基本信息
- 项目名称：
- 锚杆锚固质量检测仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 针对目前国内桩基和锚杆质量检测仪的不足，本文采用CPLD+DSP+ ARM硬件平台，对声频应力波信号进行24位/1M的浮点采集，并应用小波变换和Hilbert变换对声频应力波信号实时处理，提取声频应力波的瞬时信息，实现快速、准确的无损检测，提高现场测量的准确性和效率。通过对高速公路上的锚杆质量进行检测,验证了该仪器性能。
- 详细介绍：
- 一.本作品设计、发明的目的： 在应用声频应力波反射法对锚杆质量进行检测评定时, 经常会出现错判和漏判的现象。其主要原因在于：（1）锚杆地质条件的复杂性和噪音的影响, 使得携带在测试曲线中的应力波反射信息是以混合复杂的形式存在[1][2]。（2）传统的检测方法需要凭借专家经验才能对结果做出判断,对同一测量,由于人为因素的影响，不同人员做出的判断往往不尽相同。因此，一种能自动识别锚杆缺陷位置和尺寸的检测仪器显得非常重要。为解决上述问题，我们进行了本课题的研究与本产品的设计。 二.本作品基本思路： 本作品采用CPLD+DSP+ ARM硬件平台，对声频应力波信号进行24位/1M的浮点采集，并应用基于FFT变换、小波变换和Hilbert变换的智能检测模型对声频应力波信号实时处理，提取声频应力波的瞬时信息，实现快速、准确的无损检测，提高现场测量的准确性和效率。 1.硬件结构 声频应力波实时检测分析仪由信号发射、信号采集、信号处理三个模块组成。信号发射模块由超磁发射探头和超磁发射控制电路两部分组成。超磁发射探头使电信号转换为声波信号。超磁发射控制电路接受来自ARM系统的COM1口命令，控制探头的电压和保证同步触发。 信号采集模块针对二次反射波信号很弱的特点，本设计基于浮点放大技术进行声频应力波信号的采集，既保证了数据采集系统的动态测量范围，又兼顾到系统的采集精度和速度。带浮点放大器的两级并行A/D转换器由CPLD 控制，系统在小信号输入时放大较高的倍数, 以增加A/D 转换的有效位数。双端口RAM作为A/D 转换与DSP 之间的桥梁, 为高速数据传输提供了有力的硬件支持。 信号处理模块由DSP（TMS320VC5509A）系统和ARM（S3C2440）系统组成。DSP系统负责从双口RAM读取数据，并对数据进行小波变换、Hilbert变处理，然后将原始数据和处理结果通过HPI口送到ARM系统；ARM系统对接收到的数据进行显示、保存，并提供人机接口让操作人员对测量结果进行即时分析。另外，ARM系统还集成了Ethernet、USB、SD卡、COM口和外设进行数据交换。 2.信号处理方法 锚杆锚固智能检测模型先通过标准样本进行学习，确定适合测量环境和测量仪器的信号处理模型，然后采用该模型提取并自动识别基桩的缺陷反射波和底部反射波到达的时刻。模型的核心是算法训练和智能测量两大模块。算法训练通过统计分析样本信号在各种测量模型参数下的测量结果，选取最佳的测量模型参数 。智能测量模块的最终目的是识别被测桩基桩缺陷的异常位置和尺寸。结合FFT、小波变换、hilbert变换的特点，本模块对检测信号进行处理。整个处理流程包括信号的去噪和缺陷异常位置及长度信息的提取两大步。 三.创新点： 1.实现了即测即分析，现场出结果。 2.自动评判，无须依赖于专家的分析。 四.技术关键： 1.CPLD+DSP+ARM硬件平台的搭建 2.法训练的统计归纳算法的实现 3.于FFT、小波变换、hilbert变换的智能数据处理算法 通过对高速公路上的锚杆质量进行检测,验证了该仪器性能。试验结果表明：该仪器平均长度测量误差和平均缺陷定位误差分别为2.5%，2.3%，大大低于常规检测仪器的7.5%和4.2%,且测量结果不受人为因素的影响。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品设计、发明的目的： 在应用声频应力波反射法对锚杆质量进行检测评定时, 经常会出现错判和漏判的现象。其主要原因在于：（1）锚杆地质条件的复杂性和噪音的影响, 使得携带在测试曲线中的应力波反射信息是以混合复杂的形式存在.（2）传统的检测方法需要凭借专家经验才能对结果做出判断,对同一测量,由于人为因素的影响，不同人员做出的判断往往不尽相同。因此，一种能自动识别锚杆缺陷位置和尺寸的检测仪器显得非常重要。为解决上述问题，我们进行了本课题的研究与本产品的设计。 本作品基本思路： 本作品采用CPLD+DSP+ ARM硬件平台，对声频应力波信号进行24位/1M的浮点采集，并应用基于FFT变换、小波变换和Hilbert变换的智能检测模型对声频应力波信号实时处理，提取声频应力波的瞬时信息，实现快速、准确的无损检测，提高现场测量的准确性和效率。 创新点： 1.实现了即测即分析，现场出结果。 2.自动评判，无须依赖于专家的分析。 技术关键： 1.CPLD+DSP+ARM硬件平台的搭建 2.算法训练的统计归纳算法的实现 3.基于FFT、小波变换、hilbert变换的智能数据处理算法
科学性、先进性
- 在应用声频应力波反射法对锚杆质量进行检测评定时, 由于受多种环境噪声的影响，使得测试曲线中的发射信息严重畸变，甚至被淹没 ，导致传统的依靠专业解释人员的经验进行缺陷判别的方法不能奏效。针对此问题，国外有学者提出利用包含复杂参数的锚杆动态模型产生一个基于神经网络的训练数据集，然后利用该集合对真实的测量数据做出诊断。但由于其算法复杂导致计算量非常大，对处理平台的要求高，不容易实现实时分析。 在前人研究工作的基础上，根据张良均等人提出了将小波变换的处理思想，本团队提出了一种新的锚杆质量智能模型（FWH）,并将该模型集成到了基于CPLD+DSP+ ARM硬件平台中。理论分析和实践结果充分表明在信噪比较低的情况下，利用该仪器可以直观地识别声频应力波信号的相位突变点，从而准确确定被测物体的缺陷异常点或反射波到达的时刻，进而实现对被测物体的缺陷位置或长度进行检测，整个测量过程不需要人为地输入参数，可有效地避免了人为因素的影响，从而实现实时自动评判。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 生产应用阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，现场演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点及优势： 1.自适应去噪； 2.即测即分析，直接给出质量结果； 3.自动评判，避免由人为因素引起的误差； 适应范围： 本产品适用于建筑、水利水电、交通、矿山等各类建设工程的锚杆质量无损检测。 市场分析： 弥补了现有锚杆质量检测仪器的不足，具有较广阔的市场前景。目前已经与国内多家工程质量检测中心合作，如为葛洲坝集团工程质量检测中心，浙江浙交检测有限公司等机构提供服务。并且效果非常好，到了中科院专家的认可，目前正处于生产推广阶段。
同类课题研究水平概述
- 目前声频应力波反射法广泛应用于锚杆质量检测中。该方法基于一维杆件的弹性振动理论, 将被测锚杆看作一维线性弹性杆，当杆顶受到激励后产生应力波,应力波沿桩身传播过程中遇到不连续界面(如: 缩径、夹泥、孔洞、离析等) 和杆底面时产生反射波, 通过检测和分析反射波的走时、幅值和相位特征, 可以判断锚杆的长度及完整性。但是在运用该理论对锚杆进行工程检测评定时, 经常会出现错判和漏判的现象。其主要原因为现场获得的波形数据质量不高。目前国内工程领域使用的仪器大都不具备实时分析的功能，现场工作人员只能凭肉眼观察来判别采集波形的质量，检测质量受人为因素的影响较大。 针对此问题，国外有学者提出利用包含复杂参数的锚杆动态模型产生一个基于神经网络的训练数据集，然后利用该集合对真实的测量数据做出诊断。但由于其算法复杂导致计算量非常大，对处理平台的要求高，不容易实现实时分析；张良均等人提出了将小波变换的处理方法 ，主要进行两类问题的处理：（1）采用离散小波变换把应力波分解成多个频段成分信号,损伤信息由于集中占据一个或几个频段而得以凸现,这样使损伤分辨率得以提高。该类方法在小波变换分解层数的确定上存在随机性,且小波优秀的时频分析能力也没有得到充分发挥；（2）先利用小波分析去噪，再在时域上观察反射波突变的特征和时域定位。但由于小波函数具有不唯一性，采用不同的小波基分析同一个问题会产生不同的结果。另外，即使是对于同样的小波基函数，不同的分解层数以及有用信号频段的取舍也直接影响小波去噪的效果。因此，简单地选取某一种小波去噪模型对基桩反射波信号进行处理是不合适的。王军民等人通过实践验证了通过寻找瞬时相位突变点的方法实现缺陷定位和长度测量的有效性。
