一种矿用锚杆(索)长度无损测量方法(1).pdf
第 4 1卷 第 l 期 2 0 1 5年 1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 Vo1 . 41 NO . 1 J a n .2 0 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 1 0 0 7 6 0 4 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 5 . 0 1 . 0 1 9 张 小波 , 吴银 成 , 孙志 飞 , 等 . 一种 矿用 锚杆 索 长度 无损 测量 方法 I - J ] . 工矿 自动 化 , 2 0 1 5 , 4 1 1 7 6 7 9 一 种矿用锚杆 索 长度无损测量方法 张 小波 , 吴银 成 , 孙 志飞 , 黄 春 中煤科工集团重庆研究院有 限公司 , 重庆4 0 0 0 3 9 摘 要 针 对现 有锚杆 索 长度 检 测方 法操作 复 杂 、 检 测 精度 低 等 问题 , 提 出 了一 种基 于磁 致 伸 缩 导 波技 术 的矿 用锚杆 索 长度 无损 测量 方 法 , 介 绍 了锚 杆 索 长度 测量 原理 、 测量 系统 的设 计方 案 以及 测 量操 作 方 法 , 在 实验室环境下完成了系统速度标定以及混凝土结构中的锚杆长度测量。实验结果表明, 该方法的最大 测 量误 差 为 2 . 6 6 , 平 均测量误 差为 0 . 3 3 , 满足现 有 煤矿锚 杆 索 长度 测量应 用要 求 。 关键 词 锚 杆 ; 锚 索;长度 测 量 ;无损 测量 ; 磁 致 伸缩 导波 中图分类 号 T D3 5 3 . 6 / 6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 5 - 0 1 0 5 1 6 3 9 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 5 0 1 0 5 . 1 6 3 9 . 0 1 9 . h t ml A n o n d e s t r u c t i ve l e ng t h m e a s ur i n g m e t h o d f o r mi ne us e d bo l t o r a nc h o r c a b l e ZH ANG Xi a o bo。 W U Yi nc he ng, C CTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e Co SUN Zhi f e i ,HU ANG Chu n ,Lt d . ,Ch 0 n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ,C h i n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e ms o f c o m p l e x o pe r a t i o ns a nd l ow m e a s u r i ng p r e c i s i o n o f e xi s t i n g l e ngt h m e a s u r i ng m e t ho ds f o r bo l t o r a nc ho r c a b l e ,a no n de s t r u c t i ve l e ng t h me a s ur i n g me t ho d f or mi ne us e d bo l t or a n c ho r c a b l e wa s pr o po s e d whi c h W3 S b a s e d on ma g ne t os t r i c t i o n gu i de d wa v e t e c hn ol o gy. Le ngt h m e a s u r i ng p r i nc i pl e of bo l t o r a nc ho r c a b l e,d e s i gn s c h e me o f a m e a s ur i ng s ys t e m a n d me a s ur i n g o p e r a t i o ns we r e i n t r od uc e d.Spe e d of t he m e a s u r i ng s y s t e m wa s c a l i br a t e d a nd l e ng t h of bo l t i n c o nc r e t e s t r u c t u r e Wa S me as ur e d i n l a b.Th e e x pe r i m e n t a 1 r e s ul t s s ho w t h a t t he me t ho d ha s t he ma x i m u m e r r o r o f 2. 6 6 a nd 收稿 日期 2 O 1 4 一 O 6 1 3 ; 修回 日期 2 0 1 4 1 7 ; 责任编辑 李 明。 基金项 目 中煤科工集 团重庆研究院有限公司青年创新基 金资助项 目 2 0 1 3 QNJ J 2 4 。 作者简 介 张小波 1 9 8 7 一 。 男 , 重庆人 , 实习助理研究 员 , 硕士, 现主要从事煤 矿监控仪器 仪表 的研 发工作 , E ma i l z h a n g x b 3 2 0 1 2 f o x ma i l . co r n 。 索窗 口的方法 , 并 结 合 粒子 滤 波 和 纹 理 匹 配算 法 来 减少 颜色 相似 物 体 间 的 干扰 。实 验结 果 表 明 , 改进 C a ms h i f t 算 法 跟踪 效果 良好 , 对 相 似 颜 色 干扰 不 敏 感 , 通 过该 跟 踪算法 能 够准确 地捕 捉 到钻杆 目标 , 从 而实现对 钻 杆 的准确计 数 。 参考文献 [ 1 ] E 2 3 E 3 2 周志敏. 浅析接近 开关 的选型 与性 能测定 I- j ] . 机床 电 器 , 2 0 0 1 , 2 8 1 3 6 3 7 . 刘素贞 , 邓 和林. 一种基于特征融合 的运动 目标 跟踪算 法E J ] . 激光与红外 , 2 0 0 8 , 3 8 8 8 3 7 8 4 0 . 田原. 浅谈 机 器视 觉 技 术在 煤 矿 中 的应 用前 景 [ J ] . 工 矿 自动 化 , 2 O 1 O , 3 6 5 3 0 3 2 . 蒋恋华 , 甘朝晖 , 蒋 曼. 多 目标跟踪 综述 [ J ] . 计算 机 系 统 应 用 , 2 O l o , 1 9 i 2 2 7 1 2 7 5 . 倪麒 , 尹 岗. 基 于背 景差 分法 和 C a ms h i f t 法 的运 动 目 标跟踪 系统 的 设 计 与 实 现 [ J ] . 工 矿 自动 化 , 2 o 1 o , 3 6 1 2 3 0 - 3 2 . 孙凯 , 刘士 荣. 多 目标 跟踪 的改进 C a ms h i f t / 卡 尔曼 滤 波组合算 法[ J ] . 信 息与控制 , 2 0 0 9 , 3 8 1 9 - 1 4 . 佘九华 , 王敬东 , 李 鹏. 基 于 C a ms h i f t 的人脸 跟踪算 法 [ J ] . 计算机技 术与发展 , 2 0 0 8 , 1 8 9 1 2 1 5 . 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Ke y wo r ds bo l t; a nc ho r c a b l e;l e ng t h me a s ur e me nt ; n on d e s t r uc t i v e me a s ur e me n t; m a g ne t 0s t r i c t i o n g ui d e d wa v e 0 引 言 锚杆 索 支 护 作 为 一 种有 效 的巷 道 支 护 方 式 , 可显 著 提高 围岩 的稳 定性 [ 1 ] 。锚 杆 索 施 工 受 限于 施工 工 艺与施 工 管 理水 平 , 施 工 质 量难 以 满 足设 计 要求 I 2 ] , 可 能引 发巷 道坍 塌等 事 故 , 造 成人 员 伤 亡 。 因此 , 需 要 检 测 锚 杆 索 有 效 长 度 , 从 而 衡 量 锚 杆 索 是 否按 照拟 定方 式 工作 。 目前大多采用弹性波测量锚杆 索 长度 ] , 其 基本 原 理 通 过 手锤 或 特 定 的 激 振器 在 锚 杆 索 顶 部施加脉冲激振荷载 , 在锚杆 索 体中产生弹性波 , 弹性波沿锚杆 索 纵 向传播 , 当遇到锚 杆 索 本身 或锚固介质及围岩 的断裂面时产生 回波, 通过分析 回波信号的频率、 幅值等参数, 对锚杆 索 长度进行 检 测 。该方 法 准 备 工 作 复 杂 , 检 测 效 率低 。参 考 文 献[ 6 7 ] 提出采用 电磁互感原理测量锚 杆 索 长度 的方法 , 其 基本 原 理 采 用 激 励 线 圈 激 励 交 变 磁 场 , 锚 杆 索 因磁 致 伸缩 效 应 产 生 交 变 应 力 , 从 而 激 励 出超声导波 , 超声导波传播 引起锚杆 索 内磁感应 强度发生变化 , 使感应线圈的电压信号变化 , 通过分 析变 化 的 电压 信 号来 检测 锚杆 索 长 度 。 由于煤矿 井下 锚杆 索 裸 露 在 表 面 的部 分 非 常 有 限 , 无 法 满 足激 励线 圈和感 应 线 圈 的安 装要 求 , 所 以该 方 法 不 适用 于 煤矿 井下 锚杆 索 的长度 测量 。 本 文结 合煤 矿 巷道 锚 杆 索 长度 测 量 需 求 , 对 现有 测 量方 法进 行 改 进 , 提 出一 种 基 于 磁 致 伸缩 导 波技 术 的锚 杆 索 长 度无 损 测量方 法 。 1 测 量原 理 基 于 磁致 伸缩 导波 技术 的锚 杆 索 长度 无损 测 量 方法 原 理如 图 1所示 。非 接触 式 激励 线 圈产生 磁 场 , 锚杆 索 在磁场作用下发生磁致伸缩效应 , 其长 a b c d e f a 一压电陶瓷接收器 . b 一激励线圈 ; c 一螺母 ; d 一托板 ; e 一砂浆 ; f --锚杆 图 1 基 于磁 致伸缩导波技术 的锚杆 索 长度无 损测量原理 度发生变化l 8 ] , 激励 出振动纵向导波信号 。根据 弹 性力学理论, 振动纵 向导波在传播过程 中, 锚杆 索 端接 面处 的 波 阻抗 发 生 变 化 , 形 成 回 波 。压 电 陶瓷 接 收器感 应锚 杆 索 中 的振 动纵 向导 波 回波信 号 , 将 其转 换 为 电信号并 进 行分 析 , 实现锚 杆 索 长 度 的无损 测量 。 2锚杆 索 长 度无 损测 量 系统 锚 杆 索 长 度无 损测 量 系统 主要包 括设 备探 头 和设 备 主机 两部 分 , 如 图 2所 示 。测 量 时 将 设 备 探 头 套置 在锚 杆 索 的裸 露 端 , 不对 锚 杆 索 进 行 任 何破坏 , 也无需对锚杆做任何处理 。操作设备主机 的人机交互界面, 即可完成对锚杆 索 长度的测量。 i 设备探头 i ; 设各主机 ; 一.I一 堡 塑 芯 线 缆 堡 i 一 i 图 2 锚杆 索 长度无 损测量系统组成 信号激励模块 的主要功能是实现在可控制的情 况下 , 电流流过线圈产生磁场 , 使锚杆 索 发生磁致 伸缩 效应 。 信号接收模块 中的信号接收探头内部采用压电 陶瓷芯 片 , 将 微弱 的振 动 纵 向导 波 回波 信 号 转 换 为 电信号。信号采集用 AD芯片位宽为 1 2 b i t s , 采样 频率 最 高为 6 MHz 采 样频 率可 配置 。 信号处理模块采用参考 文献 [ 4 , 6 ] 中的相关算 法对信号进行去噪处理 ] 。该算法利用有用信号具 有 周期 性 和噪声 具有 随机 性 的特 点 , 通 过 自相关 或 互相关运算提高信噪比。 假设输入信号为 _厂 £ z £ £ , 其 中 z £ 为有用信号 , n £ 为噪声信号 。输入信号分别进入 信号延 迟 器和 乘 法 器 , 延 迟 器 延 迟 时 间 r可 调 。经 延迟器 输 出 的信号 为 , 一 r , 其 与 厂 £ 相 乘后 进 行 积分 , 得 到相 关 函数 上 一 点 的 相关 值 。变更 延 迟 时 间 r , 重复 上述 计算 过 程 , 得 到相 关 函数 R r 与延 迟 时间 r的关 系 1 r 丁 R r 一 l i mI 厂 一r d t 一 厶 』卜 。 。 √ 一 T R 。 r R。 。 r R r R r 1 式 中 T为振动纵 向导波信号在锚杆 中来 回传播的 2 0 1 5年第 1期 张小波等 一种矿用锚杆 索 长度无损测量方法 7 9 3 . 2 长度 验证 完 成速 度 标 定 以后 , 选 取 长 度 为 3 . 0 0 m 的锚 杆在混凝土结构中进行长度验证 。单次测量后波形 如 图 6所示 信 号采 样 频率 为 1 M Hz , 测量 数 据 见 表 3 。 j 四 馨 1 丑 妲 图 6 3 . o o m锚杆测量采集 波形 表 3 3 . o o m锚杆单次测量数 据 峰值 对应 的采样点数峰值对应时间/ t , s 相邻峰值时间间隔/ t L s o o o 1 1 8 3 1 1 8 3 1 1 8 3 2 3 6 7 2 3 6 7 1 1 8 4 3 5 5 1 3 5 51 1 1 8 4 4 7 3 4 4 7 3 4 1 1 83 根 据表 3 数 据得 单 次振 动纵 向导波在 锚 杆 中来 回传 播 时 间为 1 1 8 3 . 5 t z s , 根 据 s v T / 2得 到 锚 杆 长 度 为 3 . 0 7 m, 误差 为 2 . 3 0 。 3 . 0 0 m 锚 杆 多 次 测 量 数 据 见 表 4 。可 看 出 测 量 结果 最 大误 差为 2 . 6 6 % , 最 小误 差 为 0 . 3 3 。将 表 4中 的数 据 剔 除最大 误差 测量 数 据 和最小 误差 测 量 数 据 , 得 平 均 测 量 长 度 为 2 . 9 9 m, 测 量 误 差 为 0 . 3 3 , 满足现有矿用锚杆 索 长度测量 的工程应 用 要 求 。 表 4 3 . 0 0 m锚杆多次测量数据 测量 长 相对误 次数 次数 度/ m 差 / 1 3 . o6 2 . o o 6 2 . 9 5 1 . 6 7 2 3 . O8 2 . 6 6 7 3 . 0 7 2 . 3 3 3 2 . 9 8 o . 6 7 8 2 . 9 9 o . 3 3 4 3 . O 6 2 . 0 0 9 3 . O 3 1 . 0 0 5 2 . 9 4 2 . 0 0 1 O 2 . 9 6 1 . 6 7 4 结 语 基 于磁 致 伸缩 导波 技术 的锚 杆 索 长 度无 损测 量 方 法只需 操作 人 机 交 互 界 面 即 可完 成 测 量 , 测 量 精 度 高 , 解 决 了现 有磁 致 伸 缩 技 术 不 能 测 量 隐蔽 式 锚 杆 索 长度 的 问题 , 同 时避 免 了手 锤 敲 击不 一 致 导致 的检测 误 差 , 极 大地 提 高 了检 测效 率 , 降低 了检 测 成 本 。 受 限于 煤 矿 井下 功 率 等 要求 , 该 方 法 设 计 的最 大测 量 长度 为 5 4 m, 远 大 于 现 有 矿 用 锚 杆 索 长 度 。通过 增加 磁 场强 度 和 提 高 信 号 接 收灵 敏 度 , 可 对更 长 的非煤 矿用 锚杆 索 长度 进行 测量 。 从实验数据来看 , 相邻峰值之间存在许多较小 波峰值 , 下一步可 以通过分析较小峰值的具体位置 、 峰值 个数 , 确 定锚 杆 索 缺 陷位 置 和灌浆 质量 。 参考文献 [1] 周金城. 关 于 锚 杆 支 护 问 题 的探 讨 [ J ] . 煤 炭 工 程 , 2 0 0 9 2 3 3 - 3 5 . [2] 王 国滢 , 李柏 明. 锚杆 无损 测试技 术 的应用 研究 [ J ] . 工程地球物理学 报 , 2 0 0 9 , 6 增 刊 1 1 6 6 1 7 0 . [3] 何存 富 , 孙雅欣 , 吴斌 , 等. 超声 导波 技术 在埋地 锚杆 检测 中的应 用研 究E J ] . 岩 土工程 学报 , 2 0 0 6 , 2 8 9 11 44 1 1 47 . [ 4] 汪 明武 , 王鹤龄. 锚 固质量 的无损 检测 技术 [ J ] . 岩石 力学 与工程学报 , 2 0 0 2 , 2 1 1 1 2 6 1 2 9 . 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