基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置及方法

2023-11-11 19:04:42

專利名稱：基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及ー種屬於無損檢測技術領域，具體涉及ー種超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置及方法。
背景技術：
非金屬管道在當今城市基本建設中得到了極其廣泛的應用，在國家的經濟發展和人民的生產生活中佔有極其重要位置。非金屬管道的分布探測是檢測和保護其安全運行的重要手段。非金屬管道分布探測技術的成功開發將起到確保非金屬管道安全運營，方便非金屬管道的驗收與檢修，同時能避免對非金屬管道的不必要破壞，大大減少因頻繁大修所引起的損失，防止施工過程中對非金屬管道的損害，大大節約了城市建設的資金和時間。現有的地下非金屬管道探測技術有探底雷達、非金屬管線探測儀、標誌法。其中 探底雷達技術受管道周圍地址條件限制，幹擾信號較多；非金屬管線探測儀只適用於地下供水、排水、燃氣等小口徑非金屬管道，並且需要管線在地表有暴露點；標誌法則需要管道在鋪設時在地下埋有相應的標記或者特質導線，如果沒有標記或者特質導線則無法探測。以上方法皆存在很大的局限性。

發明內容
本發明提供了一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置及方法，可以在不開挖覆土、真正無接觸、不影響正常使用的情況下，通過直接檢測位於管道地表上方的傳感器接受到的反射波信號變化即可方便準確的檢測地下管道的分布走向。為實現上述目的，本發明提供一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特點是，該探測裝置包含
拉伸杆；
超聲傳感器，其懸掛固定於上述拉伸杆一端邊緣的下方，該超聲傳感器發射超聲波探測地下非金屬管道，並接收地下非金屬管道的反射波；
步進電機，通過其轉軸連接拉伸杆的另一端，步進電機通過拉伸杆帶動超聲傳感器平行於地表平面的圓周步進平移；以及，
分別與上述步進電機和超聲傳感器電路連接的控制電路。上述的控制電路包含
步進電機驅動電路，其輸出驅動脈衝驅動步進電機步進；
發射波激勵電路，其輸出激勵脈衝驅動超聲傳感器發射超聲波；
反射波調理電路，超聲傳感器接收反射波輸出至反射波調理電路，反射波調理電路對該反射波信號進行調理；以及，
雙向連接的上位機和數據採集模塊，上位機通過數據採集模塊分別驅動上述發射波激勵電路和步進電機驅動電路；數據採集模塊掃描採樣反射波調理電路調理後的反射波信號導入上位機，上位機選取部分時間段的反射波信號進行分析處理。
上述的步進電機的步距角Θ彡1.8°。上述的步進電機高於地表平面懸掛固定設置。上述的拉伸杆可沿其軸向拉伸，該拉伸杆長度r為25至100釐米。上述的超聲傳感器採用壓電式單晶片、收發一體超聲傳感器，其盲區d ( 35cm，發射角為0°。上述的數據採集模塊包含
模擬輸出模塊，其輸出激勵脈衝至超聲傳感器，並輸出驅動脈衝至步進電機；
模擬輸入模塊，接收超聲傳感器輸出的反射波信號。一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測方法，其適用於任意ー項上述的 基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置；其特點是，該方法包含以下步驟
步驟I、探測裝置從無管道區域開始採集反射波信號的波形；
步驟1.1、選取下方無管道的區域標記圓心位置0，將步進電機固定於圓心位置O的上方，設置拉伸杆的初始長度，確保超聲傳感器掃描範圍內無雜物；
步驟I. 2、上位機控制探測裝置工作，步進電機驅動電路驅動步進電機帶動超聲傳感器順時針或逆時針平移一周，同時發射波激勵電路激勵超聲傳感器發射超聲波進行掃描；步驟I. 3、超聲傳感器接收反射波信號傳輸至反射波調理電路進行調理；
步驟I. 4、反射波調理電路將調理後的反射波信號傳輸至上位機進行處理分析；
步驟I. 5、上位機將處理分析後的反射波信號的數據通過波形顯示輸出；
步驟2、探測裝置増大探測範圍，直至反射波信號的波形中出現兩處突起；
步驟2. I、增大拉伸杆的長度，擴大探測範圍，並確保超聲傳感器掃描範圍內無雜物；拉伸杆長度的增大量小於等於超聲傳感器探測半徑的兩倍；
步驟2. 2、步進電機驅動電路驅動步進電機帶動超聲傳感器順時針或逆時針平移一周，同時發射波激勵電路激勵超聲傳感器發射超聲波進行掃描；
步驟2. 3、超聲傳感器接收反射波信號傳輸至反射波調理電路進行調理；
步驟2. 4、反射波調理電路將調理後的反射波信號傳輸至上位機進行處理分析；
步驟2. 5、上位機將分析處理後的反射波信號數據與步驟I中所得的反射波信號的數據進行比較分析，並以通過波形顯示輸出分析處理後的反射波信號數據；
步驟2. 5、上位機判斷反射波信號的波形中是否出現兩處突起，若是，則跳轉到步驟3，若否，則跳轉到步驟2. I ；
步驟3、上位機設步進電機在地表的垂直投射點定為圓心0，記錄反射波信號的波形中出現兩處突起分別與超聲傳感器的掃描起始點之間的圓心角α和β ;
步驟4、上位機以超聲傳感器在地表的垂直投射點A與圓心O的連線OA為圓心角α和β的一條邊，順時針或逆時針量取圓心角α和β，取得圓心角α和β的另一條邊分別為OB和0C，該直線OB與直線OC分別與以O為圓心、OA為半徑的圓周相交於點B和點C，該BC連線即為檢測所得管道的走向，且該管道位於直線BC的正下方。本發明基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置及方法和現有技術的非金屬管道分布探測方法相比，其優點在於，本發明實現了在不開挖覆土、真正無接觸、不影響正常使用的情況下，方便快速地確定地下非金屬管道分布走向，相對現有技術而言，這ー技術更實用、更方便、更易操作，是最具可行性的地下非金屬管道無損探測工具之一。


圖I為本發明基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置的結構示意 圖2為本發明基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置的探測方法的工作時序 圖3為本發明基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置的探測方法的結果測量圖。
具體實施例方式
以下結合附圖，進ー步說明本發明的具體實施例。如圖I所示，本發明公開ー種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，用於測量地下非金屬管道的走向情況。該探測裝置包含可伸縮的拉伸杆2、分別設置於拉伸杆2兩端的步進電機I和超聲傳感器3，以及分別與步進電機I和超聲傳感器3電路連接的控制電路。超聲傳感器3懸掛固定於拉伸杆2 —端邊緣的下方,該超聲傳感器3用於發射超聲波探測地下非金屬管道，並探測接收地下非金屬管道的反射波。本實施例中，超聲傳感器3米用壓電式單晶片、收發一體超聲傳感器，其盲區d ^ 35cm,發射角為0°。步進電機I懸掛固定與高於地表平面一定距離處設置。該步進電機I通過其轉軸連接拉伸杆2的另一端，步進電機I的轉軸垂直於底面，並通過其轉軸帶動拉伸杆2旋轉，步進電機I通過拉伸杆2帶動超聲傳感器3平行於地表平面的作圓周步進平移。步進電機I的步距角Θ彡1.8°。拉伸杆2可沿其軸向拉伸，該拉伸杆2長度r為25至100釐米。控制電路包含上位機8，與上位機8雙向電路連接的數據採集模塊7，電路連接數據採集模塊7輸出端的步進電機驅動電路6和發射波激勵電路4，以及電路連接數據採集模塊7輸入端的反射波調理電路5，其中步進電機驅動電路6的輸出端電路連接步進電機I的輸入端，發射波激勵電路4的輸出端電路連接超聲傳感器3的輸入端，反射波調理電路5的輸入端電路連接超聲傳感器3的輸出端。數據採集模塊7包含模擬輸出模塊71和模擬輸入模塊72，模擬輸出模塊71為D/A轉換器，其輸出激勵脈衝至超聲傳感器3，並輸出驅動脈衝至步進電機I。模擬輸入模塊72為A/D轉換器，其接收超聲傳感器3輸出的反射波信號。數據採集模塊7中還包含有緩衝寄存器73，緩衝寄存器73電路連接於模擬輸出模塊71和模擬輸入模塊72與上位機8之間。步進電機驅動電路6包含有光耦隔離器、脈衝分配器和功率放大器，滿足步進電機驅動電壓和電流的要求。發射波激勵電路4，提高了脈衝負載能力，滿足超聲傳感器驅動電壓和電流的要求。反射波調理電路5包含保護電路，具有信號放大和濾波功能。基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置的工作原理如下
上位機8通過數據採集模塊7驅動發射波激勵電路4，發射波激勵電路4輸出特定頻率和特定脈衝寬度的激勵脈衝驅動超聲傳感器3發射超聲波，超聲波輻射入地下，超聲波通過地下的非金屬管道進行反射，超聲傳感器3探測接收反射波，並將反射波信號傳輸至反射波調理電路5，反射波調理電路5對該反射波信號進行信號放大和濾波的調理，並將調理後的反射波信號傳輸至數據採集模塊7的模擬輸入模塊72，模擬輸入模塊72將調理後的反射波信號傳輸至上位機8,上位機8選取部分時間段的反射波信號進行分析處理,上位機8設有顯示器，上位機8將其分析處理所得數據通過波形圖顯示輸出。同時為實現以圓周路徑掃描地面，上位機8通過數據採集模塊7驅動步進電機驅動電路6，步進電機驅動電路6輸出特定頻率和特定脈衝寬度的驅動脈衝驅動步進電機I以特定步距角步進旋轉，該步距角即9 ^ I. 8°。步進電機I通過轉軸帶動拉伸杆2在平行於地面的平面內旋轉，通過拉伸杆2帶動超聲傳感器3以圓周路徑平移掃描。該基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置的探測時序如圖2所示，在O時刻，發射波激勵電路4開始輸出激勵脈衝驅動超聲傳感器3發射超聲波，同時超聲傳感器3接收反射波，在tl時刻，發射波激勵電路4停止驅動超聲傳感器3發射超聲波。當經過 tl與t2時間之間的餘震時間At後(其中該餘震時間At=2d/(340m/s))，在t2時刻，上位機8開始接收反射波信號進行處理分析，上位機8選取t2至t3之間時段的反射波信號進行處理分析，直至t3時刻，上位機8停止分析反射波信號。同時，在t3時刻上位機8通過步進電機驅動電路6開始輸出驅動脈衝，在t3至t4時段驅動步進電機I以特定步距角步進旋轉。然後在t4時刻，發射波激勵電路4再輸出激勵脈衝，以驅動超聲傳感器3發射超聲波，並重複上述流程。本發明還公開一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測方法，其適用於上述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，該方法包含以下步驟
步驟I、本發明基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置從無管道區域開始採集反射波信號的波形。步驟I. I、選取下方無管道的區域標記圓心位置0，將步進電機I固定於圓心位置O的上方，設置拉伸杆2的初始長度，並確保超聲傳感器3掃描範圍內無雜物。步驟I. 2、上位機8控制本基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置工作，步進電機驅動電路6驅動步進電機I帶動超聲傳感器3順時針(或逆時針)平移一周，同時發射波激勵電路4激勵超聲傳感器3發射超聲波進行掃描。步驟I. 3、超聲傳感器3接收反射波信號傳輸至反射波調理電路5進行調理。步驟I. 4、反射波調理電路5將調理後的反射波信號傳輸至上位機8進行處理分析。步驟I. 5、上位機8將處理分析後的反射波信號的數據通過波形顯示輸出。步驟2、基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置增大探測範圍，直至反射波信號的波形中出現兩處突起。步驟2. I、增大拉伸杆2的長度，擴大探測範圍，並確保超聲傳感器3掃描範圍內無雜物。拉伸杆2長度的增大量小於等於超聲傳感器3探測半徑的兩倍。步驟2. 2、步進電機驅動電路6驅動步進電機I帶動超聲傳感器3順時針(或逆時針)平移一周，同時發射波激勵電路4激勵超聲傳感器3發射超聲波進行掃描。
步驟2. 3、超聲傳感器3接收反射波信號傳輸至反射波調理電路5進行調理。步驟2. 4、反射波調理電路5將調理後的反射波信號傳輸至上位機8進行處理分析。步驟2. 5、上位機8將分析處理後的反射波信號數據與步驟I中所得的反射波信號的數據進行比較分析，並以通過波形顯示輸出分析處理後的反射波信號數據。步驟2. 5、上位機8判斷反射波信號的波形中是否出現兩處突起，若是，則跳轉到步驟3，若否，則跳轉到步驟2. I。步驟3、上位機8設步進電機I在地表的垂直投射點定為圓心0，記錄反射波信號的波形中出現兩處突起分別與超聲傳感器3的掃描起始點之間的圓心角α和圓心角β。步驟4、如圖3所示，上位機8以超聲傳感器3在地表的垂直投射點A與圓心O的連線OA為圓心角α和圓心角β的一條邊，順時針(或逆時針)量取圓心角α和β，取得 圓心角α和β的另一條邊分別為OB和0C，該直線OB與直線OC分別與以O為圓心、OA為半徑的圓周相交於點B和點C，該BC連線即為檢測所得管道的走向，且確定該管道位於直線BC的正下方。綜上所述，本發明公開的一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置及方法，可以在不開挖覆土、真正無接觸、不影響正常使用的情況下，通過直接檢測位於管道地表上方的超聲傳感器接受到的反射波信號值變化即可方便準確的檢測地下管道的分布走向。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，該探測裝置包含: 拉伸杆(2)； 超聲傳感器(3)，其懸掛固定於所述拉伸杆(2)—端邊緣的下方，該超聲傳感器(3)發射超聲波探測地下非金屬管道，並接收地下非金屬管道的反射波； 步進電機(I)，通過其轉軸連接拉伸杆(2 )的另一端,步進電機(I)通過拉伸杆(2 )帶動超聲傳感器(3)平行於地表平面的圓周步進平移；以及， 分別與所述步進電機(I)和超聲傳感器(3 )電路連接的控制電路。
2.如權利要求I所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，所述的控制電路包含 步進電機驅動電路(6 )，其輸出驅動脈衝驅動步進電機(I)步進； 發射波激勵電路(4)，其輸出激勵脈衝驅動超聲傳感器(3)發射超聲波； 反射波調理電路(5)，超聲傳感器(3)接收反射波輸出至反射波調理電路(5)，反射波調理電路(5)對該反射波信號進行調理；以及， 雙向連接的上位機(8)和數據採集模塊(7)，上位機(8)通過數據採集模塊(7)分別驅動所述發射波激勵電路(4)和步進電機驅動電路(6);數據採集模塊(7)掃描採樣反射波調理電路(5)調理後的反射波信號導入上位機(8)，上位機(8)選取部分時間段的反射波信號進行分析處理。
3.如權利要求I所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，所述的步進電機(I)的步距角Θ彡I. 8°。
4.如權利要求I所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，所述的步進電機(I)高於地表平面懸掛固定設置。
5.如權利要求I所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，所述的拉伸杆(2)可沿其軸向拉伸，該拉伸杆(2)長度！■為25至100釐米。
6.如權利要求I所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，所述的超聲傳感器(3)採用壓電式單晶片、收發一體超聲傳感器，其盲區35cm，發射角為0°。
7.如權利要求2所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，其特徵在於，所述的數據採集模塊(7)包含 模擬輸出模塊(71)，其輸出激勵脈衝至超聲傳感器(3)，並輸出驅動脈衝至步進電機(I); 模擬輸入模塊(72 )，接收超聲傳感器(3 )輸出的反射波信號。
8.一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測方法，其適用於如權利要求I至權利要求7中任意一項所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置；其特徵在於，該方法包含以下步驟 步驟I、探測裝置從無管道區域開始採集反射波信號的波形； 步驟2、探測裝置增大探測範圍，直至反射波信號的波形中出現兩處突起； 步驟3、上位機(8)設步進電機(I)在地表的垂直投射點定為圓心O，記錄反射波信號的波形中出現兩處突起分別與超聲傳感器(3)的掃描起始點之間的圓心角α和β ;步驟4、上位機(8)以超聲傳感器(3)在地表的垂直投射點A與圓心O的連線OA為圓心角α和β的一條邊，順時針或逆時針量取圓心角α和β，取得圓心角α和β的另一條邊分別為OB和0C，該直線OB與直線OC分別與以O為圓心、OA為半徑的圓周相交於點B和點C，該BC連線即為檢測所得管道的走向，且該管道位於直線BC的正下方。
9.如權利要求8所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測方法，其特徵在於，所述步驟I包含以下步驟 步驟1.1、選取下方無管道的區域標記圓心位置0，將步進電機(I)固定於圓心位置O的上方，設置拉伸杆(2)的初始長度，確保超聲傳感器(3)掃描範圍內無雜物； 步驟I. 2、上位機(8)控制探測裝置工作，步進電機驅動電路(6)驅動步進電機(I)帶動超聲傳感器(3 )順時針或逆時針平移一周，同時發射波激勵電路(4 )激勵超聲傳感器(3 )發射超聲波進行掃描； 步驟I. 3、超聲傳感器(3)接收反射波信號傳輸至反射波調理電路(5)進行調理； 步驟I. 4、反射波調理電路(5)將調理後的反射波信號傳輸至上位機(8)進行處理分析； 步驟I. 5、上位機(8)將處理分析後的反射波信號的數據通過波形顯示輸出。
10.如權利要求8所述的基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測方法，其特徵在於，所述步驟2包含以下步驟 步驟2. I、增大拉伸杆(2)的長度，擴大探測範圍，並確保超聲傳感器(3)掃描範圍內無雜物；拉伸杆(2)長度的增大量小於等於超聲傳感器(3)探測半徑的兩倍； 步驟2. 2、步進電機驅動電路(6)驅動步進電機(I)帶動超聲傳感器(3)順時針或逆時針平移一周，同時發射波激勵電路(4)激勵超聲傳感器(3)發射超聲波進行掃描； 步驟2. 3、超聲傳感器(3)接收反射波信號傳輸至反射波調理電路(5)進行調理； 步驟2. 4、反射波調理電路(5)將調理後的反射波信號傳輸至上位機(8)進行處理分析； 步驟2. 5、上位機(8)將分析處理後的反射波信號數據與步驟I中所得的反射波信號的數據進行比較分析，並以通過波形顯示輸出分析處理後的反射波信號數據； 步驟2. 5、上位機(8)判斷反射波信號的波形中是否出現兩處突起，若是，則跳轉到步驟3，若否，則跳轉到步驟2. I。
全文摘要
本發明公開一種基於超聲傳感器的地下非金屬管道分布探測裝置，該探測裝置包含拉伸杆；超聲傳感器，其懸掛固定於上述拉伸杆一端邊緣的下方，該超聲傳感器發射超聲波探測地下非金屬管道，並接收地下非金屬管道的反射波；步進電機，通過其轉軸連接拉伸杆的另一端，步進電機通過拉伸杆帶動超聲傳感器平行於地表平面的圓周步進平移；以及，分別與步進電機和超聲傳感器電路連接的控制電路。本發明實現在不開挖覆土、真正無接觸、不影響正常使用的情況下，方便快速地確定地下非金屬管道分布走向，具有實用、方便、易操作的特點。
文檔編號G01V7/00GK102830436SQ201210363260
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者尹武良, 陳麗婷 申請人:上海海事大學