基于應(yīng)力波法的錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊登九

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍關(guān)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(jìn)工作量越來(lái)越大，錨桿錨索使用量也不斷攀升[1]。相關(guān)研究顯示，當(dāng)前我國(guó)巷道支護(hù)使用的錨桿數(shù)量每年就高達(dá)千萬(wàn)根以上，其錨固質(zhì)量是否可靠，不僅關(guān)系著井下作業(yè)人員安全，還與煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)，因此，錨桿檢測(cè)至關(guān)重要[2-3]。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的興起，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，其具有快速、準(zhǔn)確、安全等優(yōu)點(diǎn)，倍受青睞[4]。近些年來(lái)在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)上快速發(fā)展并應(yīng)用的應(yīng)力波法，在錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)過(guò)程中具有很好的應(yīng)用前景，而且需要配套控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的目的。因此針對(duì)目前應(yīng)力波法缺乏無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于提高錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)應(yīng)力波法檢測(cè)系統(tǒng)的需求，完成了無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，如圖1所示。由圖1可以看出，系統(tǒng)主要由主控部分、應(yīng)力波采集部分、數(shù)據(jù)處理分析部分、電源等組成。主控部分完成各個(gè)子部分協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(yīng)力波采集模塊用于驅(qū)動(dòng)加速度傳感器，完成信號(hào)的采集、處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換等工作；數(shù)據(jù)處理和傳輸部分主要負(fù)責(zé)加速度信號(hào)的處理和實(shí)時(shí)傳輸，確保主控部分獲取準(zhǔn)確的加速度信號(hào)，同時(shí)，將準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示；上位機(jī)對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行處理與顯示，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲(chǔ)。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 FPGA模塊

檢測(cè)系統(tǒng)中的核心芯片采用了型號(hào)為EP2C8Q208C8的FPGA，其具有135個(gè)最高頻率達(dá)175 MHz的管腳、具備8 256個(gè)邏輯單元以及36 kB容量的9 bit的RAM。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)PGA處理器主要支持并行處理運(yùn)算，配置的IP核供不同用戶使用，時(shí)間控制和數(shù)據(jù)運(yùn)算功能極強(qiáng)。FPGA芯片使用時(shí)，先接收A/D模塊的時(shí)間與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)具備與A/D模塊之間的數(shù)據(jù)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(yīng)力波數(shù)據(jù)，能夠處理的應(yīng)力波數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)EMIF處理，完成數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理。DSP模塊采用自己的電源單獨(dú)供電，配置晶振電路采集時(shí)鐘基準(zhǔn)。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用SDRAM芯片完成，配合FLASH電路使用，避免掉電之后數(shù)據(jù)丟失。處理完成之后的應(yīng)力波數(shù)據(jù)，經(jīng)EMIF接口傳輸至FPGA芯片。系統(tǒng)DSP處理器的型號(hào)為T(mén)MS320V5509A，最突出的性能是低功耗，最高處理頻率高達(dá)200 MHz，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，滿足應(yīng)力波數(shù)據(jù)處理的要求。DSP模塊原理框圖如下頁(yè)圖2所示。

2.3 傳感器選型

傳感器作為無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)的重要組件，其選型工作至關(guān)重要。此處選擇了型號(hào)為L(zhǎng)C01-53T的傳感器，生產(chǎn)于朗斯公司，由壓電元件和結(jié)構(gòu)件兩部分組成，內(nèi)部集成有微型運(yùn)放和加速度傳感器，使用時(shí)外接電路極為簡(jiǎn)單，以此保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度。

圖2 DSP模塊原理框圖

與此同時(shí)，該傳感器共用自己的信號(hào)線和供電線，降低了傳感器工作過(guò)程中強(qiáng)電干擾弱電的強(qiáng)度，也大大提高了傳感器的抗噪聲能力和數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)功能要求及硬件結(jié)構(gòu)，完成了系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)工作，如圖4所示。由圖4可以看出，系統(tǒng)啟動(dòng)之后首先完成各個(gè)模塊系統(tǒng)的初始化，使能狀態(tài)時(shí)，ARM會(huì)釋放FPGA的復(fù)位引腳，同時(shí)啟動(dòng)A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，轉(zhuǎn)換之后存入FIFO1當(dāng)中；之后系統(tǒng)自動(dòng)判斷存入FIFO1當(dāng)中的數(shù)據(jù)深度是否達(dá)到設(shè)定數(shù)值N，若已經(jīng)達(dá)到設(shè)定數(shù)值N便開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)，否則一直等待存入數(shù)據(jù)；系統(tǒng)工作時(shí)還會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)FIFO1接收數(shù)據(jù)的幅值，當(dāng)幅值數(shù)值達(dá)到了預(yù)觸發(fā)設(shè)定值Y時(shí)，F(xiàn)IFO2開(kāi)始存入FIFO1數(shù)據(jù)，此時(shí)存入FIFO2的數(shù)據(jù)就是觸發(fā)點(diǎn)之前的第N個(gè)數(shù)據(jù)；之后判斷存入FIFO2的數(shù)據(jù)深度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值M，當(dāng)存入的數(shù)據(jù)達(dá)到了預(yù)設(shè)值M時(shí)，F(xiàn)IFO2開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)，并通過(guò)中斷通知DSP由EMIF接口接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在SDRAM中；接收完數(shù)據(jù)之后，由DSP芯片開(kāi)展應(yīng)力波數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，數(shù)據(jù)處理完成通知FPGA芯片啟動(dòng)DSP與ARM芯片的數(shù)據(jù)接口，經(jīng)FIFO3完成數(shù)據(jù)傳輸；最后系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)是否傳輸結(jié)束，數(shù)據(jù)傳輸完成ARM將會(huì)復(fù)位FPGA芯片，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并顯示，至此完成一次完整的應(yīng)力波數(shù)據(jù)采集流程。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 ADS8422芯片驅(qū)動(dòng)

檢測(cè)系統(tǒng)中的ADS8422芯片主要承擔(dān)著加速度傳感器采集信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換任務(wù)，工作時(shí)由FPGA芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制，之后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入FPGA預(yù)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(qū)動(dòng)工作的出發(fā)點(diǎn)是進(jìn)行時(shí)序控制與數(shù)據(jù)輸出。初始化引腳配置，確定A/D模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式和轉(zhuǎn)換方式；設(shè)置滿足DATASHEET要求的CSN、RDN、CONVSTN信號(hào)，之后啟動(dòng)A/D模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后輸出轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。

圖5 ADS8422芯片驅(qū)動(dòng)流程

3.3 DSP軟件

DSP模塊作為無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著應(yīng)力波數(shù)據(jù)A/D采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。為了濾除應(yīng)力波信號(hào)中的高頻噪聲，應(yīng)用了數(shù)字濾波器，增強(qiáng)信噪比，避免信號(hào)失真。DSP模塊工作流程如下頁(yè)圖6所示。

由圖6可以看出，DSP模塊啟動(dòng)之后首先初始化內(nèi)部驅(qū)動(dòng)、外部硬件和接口，之后進(jìn)行內(nèi)部軟件數(shù)據(jù)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(méi)有外部觸發(fā)和內(nèi)部指令時(shí)工作在低功耗模式，一旦接收到FPGA芯片接收數(shù)據(jù)的指令時(shí)，DSP即刻進(jìn)入中斷模式，接收FPGA芯片傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完之后，DSP模塊進(jìn)行FIR低通濾波器運(yùn)算；數(shù)據(jù)處理完畢，由FPGA芯片和ARM將其傳輸至ARM，數(shù)據(jù)傳輸完成，DSP模塊再次進(jìn)入低功耗模式。

圖6 DSP模塊工作流程

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證基于應(yīng)力波法的錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，將其在某煤炭掘進(jìn)巷道進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，開(kāi)展了4組試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，錨桿原始長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)錨桿長(zhǎng)度基本一致，計(jì)算得出二者之間的誤差均在3%范圍之內(nèi)。無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)具有較高的檢查精度，取得了很好的應(yīng)用效果。

表1 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

錨桿作為煤炭企業(yè)巷道支護(hù)過(guò)程中重要的結(jié)構(gòu)件，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系著巷道內(nèi)部人員和設(shè)備的安全問(wèn)題，必須引起高度重視。針對(duì)目前應(yīng)力波法缺乏無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果顯示，無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)在錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)過(guò)程中具有較好的精度，誤差能夠保持在3%范圍之內(nèi)，滿足錨桿長(zhǎng)度質(zhì)量檢測(cè)的要求，對(duì)錨桿錨固檢測(cè)效果提升具有重要的促進(jìn)作用。