（计算机应用技术专业论文）基于arm的矿用锚杆测长系统研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 基于a r m 的矿用锚杆测长系统研究 计算机应用技术 王博峰( 签名 龙熙华( 签名 摘要 锚杆是煤矿井下生产使用非常广泛的材料。矿用锚杆是一种安设在岩土层中的受力 杆件，它的一端与工程建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预引力， 用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑物的稳定。锚杆的制作质 量在很大程度上影响到煤矿安全生产。本课题的研究应煤矿生产中锚杆制作质量的检测 问题而产生。研究目标是设计基于a r m 微处理器的检测系统，对矿用锚杆进行长度测 定。 本课题根据超声波在传播过程中遇到异质界面会发生反射的基本原理，设计了基于 a r m 微处理器的矿用锚杆测长系统。 首先，通过超声波特性、超声波应用方法、超声波探头原理，声场，近场、远场， 以及近场长度和超声波探头中压电晶片直径关系等理论的分析，并通过实验考证确定了 超声波用于矿用锚杆测长的可行性。 其次，按照超声波探头的需要，采用光电隔离器6 n 1 3 7 、场效应管驱动芯片i r 2 1 1 0 和功率开关i r f 7 4 0 等元件，根据瞬间高压电脉冲激励超声波探头压电晶片产生超声波 的原理，设计了超声波发射电路。根据超声回波信号的特点，设计了由限幅电路，多级 放大电路、滤波电路、过零检测电路等组成的超声波接收电路。选用a r m 7l p c 2 2 1 0 作为微处理器，完成了相关基本电路模块的设计。完成了以超声波激发程序，中断计数 程序为核心的系统软件设计。 再次，采用电源、示波器，螺纹锚杆，5 m a l 0 ( 频率为5 m ，直径为1 0m m ) 超声波直 探头、超声波发射电路、超声波接收电路、a r m 7l p c 2 2 1 0 微处理器及相关电路模块 搭建实验平台，并通过实验获取到了检测数据。 最后，选用最小二乘法对实验检测数据进行分析，得到了矿用锚杆长度和系统检测 计数值之间的拟合函数，并推导出了系统在进行实际检测时计算锚杆长度的算法。 关键词：锚杆；超声波；a r m 微处理器 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ha b o u td e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h ea r m m i c r o p r o c e s s o rf o rm i n i n ga n c h o rb o l t l e n g t h s p e c i a l t y：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：w a n gb o f e n g i n s t r u c t o r ：l o n gx i h u a a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) m i n i n ga n c h o rb o l ti saw i d e - r a n g em a t e r i a lf o ru n d e r g r o u n dc o a lm i n ep r o d u c t i o n i ti s af o r c ew h i c hi si n s t a l l e di ng e o t e c h n i c a ll a y e r s i t so n ee n di sc o n n e c t e dt ot h ee n g i n e e r i n g b u i l d i n g ，a n dt h e o t h e re n di sa n c h o r e di n g e o t e c h n i c a ll a y e r s ，w h e n i ti s n e c e s s a r y ， p r e g r a v i t yc a nb ei m p o s e dt oi tf o rb e a r i n gs t r u c t u r a ll o a de f f e c t i v e l y ，p r e v e n t i n gs t r u c t u r a l d e f o r m a t i o n ，a sw e l la sm a i n t a i n i n gt h es t a b i l i t yo ft h eb u i l d i n g s m i n i n ga n c h o rb o l t s q u a l i t ya f f e c tt h es a f e t yo fc o a lm i n ep r o d u c t i o nt oal a r g ee x t e n t t h es t u d yo nt h i si s s u ei s p r o d u c e df o rt h ed e t e c t i n gp r o b l e m sa b o u tt h eq u a l i t yo f 血m n ga n c h o rb o l t o u rr e s e a r c h o b j e c t i v ei s t od e s i g nam i n i n ga n c h o rb o l tl e n g t hd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h ea r m m i c r o p r o c e s s o r t h i si s s u ei na c c o r d i n gt o t h eb a s i c p r i n c i p l e st h a tu l t r a s o n i c i nt h ep r o c e s so f d i s s e m i n a t i o nw i l lb er e f l e c t e da th e t e r o i n t e r f a c e ，d e s i g n sam i n i n ga n c h o rb o l tl e n g t h d e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h ea r mm i c r o p r o c e s s o r f i r s t l y ，t h i sp a p e rt h r o u g has e r i e so ft h e o r e t i c a la n a l y s i so fu l t r a s o n i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e a p p l i c a t i o nm e t h o do fu l t r a s o n i c ，u l t r a s o n i cs e n s o r s p r i n c i p l e ，s o u n df i e l d ，n e a rf i e l d ，f a rf i e l d a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e n g t ho fn e a rf i e l da n du l t r a s o n i cp i e z o e l e c t r i cw a f e r d i a m e t e r , i d e n t i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h a th i g h - f r e q u e n c yn a r r o wp u l s e du l t r a s o n i ct ol e n g t h d e t e r m i n a t i o nt om i n i n ga n c h o rb o l t s e c o n d l y ，t h i sp a p e rd e s i g n sau l t r a s o n i ct r a n s m i t i n gc i r c u i ta c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e t h a tt h eu l t r a s o n i ci sp r o d u c e db ya ni n s t a n th i 曲v o l t a g ep u l s ei n c i t i n gu l t r a s o n i cs e n s o r s s p i e z o e l e c t r i cw a f e r ，a n da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f n a r r o wp u l s e du l t r a s o n i cs e n s o r s ， u s i n go fo p t o e l e c t r o n i cc o m p o n e n t ss u c ha si s o l a t o r s6 n 137 ，m o s f e td r i v e ri ci r 21 10 ， p o w e rs w i t c hi r f 7 4 0a n do t h e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i ce c h os i g n a l s ，au l t r a s o n i cr e c e i v e rc i r c u i tw h i c hi sc o m p o s e do ft h el i m i t e rc i r c u i t , m u l t i s t a g ea m p l i f i c a t i o n a n df i l t e r c i r c u i t ，z e r o - c r o s s i n g d e t e c t i o nc i r c u i t ，e t c ，i s d e s i g n e d t h i sp a p e ra l s os e l e c t st h ea r m 7l p c 2 2 10a sm i c r o p r o c e s s o ra n dc o m p l e t e st h e d e s i g no fr e l e v a n tb a s i cc i r c u i t a c h i e v et h ed e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ew h i c ht a k e su l t r a s o n i c i n c i t a t i o np r o g r a ma n di n t e r r u p t i o no fc o u n t i n gp r o g r a ma si t sc o r e t h i r d l y ，t h i sp a p e rb u i l du pae x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc o n s i s t so fp o w e rs o u r c e ， o s c i l l o s c o p e ，5 m 0 10u l t r a s o n i cs e n s o r s ( f r e q u e n c i e sa r e5 m h z ，101 1 1 1 1 1i nd i a m e t e r ) ，u l t r a s o n i c t r a n s m i t i n gc i r c u i t ，u l t r a s o n i cr e c e i v e rc i r c u i t ，m i c r o p r o c e s s o ra r m 7l p c 2 2 10a n dr e l a t e d m o d u l e s i n a d d i t i o n ，i to b t a i n sd e t e c t i n gd a t at h r o u g he x p e r i m e n t f i n a l l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x p e r i m e n t a ld e t e c t i n gd a t ab yt h el e a s ts q u a r em e t h o d ， o b t a i n i n gt h ef i t t i n gf u n c t i o nb e t w e e nt h el e n g t ho fm i n i n ga n c h o rb o l ta n dc o u n t i n gv a l u eo f d e t e c t i n gs y s t e m ，a n dd e d u c i n gt h ec a l c u l a t i o na l g o r i t h mo ft h el e n g t ho fm i n i n gb o l tw h e n t h es y s t e mi sd e t e c t e d k e yw o r d s ：m i n i n g a n c h o rb o l tu l t r a s o n i ca r m 7l p c 2 210 t h e s i s 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表忝了谢意。 橼拼吼巧岁 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 篡= 掰燃： 日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 煤矿的煤巷支护绝大部分采用锚杆支护n 1 。矿用锚杆是一种安设在岩土层中的受力 杆件，它的一端与工程建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预引力， 用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑物的稳定脾1 。由于锚杆支 护具有适应性强、易于安装等特点而得到了广泛的应用。随着矿山开采深度的加大和劳 动生产率要求的提高，锚杆支护的作用也愈来愈显著b 1 。近年来，煤矿生产的安全性问 题越来越突出，相关各职能部门也在做尽可能的努力，以使煤矿安全生产得到保障。锚 杆支护是煤矿安全生产的一项重要工程，而锚杆支护质量h 朝检测是锚杆支护中的一项重 要研究课题。锚杆支护质量检测包括引力测定，长度测定等。本课题的研究应煤矿安全 生产中的锚杆支护质量检测问题而产生，目标是实现对矿用锚杆长度的测定。 基于a r m 的矿用锚杆测长系统利用现代电子技术，计算机技术和自动控制技术而 设计。该系统通过对高频超声波发射的控制、超声回波信号的接收处理并应用软件技术 实现超声波从锚杆一个端面到另一个端面传播时间的测定，依据超声波传播时间计算矿 用锚杆长度。 1 2 相关技术的研究现状及发展趋势 超声波检测技术是工业无损检测中应用最为广泛，研究最为活跃的检测技术之一。 工业超声波检测常用的工作频率为0 5m _ i - i z 一1 0m h z ，较高的频率主要用于细晶材料 和高灵敏度的检测，而较低的频率则常用于衰减较大和粗晶材料的检测。超声波检测技 术可单独使用，也可与其他无损检测技术联合使用，因而在工业生产中占有十分重要 的地位。 1 2 1 超声波测量技术的应用 ( 1 ) 声速测量7 1 声速是描述超声波在介质中传播特性的一个基本物理量。声速测量方法可分为两类： 一类是根据超声波脉冲在被测介质中的传播时间计算声速，一类是利用超声波测厚仪测 量声速。 ( 2 ) 厚度测量哺1 测厚测量的方法很多，相应的仪器也很多。常用的测厚仪就其工作原理可分为：超 声波测厚仪、射线测厚仪、电流法测厚仪和磁性测厚仪等。超声波测厚仪具有测量速度 西安科技大学硕士学位论文 ；i i ；i i i i i i i 暑暑暑暑暑暑| 暑置皇| j 置暑鼍宣暑暑| 暑暑暑暑i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i i i 暑葺暑暑宣宣暑i i i i i i i i i i i 快、精度高、体积小、轻便精巧等优点。使用超声测厚仪进行测量时，容器内积水或结 垢也不影响测量精度，所以在工业生产中大多采用超声波测厚仪。超声波测厚仪从工作 原理上可分为脉冲反射式和共振式两种，现在前者应用地较多。 ( 3 ) 衰减系数测量阳j 测量超声波在材料中衰减是了解和分析材料性能的一种有效手段，材料中的异常组 织、组织状态及其变化、应力水平和晶粒大小等均可通过衰减系数的测量予以判定。定 向发射的超声波束在材料中传播时若遇到缺陷，既发生波的反射又发生波的衰减，如果 采用透射法则可凭借波的衰减程度获得缺陷信号。在超声波探伤中，要准确测定缺陷的 大小，也必须预先测定被检测对象的衰减系数。 ( 4 ) 液位测量n “1 2 1 超声波测量液位的方法与其他液位测量方法相比有它的优点：与激光测距相比，超 声法测量液位的方法比较简单，成本也比较低；与射线法相比，它对人体无害、不需要 防护； 目前常用的超声波测量液位方法可分为液介式和气介式两种。超声波测量液位不仅 能够实现定点和连续的液位测量，而且能够方便地为遥测提供所需的信号。 ( 5 ) 流量测量u 3 1 幻 超声波测定流量，可以采用非接触的测量方法，因此该方法被广泛应用于高温、高 压和防爆等特殊环境下。同时，超声波测定流量受介质物理性质的影响比较小，因此这 种方法具有较强的适应性。 超声波测定流量的方法较多，主要有： 时差法一测量超声脉冲在顺流和逆流液体中传播时间之差。 相差法一测量连续超声波在顺流和逆流液体中传播时，回波信号之间的相位差。 频差法一测量超声脉冲在顺流和逆流液体中传播时，重复频率之差。 超声多普勒法一利用声学多普勒效应测定流体的悬浮离子。 声束位移法一测量流动介质中超声波声束的几何位移。 ( 6 ) 温度测量u 副 超声波测量温度的方法是以超声波在介质中传播速度与介质温度的相关性为基础， 超声波测量温度的方法分为两种： 直接测温法：一般而言，介质的压力、流速、温度等因素都会对超声波在介质中 的传播速度产生影响，但超声波传播速度对介质温度最敏感。用直接测温法时，要求介 质本身为相对温度的敏感介质。这种方法具有响应快、不干扰被测介质中的温度场等特 点。 间接测温法：该方法是使超声波在与被测介质成热平衡状态的第二介质中传播， 即以第二介质为敏感介质的测量方法，如细线温度计、石英温度计等都采用了这种方法。 2 1 绪论 ( 7 ) 引力及压力测量n 6 1 7 1 薄壁材料承受引力或压力时会发生形变。引力及压力会改变超声表面波的传播速 度，同时形变也会改变超声表面波的传播距离。根据超声表面波在薄壁材料承受引力或 压力前后传播时间的差值可以分析薄壁材料承受引力或压力的大小。 ( 8 ) 其他n 町 利用超声波测量硬度、浓度、粘度、密度等。 1 2 2 超声波检测技术发展趋势 超声波检测技术的发展，得益于电子科学、计算机科学、材料科学等基础学科的发 展。由于超声波检测技术广泛应用于产品设计、加工制造、成品检验和在役检测等，并 在这些方面发挥了重要作用。因此，超声波检测技术越来越受到人们的高度重视，各种 超声波检测仪器的研制也成为很多高校、科研院所重要的研究课题。 现在，伴随着各种新材料、复合材料的出现和使用，以及实际生产对检测技术要求 的不断提高，各种超声波检测技术的研究和超声波检测仪器的开发取得了很大进展。利 用人工智能、模式识别、模糊数学、神经网络等方面的知识瞳2 2 3 1 ，不仅可以探测被测对 象内部或表面的各种宏观缺陷，判断其位置、大小和性质，也可以利用回波法对工件进 行扫查，将回波数据存入计算机内，对被测对象的固有属性、功能、状态和缺陷发展趋 势等进行分析和预测，并做出综合性的检测评价。所以开发智能化、模块化、网络化的 超声波检测仪器己成为发展的必然。未来高端的超声波检测仪器应当具有以下特征n9 矧。 ( 1 ) 模块化的超声波检测卡( 含数据采集和数据处理的插卡) 将大量问世，借助于高 运行速度、高存储容量的计算机，超声波检测仪器的检测质量将大大提高。 ( 2 ) 超声波检测结果可以通过图像显示出来。超声波检测仪器开机后具有自检功能， 有友好的用户界面，可以使用菜单选择设定仪器检测参数，超声波检测仪器可与其它计 算机系统进行通讯。 ( 3 ) 未来超声波检测仪器的一个重要进步是它具有对被检测对象缺陷类型自动识别 功能，以及对被检测对象状态进行自动评价的功能。因此，它应该有比较完备的数据库 和专家识别系统。 ( 4 ) 专门的超声波检测专家系统是保证超声波检测仪器数字化、智能化的有力工具， 超声波检测仪器内建有模式识别和自适应学习网络乜，它也是协调检测仪器软、硬件以 及仪器与人友好互动的关键。 综合以上的分析和研究之后，我们不难发现超声波检测是朝智能化的诊断装置方向 发展。这种智能化的诊断装置应该能依靠增加获得被检测材料的信息量，以及经专门的 数学处理提高检测的性能晗钉。因此，准确把握这些发展动态，可以为我国超声波无损检 测人员进行研究和开发提供动力和方向。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 本课题研究内容 ( 1 ) 通过超声波特性、超声波应用方法、超声波探头原理、声场、近场、远场、以 及近场长度和超声波探头中压电晶片直径关系等理论的分析，并通过实验考证确定超声 波用于锚杆测长的可行性，确定系统采用超声波的频率和超声探头的规格。 ( 2 ) 根据所选超声波探头的需要，设计超声波发射电路。 ( 3 ) 根据超声回波信号的特点，设计超声波接收电路。 ( 4 ) 选用a r m 7l p c 2 2 1 0 作为微处理器，完成相关基本电路模块的设计。 ( 5 ) 系统软件设计。 ( 6 ) 通过实验获取检测数据。 ( 7 ) 用数学方法实现对检测数据的分析处理并推导实际检测中矿用锚杆长度的计算 方法。 1 4 论文组织结构 本文共分为六章，各章节的主要内容安排如下： 第一章：绪论。主要描述课题研究的背景和实际意义，介绍超声波检测技术的发展 现状和发展趋势，并确定课题研究工作的主要内容。 第二章：矿用锚杆测长系统总体概述。首先较全面地介绍超声波基础理论和超声波 应用方法，特别介绍本课题研究采用的纵波脉冲反射法。然后在分析超声波探头作用、 原理及各项性能参数的基础上通过实验确定本课题采用的超声波频率及超声波探头型 号。最后分析超声波用于锚杆测长的基本原理，并给出基于a r m 的矿用锚杆测长系统 总体设计方案。 第三章：系统硬件设计。首先分析超声波发射电路的原理，在此基础上给出超声波 窄脉冲发射电路的详细设计过程。其次，详细介绍超声波接收电路的设计。再次简要介 绍系统采用的微处理器a r m 7l p c 2 2 1 0 并给出相关基本电路模块的设计。最后介绍硬 件系统采取的抗干扰措施。 第四章：系统软件设计。首先介绍前后台系统原理。然后详细介绍系统软件的设计， 主要包括系统软件总体设计，超声波激发程序设计，中断计数程序设计。然后简要介绍 a r m 程序开发环境。最后提出软件设计时应该考虑的一些抗干扰措施。 第五章：实验及实验数据处理。首先从理论方面分析影响基于a r m 的矿用锚杆测长 系统实验的主要因素。然后通过分析采用最小二乘法处理实验数据，并介绍实验过程和 用最d x - 乘法处理实验数据的具体过程。最后，给出矿用锚杆长度实际测定的算法。 第六章：结论。对课题研究工作作总结，并对本课题的后续研究工作给出若干建议。 4 2 锚杆测长系统总体方案设计 2 矿用锚杆测长系统总体概述 基于a r m 的矿用锚杆长度测定以现代超声波检测技术为基础，以超声纵波脉冲反 射法为理论依据。下面通过理论分析和可行性证实给出了矿用锚杆测长系统总体设计方 案。 2 1 超声波简介 介质的一切质点是以弹性力互相联系的。某质点在介质内振动，能引起周围质点的 振动。振动在弹性介质内的传播过程称为波。波有电磁波( 电波和光波) 和声波( 或称机械 波) 。声波是一种能在气体、液体、固体中传播的弹性波。声波可分为次声波、可闻声 波、超声波及特超声波嘶3 ，其频率界限如图2 1 所示。 一 h 厂1 1 一 符嚣一 1 0 11 0 2 1 0 31 0 41 0 51 0 61 0 7 1 0 8 ( h z ) 图2 1 声波频翠的界限 人耳所能听到的声波其频率在2 0 h z 2 0 0 0 0 h z 之间。频率低于2 0 h z 的声波称为次 声波。频率高过2 0 0 0 0 h z 而低于1 0 8h z 的声波称为超声波。频率高过1 0 8h z 的声波称 为特超声波。声波的频率越高，其特性越与光学的某些特性( 如反射、折射) 相似。 波峰与波谷之间的距离，即相位相差一周的两个波阵面间的垂直距离称为波长。波 长与频率成反比，与速度成正比，如公式( 2 1 ) 所示： 肛手 ( 2 1 ) 公式( 2 1 ) 中：九一波长；c 一声波传播速度；f 一声波的频率。 2 1 1 超声波 超声波之所以能用于检测，主要是因为它有以下几个特性： ( 1 ) 超声波传播时，在不同介质界面上具有反射的特性。如超声波在传播过程中遇 到底面或缺陷时会有一部分超声波被反射回来。 ( 2 ) 超声波的指向性好。超声波在传播过程中，以很狭窄的波束向介质中辐射。而 且频率越高，方向性越好。采用超声波进行检测易于确定目标位置。 ( 3 ) 超声波的能量大。 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 超声波在介质中传播时，会发生衰减和散射。超声波在固体中传播时衰减小， 探测深度大。 ( 5 ) 频率越高，超声波在介质中的衰减也越大。同时，同一频率的超声波，在不同介 质内的衰减也不同，晶粒越粗大的介质使超声波衰减越快。 综上所述，采用超声波进行检测时应该注意选择适当的频率。 2 1 2 超声波的波型 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播的方向不同，超声波的波型也不同。 超声波从波型方面可分为纵波、横波、表面波和兰姆波啪3 。 ( 1 ) 纵波 质点振动方向和声波传播方向一致的超声波称为纵波乜7 1 ，纵波波型如图2 2 所示。 它能在固体、液体和气体中传播。 质点振卜一兄一 动方向! j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1 纵波传播方向 图2 2 纵波 ( 2 ) 横波 质点振动方向垂直于声波传播方向的超声波称为横波啪1 ，横波波型如图2 3 所示。 横波只能在固体中传播。 辖星+ 椒l 螟臀l _ i 横波传播方向 图2 3 横波 6 2 锚杆测长系统总体方案设计 ( 3 ) 表面波 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的超 声波称为表面波，波型如图2 4 所示。表面波质点振动的轨迹呈椭圆形，质点位移的长 轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向。表面波只在固体的表面传播。 声波传播方向 图2 4 表面波 ( 4 ) 兰姆波 。 兰姆波只产生在厚度大约等于一个波长的薄板内。兰姆波在薄板内沿着薄板的两表 面及薄板中部传播。在薄板的两个表面和薄板中部都有质点的振动，声场遍及整个薄板 厚度。薄板两表面的质点振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹呈椭圆形，长轴和短轴 的比例，取决于材料的性质。兰姆波分为对称型兰姆波及非对称型兰姆波两种。兰姆波 是对称型还是非对称型取决于两表面质点的振动相对薄板中部是否对称。 对称型兰姆波 薄板两表面质点振动的相位相反。在薄板的中部，质点是以纵波的形式振动的，波 型如图2 5 所示。 图2 5 对称型兰姆波 非对称兰姆波 薄板两表面质点振动的相位相同。在薄板的中部，质点是以横波的形式振动的，波 型如图2 6 所示。 7 幻 型薹黛 西安科技大学硕士学位论文 声波传播方向 工) 二：1 二弑 j 歹二1 1 二弑 j 图2 6 非对称兰姆波 2 2 超声波应用方法 高频超声波应用方法分类比较困难，现将几种常用的方法总结如下： 图2 7 高频超声波应用方法分类 应用最广，主要用于超声波探伤及测定材料性质； 可探测焊缝，管道及纵波不易发现的缺陷； 可探测近表面的缺陷： 可探测薄板，薄壁管及复合材料的粘合质量，测量精度较高： 可用于测量厚度及材料性质； 8 埏 ， 2 锚杆测长系统总体方案设计 可探测路轨等与探测面平行的缺陷； 一般用于探测衰减比较大的材料； 2 3 纵波脉冲反射法 纵波脉冲反射法汹1 是当超声纵波波束垂直或倾斜入射到异质界面时，有一部分超 声波被反射回来，依据反射波对反射面进行位置、性状等进行分析的方法。纵波脉冲反 射法可以分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。一次脉冲反射法是以一次底波为依据 对异质反射面进行位置、性状等进行分析的方法。其原理是通过脉冲发生器产生高频电 脉冲，高频电脉冲加在超声探头上激励压电晶片振动，产生超声波，超声波以一定的速 度向材料内部传播，一部分超声波遇到异质界面时反射回来，反射回来的超声波被超声 探头接收时又转换为电脉冲，通过对回波信号的分析可以实现对反射面位置、性状等的 判断。多次脉冲反射法是以多次底波为依据对异质反射面进行位置，性状等进行分析的 方法。较早使用超声脉冲反射进行时间测量的方法见于参考文献 3 0 1 q b ，参考文献 3 0 】 给出了较高精度测量方法的实际应用，为超声波测量电路的设计提供了良好的参照。上 世纪六十年代末，d i c r e c r a f i 在研究材料应力时也使用了超声波时间检测方法，见于参 考文献【3 1 】。 t t 苄 图2 8 一次脉冲反射示意图 ( t 是发射波，b 反射底波) 廿 l bz b 3m ll卜苄 图2 9 多次脉冲反射示意图 ( t 是发射波，b 1 到b 5 分别是第一次到第五次反射底波) 9 西安科技大学硕士学位论文 2 4 超声波探头 超声波的产生和接收是一种能量转换过程，这种转换是通过超声波探头实现的。探 头的作用就是将电能转换为超声能( 产生超声波) 或将超声能转换为电能( 接收超声波) 。 将能量从一种形式转换为另一种形式的器件称为换能器，超声探头是一种电声能量转换 器件，因此超声波探头也称为超声波换能器或电声换能器。 2 4 1 超声波探头的工作原理 ( 1 ) 压电效应口2 嗡1 某些晶体因为受到拉力或压力而产生形变时，在晶体的界面上出现电荷的现象叫正 压电效应。晶体在电场的作用下发生弹性形变的现象叫逆压电效应。正压电效应和逆压 电效应统称为压电效应。能够产生压电效应的材料称为压电材料。由于压电材料多呈非 金属电介质晶体结构，故又称为压电晶体。压电晶体分为单晶体和多晶体。单晶体系各 向异性体，其中有天然形成的单晶材料，如石英( s i 0 2 ) 、电气石等：有人工培养拉制成 的单晶材料，如硫酸锂( l i s 0 4 ) 、碘酸锂( l i l 0 3 ) 、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、酒石酸钾钠( k n t ) 等， 单晶体的接收灵敏度高。多晶体系各向同性体，它是人工烧制成的，多晶材料如钛酸钡 ( b a t i 0 3 ) 、钛酸铅( p b t i 0 3 ) 、锆钛酸铅( p z t ) 、偏铌酸铅( p b n b 2 0 6 ) 等，这些人工烧制的多 晶材料统称压电陶瓷，多晶体的发射灵敏度较高。常用于制作超声探头的主要有石英、 硫酸锂、锆钛酸铅等。 ( 2 ) 超声波的发射和接收 超声波的发射和接收是通过超声波探头实现的，超声波探头的核心元件是薄片状压 电晶体，通常称为压电晶片。超声波发射电路产生的高频电脉冲加在超声波探头压电晶 片上，激励压电晶片发生高频振动并发射出超声波。相反，当超声波传送至超声波探头 而使晶片发生高频振动时，晶片便产生高频电振荡使超声信号转化为电信号，这就是超 声波发射和接收的过程m 3 。可以看出：超声波探头是利用压电晶片的逆压电效应产生超 声波，同时利用压电晶片的正压电效应接收超声波。 2 4 2 压电晶体的主要性能参数 不同压电材料具有不同的性能，这些性能是通过各种参数来描述的。压电晶体的参 数有很多，下面介绍几个主要参数： ( 1 ) 压电应变常数西3 压电应变常数表示单位电压产生形变的大小。若施加一定电压，使厚度变化厶如， 则： 西3 = 厶配( i i 帅( 2 2 ) 1 0 2 锚杆测长系统总体方案设计 压电应变常数反映压电晶体的逆变特性，它关系到压电晶片的发射灵敏度，因而也 称为压电发射系数。d 3 3 大，晶片发射性能好，对晶片施加较低的电压就可以产生较强 的振动，从而获得较强的超声波。 ( 2 ) 压电电压常数踟 压电电压常数表示单位压力产生相对开路电压的大小。若施加的应力为p ，晶片产 生的电压为坼，则： 踟= 坼伊( v 。m n )( 2 3 ) 压电电压常数反映压电晶体的正压电特性，它关系到晶片的接收灵敏度，因此也称 为压电接收系数。g 钻大，晶片接收性能好，接收到微弱的超声波信号就可以产生较高的 电压。 ( 3 ) 机电耦合系数k 从能量观点出发，压电效应是一种电能和机械能相互转化的效应。机械能和电能之 间耦合强弱用机电耦合系数k 表示，定义为： 局= 骂筹 髟= 鬻黼 ( 从逆压电效应考虑) ( 从正压电效应考虑) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 机电耦合系数关系到晶片的转换效率，k 越大，则转换效率越高，晶片的发射灵敏 度和接收灵敏度越高，反之则低。 ( 4 ) 频率常数 由谐振条件可知，当压电晶片的厚度等于该频率下超声波半波长时，压电晶片将产 生谐振( 共振) 。由此得： r = 吾= 万c ( 2 6 ) 即 厂f = i c = 常数 ( 2 7 ) 可见，压电晶片的谐振频率厂与压电晶片的厚度r 的乘积为常数，人们把这个常数 称为频率常数，用m 表示。其单位为m h z m m 或m m $ 。 m = f 吖：i c ( 2 8 ) 由于超声波在不同压电材料中的声速c 不同，因此不同压电材料的频率常数f 也 不同。 ( 5 ) 居里温度瓦 低的一，机械能晚与在一个振动周期内损耗的能量b之比，称：二 械品质因素，用p m 表不。e c 、1 u j 2 锚杆测长系统总体方案设计 对圆形晶片发射的超声场来说，近场长度，可由公式( 2 1 0 ) 算出： z ：芝：堕 ( 2 1 0 ) 4 24 c 其中d 为直探头中圆形晶片的直径，名为超声波在特定介质中的波长，厂为超声波 在特定介质中的频率，c 为超声波在特定介质中传播的速度。 2 5 2 频率的选择 表2 1 不同频率直探头的近场长度( 以钢铁为介质) ( 1 ) 频率越高，晶粒越粗，超声波衰减越快。对于粗晶粒和其他组织不致密的材料 ( 如多孔材料) ，应选用低频率进行检测。对于组织细密的材料，应选用高频率进行检 测。超声波传播距离越大，则声波衰减越快，远距离检测应选用低频率。 ( 2 ) 频率越高，波长越短，分辨率越高。 ( 3 ) 频率越高，声束越狭窄，方向性越好，更能准确定位异质界面的位置。频率越 低，能量越不集中。 ( 4 ) 频率越高，穿透力越差。 ( 5 ) 检测小直径的部位，宜采用高频率超声波，以免脉冲宽度增大，影响检测灵敏 度。 表2 2 各种材料较为合适的超声波检测频率 1 3 西安科技大学硕士学位论文 2 5 3 可行性证实及探头选型 实验描述：选用长度为1 4 0 c m ，直径为2 0 m m 的螺纹钢并把两端打磨平整光滑，选 用5 m 、2 5 m 、1 m ，直径分别为1 0 m m 、8m m 的超声波窄脉冲直探头，选用汕头超声 研究所的c t s 2 6 a 和c t s 4 0 2 0 探伤仪，用普通润滑油和水分别作耦合剂口7 1 。 实验目标：确定超声纵波脉冲反射法测定锚杆长度的可行性，并确定最佳的超声探 头型号。 实验结果及结论：采用5 m 0 1 0 ( 频率为5 m ，直径为1 0m m ) 超声波窄脉冲直探头 时，在c t s 2 6 a 和c t s - 4 0 2 0 探伤仪上可以看到明显的底面回波，所以基于a r m 的矿 用锚杆测长系统采用5 m e l 0 超声波窄脉冲直探头。 2 6 基于a r m 的矿用锚杆测长系统总体方案设计 超声波探头和锚杆外露端头面耦合连接，a r m 微处理器系统控制超声波发射电路 激励探头发射超声波。超声波沿锚杆内部传播到另一端头，由于出现异质界面发生反射， 超声波接收电路把接收到的超声回波信号反馈给a r m 微处理器系统。a r m 微处理器 系统采用定时计数器从超声波发射时刻开始计数，当系统接收到超声回波信号时，a r m 微处理器系统以中断的方式读取计数值，以此计数值作为实际检测中锚杆长度计算的依 据。 由于接收到的超声波信号是波动信号，为确定时间结束点，采用电压比较器，只要 设定合适的比较电位，通过电压比较就可以由超声波信号得到对应的阶跃信号，这个阶 跃信号可以作为时间检测基准。图2 1 1 中，超声回波信号上的横线表示设定的电压比较 值，a 点表示时间检测起始时刻，b 点表示时间检测结束时刻。 在a 点时间检测起始时刻，a r m 微处理器向超声波发射电路发射一个脉冲信号， 超声波探头随即发出超声波。在发射超声波的阶跃信号触发发射电路发射超声波的同一 时刻，定时计数器开始计数。由于超声波探头和锚杆的外露端面耦合连接，所以超声波 沿着锚杆方向传播，当超声波到达锚杆另一个端面，由于介质的变化，在锚杆的另一个 端面上会有一部分超声波被反射回来，即超声回波信号。当超声波探头接收到回波信号 时，即在b 点时间检测时刻，通过电压比较器得到的阶跃信号触发定时计数器停止计 数。这时，定时计数器得到的计数值就对应于a 时刻到b 时刻的时间，也就是从发射 超声波到收到超声回波所需的时间，即超声波在锚杆一个端面到锚杆另一个端面之间往 返一趟所用的时间。 1 4 2 锚杆测长系纨总体方案设计 ab 历乃7 z 矽7 z 砀汐7 = 乃7 乃7 7 硼 臣超声波发射j臣超声波接收l e 己己z l匕 己d 超声波发 1 射脉冲j l _ 士一t 超声波回 波信号 t 时钟脉冲0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -t 计时脉冲 9 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0o o 删 - t 图2 1 1 超声波在锚杆中传播时间测定示意图 本课题关于锚杆长度的实际测定思路是这样的：在实验阶段，我们选用若干长度不 等，但长度已知的锚杆，通过基于删的矿用锚杆测长系统分别对其进行超声波传播 时间计数测定。记锚杆长度分别为x j ，勋，勋，斯，测定到的超声波传播时间计数 值分别记为y ，肋，弦，弦，肋。采用最小二乘法对数据0 ，y 1 ) ，弦) ，弦) ， ( x 4 ，y 4 ) ，胁) 进行数学分析，建立合适的拟合函数。基于a r m 的矿用锚杆测长 系统在工业现场实际检测到的是超声波在锚杆中往返一趟的时间计数值，把实际的时间 计数值代入建立的拟合函数就可以计算出锚杆的实际长度。 基于a r m 的矿用锚杆测长系统总体框图如图2 1 2 所示，硬件系统主要由超声波收 发探头、超声波发射电路、超声波接收电路和a r m 微处理器系统组成。 图2 1 2 基于a r m 的矿用锚杆测长系统总体框图 1 5 西安科技大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章首先较全面地介绍了超声波基础理论和超声波应用方法，特别介绍了本课题研 究采用的纵波脉冲反射法。然后在分析超声波探头作用、原理及各项性能参数的基础上 通过实验考证确定了本课题采用的超声波频率及超声波探头型号。最后分析了超声波用 于锚杆测长的基本原理，并给出了基于a r m 的矿用锚杆测长系统总体设计方案。 1 6 3 系统硬件设计 3 系统硬件设计 基于a r m 的