基于ARM的錨桿無損檢測儀設計

李家宇 孫利華 孫洪偉 侯韶棟 肖云軒

石家莊鐵道大學

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基于ARM的錨桿無損檢測儀設計

李家宇 孫利華 孫洪偉 侯韶棟 肖云軒

石家莊鐵道大學

錨桿錨固技術在隧道、采掘、高邊坡和深基坑等工程支護中得到廣泛應用。由于錨桿被固定在巖體中，因此檢測錨桿錨固質量以及運行狀態是否穩定等一項艱難的工作。傳統的檢測方法具有破壞性，且開銷大的缺點，應力波反射法應用在錨桿錨固質量無損檢測上，顯示出了良好的效果。同時，ARM大量使用寄存器，指令執行速度更快，具有體積小、低功耗、低成本、高性能的有點。所以利用ARM對采集的數據進行處理，實現了對錨桿的無損檢測。

錨桿 ARM 無損檢測 小波變換

現階段錨桿支護是一種普遍采用的支護手段。因此定量評價錨桿錨固質量無論是對支護安全評價還是對錨桿支護設計參數的取值都是非常重要的。

1　錨桿無損檢測系統硬件電路的設計

本系統由硬件部分和軟件部分共同組成。系統硬件部分由以S3C6410處理器（ARM11）為核心，包含用ICP加速度傳感器組成的信號采集電路模塊，A/D轉換電路模塊（數模轉換電路），信號調理電路模塊，還有用LCD觸摸屏做成的顯示模塊，數據存儲模塊，可擴展接口模塊組成。

系統軟件部分，基于WinCE6.0操作系統的平臺，用C++進行程序編寫，進行錨桿無損檢測軟件程序設計。應用程序軟件由數據存取模塊，參數設置模塊，數據的實時采集模塊，數據處理模塊等幾個模塊組成。整個系統的結構如圖1所示。

圖1　系統設計框圖

1.1ARM微處理器的選擇

本設計對比了當前的ARM處理器芯片，經過性能、成本、使用等多方面的考慮，最終選擇了由韓國的三星公司設計生產的基于ARM11內核的S3C6410處理器。S3C6410處理器的功能強大，具有非常突出的優點，廣泛應用在各類消費電子產品和各種工業控制設備中。

S3C6410設計的出發點就是為用戶提供一個具有成本效益、功耗低、性能高的應用處理器。是一個16/32位的RISC處理器，采用 64/32位內部總線，配有多種接口，支持DRAM和Flash ROM接口。

1.2加速度傳感器的選取

系統采用IEPE加速度傳感器，壓電式傳感器是利用壓電材料的壓電特性制作而成。其最大的優點是結構簡單，商業時間久，應用廣泛。缺點是市場上產品太多，質量參差不齊。

ICP式也叫做IEPE式，就是在壓電式的基礎上，整合了一個內部集成放大器制作而成。其優點是結構優化、可遠距離測量，直接連接示波器使用。

1.3信號調理電路設計

感器采集到的信號一般都不能滿足采集器的信號范圍要求，所以不能直接將信號與采集器相連，必須在信號進入采集器之前進行信號調理，將信號調理成滿足采集器要求的信號。如圖2所示的信號調理電路。

圖2　信號調理電路

1.4系統電源設計

整個系統的外圍電路采用的是5V直流電源供電，但是S3C6410芯片的內核需要1.2V供電，部分電路需要1.8V和3.3V供電，所以本文利用LM1117-1.8和LM1117-3.3將5V電壓轉換成1.8V和3.3V。LM1117是一個低壓差電壓調節器系列，LM1117系列芯片中有可調輸出電壓的型號，也有幾個固定的輸出電壓的轉換型號，比如輸出電壓為1.8V，2.5V，3.3V，5V等的固定輸出電壓型號芯片，電路設計結構簡單，功能穩定，使用起來非常方便。具體的實現電路如圖3，圖4所示。

圖3　1.8V轉換電路

圖4　3.3V轉換電路

2　系統測試

系統正確連接之后，通電正常啟動。需要兩個操作人員共同完成信號采集。操作人員甲負責操作軟件，打開錨桿無損檢測儀的應用程序軟件，進入程序后，點擊參數設置，將采樣速率設置為44.1k/s， 采樣點數設置為2048個點，參數設置好之后，點擊采集按鈕，同時發出指令，進行信號采集。操作人員乙接收到操作人員甲發出的指令，立即用小錘敲擊錨桿，敲擊的動作要干脆利落，產生一個瞬間激勵，發出應力波。信號被錨桿無損采集設備接收到，同時將信號波形顯示出來，工作人員甲觀察采集信號波形，如果采集的信號質量很差，那么就舍棄本次操作，重復以上操作，直至采集到高質量的信號為止。完成采集操作，將波形顯示出來如圖5所示。

圖5　信號采集測試界面

3　結束語

本文采用應力波反射法理論進行錨桿無損檢測。基于ARM嵌入式技術設計了錨桿無損采集儀，該采集系統能夠有效的對檢測信號進行采集、存儲、顯示、分析和處理，能夠評判錨桿質量的優劣。

［1］ 張昌鎖，李義，ZOU Steve. 錨桿錨固體系中的固結波速研究［J］. 巖石力學與工程學報，2009，S2：3604-3608

［2］ 吳石增，黃鴻，傳感器與測控技術［M］.北京：中國電力出版社，2003