基于ARM的锚杆无损检测仪设计

李家宇 孙利华 孙洪伟 侯韶栋 肖云轩

石家庄铁道大学



基于ARM的锚杆无损检测仪设计

李家宇 孙利华 孙洪伟 侯韶栋 肖云轩

石家庄铁道大学

锚杆锚固技术在隧道、采掘、高边坡和深基坑等工程支护中得到广泛应用。由于锚杆被固定在岩体中，因此检测锚杆锚固质量以及运行状态是否稳定等一项艰难的工作。传统的检测方法具有破坏性，且开销大的缺点，应力波反射法应用在锚杆锚固质量无损检测上，显示出了良好的效果。同时，ARM大量使用寄存器，指令执行速度更快，具有体积小、低功耗、低成本、高性能的有点。所以利用ARM对采集的数据进行处理，实现了对锚杆的无损检测。

锚杆 ARM 无损检测 小波变换

现阶段锚杆支护是一种普遍采用的支护手段。因此定量评价锚杆锚固质量无论是对支护安全评价还是对锚杆支护设计参数的取值都是非常重要的。

1　锚杆无损检测系统硬件电路的设计

本系统由硬件部分和软件部分共同组成。系统硬件部分由以S3C6410处理器（ARM11）为核心，包含用ICP加速度传感器组成的信号采集电路模块，A/D转换电路模块（数模转换电路），信号调理电路模块，还有用LCD触摸屏做成的显示模块，数据存储模块，可扩展接口模块组成。

系统软件部分，基于WinCE6.0操作系统的平台，用C++进行程序编写，进行锚杆无损检测软件程序设计。应用程序软件由数据存取模块，参数设置模块，数据的实时采集模块，数据处理模块等几个模块组成。整个系统的结构如图1所示。

图1　系统设计框图

1.1ARM微处理器的选择

本设计对比了当前的ARM处理器芯片，经过性能、成本、使用等多方面的考虑，最终选择了由韩国的三星公司设计生产的基于ARM11内核的S3C6410处理器。S3C6410处理器的功能强大，具有非常突出的优点，广泛应用在各类消费电子产品和各种工业控制设备中。

S3C6410设计的出发点就是为用户提供一个具有成本效益、功耗低、性能高的应用处理器。是一个16/32位的RISC处理器，采用 64/32位内部总线，配有多种接口，支持DRAM和Flash ROM接口。

1.2加速度传感器的选取

系统采用IEPE加速度传感器，压电式传感器是利用压电材料的压电特性制作而成。其最大的优点是结构简单，商业时间久，应用广泛。缺点是市场上产品太多，质量参差不齐。

ICP式也叫做IEPE式，就是在压电式的基础上，整合了一个内部集成放大器制作而成。其优点是结构优化、可远距离测量，直接连接示波器使用。

1.3信号调理电路设计

感器采集到的信号一般都不能满足采集器的信号范围要求，所以不能直接将信号与采集器相连，必须在信号进入采集器之前进行信号调理，将信号调理成满足采集器要求的信号。如图2所示的信号调理电路。

图2　信号调理电路

1.4系统电源设计

整个系统的外围电路采用的是5V直流电源供电，但是S3C6410芯片的内核需要1.2V供电，部分电路需要1.8V和3.3V供电，所以本文利用LM1117-1.8和LM1117-3.3将5V电压转换成1.8V和3.3V。LM1117是一个低压差电压调节器系列，LM1117系列芯片中有可调输出电压的型号，也有几个固定的输出电压的转换型号，比如输出电压为1.8V，2.5V，3.3V，5V等的固定输出电压型号芯片，电路设计结构简单，功能稳定，使用起来非常方便。具体的实现电路如图3，图4所示。

图3　1.8V转换电路

图4　3.3V转换电路

2　系统测试

系统正确连接之后，通电正常启动。需要两个操作人员共同完成信号采集。操作人员甲负责操作软件，打开锚杆无损检测仪的应用程序软件，进入程序后，点击参数设置，将采样速率设置为44.1k/s， 采样点数设置为2048个点，参数设置好之后，点击采集按钮，同时发出指令，进行信号采集。操作人员乙接收到操作人员甲发出的指令，立即用小锤敲击锚杆，敲击的动作要干脆利落，产生一个瞬间激励，发出应力波。信号被锚杆无损采集设备接收到，同时将信号波形显示出来，工作人员甲观察采集信号波形，如果采集的信号质量很差，那么就舍弃本次操作，重复以上操作，直至采集到高质量的信号为止。完成采集操作，将波形显示出来如图5所示。

图5　信号采集测试界面

3　结束语

本文采用应力波反射法理论进行锚杆无损检测。基于ARM嵌入式技术设计了锚杆无损采集仪，该采集系统能够有效的对检测信号进行采集、存储、显示、分析和处理，能够评判锚杆质量的优劣。

［1］ 张昌锁，李义，ZOU Steve. 锚杆锚固体系中的固结波速研究［J］. 岩石力学与工程学报，2009，S2：3604-3608

［2］ 吴石增，黄鸿，传感器与测控技术［M］.北京：中国电力出版社，2003