一種基於貼壁式檢測車的隧道襯砌裂縫超聲波檢測系統的製作方法
2023-05-16 03:03:51 1
本實用新型屬於土木工程中的隧道檢測領域，涉及隧道襯砌裂縫檢測，具體是一種基於貼壁式檢測車的隧道襯砌裂縫超聲波檢測系統。
背景技術：
隨著我國經濟的發展，綜合國力的日益增強，交通建設得到迅速的發展，而我國山地眾多，工程建設中經常需要修建大量的隧道，在長時間使用後，隧道襯砌會出現裂縫、空洞等常見的病害，如果不採取有效的對策，將嚴重影響隧道的通行安全。目前，國內對隧道襯砌裂縫的檢測主要依靠人工檢測，一般需要有著豐富經驗的技術人員來實施，效率低且可靠度差，技術人員之間的檢測結果經常出現不一致的情況。特別是在對隧道頂部進行檢測時，一般要利用升降臺幫助技術人員進行近距離觀察，從而需要封閉交通，不僅費時費力而且安全性差。
近年來出現了運用檢測車對隧道進行自動檢測的方法，但檢測車的價格十分昂貴，普及十分困難；檢測車上裝載的攝像頭離襯砌還有一定的距離，得到的圖像只能分辨出開度較大的裂縫(一般大於0.2mm)，還無法做到和人工檢測同樣的近距離觀測，對襯砌內部的裂縫則無法有效探測。
總的來說，目前的隧道襯砌檢測技術還十分落後，急需研發價格低、效率高、精度高、不影響交通的隧道襯砌檢測設備和方法。
用超聲波研究物體內部結構的方法開始於上世紀三十年代，如今超聲波檢測已經發展成為工業檢測中應用最為廣泛的方法之一。超聲波檢測有著適應性強、檢測靈敏度高、對人體無害、成本較低等特點。在隧道檢測中，超聲波檢測與其他一些檢測手段相比能較好的檢測出裂縫的深度和分布。但現有的常規檢測方法仍然需要人工進行，存在著效率低、成本高等問題。
技術實現要素：
為了克服現有隧道襯砌檢測方法需要封閉交通且成本高、精度低的不足，本實用新型提供了一種無需封閉交通、成本較低、精度較高的基於貼壁式檢測車的隧道襯砌裂縫超聲波檢測系統。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種基於貼壁式檢測車的隧道襯砌裂縫超聲波檢測系統，所述超聲波檢測系統包括：
用於附在隧道襯砌表面，並按設定路徑移動的貼壁式檢測車；
用於對檢測車進行導航的GPS/INS組合導航模塊；
用於與地面工作站雙向通信，接受工作站的指令信號，並把定位信號、檢測信號傳給工作站的車載通信及傳輸模塊；
用於控制檢測車移動的運動控制器；
用於拍攝襯砌表面圖像的攝像裝置；
用於探測襯砌表面及內部裂縫的超聲波檢測模塊；
用於對貼壁式檢測車導航路徑進行設計和控制，並能接收、分析和顯示檢測車傳回的檢測數據的地面工作站；
所述GPS/INS組合導航模塊、車載通信及傳輸模塊、運動控制器、攝像裝置和超聲波檢測模塊均安裝在所述貼壁式檢測車上。
進一步，所述貼壁式檢測車包括旋翼、臺架和車輪，所述車輛安裝在臺架底部，所述臺架頂部安裝所述旋翼，所述臺架上放置所述GPS/INS組合導航模塊、車載通信及傳輸模塊、運動控制器、攝像裝置和超聲波檢測模塊。
再進一步，所述車輪與臺架的連接處有轉向機構。
更進一步，所述的GPS/INS組合導航模塊由GPS和INS耦合實現組合導航定位，內部封裝GPS模塊和IMU模塊，能在隧道內無信號的環境下進行自主導航，在接受到GPS信號時進行誤差分析和調整。
所述攝像裝置包括兩個帶光源的攝像頭，用於對襯砌表面進行高清攝像。
所述的超聲波檢測模塊包括超聲波傳感器、支架和保護裝置，用於檢測裂縫的深度和分布；所述超聲波傳感器採用直探頭構造，可發射和接受縱波；在超聲波傳感器的探頭處通過支架後傾斜式地連接一個球形保護裝置。
本實用新型的技術構思為：近幾年來，無人機因其成本低，效費比好，機動性能好，使用方便等特點在各個工程領域中得到了廣泛運用。本實用新型擬基於無人機進行創新性的優化改造，結合超聲波檢測原理，為隧道檢測提供一種新方法。
本實用新型的有益效果主要表現在：
1)基於貼壁式檢測車的隧道襯砌裂縫檢測系統，在檢測時無需封閉隧道，不影響正常的交通。
2)採用GPS/INS組合導航，隧道出入口有GPS信號處，利用GPS導航修正INS導航誤差，實現隧道內的自主巡航。
3)檢測時檢測車通過輪子緊貼隧道表面，能增加檢測的平穩度，提高檢測精度。
4)高清相機近距離拍攝裂縫圖像，能夠分辨出開度大於0.01mm的微小裂縫，利用超聲波檢測系統能檢測出襯砌內部裂縫的深度和分布；兩者相結合可以得到從表面到內部的高精度裂縫分布數據。
5)利用導航系統，每一個點的攝影圖像及超聲波探測結果都含有坐標信息，在後期處理時可以通過數據拼接得到整個隧道襯砌表面的三維損傷信息。
附圖說明
圖1是本實用新型的結構示意圖；
圖2是本實用新型的下部仰視圖；
圖3是本實用新型的正視圖；
圖4是本實用新型的上部俯視圖；
圖5是本實用新型的側視圖；
圖6是本實用新型的慣性導航結構圖；
圖7是本實用新型的超聲波傳感器圖；
圖8是本實用新型的系統示意圖；
圖1-5及圖8中，1-旋翼；2-臺架；3-車輪；4-懸臂；5-伺服電機；6-旋翼保護罩；7-轉向機構；8-GPS/INS(全球定位系統/慣性導航系統)組合導航模塊；9-運動控制器；10-通信及傳輸模塊；11-高清相機；12-光源；13-超聲波傳感器；14-支架；15-球形保護裝置；16-電池；17-地面工作站；18-電腦；19-信號收發器；20-移動式電源。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型作進一步描述。
參照圖1～圖8，一種基於貼壁式檢測車的隧道襯砌裂縫超聲波檢測系統，包括能夠吸附在隧道襯砌表面，並按設定路徑移動的貼壁式檢測車；用於對檢測車進行導航的GPS/INS組合導航模塊；控制檢測車移動的運動控制器；車載通信及傳輸模塊；拍攝襯砌表面圖像的攝像裝置；探測襯砌表面及內部裂縫的超聲波檢測模塊；能夠對貼壁式檢測車導航路徑進行設計和控制，並能接受、分析和顯示檢測車傳回的檢測數據的地面工作站。
所述的貼壁式檢測車包括旋翼、臺架和車輪，所述臺架上放置襯砌裂縫的相關檢測裝置和控制設備。
所述的貼壁式檢測車採用旋翼提供反向推力，讓檢測車緊貼於襯砌表面。所述旋翼可偏轉方向，從而提供前進、後退及轉向的動力。
所述的貼壁式檢測車的車輪與臺架的連接處有轉向機構，可靈活的實現轉向。
所述的GPS/INS組合導航模塊由GPS和INS耦合實現組合導航定位，內部封裝GPS模塊和IMU(Inertial Measurement Unit，慣性測量單元)模塊，能在隧道內無信號的環境下進行自主導航，並能在接受到GPS信號時進行誤差分析和調整。
所述的通信及傳輸模塊與地面工作站雙向通信，接受工作站的指令信號，並把定位信號、檢測信號傳給工作站。
所述的運動控制器通過通信及傳輸模塊接受地面工作站的指令後，通過電機控制檢測車的運動。
所述的攝像裝置包括兩個帶光源的攝像頭，用於對襯砌表面進行高清攝像。
所述的超聲波檢測模塊包括超聲波傳感器、支架和保護裝置，用於檢測裂縫的深度和分布；所述超聲波傳感器採用直探頭構造，可發射和接受縱波。
如圖1-5所示，所述貼壁式檢測車包括旋翼(1)、臺架(2)和車輪(3)。為了減輕車體的重量，加大有效載重，旋翼(1)、臺架(2)和車輪(3)均採用碳纖維複合材料。懸臂(4)上安裝伺服電機(5)並與臺架(2)相連接；伺服電機(5)將電信號轉化成轉矩和轉速；旋翼(1)產生垂直於牆面的反向推力使檢測車吸附在檢測面上；旋翼(1)可轉動一定角度，推動檢測車前後左右移動；四個旋翼(1)的轉速保持一致，能使檢測車勻速地運動；旋翼保護罩(6)能夠保護旋翼(1)免受損傷。臺架(2)上能安裝檢測裝置和控制裝置。車輪(3)與臺架(2)的連接處有轉向裝置(7)。所述轉向機構(7)，包括轉向傳動軸、齒輪和齒條；轉向時，轉向傳動軸帶動小齒輪轉動，小齒輪與齒條嚙合，帶動齒條左右直線運動，可以推動車輪(3)左右轉動，從而實現轉向功能。本實例選擇的是四旋翼結構，在實際使用中可根據具體重量和尺寸選擇合適的旋翼結構，例如六旋翼結構。
所述的GPS/INS組合導航模塊(8)，包括GPS模塊和IMU模塊。如圖6所示，GPS模塊是一個集成電路，能接受衛星的定位信號，定位出檢測車的位置；IMU慣性測量模塊是由三個陀螺和三個加速度計組成的參數解算系統，基於陀螺的輸出值，可以得到檢測車在導航坐標系中的位置，同時基於加速度計的輸出值，可以解算出車體的速度和位置。在本實施方案中，選用加拿大NovAtel公司生產的SPAN-IGM-A1組合導航模塊控制導航。
所述的通信及傳輸模塊(10)，包括編碼模塊和高頻發射接受模塊。能與地面工作站(17)雙向通信，接受工作站的指令信號，並把定位信號、檢測信號傳給工作站(17)。
所述的運動控制器(9)，由一塊單機片組成。是控制伺服電機(5)運行的專用控制器，能夠控制伺服電機的轉矩和轉速從而達到控制檢測車移動的目的。
所述的攝像裝置，包括高清相機(11)和光源(12)。高清相機可選擇100萬像素以上，實現每秒50幀以上全畫幅攝像的型號，由於距離襯砌表面很近，得到的圖像可以分辨出開度大於0.01mm的裂隙；通過光源(12)能提供充足光照，幫助高清相機(11)拍攝出清晰的裂縫圖像；兩臺相機得到的圖像後期可在電腦中實現拼接；檢測得出的圖像和波形通過傳輸模塊傳(10)傳送到地面工作站(17)中進行處理。
如圖7所示，所述的超聲波檢測模塊，包括超聲波傳感器(13)、支架(14)、球形保護裝置(15)。超聲波傳感器(13)採用直探頭構造，在沿隧道延伸方向前行時，可發射和接受縱波；為了防止探頭磨損，在探頭處通過支架(14)後傾斜式地連接一個球形保護裝置(15)，在檢測車行駛過程中遇到凸起部分彈簧能起到緩衝作用，從而保護球形保護裝置(15)；超聲波裝置可以對襯砌內部裂隙的深度和分布進行有效檢測，如選擇T/R40-16封閉式一體超聲波傳感器，可探測襯砌內部0-0.5m深的裂縫。
伺服電機(5)、通信及傳輸模塊(10)、GPS/INS組合導航模塊(8)、超聲波傳感器(13)、高清相機(11)以及光源(12)的供電均由電池(16)提供。檢測車的電量情況受到地面工作站(17)的監控，當電池(16)的電量不足以維持檢測車貼壁行進時，地面工作站(17)發出信號，運動控制器(9)會控制檢測車從隧道表面移動到地面，防止摔落。
如圖8所示，所述的地面工作站(17)，包括電腦(18)、信號收發器(19)和移動式電源(20)。信號收發器(19)能夠接受超聲波傳感器(13)和高清相機(11)的檢測數據，並能能夠發射導航檢測指令，控制檢測車的檢測路徑；電腦(18)能夠儲存檢測數據，方便後期分析處理；電腦(18)內的數據處理軟體能對接收的檢測數據進行處理，生成直觀的隧道表面三維損傷圖；電腦(18)的顯示器能把檢測結果直觀的展現出來，並能夠實時顯示攝像頭拍攝的圖像，便於監測和控制；移動式電源(20)可以為電腦(18)、信號收發器(19)提供電力，在檢測車電池缺電時可對電池充電。