一種新型錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀

張 佩，李太全，涂雅蒙，葉 輝，周 超

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州434020；2.武漢市工程科學(xué)技術(shù)研究院，湖北 武漢430000)

0 引言

錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀多采用超聲應(yīng)力波法，實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿長(zhǎng)度、灌漿密實(shí)度的無損檢測(cè)，在巖土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)的研究工作最早始于1978年，瑞典的Thurner H.F.[1]提出用測(cè)超聲波能量損耗的原理來檢測(cè)錨桿系統(tǒng)的灌注質(zhì)量。隨后，GendynamikAB公司于1980年推出了Boltometer Version錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀[2]。20世紀(jì)80年代初，英國(guó)Aberdeen大學(xué)的Rodger[3]博士展開了錨桿無損檢測(cè)相關(guān)的研究，并開發(fā)出錨固質(zhì)量無損檢測(cè)系統(tǒng)GRANIT?；茨系V業(yè)學(xué)院的王鶴齡、汪明武[4-6]教授等對(duì)MT-1型錨桿檢測(cè)儀進(jìn)行二次開發(fā)，研制出了新型錨桿檢測(cè)儀。2000年以來，我國(guó)眾多高校、科研院所和地質(zhì)勘探機(jī)構(gòu)對(duì)錨桿錨固檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究[7-8]，涌現(xiàn)出一批性能優(yōu)異的錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀。然而，這些儀器大多價(jià)格昂貴，相對(duì)體積較大，不利于攜帶。

基于此，研制了一種新型錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀，改變以往采用電纜傳輸數(shù)據(jù)的方式，采用藍(lán)牙方式與手機(jī)(或者電腦)連接，簡(jiǎn)化了儀器的復(fù)雜程度，具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)效果良好、成本低廉和便于攜帶等特點(diǎn)。

1 錨桿錨固檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)

新型錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了簡(jiǎn)化儀器的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)儀的應(yīng)力波激勵(lì)使用錘擊方式，所以總體結(jié)構(gòu)中沒有考慮激勵(lì)源。

圖1 錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)

該儀器分為2部分：① 上位機(jī)，由手機(jī)或者筆記本電腦承擔(dān)，負(fù)責(zé)操作命令的發(fā)布和數(shù)據(jù)處理；② 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該部分以藍(lán)牙方式與上位機(jī)通信，由單片機(jī)模塊MCU解釋并執(zhí)行上位機(jī)的命令。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，按照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 182-2009《錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，將系統(tǒng)的頻率范圍設(shè)定為100 Hz～100 kHz，最高采樣率設(shè)計(jì)為2 Msps，分辨率為16 bits，信號(hào)調(diào)理電路的增益為28～70 dB可編程調(diào)節(jié)。其中信號(hào)調(diào)理電路由運(yùn)算放大器OPA350、PGA112和ADA4941-1組成，具體電路如圖2所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇了ADS1606，MCU采用STM32F407，藍(lán)牙模塊采用了TI的CC2564MODA。

儀器傳感器采用壓電式加速度傳感器，所以，在圖2的信號(hào)調(diào)理電路中，第一級(jí)放大器為電荷放大器，由低噪聲運(yùn)算放大器OPA350組成，放大器增益設(shè)計(jì)為6倍；中間級(jí)PGA112為可編程增益放大器，完成電路的增益調(diào)節(jié)；末級(jí)放大器ADA494-1為單端轉(zhuǎn)差分電路，增益設(shè)計(jì)為4倍，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1606的驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.1 前置放大器的優(yōu)化

為了檢測(cè)到微弱的回波，信號(hào)調(diào)理電路的噪聲特性至關(guān)重要，而電路噪聲特性主要取決于前置放大器的噪聲特性。錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀的震動(dòng)傳感器采用壓電加速度傳感[9]，所以，前置放大器為電荷放大器。電荷放大器的簡(jiǎn)化模型[10]如圖3所示。

由圖3可知，放大器的輸出噪聲譜密度為:

(1)

式中，A=1+R3/R1。

在100 Hz～100 kHz頻帶內(nèi)，|ZCa|=1.592 MΩ～1.592 kΩ，考慮OPA350的輸入電阻達(dá)到1013Ω，可取R2=100 MΩ，有R2>>|ZCa|；而

式(1)近似為：

(2)

由式(2)可知，在考慮OPA350驅(qū)動(dòng)能力的情況下，降低R1、R3的阻值有利于減小放大器的輸出噪聲，所以，電路設(shè)計(jì)中選取了R1=200 Ω、R3=1 kΩ，此時(shí)，前置放大器的輸出噪聲約為13.3 μV。

圖3 電荷放大器的簡(jiǎn)化模型

2.2 ADS1606與STM32F407的接口設(shè)計(jì)

ADS1606的采樣速率高達(dá)5 Msps(雙倍采樣模式下高達(dá)10 Msps)，其采樣率與時(shí)鐘頻率的關(guān)系為f=fCLK/8，其中，fCLK為ADS1606的輸入時(shí)鐘頻率，圍繞ADS1606的電路設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[13]中有詳細(xì)的描述。在此主要說明ADS1606與STM32F407的接口設(shè)計(jì)。

ADS1606與STM32F407的接口設(shè)計(jì)如圖4所示。ADS1606的時(shí)鐘由STM32F407的定時(shí)器TIM4產(chǎn)生，為了方便產(chǎn)生2 Msps、1 Msps、500 ksps和250 ksps的采樣率系列，將STM32F407的系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)為160 MHz，通過設(shè)置TIM4的ARR和CC，可在TIM4的CH4輸出16、8、4和2 MHz的方波以實(shí)現(xiàn)上述的采樣率。

ADS1606的數(shù)據(jù)輸出與STM32F407的FSMC連接，選擇了Bank1的SRAM2與ADS1606的數(shù)據(jù)口連接，所以ADS1606的nCS與STM32F407的FSMC_NE2連接，端口地址為0x64000000。ADS1606內(nèi)含一深度可調(diào)的FIFO，其深度由FIFO_LEV設(shè)定[14]，設(shè)定FIFO_LEV=100B，深度為8。這樣每8次采樣產(chǎn)生一個(gè)nDRDY信號(hào)，在STM32F407收到nDRDY后，一次讀取8個(gè)數(shù)據(jù)，較大地節(jié)省了數(shù)據(jù)讀取時(shí)間。

圖4 ADS1606與STM32F407的接口電路

2.3 數(shù)據(jù)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)是保證有效數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，雖然可以根據(jù)ADS1606的采集數(shù)據(jù)確定觸發(fā)，但將每個(gè)采集數(shù)據(jù)與觸發(fā)電平比較會(huì)消耗不少的CPU時(shí)間，所以，觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)選用了STM32F407片內(nèi)ADC的模擬看門狗來完成。設(shè)置ADC模擬看門狗的高門限寄存器ADC_HTR和低門限寄存器ADC_LTR，當(dāng)ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)高于ADC_HTR或低于ADC_LTR時(shí)，產(chǎn)生AWD中斷。在ADS1606進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，從信號(hào)調(diào)理電路同時(shí)輸出一路信號(hào)到STM32F407的ADC，在收到AWD中斷時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀的工作采用的是命令—應(yīng)答工作模式，上位機(jī)發(fā)出操作命令，數(shù)據(jù)采集模塊完成命令后回傳響應(yīng)消息，上位機(jī)根據(jù)接收的消息，發(fā)布新的命令。具體工作流程如下：

① 儀器上電后，與上位機(jī)建立藍(lán)牙連接；

② 上位機(jī)發(fā)布工作參數(shù)，包括：采樣率、采樣長(zhǎng)度、觸發(fā)電平和放大器增益等；

③ 上位機(jī)發(fā)布采集命令，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并將采集數(shù)據(jù)存入環(huán)形存儲(chǔ)器；同時(shí)，觸發(fā)電路啟動(dòng)，偵測(cè)觸發(fā)信號(hào)；

④ 當(dāng)觸發(fā)電路偵測(cè)到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，設(shè)定采集數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，繼續(xù)數(shù)據(jù)采集；

⑤ 當(dāng)數(shù)據(jù)采集達(dá)到終止點(diǎn)時(shí)，停止數(shù)據(jù)采集，并向上位機(jī)發(fā)布數(shù)據(jù)采集完成的消息；

⑥ 上位機(jī)收到數(shù)據(jù)采集完成的消息后，發(fā)布數(shù)據(jù)傳輸命令，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送；

⑦ 數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，上位顯示采集結(jié)果，確認(rèn)有效后可保存文件并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作，分別開發(fā)了基于Windows和Android的測(cè)試控制軟件，Windows下的測(cè)控界面如圖5所示，圖中標(biāo)注的是實(shí)驗(yàn)室中對(duì)1 m長(zhǎng)鋼筋的測(cè)試結(jié)果，左側(cè)標(biāo)注線為起始波峰點(diǎn)，時(shí)間為0.115 ms，右側(cè)標(biāo)注線為低端回波波峰點(diǎn)，時(shí)間為0.495 ms，設(shè)鋼筋中的聲速為5 300 m/s，得到鋼筋長(zhǎng)度為1.007 m。

圖5 Windows測(cè)控界面

儀器的噪聲性能決定了其微弱信號(hào)提取能力，為此對(duì)儀器噪聲性能進(jìn)行了測(cè)試。將前置放大器的輸入端交流短路，程控放大器的增益設(shè)定分別為1、2、4、8、16、32、64，ADS1606以1 Msps自由采樣，采樣數(shù)據(jù)即為系統(tǒng)的噪聲輸出。程控放大器的增益設(shè)定為1(信號(hào)調(diào)理電路總增益為28 dB)時(shí)的采樣輸出如圖6所示，噪聲電壓為0.738 mV，折算到輸入端約為30 μV。提高程控放大器的增益，等效輸入噪聲小于30 μV，在程控放大器增益設(shè)定為64時(shí)，其等效輸入噪聲約為13 μV。

圖6 噪聲性能測(cè)試

與武漢中巖科技錨桿無損檢測(cè)儀RSM-RBT比較，該儀器采樣率為5 ksps～1 Msps、系統(tǒng)噪聲小于30 μV，新型錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀性能指標(biāo)與其相當(dāng)。

5 結(jié)束語

新型錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)組合、通過藍(lán)牙連接的方式實(shí)現(xiàn)，較大地降低了儀器成本，并增強(qiáng)了儀器的便攜性。儀器的采樣率2 Msps、1 Msps、500 ksps、250 ksps可編程調(diào)節(jié)，分辨率為16 bits，系統(tǒng)噪聲小于50 μV。由于前置放大器的輸入阻抗很高，易受到外界電磁干擾，特別是50 Hz的工頻干擾，所以傳感器與儀器間的饋線應(yīng)盡可能地縮短，也可以考慮將電荷放大器前移至傳感器處或采用壓電集成電路(IEPE)[15-16]有源加速度傳感器。

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