基于ARM的矿用锚杆测长系统研究

摘要

锚杆是煤矿井下生产使用非常广泛的材料。矿用锚杆是一种安设在岩土层中的受力杆件，它的一端与工程建筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要时对其施加预引力，用以有效地承受结构载荷，防止结构变形，从而维护结构建筑物的稳定。锚杆的制作质量在很大程度上影响到煤矿安全生产。本课题的研究应煤矿生产中锚杆制作质量的检测问题而产生。研究目标是设计基于ARM微处理器的检测系统，对矿用锚杆进行长度测定。 本课题根据超声波在传播过程中遇到异质界面会发生反射的基本原理，设计了基于ARM微处理器的矿用锚杆测长系统。 首先，通过超声波特性、超声波应用方法、超声波探头原理，声场，近场、远场、以及近场长度和超声波探头中压电晶片直径关系等理论的分析，并通过实验考证确定了超声波用于矿用锚杆测长的可行性。 其次，按照超声波探头的需要，采用光电隔离器6N137、场效应管驱动芯片IR2110和功率开关IRF740等元件，根据瞬间高压电脉冲激励超声波探头压电晶片产生超声波的原理，设计了超声波发射电路。根据超声回波信号的特点，设计了由限幅电路、多级放大电路、滤波电路、过零检测电路等组成的超声波接收电路。选用ARM7 LPC2210作为微处理器，完成了相关基本电路模块的设计。完成了以超声波激发程序，中断计数程序为核心的系统软件设计。 再次，采用电源、示波器，螺纹锚杆、5Mo10（频率为5M，直径为10 mm）超声波直探头、超声波发射电路、超声波接收电路、ARM7 LPC2210微处理器及相关电路模块搭建实验平台，并通过实验获取到了检测数据。 最后，选用最小二乘法对实验检测数据进行分析，得到了矿用锚杆长度和系统检测计数值之间的拟合函数，并推导出了系统在进行实际检测时计算锚杆长度的算法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2相关技术的研究现状及发展趋势

1.2.1超声波测量技术的应用

1.2.2超声波检测技术发展趋势

1.3本课题研究内容

1.4论文组织结构

2矿用锚杆测长系统总体概述

2.1超声波简介

2.1.1超声波

2.1.2超声波的波型

2.2超声波应用方法

2.3纵波脉冲反射法

2.4超声波探头

2.4.1超声波探头的工作原理

2.4.2压电晶体的主要性能参数

2.5超声波频率的确定及探头选型

2.5.1超声波频率、近场长度和晶片直径的关系

2.5.2频率的选择

2.5.3可行性证实及探头选型

2.6基于ARM的矿用锚杆测长系统总体方案设计

2.7本章小结

3系统硬件设计

3.1超声波发射电路

3.1.1超声波发射电路原理

3.1.2超声波发射电路设计

3.1.3超声波发射电路的主要组成

3.2超声波接收电路

3.2.1限幅电路设计

3.2.2信号放大电路设计

3.2.3滤波电路设计

3.2.3过零检测电路设计

3.3微处理器的选择及相关基本电路模块设计

3.3.1微处理器的选择

3.3.2微处理器相关基本电路模块设计

3.4采取的硬件抗干扰方法

3.5本章小结

4系统软件设计

4.1软件系统构架介绍

4.2ARM程序开发环境简介

4.2.1 CodeWarrior IDE

4.2.2 AXD调试器

4.3软件总体设计

4.4超声波激发程序设计

4.5中断计数程序设计

4.6软件抗干扰措施

4.7本章小结

5实验及实验数据处理

5.1实验影响因素分析

5.2实验数据处理方法

5.3实验及数据分析

5.3.1实验介绍及数据获取

5.3.2实验数据分析

5.4检测中矿用锚杆长度的计算

5.5本章小结

6结论

6.1本文工作总结

6.2后期工作展望

致 谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文