一种金属锚杆长度无损测量方法.pdf

第 4 2 卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO． 5 M a y 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 5 0 0 2 4 ～ 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 5 ． 0 0 6 张法全 ，周强 ， 王 国富， 等． 一种金属锚杆长度无损测量方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 5 2 4 2 7 ． 一 种金属锚杆长度无损测量方法 张 法全 ， 周 强 ， 王 国富 ， 叶金 才 桂林电子科技大学 信息与通信学院， 广西 桂林5 4 1 0 0 4 摘要 针对现有锚杆长度测量方法存在信号耦合复杂和测量长度受限问题 ， 提 出了一种基于半波偶极子 天线的金属锚杆长度无损测量方法。将一根金属参考线作为半波偶极子天线的一臂 ， 与单根金属锚杆一起 等 效 为半 波偶极 子天 线 ； 采 用 HF S S软 件 分析 了非对 称 半 波偶 极 子 天 线对 谐振 频 率 的影 响 ， 提 出通 过 频 率 扫 描 方式 来寻找 天 线谐 振 频率 ； 根 据 半波偶 极子 天线谐 振 时天 线长度 与信号 波长 的关 系， 由天线谐振 频 率和 金属参考线长度求得锚杆长度。实际测试结果表明， 该方法测量长度大于 1 0 m， 测量误差小于 5 9 ／ 6 。 关 键词 金属 锚杆 ；无损 测量 ； 半 波偶极 子 天线 中图分类号 T D3 5 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 2 9 1 1 1 8 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 4 2 9 ． 1 l 1 8 ． 0 0 6 ． h t ml A n o n d e s t r u c t i v e me a s ur e me nt me t h o d o f me t a l a n c h o r p o l e l e n g t h Z HANG Fa q u a n ， Z HOU Qi a n g ， WANG Gu o f u， YE J i n c a i S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co mmu n i c a t i o n ，Gu i l i n Un i v e r s i t y o f El e c t r o n i c Te c h n o l o g y Gu i l i n 5 4 1 0 0 4，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r pr o b l e m s of c o m p l e x s i gn a l c ou p l i ng a nd l i mi t e d m e a s u r i n g l e ng t h e x i s t e d i n no n d e s t r u c t i v e m e a s u r e me nt me t h od s a t p r e s e nt ，a no n de s t r u c t i ve m e a s u r e me nt me t ho d o f m e t a l a nc ho r po l e l e n gt h wa s p r o po s e d ba s e d o n ha l f wa v e d i po l e a nt e nn a t he or y．A ha l f wa v e d i p ol e a nt e nn a i s e qu a l e d by a me t a l r e f e r e nc e wi r e a s a n a r m a n d a s i ng l e me t a l a n c ho r po l e a s t h e o t he r on e．I n f l ue nc e o f a s y m me t r i c ha l f wa ve d i p ol e a n t e n na on t he a nt e n na r e s o n a nt f r e q ue nc y i s a n a l yz e d by H FSS s o f t wa r e a n a l y z e s ，a nd f r e q u e n c y s c a n n i n g me t h o d i s u s e d t o f i n d t h e a n t e n n a r e s o n a n t f r e q u e n c y ．Th e me t a l a n c h o r p o l e l e n g t h i s c a l c ul a t e d by us e o f t he a nt e nn a r e s o n a nt f r e qu e nc y a nd t he me t a l r e f e r e nc e wi r e l e n gt h a c c or d i ng t o r e l a t i o ns h i p be t w e e n a n t e nna l e n gt h a nd s i g na l wa v e l e ng t h whe n t he ha l f w a v e di po l e a n t e n na r e s o na nc e s ． Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t me a s u r e me n t l e n g t h o f t h e me t h o d i s mo r e t h a n 1 0 m a n d me a s u r e me n t e r r o r i s 1 e s s t h a n 5 ％ ． Ke y wo r ds me t a l a nc ho r po l e；n on d e s t r uc t i v e me a s ur e m e n t ；h a l f wa ve d i po l e a n t e n na O 引 言 锚杆支护作为 围岩的一种加固技术 ， 已成为煤 矿巷道首选的、 安全高效的支护方式。锚杆锚固工 程 不但 具有 复杂 性 ， 还具有 高度 的 隐蔽性 ， 发现 质量 问题难 ， 事故处理更难。锚杆长度检测是整个锚杆 锚固工程 中不可缺少的环节。提高锚杆长度检测工 作的质量和检测评定结果的可靠性 ， 有利于确保锚 固工作 的质 量与 安全u J 。 目前国内外锚杆长度检测方法主要是声频应力 波反射法。该方法基于一维杆件的弹性振动理论 ， 锚杆始端受到激励后会产生纵 向应力波 ， 应力波沿 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 0 8 ； 修 回日期 2 O 1 6 0 3 1 4 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 6 1 3 6 2 0 6 2 0 ； 广西 自然科学基金 资助项 目 2 0 1 3 GXN S F AA 0 1 9 3 2 7 ， 2 0 1 3 GXNS F F A 0 1 9 0 0 4 ； 桂林 电子 科技大学研究生教育创新计划资助项 目 G DYC S Z 2 0 1 4 6 1 。 作者简介 张法全 1 9 6 9 一 ， 男 ， 河南林 州人 ， 副教授 ， 博士 ， 主要研究方 向为机器视觉、 信 号处理与模式识别 ， E - ma i l z h a n g f q g u e t ． e d u ． C R 2 0 1 6年第 5期 张法全等 一种金属锚杆长度无损测量方法 2 5 杆体传播过程中遇到不连续的界面和杆底面时产生 反射波 ， 通过分析反射波 的走时、 相位特征和能量衰 减变化规律 ， 可以判断锚杆长度口 ] 。该 方法 主要存 在 2个问题 ① 声波衰减严重 ， 当锚杆较长时， 现场 获得的波形数据质量不高 ， 经常会 出现错判和漏判 现象 ， 通常只能有效测量较短的锚杆L 3 ； ② 对锚杆 端头要求苛刻 ， 需要现场将锚杆端头打磨平整 ， 才能 将声波耦合进杆体L 4 ] 。 本文提出了一种基于半波偶极子天线 的金属锚 杆长度无损测量方法 。该方法测量信号为电磁波 ， 信号在传播过程 中衰减小 ， 能够实现无损测量 ， 耦合 方便 ， 当电磁波频率为 0 1 0 0 MHz 时 ， 理论上可以 测量大于 0 ． 7 5 1 T I 的任何锚杆长度。 1 ． 3金 属锚 杆 长度测 量 方法 依据对称半波偶极子天线理论 式 2 得出电 磁波波长 与天线总长度 z 的关系 l 一 0 ． 4 8 ,l 2 通过式 3 可得出金属锚杆长度 z 、 金属参考线 长度 Z 与天 线 总长度 Z 的关 系 Z 一 Z Z 3 将 式 2 、 式 3 及 天 线 谐 振 频 率 代 入 式 4 ， 可推导 出被测金属锚杆长度公式 式 5 。 一 ／ f T 4 一0 ． -4 8v Z ， 5 j 式中 口为电磁波在金属锚杆 中的传播速度。 1 金属锚杆长度无损测量原理 2 不对称半波偶极子天线对谐振频率的影响 1 ． 1 金 属锚 杆 与天 线等 效 关 系 半波偶极子天线由 2根金属臂构成。将一根金 属参考线作为天线的一臂 ， 与单根金属锚杆一起 等 效为半波偶极子天线 ， 如图 1 所示 ， 测量信号从馈源 进入天线 ， J为天线 中的电流。这也表 明了金属锚 杆与天线的等效关系 ， 奠定了采用半波偶极子天线 理论来测量金属锚杆长度的理论基础[ 5 ] 。 ． ， 一 ’ ● 、 ，， ，一一- ． 一 、、、 、 ， ， ， ，- ～ 、 、 、 、 ， ， ／ ， ， 一、 、 、、 、 、 、 、 ， ， ， ，， ，， ， 、、 、 、 ’ 、 、 、 S ， ， ， ’、 ’ 、 ’ ． 、 ， ，／／， ，／ - 、 、 、 、 、 、 ． 、 、 c 兰 c 兰 金属锚杆 馈源 金属参考线 图 1 半波偶极子 天线等效示 意 1 ． 2 半 波偶极 子 天线谐振 频 率 根据基本的传输线理论 ， 天线 的输入 阻抗一般 同时包括实部与虚部 。当天线 的输入 电抗为零 时， 天线发生谐振， 此时天线输入端回波损耗与 电压驻 波 比都为最小。电压驻波 比为 ] R 一 1 式 中 U 为波腹点电压 ； U 为波节点电压。 将半波偶极子天线作为整个金属锚杆长度无损 测量系统的负载 ， 金属锚杆长度和金属参考线长度 固定 ， 因此天线谐振频率为 固定值。本文采用频率 扫描方式来查找天线谐振频率 ， 以等时间间隔、 频率 递增 的方式产生天线激励信号 ， 检测天线输入端每 个频率对应的电压驻波 比， 最小 电压驻波 比对应 的 频率即为天线的谐振频率。 常用 的半波偶极子天线模型由 2根直径和长度 相等 的直 导线 组成 ， 每根 导 线 的 长度 为 电磁 波 波长 的 1 ／ 4 ， 导线的直径远小于工作波长 。 由于金属参考线长度与金属锚杆长度不一定相 等 ， 这样将构成不对称半波偶极子天线。不对称半 波偶极子天线理论非常复杂 ， 不利于研究。如果不 对称半波偶极子天线对谐振频率的影响在误差范围 以内， 就可用对称半波偶极子天线理论代替使用 ， 反 之则需要对式 5 进行相应误差补偿 ， 以提高测量精 度 。这里 采用 基 于电磁 场有 限元法 的全 波三 维 电磁 仿真软件 HF S S来 分析不对称半波偶极子天线对 谐振 频率 的影 响 。 2 ． 1 HF S S仿 真模 型参 数设 置 天线仿真参数设置见表 1 。天线 总长度 固定 ， 通过改变天线长度变化量 △ 来改变天线两臂的长 度 ， △ z 范围为[ 一1 5 0 0 ， 2 o o o ] ， 步长为 5 0 0 ， 单位为 mm， 天线 的材质为铜 。端 口激 励方式设置为集 总 端 口激励 ， 以矩形平 面形式将天线的2 - 臂连接起 表 i 天线仿 真参数设 置 2 6 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 来 。辐射边界条件设置为圆柱体模型 ， 其材质为空 气， 辐 射 边 界 和 天线 之 间 的距 离 为 电磁 波 波 长 的 1 ／ 4 。 2 ． 2 HF S S仿 真 波形及 数 据 依据变量 △ z 设置 ， 生成如图 2所示的回波损耗 曲线 ， 回波损耗最小值对应 的频率点即为天线谐振 频率点。当 A l 一0时 ， 对应 的频率值即为对称半波 偶 极 子天 线 的谐 振频 率 ] 。 ∞ 糕 鲻 回 图 2天线 回波损 耗曲线 变量 △ z 值 、 对应谐振频率 值、 不对称半波 偶极子天线相对对称半波偶极子天线谐振频率偏移 量 △ 值 见表 2 。 表 2 变量 △ z 值与对应谐振频率值 A 1 ／ mm f T ／ MHz A f T ／ MHz 7 ． 1 9 7 ． 2 4 7 ． 2 O 7 ． 2 2 7 ． 2 O 7 ． 2 0 7 ． 2 4 7 ． 1 9 0 ． 0 3 0 。 0 2 0 ． 0 2 O ． O O O ． 0 2 0 ． 0 2 0 ． 0 2 0 ． 0 3 由表 2可知， 不对称半波偶极 子天线会影响天 线谐振频率 ， 但影响很小 ， 当天线不对称长度 1 △ z I 2 m 时， I △ I O ． 0 3 MHz 。 2 ． 3谐振 频 率偏移 引入 的误 差 根据式 5 可推导 出不对称半波偶极子天线引 入 的锚杆 长度 测量 误差 z 一 二 一 6 式中 。 为对称半波偶极子天线的谐振频率 。 由式 2 、 式 4 、 式 6 可知， 被测锚杆越短 ， 谐 振频率 f T 0 越大， 锚杆长度测量误差 l 越小。为 了 测量更精确 ， 一般采用算术平均方式求得测量误差 平均值 一 E z 7 1 式 中 为测 量 次 数 ； z 为每 次 测 量 的锚 杆 长 度 误 差 。 当被测金属锚杆长度 z 1 2 1 T I 时 ， 由表 2可知 ， 3 1 0 。 m／ s 时， 通过式 7 可求得锚杆长度测量 平均误差z O ． 0 8 3 1 0 ～m， 因此完全可以用对称 半波偶极子天线理论来代替不对称半波偶极子天线 理论进行计算。 3测试 及 方法 验证 笔 者对 基于 半波偶 极子 天线 的金 属锚 杆长 度无 损 测量 方法 分别 进行 了室外 模 拟测试 和煤 矿井 下实 际测试 。室外模 拟测 试采用 铜 芯线代 替金 属锚 杆进 行测量 ； 煤矿井下实 际测试是对 1 8 mm， 长度分别 为 3 ， 4 ， 5 ， 6 IT I 的支护锚杆进行测量 。最后分析 2种 测量结 果 ， 以验证 该 方法 的有效 性 。 3 ． 1 室外模拟 测试 首 先 ， 用一 根长 度为 z 的金 属 参 考线 和 一 根 已 知长 度 为 z 的铜 芯 线 测 量 电磁 波在 天 线 中的 实 际 传播速度 一 ㈣ 一 _ ■ 一 6 J 式 中 - 厂 T 为本 次测 量 的天线谐 振 频率 。 图 3为 Z 一5 m， z 。 一5 m 时 电压 驻 波 比与 频 率 关 系 曲线 。电 压 驻 波 比最 小 值 点 对 应 谐 振 频 率 厂 T 1 。 图 3 z 一5 m， 一5 m时 电压驻波 比与频率关系 曲线 根据式 8 可求 出电磁波在天线 中的传播 速度 一2 ． 2 1 0 。 m／ s 。 其次 ， 用长度为 z 一1 0 m 的金属参考线与被测 铜芯线 被测铜 芯线实际长度 z 一7 ． 5 m 进行 测 量。图 4为测得的电压驻波比与频率关系曲线 。 根据 式 5 可 求 出被 测铜 芯 线长 度 z 一 一 ∞ ∞ 啪 0 ∞ ㈣ ㈣ 1 1 5 1 1 2