基于應力波法的錨桿長度無損檢測系統(tǒng)設計與應用

楊登九

（山西潞安集團蒲縣黑龍關煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041204）

引言

隨著煤炭資源需求量的不斷增加，巷道掘進工作量越來越大，錨桿錨索使用量也不斷攀升[1]。相關研究顯示，當前我國巷道支護使用的錨桿數量每年就高達千萬根以上，其錨固質量是否可靠，不僅關系著井下作業(yè)人員安全，還與煤炭企業(yè)的經濟效益息息相關，因此，錨桿檢測至關重要[2-3]。無損檢測技術的興起，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用，其具有快速、準確、安全等優(yōu)點，倍受青睞[4]。近些年來在無損檢測技術上快速發(fā)展并應用的應力波法，在錨桿長度檢測過程中具有很好的應用前景，而且需要配套控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)無損檢測的目的。因此針對目前應力波法缺乏無損檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設計開發(fā)一套無損檢測系統(tǒng)，對于提高錨桿長度無損檢測效率和準確度具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案

根據應力波法檢測系統(tǒng)的需求，完成了無損檢測系統(tǒng)總體方案的設計，如圖1所示。由圖1可以看出，系統(tǒng)主要由主控部分、應力波采集部分、數據處理分析部分、電源等組成。主控部分完成各個子部分協(xié)調控制，實現(xiàn)應力波采集、傳輸和處理功能；電源主要工作是為芯片和模塊提供工作電源；應力波采集模塊用于驅動加速度傳感器，完成信號的采集、處理和數模轉換等工作；數據處理和傳輸部分主要負責加速度信號的處理和實時傳輸，確保主控部分獲取準確的加速度信號，同時，將準確的信號傳輸至上位機實時顯示；上位機對應力波信號進行處理與顯示，并且對數據進行歸檔存儲。

圖1 檢測系統(tǒng)總體方案

2 硬件設計

2.1 FPGA模塊

檢測系統(tǒng)中的核心芯片采用了型號為EP2C8Q208C8的FPGA，其具有135個最高頻率達175 MHz的管腳、具備8 256個邏輯單元以及36 kB容量的9 bit的RAM。相關數據顯示，F(xiàn)PGA處理器主要支持并行處理運算，配置的IP核供不同用戶使用，時間控制和數據運算功能極強。FPGA芯片使用時，先接收A/D模塊的時間與對應的數據，同時具備與A/D模塊之間的數據收發(fā)和控制功能。

2.2 DSP模塊

系統(tǒng)中的DSP模塊的作用主要是接收和處理FPGA芯片接收的應力波數據，能夠處理的應力波數據需要經過EMIF處理，完成數據收集與預處理。DSP模塊采用自己的電源單獨供電，配置晶振電路采集時鐘基準。歷史數據的存儲采用SDRAM芯片完成，配合FLASH電路使用，避免掉電之后數據丟失。處理完成之后的應力波數據，經EMIF接口傳輸至FPGA芯片。系統(tǒng)DSP處理器的型號為TMS320V5509A，最突出的性能是低功耗，最高處理頻率高達200 MHz，具有極強的數據計算能力，滿足應力波數據處理的要求。DSP模塊原理框圖如下頁圖2所示。

2.3 傳感器選型

傳感器作為無損檢測系統(tǒng)功能得以實現(xiàn)的重要組件，其選型工作至關重要。此處選擇了型號為LC01-53T的傳感器，生產于朗斯公司，由壓電元件和結構件兩部分組成，內部集成有微型運放和加速度傳感器，使用時外接電路極為簡單，以此保證了數據采集的準確度。

圖2 DSP模塊原理框圖

與此同時，該傳感器共用自己的信號線和供電線，降低了傳感器工作過程中強電干擾弱電的強度，也大大提高了傳感器的抗噪聲能力和數據采集的穩(wěn)定性。傳感器工作原理如圖3所示。

圖3 傳感器工作原理

3 軟件設計

3.1 主程序設計

根據無損檢測系統(tǒng)功能要求及硬件結構，完成了系統(tǒng)軟件主程序設計工作，如圖4所示。由圖4可以看出，系統(tǒng)啟動之后首先完成各個模塊系統(tǒng)的初始化，使能狀態(tài)時，ARM會釋放FPGA的復位引腳，同時啟動A/D數模轉換模塊進行數據的采集，轉換之后存入FIFO1當中；之后系統(tǒng)自動判斷存入FIFO1當中的數據深度是否達到設定數值N，若已經達到設定數值N便開始讀出數據，否則一直等待存入數據；系統(tǒng)工作時還會實時存儲FIFO1接收數據的幅值，當幅值數值達到了預觸發(fā)設定值Y時，F(xiàn)IFO2開始存入FIFO1數據，此時存入FIFO2的數據就是觸發(fā)點之前的第N個數據；之后判斷存入FIFO2的數據深度是否達到預設值M，當存入的數據達到了預設值M時，F(xiàn)IFO2開始讀出數據，并通過中斷通知DSP由EMIF接口接收數據并存儲在SDRAM中；接收完數據之后，由DSP芯片開展應力波數據的運算處理，數據處理完成通知FPGA芯片啟動DSP與ARM芯片的數據接口，經FIFO3完成數據傳輸；最后系統(tǒng)判斷數據是否傳輸結束，數據傳輸完成ARM將會復位FPGA芯片，將數據存儲并顯示，至此完成一次完整的應力波數據采集流程。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 ADS8422芯片驅動

檢測系統(tǒng)中的ADS8422芯片主要承擔著加速度傳感器采集信號的數模轉換任務，工作時由FPGA芯片進行驅動時序控制，之后將轉換后的數據存入FPGA預觸發(fā)模塊。ADS8422芯片作業(yè)流程如圖5所示。由圖5可以看出，ADS8422芯片驅動工作的出發(fā)點是進行時序控制與數據輸出。初始化引腳配置，確定A/D模塊的數據轉換模式和轉換方式；設置滿足DATASHEET要求的CSN、RDN、CONVSTN信號，之后啟動A/D模塊進行數據轉換，最后輸出轉換完成的數據。

圖5 ADS8422芯片驅動流程

3.3 DSP軟件

DSP模塊作為無損檢測系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著應力波數據A/D采集數據的預處理，負責數據的接收和發(fā)送、數字濾波器設計、內部驅動的設計與實現(xiàn)等。為了濾除應力波信號中的高頻噪聲，應用了數字濾波器，增強信噪比，避免信號失真。DSP模塊工作流程如下頁圖6所示。

由圖6可以看出，DSP模塊啟動之后首先初始化內部驅動、外部硬件和接口，之后進行內部軟件數據和變量的初始化，完成初始化工作之后，DSP處于等待狀態(tài)，沒有外部觸發(fā)和內部指令時工作在低功耗模式，一旦接收到FPGA芯片接收數據的指令時，DSP即刻進入中斷模式，接收FPGA芯片傳送過來的數據，數據接收完之后，DSP模塊進行FIR低通濾波器運算；數據處理完畢，由FPGA芯片和ARM將其傳輸至ARM，數據傳輸完成，DSP模塊再次進入低功耗模式。

圖6 DSP模塊工作流程

4 應用效果評價

為了驗證基于應力波法的錨桿長度無損檢測系統(tǒng)設計的合理性和可行性，將其在某煤炭掘進巷道進行試驗測試，開展了4組試驗，進行數據統(tǒng)計，結果如表1所示。由表1中的數據可以看出，系統(tǒng)檢測數據較為準確，錨桿原始長度與實測錨桿長度基本一致，計算得出二者之間的誤差均在3%范圍之內。無損檢測系統(tǒng)檢測具有較高的檢查精度，取得了很好的應用效果。

表1 試驗檢測數據統(tǒng)計結果

5 結語

錨桿作為煤炭企業(yè)巷道支護過程中重要的結構件，其質量好壞直接關系著巷道內部人員和設備的安全問題，必須引起高度重視。針對目前應力波法缺乏無損檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設計開發(fā)了一套無損檢測系統(tǒng)。應用結果顯示，無損檢測系統(tǒng)在錨桿長度檢測過程中具有較好的精度，誤差能夠保持在3%范圍之內，滿足錨桿長度質量檢測的要求，對錨桿錨固檢測效果提升具有重要的促進作用。