基于DSP的錨桿無損檢測(cè)系統(tǒng)

周天涯 馮自振 佘一鳴 李帥 秦玉玲

石家莊鐵道大學(xué)

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基于DSP的錨桿無損檢測(cè)系統(tǒng)

周天涯 馮自振 佘一鳴 李帥 秦玉玲

石家莊鐵道大學(xué)

錨桿在各種礦山、公路、鐵路以及其他地下工程的廣泛應(yīng)用大大提高了安全生產(chǎn)水平。但是由于錨桿的工作環(huán)境惡劣，容易出現(xiàn)銹蝕、斷裂等缺陷，錨桿缺陷帶來嚴(yán)重的安全隱患。DSP是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。將采集得到的數(shù)據(jù)，利用DSP結(jié)合小波變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以有效地對(duì)錨桿實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)。

錨桿 DSP 無損檢測(cè) 小波變換

錨桿是支護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分，根據(jù)圍巖的性質(zhì)以及服務(wù)特點(diǎn)采用全長(zhǎng)錨固錨桿、部分錨固錨桿以及端錨式錨桿對(duì)圍巖及邊坡進(jìn)行加固。因此，非常有必要對(duì)錨固質(zhì)量、錨桿的完整性以及錨桿中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1　錨桿無損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成部分

錨桿無損檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、DSP處理器和顯示部分組成。利用IEPE壓電式傳感器，將導(dǎo)波在錨桿傳播的模擬量轉(zhuǎn)化數(shù)字量，并輸入到DSP內(nèi)進(jìn)行小波變換，處理后得到的結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。

1.1加速度傳感器選取

在錨桿無損檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)采集裝置采用加速度傳感器，其中，IEPE加速度傳感器與其他加速度傳感器相比，具有優(yōu)秀的抗噪聲性、易封裝性和可遠(yuǎn)距離測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)且性價(jià)比較高。被廣泛應(yīng)用在加速度檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)或聲音檢測(cè)中。所以本文采用IEPE加速度傳感器，其具體參數(shù)如表1所示。

表1　IEPE加速度傳感器參數(shù)

1.1.1恒壓源模塊

為了得到4mA恒定電流，首先需要將5V電壓源升到24V恒壓源。電路中選取MAX5025芯片，MAX5025的固定頻率、脈沖寬度都可以調(diào)節(jié)，而且具有低噪音、輸出電壓高的特點(diǎn)。因此它在升壓、反饋等電路中得到廣泛應(yīng)用。采用MAX5025實(shí)現(xiàn)5 V轉(zhuǎn)24 V的升壓電路，其電路圖如圖1所示，其中有一個(gè)RC濾波電路，其目的用來減少輸出噪聲。并且該電路輸出的電壓值是由外接電阻R1和R2來決定的，一般R2的阻值范圍為5 kΩ～50 kΩ，則R1阻值為

這里由于輸出的是24 V電壓，則VOUT=24，此時(shí)選取R2=8.2k?，

圖1　升壓電路

1.1.2恒流源模塊

LM334是三端可調(diào)恒流源器件，用它設(shè)計(jì)恒流源電路，外接元器件少，容易制作并且精度高，穩(wěn)定性好。LM334工作時(shí)，只需要保證輸出端的電阻是一定的，那么輸出的電流也就是恒定的，進(jìn)而達(dá)到恒流輸出的效果，輸出電流的公式為：

式中，VREF=0.134V。

R2=10R

這里要求輸出4 mA的電流，那么根據(jù)上式可以求出電阻R3=32?、R5=320?。LM334構(gòu)成的恒流源電路如圖2所示。

圖2　恒流源電路

2　DSP數(shù)字信號(hào)處理器的選擇

該系統(tǒng)選擇的是TI公司的一款浮點(diǎn)DSP控制器TMS320F28335。它的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等。

TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和 EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出（HRPWM），12位16通道ADC。

3　信號(hào)調(diào)理電路

在傳送到DSP之前，需要對(duì)這些信號(hào)一些調(diào)理和處理，例如對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離、放大等，以便于后期處理。這樣干擾信號(hào)不僅得到減弱，更有利于數(shù)據(jù)采集，從而使檢測(cè)到的信號(hào)更加準(zhǔn)確。

由于IEPE加速度傳感器采集的信號(hào)中有8 V～12 V的直流偏置電壓，所以在對(duì)信號(hào)放大前必須將直流信號(hào)濾除掉，這里就需要一個(gè)交流耦合電路來隔直通交，其中最簡(jiǎn)單的就是RC高通濾波器。

4　結(jié)束語

隨著錨桿支護(hù)在煤礦巷道中的廣泛應(yīng)用，錨桿支護(hù)施工質(zhì)量引起的垮巷冒頂事故時(shí)常發(fā)生，因此，錨桿錨固工程質(zhì)量無損、動(dòng)態(tài)檢測(cè)理論和技術(shù)研究已成為采礦工程界亟待解決的問題。本文應(yīng)用應(yīng)力波反射法實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿的無損探傷，應(yīng)用DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

［1］郭鳳卿，張昌鎖. 錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)及研究進(jìn)展［J］. 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，S1：14-17

［2］吳石增，黃鴻. 傳感器與測(cè)控技術(shù)［M］. 北京：中國(guó)電力出版社，2003

［3］MAX5025 Datasheet. Maxim Corporation， 2001.12