一種金屬錨桿長度無損測量方法

張法全,　周強(qiáng),　王國富,　葉金才

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 廣西 桂林　541004)

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一種金屬錨桿長度無損測量方法

張法全,周強(qiáng),王國富,葉金才

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 廣西 桂林541004)

針對現(xiàn)有錨桿長度測量方法存在信號耦合復(fù)雜和測量長度受限問題，提出了一種基于半波偶極子天線的金屬錨桿長度無損測量方法。將一根金屬參考線作為半波偶極子天線的一臂，與單根金屬錨桿一起等效為半波偶極子天線；采用HFSS軟件分析了非對稱半波偶極子天線對諧振頻率的影響，提出通過頻率掃描方式來尋找天線諧振頻率；根據(jù)半波偶極子天線諧振時天線長度與信號波長的關(guān)系，由天線諧振頻率和金屬參考線長度求得錨桿長度。實際測試結(jié)果表明，該方法測量長度大于10 m，測量誤差小于5%。

金屬錨桿； 無損測量； 半波偶極子天線

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160429.1118.006.html

0　引言

錨桿支護(hù)作為圍巖的一種加固技術(shù)，已成為煤礦巷道首選的、安全高效的支護(hù)方式。錨桿錨固工程不但具有復(fù)雜性，還具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題難，事故處理更難。錨桿長度檢測是整個錨桿錨固工程中不可缺少的環(huán)節(jié)。提高錨桿長度檢測工作的質(zhì)量和檢測評定結(jié)果的可靠性，有利于確保錨固工作的質(zhì)量與安全[1]。

目前國內(nèi)外錨桿長度檢測方法主要是聲頻應(yīng)力波反射法。該方法基于一維桿件的彈性振動理論，錨桿始端受到激勵后會產(chǎn)生縱向應(yīng)力波，應(yīng)力波沿桿體傳播過程中遇到不連續(xù)的界面和桿底面時產(chǎn)生反射波，通過分析反射波的走時、相位特征和能量衰減變化規(guī)律，可以判斷錨桿長度[2]。該方法主要存在2個問題：① 聲波衰減嚴(yán)重，當(dāng)錨桿較長時，現(xiàn)場獲得的波形數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，經(jīng)常會出現(xiàn)錯判和漏判現(xiàn)象，通常只能有效測量較短的錨桿[3]；② 對錨桿端頭要求苛刻，需要現(xiàn)場將錨桿端頭打磨平整，才能將聲波耦合進(jìn)桿體[4]。

本文提出了一種基于半波偶極子天線的金屬錨桿長度無損測量方法。該方法測量信號為電磁波，信號在傳播過程中衰減小，能夠?qū)崿F(xiàn)無損測量，耦合方便，當(dāng)電磁波頻率為0～100 MHz時，理論上可以測量大于0.75 m的任何錨桿長度。

1　金屬錨桿長度無損測量原理

1.1金屬錨桿與天線等效關(guān)系

半波偶極子天線由2根金屬臂構(gòu)成。將一根金屬參考線作為天線的一臂，與單根金屬錨桿一起等效為半波偶極子天線，如圖1所示，測量信號從饋源進(jìn)入天線，I為天線中的電流。這也表明了金屬錨桿與天線的等效關(guān)系，奠定了采用半波偶極子天線理論來測量金屬錨桿長度的理論基礎(chǔ)[5-6]。

圖1　半波偶極子天線等效示意

1.2半波偶極子天線諧振頻率

根據(jù)基本的傳輸線理論，天線的輸入阻抗一般同時包括實部與虛部。當(dāng)天線的輸入電抗為零時，天線發(fā)生諧振，此時天線輸入端回波損耗與電壓駐波比都為最小。電壓駐波比為[7]

(1)

式中：Umax為波腹點電壓；Umin為波節(jié)點電壓。

將半波偶極子天線作為整個金屬錨桿長度無損測量系統(tǒng)的負(fù)載，金屬錨桿長度和金屬參考線長度固定，因此天線諧振頻率為固定值。本文采用頻率掃描方式來查找天線諧振頻率，以等時間間隔、頻率遞增的方式產(chǎn)生天線激勵信號，檢測天線輸入端每個頻率對應(yīng)的電壓駐波比，最小電壓駐波比對應(yīng)的頻率即為天線的諧振頻率。

1.3金屬錨桿長度測量方法

依據(jù)對稱半波偶極子天線理論(式(2))得出電磁波波長λ與天線總長度lt的關(guān)系：

(2)

通過式(3)可得出金屬錨桿長度l、金屬參考線長度l′與天線總長度lt的關(guān)系：

(3)

將式(2)、式(3)及天線諧振頻率fT代入式(4)，可推導(dǎo)出被測金屬錨桿長度公式(式(5))。

(4)

(5)

式中v為電磁波在金屬錨桿中的傳播速度。

2　不對稱半波偶極子天線對諧振頻率的影響

常用的半波偶極子天線模型由2根直徑和長度相等的直導(dǎo)線組成，每根導(dǎo)線的長度為電磁波波長的1/4，導(dǎo)線的直徑遠(yuǎn)小于工作波長。

由于金屬參考線長度與金屬錨桿長度不一定相等，這樣將構(gòu)成不對稱半波偶極子天線。不對稱半波偶極子天線理論非常復(fù)雜，不利于研究。如果不對稱半波偶極子天線對諧振頻率的影響在誤差范圍以內(nèi)，就可用對稱半波偶極子天線理論代替使用，反之則需要對式(5)進(jìn)行相應(yīng)誤差補(bǔ)償，以提高測量精度。這里采用基于電磁場有限元法的全波三維電磁仿真軟件HFSS來分析不對稱半波偶極子天線對諧振頻率的影響。

2.1HFSS仿真模型參數(shù)設(shè)置

天線仿真參數(shù)設(shè)置見表1。天線總長度固定，通過改變天線長度變化量Δl來改變天線兩臂的長度，Δl范圍為[-1 500，2 000]，步長為500，單位為mm，天線的材質(zhì)為銅。端口激勵方式設(shè)置為集總端口激勵，以矩形平面形式將天線的2個臂連接起來。輻射邊界條件設(shè)置為圓柱體模型，其材質(zhì)為空氣，輻射邊界和天線之間的距離為電磁波波長的1/4。

表1　天線仿真參數(shù)設(shè)置

2.2HFSS仿真波形及數(shù)據(jù)

依據(jù)變量Δl設(shè)置，生成如圖2所示的回波損耗曲線，回波損耗最小值對應(yīng)的頻率點即為天線諧振頻率點。當(dāng)Δl=0時，對應(yīng)的頻率值即為對稱半波偶極子天線的諧振頻率[8]。

圖2　天線回波損耗曲線

變量Δl值、對應(yīng)諧振頻率fT值、不對稱半波偶極子天線相對對稱半波偶極子天線諧振頻率偏移量ΔfT值見表2。

表2　變量Δl值與對應(yīng)諧振頻率值

由表2可知，不對稱半波偶極子天線會影響天線諧振頻率，但影響很小，當(dāng)天線不對稱長度|Δl|<2 m時，|ΔfT|<0.03 MHz。

2.3諧振頻率偏移引入的誤差

根據(jù)式(5)可推導(dǎo)出不對稱半波偶極子天線引入的錨桿長度測量誤差：

(6)

式中fT0為對稱半波偶極子天線的諧振頻率。

由式(2)、式(4)、式(6)可知，被測錨桿越短，諧振頻率fT0越大，錨桿長度測量誤差le越小。為了測量更精確，一般采用算術(shù)平均方式求得測量誤差平均值：

(7)

式中：n為測量次數(shù)；lei為每次測量的錨桿長度誤差。

3　測試及方法驗證

筆者對基于半波偶極子天線的金屬錨桿長度無損測量方法分別進(jìn)行了室外模擬測試和煤礦井下實際測試。室外模擬測試采用銅芯線代替金屬錨桿進(jìn)行測量；煤礦井下實際測試是對φ18 mm，長度分別為3，4，5，6 m的支護(hù)錨桿進(jìn)行測量。最后分析2種測量結(jié)果，以驗證該方法的有效性。

3.1室外模擬測試

首先，用一根長度為l1的金屬參考線和一根已知長度為l2的銅芯線測量電磁波在天線中的實際傳播速度：

(8)

式中fT1為本次測量的天線諧振頻率。

圖3為l1=5 m，l2=5 m時電壓駐波比與頻率關(guān)系曲線。電壓駐波比最小值點對應(yīng)諧振頻率fT1。

圖3　l1=5 m，l2=5 m時電壓駐波比與頻率關(guān)系曲線

根據(jù)式(8)可求出電磁波在天線中的傳播速度v=2.2×108m/s。

其次，用長度為l3=10 m的金屬參考線與被測銅芯線(被測銅芯線實際長度l4=7.5 m)進(jìn)行測量。圖4為測得的電壓駐波比與頻率關(guān)系曲線。

圖4　l3=10 m時電壓駐波比與頻率關(guān)系曲線

表3為7～13 m的銅芯線室外模擬測量數(shù)據(jù)。

表3　室外模擬測量數(shù)據(jù)

3.2煤礦井下實際測試

為進(jìn)一步驗證本文方法的有效性，在右江礦務(wù)局州景煤礦巷道進(jìn)行了實測。試驗巷道為回風(fēng)巷，地質(zhì)為砂質(zhì)泥巖，回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面呈直墻半圓拱形，寬4.2 m，墻高1.3 m，掘進(jìn)斷面積為11.1 m2，巷道埋深350～400 m。

巷道支護(hù)錨桿為φ18 mm左旋無縱筋螺紋鋼，錨桿長度分別為3，4，5，6 m，采用W型鋼護(hù)板與鋼筋網(wǎng)、菱形金屬網(wǎng)護(hù)表，錨桿全部垂直巷道表面安裝。每排錨桿間距為900 mm。頂板每排有7根錨桿，間距為850 mm；每排每幫有2根錨桿，間距為600 mm。

使用已知長度為5 m的支護(hù)錨桿與5 m長銅芯線對電磁波的實際傳播速度v0進(jìn)行校準(zhǔn)，然后分別對長度為3，4，5，6 m的支護(hù)錨桿進(jìn)行多次重復(fù)測量，測量數(shù)據(jù)見表4。

表4　井下實測數(shù)據(jù)

由表3和表4可知，無論是室外模擬測試還是煤礦井下實際測試，基于半波偶極子天線的金屬錨桿長度無損測量方法的相對誤差能夠穩(wěn)定在5%以內(nèi)。當(dāng)應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化時，錨桿周圍介質(zhì)及環(huán)境的變化將體現(xiàn)在電磁波在錨桿中的傳播速度變化上，從而減小因測量環(huán)境變化引起的誤差，便于在工程測量中應(yīng)用。

4　結(jié)語

基于半波偶極子天線的金屬錨桿長度無損測量方法通過添加金屬參考線，將單根金屬錨桿等效為半波偶極子天線，采用對稱半波偶極子天線理論來測量金屬錨桿的長度。實際測試證實該方法能夠?qū)崿F(xiàn)無損測量，測量長度大于10 m，且誤差能夠控制在5%以內(nèi)。下一步將研究如何補(bǔ)償用對稱半波偶極子天線理論代替不對稱半波偶極子天線理論引入的誤差。

[1]康紅普.煤礦預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤礦開采，2011,16(3):25-30.

[2]韋四江，勾攀峰.錨桿預(yù)緊力對錨固體強(qiáng)度強(qiáng)化的模擬實驗研究[J].煤炭學(xué)報，2012，37(12):1987-1993.

[3]張勝利，張昌鎖，王銀濤.錨桿錨固質(zhì)量無損檢測方法分析[J].煤礦安全，2014，45(5):212-215.

[4]石建軍,劉洪濤,馬念杰.高強(qiáng)度金屬錨桿力學(xué)性能試驗研究[J].煤炭工程,2011(3):102-104.

[5]張小波,吳銀成,孫志飛,等.一種礦用錨桿(索)長度無損測量方法[J].工礦自動化,2015,41(1):76-79.

[6]徐釗,房咪咪,周紅偉,等.基于電駐波的錨桿長度無損測量方法[J].工礦自動化,2013，39(9):112-115.

[7]KIM J H,LEE B S,PARK C B,etal.Efficient two dipole antenna alignment in near-field region[J].Microwave and Optical Technology Letters,2015,57(4):933-937.

[8]李明洋.HFSS天線設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

A non-destructive measurement method of metal anchor pole length

ZHANG Faquan,ZHOU Qiang,WANG Guofu,YE Jincai

(School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

For problems of complex signal coupling and limited measuring length existed in non-destructive measurement methods at present, a non-destructive measurement method of metal anchor pole length was proposed based on half wave dipole antenna theory. A half wave dipole antenna is equaled by a metal reference wire as an arm and a single metal anchor pole as the other one. Influence of asymmetric half wave dipole antenna on the antenna resonant frequency is analyzed by HFSS software analyzes, and frequency scanning method is used to find the antenna resonant frequency. The metal anchor pole length is calculated by use of the antenna resonant frequency and the metal reference wire length according to relationship between antenna length and signal wavelength when the half wave dipole antenna resonances. The test results show that measurement length of the method is more than 10 m and measurement error is less than 5%.

metal anchor pole; non-destructive measurement; half wave dipole antenna

1671-251X(2016)05-0024-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.05.006

2015-07-08；

2016-03-14；責(zé)任編輯：李明。

國家自然科學(xué)基金資助項目(613620620)；廣西自然科學(xué)基金資助項目(2013GXNSFAA019327，2013GXNSFFA019004)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃資助項目(GDYCSZ201461)。

張法全(1969-)，男，河南林州人，副教授，博士，主要研究方向為機(jī)器視覺、信號處理與模式識別，E-mail:zhangfq@guet.edu.cn。

TD353

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-04-29 11:18

張法全, 周強(qiáng), 王國富，等.一種金屬錨桿長度無損測量方法[J].工礦自動化，2016,42(5)：24-27.