一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，属于无损检测领域，采用电磁铁形成外部偏置磁场，高频交流线圈做成自激自收的自比式传感器，在偏置磁场环境下，给高频线圈提供激励信号，在锚杆内部发生磁致伸缩效应，激发的超声导波在锚杆中传播，同时利用逆磁致伸缩效应接收回波信息并将其传入计算机，利用相关融合、反褶积等信号处理方法，实现反射时刻的识别，获得锚杆有关几何参数和初步缺陷状态，达到对锚杆质量评估。本检测方法具有检测效率高、检测精度好、无需耦合剂等优点，适用于复杂工程环境下锚杆的无损检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在矿山工程、岩土工程、地下工程中对锚杆进行检测的装置和方法，尤其涉及一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，属于无损检测领域。
技术介绍
现有技术中，对锚杆进行检测的方法主要有拉拔实验、取岩芯法、声波法(含应力波)等。拉拔实验、取岩芯法均属于破坏性的检测方法，虽然是传统的测试方法，但使用起来费工费时，且抽检的样本数十分有限，难免会以偏概全，无法成为常规的检测手段。基于磁致伸缩效应的电磁超声检测技术是一种新型无损检测技术，它具有非接触式，无需耦合剂、检测速度快、灵敏度高和环境适应性较强等特点，使得该技术在锚杆无损检测中有广阔的应用前景。但上述现有技术的局限性在于由该原理制成的检测装置的核心部件超声波换能器(即所述传感器部分)的换能效率较低，从而造成超声信号的信噪比较低，对于检测结果的精度有一定的影响。需要在实际锚杆无损检测中优化检测装置，提高换能效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种易于安装、基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法。本专利技术采用的技术方案如下：步骤1、设置检测装置：对于锚杆锚固系统，所述锚杆朝外端部周围设置有至少两个电磁铁，所述至少两个电磁铁以锚杆为中轴线呈均匀对称分布，将高频交流线圈设置在所述至少两个电磁铁形成的偏置磁场内，组成自激自收的自比式传感器；步骤2、高频交流线圈通过信号激励装置提供激励信号，在电磁铁形成的外加偏置磁场作用下，使得被检测的锚杆内部发生磁致伸缩效应，进而在锚杆中激发出纵向模态为主的超声导波；步骤3、在所述自比式传感器中利用逆磁致伸缩效应接收锚杆底部端面或缺陷反射的导波回波信号，并在所述自比式传感器上连接数据采集装置；步骤4、将步骤3中经数据采集装置接收的波回波信号输入计算机，利用计算机对其进行处理和识别计算，完成对象锚杆的无损检测。进一步的，所述步骤4中计算机对数据采集装置接收的导波回波信号进行处理和识别计算，具体包括如下步骤：a.对所述超声导波回波信号基于相关函数进行加权融合处理；b.对经过步骤a加权融合处理后的超声导波回波信号进行反褶积处理；c.从步骤b反褶积处理后的超声导波回波信号中提取激励首波和反射回波之间的时间差、激励首波和缺陷回波之间的时间差，计算锚杆的几何参数。进一步的，对经所述步骤a加权融合处理后的超声导波回波信号进行频谱分析，实现对锚杆质量定性评估。进一步的，所述步骤a的处理过程如下：设采集到的锚杆导波回波信号为x1(n),x2(n),......xa(n)，首先对上述x1(n),x2(n),......xa(n)中任意两个进行两两互相关运算，参见如下公(1.1)：其中，N为实际导波回波信号的有限长度；xi(n),xj(n)表示超声导波回波信号x1(n),x2(n),......xa(n)中的信号(1≤i≤a,1≤j≤a且i≠j)；Rij(m)表示xi(n),xj(n)在m时刻的互相关程度。又因为离散信号的能量计算公式(1.2)如下：其中，Eij信号xi(n)与xj(n)互相关后的能量；Rij(m)为公式(1.1)对应互相关运算的结果；若对x1(n),x2(n),......xa(n)进行两两的互相关运算所得信号的能量为Eij，则第i个信号和其他所有信号的总的相关能量的公式(1.3)如下：其中，Ei第i个信号和其他所有信号的总的相关能量；由于x1(n),x2(n),......xa(n)中每个所分配的权值pi与相关能量Ei成正比例，则有公式(1.4)和公式(1.5)如下：p1：p2：...pi：...：pa＝E1：E2：...：Ei：...：Ea (1.4)且根据公式(1.4)和公式(1.5)计算出x1(n),x2(n),......xa(n)中每个所分配的权值pi；对x1(n),x2(n),......xa(n)进行加权融合处理，如公式(1.6)所示：其中，X(n)表示经加权融合处理后的信号结果；xi(n)表示超声导波回波信号。进一步的，所述步骤b的处理过程如下：首先，列出脉冲反褶积方程(1.7)并代入相关数值：其中，rxx(0),rxx(1)......rxx(m)表示加权融合后X(n)的自相关函数；a(n)＝[a(0),a(1),a(2)......a(m)]，m为反滤波因子长度；λ表示白噪系数，其范围是0.5％-10％，进一步优选范围是0.5％-5％；通过脉冲反褶积方程(1.7)求取出反滤波因子a(n)后，将反滤波因子a(n)与X(n)进行褶积，参见如下公式(1.8)：其中，S(n)表示脉冲反褶积后输出的记录；X(n)为经加权融合处理后的信号结果；进一步的，所述步骤1的检测装置中，将电磁铁通过支架固定在锚杆朝外端部周围。进一步的，所述步骤1的检测装置中，所述高频交流线圈为铜漆包线绕制。进一步的，所述步骤1的检测装置中，所述电磁铁为马蹄形电磁铁,个数为偶数个，设置于锚杆朝外端部，在所述高频交流线圈外部呈均匀对称分布。进一步的，所述步骤1的检测装置中，所述电磁铁与高频交流线圈的距离为3mm～5mm。进一步的，所述高频交流线圈通入的激励信号为经汉宁窗调制的正弦脉冲激励信号。进一步的，所述高频交流线圈通入频率为60KHZ、70KHZ和80KHZ的激励信号。本专利技术的有益效果如下：本专利技术基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，包括高频交流线圈构成集收发一体的自比式传感器，自比式传感器接有数据采集装置和信号激励装置，数据采集装置与计算机连接。本专利技术的检测装置安装方式简单，可以克服现场测试条件苛刻、环境复杂，稳定性差的不足等缺点且激发电流的频率等参数可以人为的控制，对于信号处理和识别具有较好的效果。附图说明图1为本专利技术基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法的原理示意图。图2为65KHZ脉冲激励信号下无缺陷锚杆的回波信号图。图3为60KHZ脉冲激励信号下缺陷锚杆的回波信号图。图4为70KHZ脉冲激励信号下缺陷锚杆的回波信号图。图5为80KHZ脉冲激励信号下缺陷锚杆的回波信号图。图6为60KHZ、70KHZ、80KHZ激励信号下缺陷锚杆回波信号融合信号结果图。图7为基于相关加权融合的数据处理流程图。其中，1电磁铁、2高频交流线圈、3螺母、4托板、5砂浆、6锚杆。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合图1～图7和具体实施例对本专利技术进行清楚、完整的描述。步骤1、设置检测装置：如图1所示，对于锚杆锚固系统，所述锚杆6朝外端部的周围设置有2个、4个或8个电磁铁1，所述2个、4个或8个电磁铁1以锚杆6为中轴线呈均匀对称分布，将高频交流线圈2设置在所述2个、4个或8个电磁铁1形成的偏置磁场内，组成自激自收的自比式传感器；步骤2、高频交流线圈2通过信号激励装置提供激励信号，在电磁铁1形成的外加偏置磁场作用下，在被检测的锚杆6内部发生磁致伸缩效应，进而在锚杆6中激发出超声导波信号；步骤3、在所述自比式传感器中利用逆磁致伸缩效应接收锚杆底部端面或缺陷反射的导波回波信号，并在所述自比式传感器上连接数据采集装置；步骤4、将步骤3中经数据采集装置接收的导波回波信号输入计算机，利用计算机对其进行处理和识别计算，完成对象锚杆的无损检测。进一步的，所述步骤4中计算机对数据采集装置接收的导波回波信号进行处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，其特征在于：其包括如下步骤：步骤1、设置检测装置：对于锚杆锚固系统，所述锚杆(6)朝外端部周围设置有至少两个电磁铁(1)，所述至少两个电磁铁(1)以锚杆(6)为中轴线呈均匀对称分布，将高频交流线圈(2)设置在所述至少两个电磁铁(1)形成的偏置磁场内，组成自激自收的自比式传感器；步骤2、高频交流线圈(2)通过信号激励装置提供激励信号，在电磁铁(1)形成的外加偏置磁场作用下，在被检测的锚杆(6)内部发生磁致伸缩效应，进而在锚杆(6)中激发出以纵向模态为主的超声导波；步骤3、在所述自比式传感器中利用逆磁致伸缩效应接收锚杆(6)底部端面或缺陷反射的导波回波信号，并在所述自比式传感器上连接数据采集装置；步骤4、将步骤3中经数据采集装置接收的导波回波信号输入计算机，利用计算机对其进行处理和识别计算，完成对象锚杆(6)的无损检测。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，其特征在于：其包括如下步骤：步骤1、设置检测装置：对于锚杆锚固系统，所述锚杆(6)朝外端部周围设置有至少两个电磁铁(1)，所述至少两个电磁铁(1)以锚杆(6)为中轴线呈均匀对称分布，将高频交流线圈(2)设置在所述至少两个电磁铁(1)形成的偏置磁场内，组成自激自收的自比式传感器；步骤2、高频交流线圈(2)通过信号激励装置提供激励信号，在电磁铁(1)形成的外加偏置磁场作用下，在被检测的锚杆(6)内部发生磁致伸缩效应，进而在锚杆(6)中激发出以纵向模态为主的超声导波；步骤3、在所述自比式传感器中利用逆磁致伸缩效应接收锚杆(6)底部端面或缺陷反射的导波回波信号，并在所述自比式传感器上连接数据采集装置；步骤4、将步骤3中经数据采集装置接收的导波回波信号输入计算机，利用计算机对其进行处理和识别计算，完成对象锚杆(6)的无损检测。2.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，其特征在于：所述步骤4中计算机对数据采集装置接收的导波回波信号进行处理和识别计算，具体包括如下步骤：a.对所述超声导波回波信号基于相关函数进行加权融合处理；b.对经过步骤a加权融合处理后的超声导波回波信号进行反褶积处理；c.从步骤b反褶积处理后的超声导波回波信号中提取激励首波和反射回波之间的时间差、激励首波和缺陷回波之间的时间差，计算锚杆(6)的几何参数。3.根据权利要求2所述的一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，其特征在于：所述步骤a的处理过程如下：设采集到的锚杆导波回波信号为x1(n),x2(n),......xa(n)，首先对上述x1(n),x2(n),......xa(n)中任意两个进行两两互相关运算，参见如下公式(1.1)： R i j ( m ) = 1 N Σ n = 0 N - m - 1 x i ( n ) x j ( n + m ) - - - ( 1.1 ) ]]>其中，N为实际导波回波信号的有限长度；xi(n),xj(n)表示超声导波回波信号x1(n),x2(n),......xa(n)中的信号(1≤i≤a,1≤j≤a且i≠j)；Rij(m)表示xi(n),xj(n)在m时刻的互相关程度；又因为离散信号的能量Eij的计算公式(1.2)如下： E i j = Σ i = 1 n | R i j ( m ) | 2 - - - ( 1.2 ) ]]>其中，Eij表示信号xi(n)与xj(n)互相关后的能量；Rij(m)为公式(1.1)对应互相关运算的结果；若对x1(n),x2(n),......xa(n)进行两两的互相关运算所得信号的能量为Eij，则第i个信号和其他所有信号的总的相关能量的公式(1.3)如下： E i = Σ j = 1 , j ≠ i n E i j - - - ( 1.3 ) ]]>其中，Ei表示第i个信号和其他所有信号的总的相关能量；由于x1(n),x2(n),......xa(n)中每个所分配的权值pi与相关能量Ei成正比例，则有公式(1.4)和公式(1.5)如下：p1:p2:...pi:...:pa＝E1:E2:...:Ei:...:Ea (1.4)且 Σ i = 1 a p i = 1 - - - ( 1.5 ) ]]>根据公式(1.4)和公式(1.5)计算出x1(n),x2(n),......xa(n)中每个所分配的权值pi；对x1(n),x2(n),......xa(n)进行加权融合处理，如公式(1.6)所示： X ( n ) = Σ i = 1 a p i x i ( n ) - - - ( 1.6 ) ]]>其中，X(n)表示经加权融合处理后的信号结果；xi(n)表示超声导波回波信号。4.根据权利要求3所述的一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法，其特征在于：所述步骤b的处理过程如下：首先，列出脉冲反褶积方程(1.7)并代入相关数值： ( 1 + λ ) r x x ( 0 ) r x x ( 1 ) ... r x x ( m ) r x x ( 1 ) ( 1 + λ ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓云，陈建锋，程久龙，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北;13