一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】
一种基于磁致伸缩效应的自比式锚杆无损检测方法
技术领域
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
【发明内容】
[0006] 本发明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。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 步骤1、设置检测装置：
[0009] 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；
[0010]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；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 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：
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 进一步的，所述步骤a的处理过程如下：
[0019] 设采集到的锚杆导波回波信号为xi(n)，X2(n)，......xa(n)，首先对上述xi(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):
[0021]其中，N为实际导波回波信号的有限长度；
[0022] Xi(n)，xj(n)表示超声导波回波信号xi(n)，X2(n)，......xa(n)中的信号（Ki彡a, 1彡j彡a且i乒j);
[0023] Rdm)表示Xl(n)，幻(n)在m时刻的互相关程度。
[0024]又因为离散信号的能量计算公式(1.2)如下：
[0026]其中，Ey信号Xl(n)与&(n)互相关后的能量；
[0027] Rij (m)为公式（1.1)对应互相关运算的结果；
[0028]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，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：
[0030]其中，￡1第1个信号和其他所有信号的总的相关能量；
[0031]由于X1(n)，X2(n)，......x a(n)中每个所分配的权值Pi与相关能量Ei成正比例，贝lj 有公式(1.4)和公式(1.5)如下：
[0032] P1：P2： . . -Pi： . . . ：pa = El：E2： . . . ：Ei： . . . ：Ea (1.4)
[0033] 且
[0035]根据公式（1.4)和公式（1.5)计算出xi(n)，X2(n)，......xa(n)中每个所分配的权 值Pi;对xi(n)，X2(n)，......xa(n)进行加权融合处理，如公式（1.6)所示：
[0037]其中，X(n)表示经加权融合处理后的信号结果；
[0038] Xi(n)表不超声导波回波信号。
[0039] 进一步的，所述步骤b的处理过程如下：
[0040]首先，列出脉冲反褶积方程(1.7)并代入相关数值：
[0042] 其中，rxx(0)，rxx(l)......rxx(m)表示加权融合后X(n)的自相关函数；
[0043] a(n) = [a(0) ,a(l) ,a(2)......a(m)]，m为反滤波因子长度；
[0044] A表示白噪系数，其范围是〇.5%-10%，进一步优选范围是0.5%-5%;
[0045] 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):
[0047]其中，S(n)表示脉冲反褶积后输出的记录；
[0048] X(n)为经加权融合处理后的信号结果；
[0049] 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。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052]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 〇
[0053]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。
[0054] 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。本发 明的有益效果如下：
[0055] 本发明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。
[0056] 本发明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】
[0057]图1为本发明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。
[0058]图2为65KHZ脉冲激励信号下无缺陷锚杆的回波信号图。
[0059]图3为60KHZ脉冲激励信号下缺陷锚杆的回波信号图。
[0060]图4为70KHZ脉冲激励信号下缺陷锚杆的回波信号图。
[0061]图5为80KHZ脉冲激励信号下缺陷锚杆的回波信号图。
[0062]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。
[0063]图7为基于相关加权融合的数据处理流程图。
[0064] 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】
[0065] 为使本发明的目的、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 对本发明进行清楚、完整的描述。
[0066] 步骤1、设置检测装置：
[0067] 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；
[0068] 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；
[0069] 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；
[0070] 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。
[0071] 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：
[0072] 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；
[0073] 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；
[0074] 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。进一步的，对经所诉步 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6质量定性评估；
[0075] 进一步的，所述步骤a的处理过程如下：
[0076]设采集到的锚杆导波回波信号为xi(n)，X2(n)，......xa(n)，首先对上述xi(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):
[0078] 其中，N为实际导波回波信号的有限长度；
[0079] Xi(n)，xj(n)表示超声导波回波信号xi(n)，X2(n)，......xa(n)中的信号（Ki彡a, 1彡j彡a且i乒j);
[0080] Ru(m)表示Xl(n)，幻(n)在m时刻的互相关程度；
[0081 ]又因为离散信号的能量计算公式(1.2)如下：
[0083]其中，信号Xl(n)与&(n)互相关后的能量；
[0084] Rij (m)为公式（1.1)对应互相关运算的结果；
[0085]若对xl(n)，X2(n)，......xa(n)进行两两的互相关运算所得信号的能量为，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：
[0087]其中，￡1第1个信号和其他所有信号的总的相关能量。
[0088]由于xl(n)，X2(n)，......x a(n)中每个所分配的权值Pl与相关能量￡1成正比例，则 有公式(1.4)和公式(1.5)如下：
[0089] P1：P2： . . -Pi： . . . ：pa = El：E2： . . . ：Ei： . . . ：Ea (1.4)
[0090] 且
[0092]根据公式（1.4)和公式（1.5)计算出xi(n)，X2(n)，......xa(n)中每个所分配的权 值Pi;最后再对xi(n)，X2(n)，......xa(n)如公式（1.6)所示，进行加权融合处理：
[0094]其中，X(n)经加权融合处理后的信号结果；
[0095] Xi(n)表不超声导波回波信号。
[0096] 进一步的，所述步骤b的处理过程如下：
[0097]首先，列出脉冲反褶积方程(1.7)并代入相关数值：
[0099] 其中，rxx(0)，rxx(l)......rxx(m)表示加权融合后X(n)的自相关函数；
[0100] 反滤波因a(n) = [a(0)，a(l)，a(2)......a(m)]，m为反滤波因子长度；
[0101] A表示白噪系数，其范围是0.5%-10%，进一步优选范围是0.5%-5%;
[0102]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):
[0104]其中，S(n)表示脉冲反褶积后输出的记录；
[0105] X(n)为经加权融合处理后的信号结果。
[0106] 进一步的，所述步骤1的检测装置中，将电磁铁1通过支架固定在锚杆6端部周围。
[0107] 进一步的，所述步骤1的检测装置中，所述高频交流线圈2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1为马蹄形电磁铁，个数为偶数个，设置于锚杆6朝 外端部周围，在所述高频交流线圈2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1与高频交流线圈2的距离为3mm~5mm。
[0108] 进一步的，所述高频交流线圈2通入的激励信号为经汉宁窗调制的正弦脉冲激励 信号。
[0109] 进一步的，所述高频交流线圈2通入频率为60KHZ、70KHZ和80KHZ的激励信号。下面 对本发明的实施过程进行详细的描述：
[0110] 如图1(为实际装置的切面图）所示，将电磁铁1用支架固定在锚杆6端部周围呈均 匀对称分布，然后将铜漆包线制成的高频交流线圈2安装在锚杆6锚头处，离电磁铁1的距离 为3mm~5mm，并依次通入频率为60KHZ、70KHZ、80KHZ的经汉宁窗调制的正弦脉冲激励信号。 此时，在偏置磁场与高频交流线圈2的作用下锚杆6内部会产生磁致伸缩力进而引起超声 导波在锚杆6内部传播，经过端面或缺陷时发生反射。反射后的超声导波因逆磁致伸缩效应 使得同一高频交流线圈2两端的电流、电压等波形发生变化。然后利用连接在自比式传感器 上的数据采集装置采集锚杆导波回波信号并将其传入计算机中做识别和处理。
[0111] 数据采集装置采集回频率为60KHZ、70KHZ、80KHZ的激励电流信号产生的3组回波 信号图形。利用上述相关公式所示对这3组回波信号进行基于相关函数的加权融合处理。首 先对各个回波信号进行两两互相关运算，求出两两互相关后的能量。然后据此相关能量的 大小确定各信号的权值，再对各信号所分配的权值来进行加权融合，得到加权融合信号。最 后将加权融合信号进行反褶积处理来提高检测信号的分辨率，从中提取检测信号的激励首 波及反射回波、激励首波与缺陷回波之间的时间差，计算锚杆6的几何参数。再对融合后的 信号进行频谱分析，实现对锚杆6质量的定性评估。
[0112] 进一步举例，参见图1到图5:
[0113] 利用室内浇注锚杆6长度为2100mm进行基于磁致伸缩效应的锚杆无损检测。利用 电磁铁1在外部形成所需的偏置磁场，然后给高频交流线圈2依次加入频率为60KHZ、70KHZ、 80KHZ的经汉宁窗调制的正弦脉冲电流激励信号，经数据采集装置可采集得到若干组回波 信号。如图2为在无缺陷的锚杆中所测的波形图，从图中可以看出回波信号非常明显。如图3 为所测含缺陷的回波波形图，由图可见反射的缺陷信号很明显。如图6为缺陷锚杆回波信号 融合结果图，从中读出其缺陷波峰值和端部反射波峰值，并计算端部反射时间，再根据实验 条件下测得磁致伸缩模态导波在锚杆中传播的波速，由此可计算出锚杆6的长度，达到高精 度检测。再对融合后的信号进行频谱分析，实现对锚杆6质量的定性评估。
[0114] 简单总结，本发明主要包括下列三个方面：
[0115] 1、超声导波信号的产生
[0116] 利用电磁铁在外部形成所需的偏置磁场，同时给高频交流线圈通入经汉宁窗调制 的正弦脉冲激励信号，调节其频率大小依次为601(取、701(112、801012。在外加偏置磁场的作用 下在锚杆中会激发出模态较单一的超声导波，该导波频散较小且具有良好的信噪比，易于 检测即为我们所要的超声导波信号。
[0117] 2、反射信号的接收
[0118]该装置利用电磁铁形成外部偏置磁场，高频交流线圈做成自比式传感器，在锚杆 中激发产生模态较为单一的超声导波，在遇到端面或缺陷时发生反射。反射信号传回使同 一传感器高频线圈两端的电压、电流等波形发生变化。此时，由安装在高频线圈两端的数据 采集装置采集回波信息并实时存储，然后再将采集到的回波信息传入计算机进行识别和处 理。
[0119] 3、反射回波信号的数据处理
[0120] 对采集回来的信号信息进行基于相关函数的加权融合算法处理和加权融合后的 脉冲反褶积处理。首先利用相关算法对数据采集器采集的回波信号进行两两互相关运算， 然后根据互相关结果，求出两两互相关后的能量。根据此相关能量的大小确定各信号的权 值，再对每个信号所分配的权值来进行加权融合，得到加融合信号。最后将融合信号进行反 褶积处理来提高检测信号的分辨率，从中提取检测信号的首波及反射波之间的时间差，计 算锚杆的几何参数。再对融合后的信号进行频谱分析，实现对锚杆质量的定性评估。
[0121] 本发明中利装置利用电磁铁形成外部偏置磁场，高频交流线圈做成自比式传感 器，在锚杆中激发产生超声导波。同时根据逆磁致伸缩效应在同一传感器内接收缺陷或者 端面反射的回波。通过计算机对采集到的信息采用基于相关函数加权融合算法和脉冲反褶 积进行处理，获得锚杆有关几何参数和初步评估的缺陷状态。解决了现有方法中检测精度 不高，稳定性差，成本投入大等问题。基于磁致伸缩效应的检测方法具有装置轻便、效率高、 无需耦合且检测范围大等优点，在锚杆无损检测领域具有广阔的应用前景。
[0122] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
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 xi(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):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xi(n)，X2(n)，......xa(n)中的信号（Ki彡a, 1彡j 彡a且i乒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的计算公式(1.2)如下：其中，表示信号^(1〇与幻(n)互相关后的能量； RuOn)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E^，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表示第i个信号和其他所有信号的总的相关能量； 由于xi(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，贝lj有公 式(1.4)和公式(1.5)如下： Pl：P2： . . -Pi： . . . ：Pa = El：E2： . . . ：Ei： . . . ：Ea (1.4) 且根据公式（1.4)和公式（1.5)计算出xi(n)，X2(n)，......xa(n)中每个所分配的权值pi; 对xi(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)表不超声导波回波信号。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：其中，rxx(0)，rxx(l)......rxx(m)表不加权融合后X(n)的自相关函数； [a(0) ,a(l) ,a(2)......a(m)] =a(n) ,a(n)为反滤波因子，m为反滤波因子长度； 入表示白噪系数； 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。5. 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1的检测装置中，将电磁铁(1)通过支架固定在锚杆(6)端部周围。6. 根据权利要求4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:所述白噪系数X的取值范围为〇.5%-10%。7. 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1的检测装置中，所述电磁铁（1)为马蹄形电磁铁，个数为偶数个，设置于锚 杆(6)朝外端部，在所述高频交流线圈（2)外部呈均匀对称分布。8. 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1的检测装置中，所述电磁铁(1)与高频交流线圈（2)的距离为3mm~5_。9. 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:所述高频交流线圈（2)通入的激励信号为经汉宁窗调制的正弦脉冲激励信号。10. 根据权利要求1或9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:所述高频交流线圈（2)通入频率为60KHZ、70KHZ和80KHZ的激励信号。
【文档编号】G01N29/50GK106053602SQ201610290357
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】孙晓云, 陈建锋, 程久龙
【申请人】石家庄铁道大学