？槎约觳庖墙胁僮�。此外，
该模块还提供网络接口以及USB标准接口，使检测仪能够与网络或其他外设进
行通讯。
充电电池�？槲鲆瞧鞴┑�。 电源适配器为充电电池充电。
导波收发传感器包括高频探头和低频探头，分别在锚杆内激励、接收高频 和低频导波信号。
各组成部分的连接关系为
中央控制�？橛氲疾し⒛？�、功率放大�？�、通道切换�？�、信号调理
�？�、数据采集�？�、用户交互�？�、充电电池�？橄嗔�。
导波激发�？橛胫醒肟刂颇？�、功率放大模块、充电电池�？橄嗔�。 功率放大�？橛胫醒肟刂颇？�、导波激发�？�、通道切换�？�、充电电池
�？橄嗔�。
通道切换�？橛胫醒肟刂颇？�、功率放大�？�、导波收发传感器、信号调 理�？�、充电电池�？橄嗔�。
信号调理�？橛胫醒肟刂颇？�、通道切换�？�、数据采集模块、充电电池 �？橄嗔�
数据采集�？橛胫醒肟刂颇？�、信号调理模块、充电电池�？橄嗔�。 用户交互�？橛胫醒肟刂颇？�、充电电池�？橄嗔�。
充电电池�？橛胫醒肟刂颇？�、导波激发�？�、功率放大�？�、通道切换 �？�、信号调理�？�、数据采集模块、用户交互模块、电源适配器相连。 本检测仪的具体工作过程是
首先，启动检测仪，通过充电电池模块为检测仪供电；
之后，进行检测参数设定。根据现场情况，通过用户交互�？樯瓒觳獠� 料参数。
然后，进行导波测试。当进行高频导波测试时，将导波收发传感器高频探 头置于锚杆端部，将检测仪设置为高频导波检测模式，中央控制�？楦菔淙� 的检测材料参数自动设置导波激发�？楦咂档疾ǖ募し⒉问�、功率放大模块的 信号增益、信号调理模块的滤波与放大参数。在中央控制�？榈目刂葡拢ü疾し⒛？樯傻疾だ藕牛β史糯竽？榻藕沤蟹糯螅倬� 道切换模块将信号输出至导波收发传感器，在锚杆内激发导波。之后，由中央 控制�？榭刂仆ǖ狼谢荒？椋疾ㄊ辗⒋衅鞲咂堤酵犯杏Φ降幕夭ㄐ藕徘� 换到信号调理模块进行信号预处理，然后由数据采集�？榻ご砗蟮男藕� 进行模数转换，并存储到中央控制�？榈拇娲⑵髦�。
当进行低频导波测试时，将导波收发传感器低频探头置于锚杆端部，将检 测仪设置为低频导波检测模式，中央控制�？樯柚煤玫推导觳馐毙藕诺骼砟？� 的滤波与放大参数，并设置通道切换�？槭沟疾ㄊ辗⒋衅鞯推堤酵酚胄藕诺� 理�？榻油�。由导波收发传感器低频探头在锚杆中激发低频导波信号，导波收 发传感器低频探头感应到的信号经信号调理�？榻行藕旁ご恚缓笥墒� 采集�？榻ご砗蟮男藕沤心Ｊ唬⒋娲⒌街醒肟刂颇？榈拇娲⑵� 中。
最后，对检测结果进行分析处理。根据得到的高频与低频导波检测数据， 通过中央控制�？椋扑忝说某ざ�、锚杆有效锚固长度以及锚固力，并给出 锚杆锚固质量的检测结果，通过用户交互�？橄允靖没�。
本检测仪可根据需要设计成便携式的可独立工作的一体化小型仪器，也可 设计成采用车载式或固定式仪器等，以满足实际工程应用的不同需要。
有益效果
本实用新型提出的锚杆锚固质量检测仪，采用高频与低频导波检测，可对 锚杆锚固质量进行全面评价。采用在锚杆端头激励导波对锚杆进行检测的方式， 不会损伤锚杆。本检测仪操作简单，能够实时显示检测结果，可制成便携式、 车载式或固定式等多种方式，使工作人员能够在实际工程中对锚杆锚固质量进 行快速检测。
图l为本实用新型的结构示意图2为本实用新型实施方式的的材料参数设置示意图3为锚杆高频导波参数设置示意图4为锚杆高频导波测试波形图5为低频导波测试波形图。图6为锚杆锚固质量的综合评价结果；
其中，1-中央控制�？椋�2-导波激发�？椋�3-功率放大�？椋�4-通道切换模 ±央，5-信号调理�？椋�6-数据采集�？椋�7-用户交互模块，8-充电电池模±央，9-电源适配器，10-导波收发传感器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型的实施方式做进一步详细说明。 本实用新型的锚杆锚固质量检测仪采用便携式的可独立工作的一体化小型
设计，其结构组成如图l所示。
包括中央控制�？镵导波激发�？�2、功率放大�？�3、通道切换�？�4、
信号调理�？�5、数据采集�？�6、用户交互�？�7、充电电池�？�8、电源适配
器9以及导波收发传感器10。
中央控制�？�1与导波激发�？�2、功率放大�？�3、通道切换�？�4、信号
调理�？�5、数据采集�？�6、用户交互�？�7、充电电池模块8相连。
导波激发�？�2与中央控制�？�1、功率放大�？�3、充电电池�？�8相连。 功率放大�？�3与中央控制�？�1、导波激发�？�2、通道切换�？�4、充电
电池�？�8相连。
通道切换�？�4与中央控制�？�1、功率放大�？�3、导波收发传感器IO、信 号调理�？�5、充电电池�？�8相连。
信号调理�？�5与中央控制�？�1、通道切换�？�4、数据采集�？�6、充电 电池�？�8相连。
数据采集�？�6与中央控制�？�1、信号调理�？�5、充电电池�？樨斈苛�。 用户交互模块7与中央控制�？�1 、充电电池�？�8相连。 充电电池模块8与中央控制�？�1、导波激发�？�2、功率放大�？�3、通道
切换模块4、信号调理�？�5、数据采集�？�6、用户交互�？�7、电源适配器9相连。
具体工作过程如下
假定需要对长度为2.1m，直径为22mm的锚杆进行锚固质量检测。其中，锚 杆弹性模量为210GPa，密度为7850kg/m3，锚固介质为树脂，弹性模量为20GPa，
7密度为2200kg/m3，锚杆安装时采用的树脂锚固剂长度为500mm。 首先，启动检测仪，通过充电电池�？�8为检测仪供电； 之后，根据现场情况，通过用户交互模块7设定材料参数，如图2所示。 然后，进行导波测试。当进行高频导波测试时，将导波收发传感器10高频 探头置于锚杆端部，将检测仪设置为高频导波检测模式，中央控制�？閘设置导 波激发模块高频导波的参数以及功率放大�？榈男藕旁鲆妫咂档疾ú问柚� 如图3所示。同时，中央控制�？�1将信号调理�？�5设置为高通滤波。在中央控 制�？閘的控制下，通过导波激发�？�2生成导波激励信号，经过功率放大�？�3 将信号进行放大，再经通道切换�？�4将信号输出至导波收发传感器10高频探 头，在锚杆内激发导波。之后，由中央控制�？�1控制通道切换模块4，将导波 收发传感器10高频探头感应到的回波信号切换到信号调理�？�5进行信号预处 理，然后由数据采集�？�6将经预处理后的信号进行模数转换，并存储到中央控 制模块l的存储器中。锚杆高频导波测试波形如图4所示。
当进行低频导波测试时，将导波收发传感器10低频探头置于锚杆端部，将 检测仪设置为低频导波检测模式。中央控制模块1将信号调理�？�5设置为低通 滤波，并设置通道切换�？�4使导波收发传感器10低频探头与信号调理�？�5接 通。由导波收发传感器10低频探头在锚杆中激发低频导波信号。之后，导波收 发传感器10低频探头感应到的信号经信号调理�？�5迸行信号预处理，然后由数 据采集�？�6将经预处理后的信号进行模数转换，并存储到中央控制�？閘的存 储器中。锚杆低频导波测试波形如图5所示。
最后，对检测结果进行分析处理。采用锚杆锚固系统的有效锚固长度、基 频、频率比、锚固力这4个参数对锚杆锚固质量进行综合评价。判断标准为
(1) 有效锚固长度越长，锚固质量越好。首先用高频导波测出锚杆底端第 一次反射回波时间及该频率下导波的能量速度得到锚杆的长度。然后，通过低 频导波测得锚杆锚固段上界面第一次反射回波时间及该频率下的导波的能量速 度得到自由段锚杆的长度。最后，通过锚杆的长度和自由段锚杆的长度求出锚 杆的有效锚固长度。
本实施方式中，测出锚杆的长度为2.12m，有效锚固长度为0.43m。
(2) 在锚固参数相同的情况下，自由段长度越短，有效锚固长度越长，基 频越高，锚固质量越好。反之，则锚固质量越差。本实施方式中，根据测试数据，得到锚杆回波信号的基频为781.25Hz。
(3) 频率比将频率进行无量纲化，即用锚杆振动的各谐振频率之差与基 频的比来评价锚杆的锚固质量。锚固质量劣的锚杆，其频率比为l;锚固质量优 的锚杆，其频率比接近于2。锚固质量中等的锚杆，其频率比介于1与2之间。
本实施例中，根据测试数据，得到频率比为1.95。
(4) 锚固力锚杆锚固力计算公式为
p为锚固力，"为杆体直径，/为有效锚固长度，r为粘结强度。
本实施方式中，计算锚杆的锚固力为12吨。
根据高频与低频导波的测试数据，计算锚杆的有效锚固长度、基频、频率 比，给出此锚杆的锚固质量评价为优。
将锚杆锚固质量检测结果通过用户交互�？橄允靖没�。本实施方式的锚
杆锚固质量的综合评价结果如图6所示。
权利要求1、一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于包括中央控制�？�(1)、导波激发�？�(2)、功率放大�？�(3)、通道切换�？�(4)、信号调理�？�(5)、数据采集�？�(6)、用户交互�？�(7)、充电电池�？�(8)、电源适配器(9)、导波收发传感器(10)；各组成部分的连接关系为中央控制�？�(1)与导波激发�？�(2)、功率放大�？�(3)、通道切换�？�(4)、信号调理�？�(5)、数据采集�？�(6)、用户交互�？�(7)、充电电池�？�(8)相连；导波激发�？�(2)与中央控制模块(1)、功率放大模块(3)、充电电池模块(8)相连；功率放大�？�(3)与中央控制�？�(1)、导波激发�？�(2)、通道切换�？�(4)、充电电池�？�(8)相连；通道切换�？�(4)与中央控制�？�(1)、功率放大�？�(3)、导波收发传感器(10)、信号调理�？�(5)、充电电池�？�(8)相连；信号调理�？�(5)与中央控制�？�(1)、通道切换�？�(4)、数据采集�？�(6)、充电电池模块(8)相连；数据采集�？�(6)与中央控制�？�(1)、信号调理模块(5)、充电电池�？�(8)相连；用户交互�？�(7)与中央控制�？�(1)、充电电池模块(8)相连；充电电池�？�(8)与中央控制�？�(1)、导波激发�？�(2)、功率放大�？�(3)、通道切换�？�(4)、信号调理�？�(5)、数据采集�？�(6)、用户交互�？�(7)、电源适配器(9)相连。
2、 如权利要求1所述的一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于 导波收发传感器(10)包括高频探头和低频探头，分别在锚杆内激励、接收高频和低频导波信号。
3、 如权利要求1所述的一种锚杆锚固质量检测仪，其特征在于-用户交互模块(7)具有液晶面板和图形化操作界面，并具有网络接口以及USB标准接口，能够与其它外设进行通讯。
专利摘要本实用新型涉及一种锚杆锚固质量检测仪，属于无损检测领域。该检测仪包括中央控制模块1、导波激发�？�2、功率放大�？�3、通道切换模块4、信号调理�？�5、数据采集�？�6、用户交互�？�7、充电电池模块8、电源适配器9以及导波收发传感器10。本检测仪采用高频与低频导波的双模式检测，可对锚杆锚固质量进行全面评价。本检测仪操作简单，能够实时显示检测结果，可制成便携式、车载式或固定式等多种方式，使工作人员能够在实际工程中对锚杆锚固质量进行快速检测。
文档编号G01L1/25GK201359490SQ200920000790
公开日2009年12月9日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者文 何, 唐永刚, 宁建国, 成 王 申请人:北京理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
