可實現鑽孔三維成像的檢測裝置及其方法

2023-04-22 16:35:21 1

專利名稱：可實現鑽孔三維成像的檢測裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及建築工程檢測技術，尤其涉及一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置及其方法。
背景技術：
鑽孔灌注樁是建築工程中常見的基樁形式之一，它的作用是將上部建築結構的荷載傳遞到深層穩定土層中或巖石層上，減少上部建築結構的不均勻沉降。鑽孔灌注樁的施工分為「鑽孔」和向鑽孔內「灌注混凝土」兩個階段。第一階段的鑽孔作業是在地下並配合注水完成，因此質量控制難度大，有時複雜的地質條件易引起施工中的失誤，最後可能導致鑽孔直徑(孔徑)大小不一、鑽孔沿重力方向發生傾斜(孔斜)等問題。
經過第二階段的灌注混凝土作業後，形成混凝土基樁。鑽孔質量的好壞直接影響到基樁質量。如果孔徑偏小(縮徑)，則基樁的側摩阻力和底部端承力降低；如果孔徑偏大(擴徑)，則基樁的局部側摩阻力增大，而其他部分側摩阻力得不到充分發揮，如果局部應力過於集中，易發生破壞效應(如斷裂等)；同時如果孔徑偏大，基樁的混凝土灌注量增加，費用提高，造成不必要的浪費。孔斜會改變基樁豎向受力的特性，減弱了基樁豎向承載力的有效發揮；同時給周圍土層施加了一定程度的剪切力。因為土的抗剪特性一般較低，孔斜過大容易帶來上部建築結構的安全隱患，並且還可能造成吊放鋼筋籠困難、塌孔、鋼筋保護層厚度不足等施工質量問題。孔徑和孔斜是保證鑽孔灌注樁施工質量的兩項重要指標，因此，在第一階段鑽孔作業完成後，立即進行孔徑和孔斜的檢測十分必要。《建築樁基技術規範》(中華人民共和國行業標準JGJ94_2008)6.2. 4條規定鑽孔灌注樁的鑽孔施工的允許偏差應滿足表I的要求。表I
孔斜允許偏差
鑽孔灌注樁的成孔方法孔徑(d) 孔徑允許偏差
(垂直度)
泥漿護壁d 1000mm ±50mm1%
鑽、挖、衝孔樁d、IOOOmm
錘擊(振動)沉管d 500mm -20mm1%-
振動衝擊沉管成孔d > 500mm
螺旋鑽、機動洛陽鏟幹-20mm1%
作業成孔
人工現澆混凝土護壁±50mm0.5%
挖孔粧長鋼套管護壁±20麵1%
目前使用的孔徑和孔斜的檢測方法主要有簡易檢測法、聲波檢測法和接觸檢測法。一、簡易檢測法檢測裝置為製作簡單的檢孔器，如圓球式、鋼筋籠式、六邊木條鉸鏈式和卡尺式
坐寸O圓球式檢孔器原理圖如圖I。圓球式檢孔器3由鋼筋彎制，直徑比待檢測的孔徑略小。鋼絲繩4的一端連接圓球式檢孔器3，另一端可由地面上的電機或人工驅動，在兩個轉向滑輪5的導引下，圓球式檢孔器3可依靠自重放入鑽孔I內。檢測孔徑時，若圓球式檢孔器3能順利到達孔底，表明孔徑正常；否則表明實際孔徑小於設計孔徑，應進行掃孔或重鑽。 圖I中標尺6的原點0和最上面的轉向滑輪5的中心點在同一鉛垂線上，最上面的轉向滑輪5的半徑為r。在圓球式檢孔器3到達孔底後，鑽孔I內的鋼絲繩4偏離標尺6的原點0的水平距離為e，偏離鉛垂線的角度為9，因此，孔斜的檢測可由傾斜角0表示0 = tan-1 (^)[I]或者孔斜的檢測由垂直度表示tan〔9)=丨 jlT-1 丨[2]
n J該方法的檢測裝置簡單，操作方便，但無法檢測出孔徑和孔斜隨孔深的變化。二、聲波檢測法該方法檢測裝置原理圖如圖2. I。聲波傳感器裝置14內安裝兩組發射和接收聲波傳感器，可完成鑽孔I內一個豎向剖面的檢測。如果在另外一個豎向剖面也安裝兩組發射和接收聲波傳感器，並且兩組之間構成十字正交方向，這樣可完成鑽孔I內兩個相互正交的豎向剖面的檢測。聲波傳感器發射的聲波通過鑽孔I內的混水介質傳播，併到達內部孔壁。由於孔壁介質主要是土，其聲阻抗與混水介質的聲阻抗存在差異，導致部分聲波發生反射；反射波被聲波傳感器接收，並轉換成電信號通過電纜13送至地面上的聲波檢測儀10。通過分析兩組反射波信號，可確定其在混水介質中的傳播時間分別為tl和t2，在混水介質的波速已知為c的情況下，並且忽略聲波發射和反射路徑之間的夾角，可計算出圖2. I所示的孔徑距離dl和d2:dl = c 導[3]d2 = c[4]假設聲波傳感器裝置14的直徑為r，則孔徑d為d = dl-d2-r[5]電動升降裝置11放置於孔口上的支架12上，聲波檢測儀10控制電動升降裝置11去提升或下降聲波傳感器裝置14，以完成孔徑在不同深度的檢測。圖2. 2為一示例曲線，其橫軸表示孔徑距離，豎軸表示深度。不同深度下的孔徑值為兩條豎向粗黑實線之間的橫向距離。關於孔斜的計算，可採用不同的數學方法，例如首先確定孔徑距離中間線(圖2. 2中粗黑虛線)，再運用最小二乘法對該粗黑虛線進行線性插值，求得的直線斜率對應於孔斜或垂直度。該方法較簡易法而言，可測得孔徑隨深度的變化。但是，本方法的實現是基於能識別反射波信號，以確定其傳播時間。首先，鑽孔中的水質較混，充斥泥漿顆粒，聲波傳播時易發生散射、繞射等現象，造成聲波轉播能量的過度衰減；另外，聲波的波阻抗為波速和密度的乘積，對於土和混水兩種介質而言，土的波速一般小於混水的波速，而土的密度一般大於混水的密度，最後導致兩種介質的波阻抗差異不如期望的那麼大。上述原因使得反射波信號比較微弱，不易識別，造成聲波檢測法的工程應用存在原理上的局限。三、接觸檢測法 該方法檢測裝置的井下部分由兩個獨立的裝置組成井下孔徑檢測裝置和井下孔斜檢測裝置。因此，孔徑和孔斜的檢測是分別進行的。在檢測過程中，井下孔徑或孔斜檢測裝置需接觸到鑽孔內壁，故稱之為接觸檢測法。①孔徑檢測裝置原理圖如圖3. I。井下孔徑檢測裝置21安裝四條測臂22並成十字正交，可完成鑽孔I內兩個豎向剖面的檢測。測臂22的連接示意圖如圖3. 2。測臂22在圖中的0點處固定，其上方安裝有壓力彈簧27和滑動電位器25 ;測臂22的b端可以以0點為圓心作圓周運動；而a端為半圓鉤形結構，並和滑動杆26自然接觸。當測臂22的b端作圓周運動時，其a端將帶動滑動杆26作上下直線運動，從而將改變滑動電位器25的電阻值。該值可經輸出端24讀出。在孔徑檢測開始前，通過圖3. I所示的測臂鎖定裝置23將測臂22固定，並首先將井下孔徑檢測裝置21放入鑽孔I底部。檢測開始後，測臂鎖定裝置23被打開；在圖3. 2所示壓力彈簧27的作用下，測臂22向外自然張開，並和鑽孔I內壁接觸。地面上的檢測儀器20控制電動升降裝置11，向上提升井下孔徑檢測裝置21至不同的深度進行孔徑的檢測。孔徑變大，則測臂22的張開角也變大；孔徑變小，則測臂22的張開角也變小。因此孔徑的變化，對應不同的滑動電位器25的電阻值。不同深度下得到的電阻值，被送到檢測儀器20進行分析計算，根據事先標定的孔徑和電阻值的關係曲線，由電阻值可直接得到對應的孔徑值。②孔斜檢測裝置原理圖如圖4。該裝置採用高精度的傳統測斜儀28，其檢測沿鉛錘線發生的傾斜角e，檢測結果可通過電纜13在地面上讀出。實際檢測時，鑽孔I某一豎向剖面的傾斜方向事先不得而知，這樣，可在鑽孔I孔口處分別選取三點進行檢測0點為孔口中心點，a和b為孔口兩端端點。從圖4可以看出，當從b點進行檢測時，由於傳統測斜儀28能夠依靠自重與鑽孔I內壁完全接觸，因而傳統測斜儀28發生傾斜；而從0或a點進行檢測時，傳統測斜儀28是否發生傾斜還取決於傳統測斜儀28所在的深度位置，以及鑽孔I孔徑的大小。通過多次檢測並綜合深度、孔徑等信息，最後才可給出結論。接觸檢測法較前兩種方法而言，有一定的工程應用價值，但是，存在以下問題①孔徑和孔斜的檢測需要不同的裝置，檢測也無法一次完成，這人為的增加了現場的工作量；②孔徑檢測的精度較低；如圖3. 2，測臂22的b端較大行程的圓周運動轉換成滑動杆26較小行程的上下直線運動，大行程到小行程意味著傳感精度損失；③需要嚴格的標定程序；如圖3. 2，孔逕到滑動電位器25所輸出的電阻值的轉換關係至少取決於測臂22的b端的圓周運動，a端的半圓鉤形結構的運動，滑動杆26的上下直線運動；因此，這種轉換關係是非線性的，加之相關機械部件的加工精度存在誤差，要保證孔徑檢測結果有較高的精度，嚴格的標定程序和冗長的標定過程是必不可少的；需要指出的是現有的做法是用孔徑和電阻值之間的線性函數，通過最小二乘法去完成標定的；④孔斜檢測採用單獨的傳統測斜儀28 ;在實際檢測時，傳統測斜儀28需要依靠自重和鑽孔I某方位內壁完全接觸，因此所檢測到的是該方位內壁的傾斜角，並不能完全代表鑽孔I的傾斜角；⑤傳統測斜儀28是否能和鑽孔I內壁完全接觸，需要在鑽孔I的孔口嘗試不同的測點，並綜合傳統測斜儀28的深度位置，鑽孔I的孔徑等信息，給出檢測結果；因而，檢測過程複雜，檢測結果需依靠人工經驗。

發明內容
本發明的目的就在於克服現有技術的局限性，提供一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置及其方法。本發明的目的是這樣實現的 一、可實現鑽孔三維成像的檢測裝置(簡稱裝置)本裝置包括地面上的檢測儀器和電動絞車，設置有井下傳感器，井下傳感器由密封筒、電纜插座、主電路板、環氧樹脂防水層、內部連接導線、壓力彈簧、轉動軸、主電路板、長杆、測臂、測臂電路板、阻尼圓盤組成；其位直和連接關係是井下傳感器通過電纜和地面上的檢測儀器連接；密封筒的頂部設置有電纜插座，用於和電纜連接；密封筒的內部設置有主電路板、環氧樹脂防水層、內部連接導線和壓力彈簧；密封筒的下端設置有四根成十字正交的測臂；密封筒和測臂通過轉動軸連接；測臂內設置有測臂電路板，其被環氧樹脂完全密封；通過內部連接導線，測臂電路板、主電路板和電纜插座依次連接；測臂的頂部和密封筒的內壓力彈簧接觸，並且測臂能在壓力彈簧的作用下，繞轉動軸自由向外張開；密封筒的下部連接一長杆，用於固定四根測臂；長杆下部套有一個阻尼圓盤，也用於固定四根測臂。二、可實現鑽孔三維成像的檢測方法(簡稱方法)本方法基於上述可實現鑽孔三維成像的檢測裝置，通過在井下傳感器的主電路板上安裝的方位角傳感晶片和測臂電路板上安裝的傾斜角傳感晶片來實現的。本方法包括下列步驟①確認井下傳感器的4根測臂被套入阻尼圓盤內，並固定在長杆周圍；②通過電動絞車將井下傳感器緩慢放入鑽孔內，同時根據電動絞車內的深度計數器確定井下傳感器所處的深度位置；③通過判斷電纜的鬆緊，確認井下傳感器是否到達鑽孔底部，如果已到鑽孔底部，可在檢測儀器上讀出鑽孔深度值；④人工迅速提拉電纜，利用鑽孔內混水介質對阻尼圓盤的運動阻力，致使阻尼圓盤向下脫開，然後四根測臂向外張開；此時可在檢測儀器上讀出井下傳感器的方位角(這表示井下傳感器在鑽孔內可能發生旋轉，旋轉後的位置由方位角確定；方位角的參考方向為大地磁場的正北方向)，和四根測臂的張開角；反過來，可通過讀出四根測臂的張開角來判斷阻尼圓盤是否已經向下脫開，或四根測臂是否已經向外張開；⑤通過電動絞車緩慢提升井下傳感器，在預先設置的每個深度位置下，由檢測儀器上讀出並儲存井下傳感器的方位角和四根測臂的張開角；⑥根據讀出的井下傳感器的方位角、四根測臂的張開角、和深度位置信息，由檢測儀器繪製出鑽孔三維成像圖；⑦基於鑽孔三維成像圖，計算出在不同方位下鑽孔的孔徑沿深度變化的曲線；⑧基於鑽孔三維成像圖，計算出每個深度位置下鑽孔的水平剖面的中心位置，此中心位置沿深度變化的曲線可視為孔斜曲線；
⑨井下傳感器有四根測臂，這樣在每個深度位置下的鑽孔水平剖面上，獲得四個檢測點；為增加檢測精度，待一次檢測過程完成後，可將井下傳感器轉動一定的方位角，並再將其放入鑽孔內重複上一次的檢測過程；這樣在每個深度位置下的鑽孔水平剖面上，可獲得八個檢測點；依次類推，可獲得十二，十六，二十等個檢測點。本發明具有下列優點和積極效果①簡化檢測方法、提高工作效率本方法主要是檢測在每個深度位置下的測臂張開角，並由此計算出孔徑和孔斜，因此檢測過程可一次完成；②提高檢測精度檢測精度取決於安裝在測臂電路板內的傾斜角傳感晶片，它可以直接給出測臂沿重力方向的傾斜角，並以數字方式輸出；其檢測精度可達0. I度；通常情況下整個檢測裝置無需標定；③通過三維成像，提供更加全面直觀的檢測結果；④基於三維成像圖，通過不同的數學方法，可計算出不同定義下的孔徑和孔斜曲線，提供更加豐富多樣的檢測結果；⑤本發明適用於建築工程中孔徑和孔斜的檢測。


圖I是簡易檢測法的圓球式檢孔器示意圖；圖2. I是聲波檢測法檢測裝置示意圖；圖2. 2是聲波檢測法示例曲線圖；圖3. I是接觸檢測法孔徑檢測裝置示意圖；圖3. 2是接觸檢測法孔徑檢測裝置的測臂連接示意圖；圖4是接觸檢測法孔斜檢測裝置示意圖；圖5是本發明的可實現鑽孔三維成像的檢測裝置示意圖；圖6是工業控制電腦應用軟體工作流程圖；圖7是主電路板原理方框圖；圖8是測臂電路板原理方框圖；圖9是阻尼圓盤結構示意圖(俯視)；
圖10是井下傳感器空間位置示意圖；圖11是鑽孔二維成像不意圖；圖12是孔徑和孔斜計算方法不意圖。圖中I一鑽孔；2—原土 ； 3—圓球檢孔器；4 一鋼絲繩；5—轉向滑輪；6—標尺；7—橫梁；10—聲波檢測儀；11 一電動升降裝置；12—支架； 13—電纜；14一聲波傳感裝置；20—檢測儀器；21—井下孔徑檢測裝置； 22—測臂；23—測臂鎖定裝置；24—輸出端；25—滑動電位器；26—滑動杆；27—壓力彈簧；28-傳統測斜儀；30一電動絞車；31—電纜插座；32—密封筒；33—主電路板；34—內部連接導線；35-環氧樹脂防水層；36一轉動軸；37—測臂電路板；38—阻尼圓盤；39—長杆；40-直流步進電機驅動線；50—信號A插座；51—串口轉換器；52-主加速度計；53-ARM單片機；54-磁阻傳感器；55-數字多路開關；56一信號B插座；60-信號C插座；61-ARM單片機；62-測臂加速度計。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對可實現鑽孔三維成像的檢測裝置詳細說明一、總體結構如圖5，本裝置包括地面上的檢測儀器20和電動絞車30，設置有井下傳感器，井下傳感器由密封筒32、電纜插座31、主電路板33、環氧樹脂防水層35、內部連接導線34、壓力彈簧27、轉動軸36、主電路板33、長杆39、測臂22、測臂電路板37、阻尼圓盤38組成；其位置和連接關係是井下傳感器通過電纜13和地面上的檢測儀器20連接；密封筒32的頂部設置有電纜插座31，用於和電纜13連接；密封筒32的內部設置有主電路板33、環氧樹脂防水層35、內部連接導線34和壓力彈黃27 ；密封筒32的下端設置有四根成十字正交的測臂22 ；密封筒32和測臂22通過轉動軸36連接；測臂22內設置有測臂電路板37，其被環氧樹脂完全密封；通過內部連接導線34，測臂電路板37、主電路板33和電纜插座31依次連接；測臂22的頂部和密封筒32的內壓力彈簧27接觸，並且測臂22能在壓力彈簧27的作用下，繞轉動軸36自由向外張開；密封筒32的下部連接一長杆39，用於固定四根測臂22 ；
長杆39下部套有一個阻尼圓盤38，也用於固定四根測臂22。二、功能部件I、檢測儀器20檢測儀器20是一種 通用的二次儀表；檢測儀器20的內部結構主要包括有通用觸摸顯示液晶屏、通用工業控制電腦、通用通訊電路板和通用直流步進電機驅動板。觸摸顯示液晶屏接受用戶輸入的指令或參數，顯示檢測結果；工業控制電腦運行自行開發的應用軟體，存儲檢測結果；通用通訊電路板完成和井下傳感器的通訊功能；通用直流步進電機驅動板產生直流步進電機工作時所需的驅動電流。檢測儀器20通過電纜13與井下傳感器進行數據通訊，並驅動電動絞車20以控制井下傳感器在鑽孔I內的升降；最終記錄每個深度下的井下傳感器的方位角和四個測臂22的傾斜角。如圖6，所述的工業控制電腦運行自行開發的應用程式的工作流程包括下列步驟①工作開始A;②判斷人工檢查四個測臂是否已固定在阻尼圓盤內B，是則進入下一步驟，否則人工固定四個測臂在阻尼圓盤內C，再繼續步驟②；③下放井下傳感器至鑽孔底部D ；④判斷電纜是否鬆弛E，是則進入下一步驟，否則轉跳到步驟③；⑤初始化參數確定井下傳感器深度位置h=a，並且設置井下傳感器提升步距s=bF ；⑥人工急速提拉電纜使阻尼圓盤下墜，四個測臂脫離阻尼圓盤，並向外自由張開G；⑦通過測臂傾斜角判斷四個測臂是否已經張開H，是則進入下一步驟，否則轉跳到步驟⑥；⑧按步距提升井下傳感器，並且h=h - Si ；記錄井下傳感器的方位角和四個測臂的傾斜角J ；繪製鑽孔的深度-孔徑曲線K ；繪製鑽孔的深度-孔斜曲線L ；繪製鑽孔的三維成像圖M ;判斷井下傳感器是否到達鑽孔的孔口，即h ( 0N，是則進入下一步驟，否繼續步驟
⑧；⑨停止提升井下傳感器0 ;⑩工作結束P。2、電動絞車30電動絞車30內置有直流步進電機，直流步進電機驅動電動絞車30正轉或反轉，從而按設定的步距提升或下放井下傳感器。3、直流步進電機驅動線40直流步進電機驅動線40連接電動絞車30內的直流步進電機和檢測儀器20內的通用直流步進電機驅動板，其作用是傳遞直流步進電機工作時所需的驅動電流。4、電纜 13電纜13盤繞在電動絞車30上，並連接井下傳感器和地面上的檢測儀器20 ;其作用是傳遞通訊信號及檢測數據，並承擔井下傳感器的重力負荷。5、電纜插座31電纜插座31是一種通用件，連接密封筒32內的內部連接導線34。6、密封筒 32密封筒32通常採用不鏽鋼材料；可保證井下傳感器在100米深的充滿水的鑽孔 下，密封筒32內的主電路板33能正常工作。7、主電路板33如圖7，主電路板33由信號A插座50、串口轉換器51、主加速度計52、ARM單片機53、磁阻傳感器54、數字多路開關55和信號B插座56組成。信號A插座50和串口轉換器51連接；數字多路開關55和信號B插座56連接；串口轉換器51、主加速度計52、磁阻傳感器54和數字多路開關55分別與ARM單 片機53連接。主電路板33的工作原理主加速度計52和磁阻傳感器54用於井下傳感器的方位角檢測；其中，主加速度計52將檢測到傾斜角數據通過SPI接口傳遞到的ARM單片機53中，而磁阻傳感器54將檢測到的磁阻三分量通過I2C接口傳遞到的ARM單片機53中；最後由存儲在ARM單片機53中通用算法計算出井下傳感器的方位角；ARM單片機53可通過數字多路開關55分別接受來自於四個測臂電路板37的傾斜角數據；四個測臂電路板37通過內部連接導線34連接至信號B插座56 ;ARM單片機53通過串口轉換器51，連接至信號A插座50，再通過內部連接導線34和電纜插座31相連，以完成井下傳感器和地面上的檢測儀器20的數據交換。主電路板33的主要器件I) ARM 單片機 53可選用菲利浦公司的LPC2114系列。2)主加速度計52可選用Analog Device公司的ADIS16003，其通過SPI接口的4根信號線M0SI、MISO、CLK、CS和ARM單片機53連接。3)磁阻傳感器54可選用Honeywell公司的HMC5843,其通過I2C接口的2根信號線SDA、SCL和ARM單片機53連接。4)數字多路開關55可選用通用的741^151，其地址信號端(404142)和4咖單片機53的數據I/O 口(P10、P11、P12);數字多路開關55的數據輸出端Y和ARM單片機53的RXDO端相連；數字多路開關55的數據輸入端(DO、Dl、D2、D3)連接至信號B插座56。5)信號B插座56
可選用通用IC插座，其連接來自於四個測臂電路板37的串行數據(TXD1、TXD2、TXD3、TXD4);其中，信號B插座56的PWM為數據傳輸同步端，其連接ARM單片機53的PWM
信號端。6)串口轉換器51選用MAXM公司的MAX3422，其作用是將RS-232串口(TXD、RXD)轉換成RS-422串口(A、B、Z、Y)，以便於長線傳輸；7)信號A插座50可選用通用IC插座；為通用RS-422接口。8、環氧樹脂防水層35
環氧樹脂防水層35設置在密封筒32內，用於保護其上方的主電路板33和電纜插座31 ;來自於四個測臂電路板37的內部連接導線34從環氧樹脂防水層35中穿過，連接至上方的主電路板33和電纜插座31。9、內部連接導線34內部連接導線34用於連接四個測臂電路板37、主電路板33和電纜插座31。10、壓力彈簧27四個壓力彈簧27分別安裝在四個測臂22之上；在壓力彈簧27的作用下，測臂22繞轉動軸36向外轉動，並可向外自由張開。11、轉動軸 36轉動軸36是測臂22和密封筒32的連接點，並且測臂22可繞轉動軸36向外轉動。12、長杆 39長杆39連接至密封筒32的底端，用於固定四個測臂22 ;在將長杆39連接至密封筒32之前，因先將阻尼圓盤38套入長杆39中；長杆39的底端設計成一個橫截面積突然變大的錐形圓頭，其目的是防止阻尼圓盤38脫落；14、測臂電路板37如圖8，測臂電路板37由依次連接的信號C插座60、ARM單片機61、測臂加速度計62組成。測臂電路板37的工作原理測臂加速度計62用於測臂22的傾斜角檢測；測臂加速度計62將檢測到傾斜角數據通過SPI接口傳遞到的ARM單片機61中；ARM單片機61的串口輸出端(TXD)連接至信號C插座60 ;信號C插座60的數據傳輸同步端PWM，連接至ARM單片機61的EINT信號端。測臂電路板37的主要器件I) ARM 單片機 61可選用菲利浦公司的LPC2114系列。2)測臂加速度計62可選用Analog Device公司的ADIS16003，其通過SPI接口的4根信號線M0SI、MISO、CLK、CS和ARM單片機61連接；3 )信號A插座60可選用通用IC插座；通過信號A插座60,每個測臂電路板37的ARM單片機61的串口信號輸出(TXD )，可連接至主電路板33中的信號B插座56中(TXDI、TXD2、TXD3、TXD4 )。15、阻尼圓盤38如圖9，通過阻尼圓盤38的中心園孔，阻尼圓盤38被套入長杆39上；四個測臂22可依靠和阻尼圓盤38內壁的摩擦力，被固定在長杆39的周圍。三、工作原理本發明是通過在井下傳感器的主電路板33上安裝的方位角傳感晶片(包括主加速度計52和磁阻傳感器54)和測臂電路板37上安裝的傾斜角傳感晶片(是測臂加速度計62嗎)來實現的。井下傳感器首先被下放至鑽孔底部，此時進行鑽孔的深度校準，爾後檢測開始。在地面上的檢測儀器20內的應用程式控制下，按預先設定的步距提升井下傳感器至每個深 度，並記錄下每個深度位置下的方位角％和四個成十字正交的測臂22的傾斜角(或稱張開角)Q i；J,這裡i表示每個測臂(i=l…4), j表示井下傳感器的深度位置(j=l…n,包含從鑽孔I底部至孔口的每個深度位置，n為深度位置總數)，該位置對應井下傳感器的底端。根據每個深度位置j(j=l…n)的方位角巧以及四個測臂的傾斜角0 i；J (i=l…4)，就可以構建三維成像圖，並繪製孔徑和孔斜曲線，其過程如下I)如圖10所示的三維空間坐標系中，井下傳感器被提升至鑽孔內某一深度位置j，圖10中僅第一個和第三個測臂被顯示(i=l、3)。經檢測得出，第一個和第三個測臂與長杆的夾角分別為和e U，井下傳感器方位角為如果測臂的長度為L，長杆的長度為H，則兩個測臂末端端點的空間位置坐標(稱為實測點)，可以較容易地通過傳統的空間解析幾何方法得出，即Pl(xl、yl、zl)和P3(x3、y3、z3);同樣的方法，可得出其他兩個測臂末端端點的空間位置，即P2 (x2、y2、z2)和P4 (x4、y4、z4)。雖然四個實測點(PU P2、P3、P4)都是在井下傳感器處於同一深度位置j時所獲得，但由於測臂和長杆之間的夾角0
4)可能互不相等，因而可能出zl古z2古z3古z4，最後導致在井下傳感器的每個深度位置j，獲得四個實測點在四個深度位置上(zl、z2、z3、z4)，因而所有實測點的深度位置以k表示，其最大變化範圍k=l…4n。2)圖11所示為構建三維成像圖的範例。k=l…12為實測點的深度位置，每一深度位置對應一個橢圓橫截面；四條豎向線對應四個測臂(i=l…4)，其中圓點為實測點，方點為插值點。插值點產生的方法是如果需要得到某個支臂在某一深度的插值點，則先找到該支臂在該深度兩側最近的兩個實測點(如果該支臂的實測點均在該深度同一側，則找出該支臂在這一側離該深度最近的兩個實測點)，過這兩個實測點做一直線，該直線與該深度位置的截點即為所需的插值點；例如，連接相鄰的實測點Pmci和Pu，可得到在深度位置k=9的插值點為P^9，在深度位置k=ll的插值點為Pmi,和在深度位置k=12的插值點為P1;12 ;這樣，每個深度位置都有四個點，例如在深度位置k=12，四個點依次是P1;12、P2，12、P3，12、P4；12 ；通過通用的平面幾何方法，可找到穿過這四個點的橢圓，且該橢圓的一個主軸的方位角為0度(或180度)。依次得到每個深度位置(k=l…12)橢圓的空間位置之後，再利用NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines,即非均勻有理B樣條)方法將這些橢圓在空間上沿豎向方向連接，即可構建三維成像圖。3)根據三維成像圖繪製孔徑曲線。如圖12，在每個深度位置的橢圓上，可找到中心點Pak (k=l…12) ；P1；k, P2；k和P3，k (k=l…12)均為每個深度位置橢圓上的截點，並且假設Pu是橢圓上一點且滿足向量PcuPu (k=l…12)所指向的方向為方位角O度，過橢圓中心Pcu作弦P2，kP3，k且滿足向量PakP^和向量PQ，kP2，k (k=l…12)之間的夾角為a，並且三個截點PuPcuPu (k=l-12)在一條直線上，那麼在每個深度位置a方位角上的孔徑可定義成向量P2，kP3，k (k=l…12)的長度，該長度值隨深度位置的變化即為a方位角上的孔徑曲線；顯然對於不同的方位夾角a，會有不同的孔徑曲線。4)根據三維成像圖繪製孔斜曲線。如圖12，孔斜曲線可有橢圓中心點來給出，SP依次連接每個深度位置的橢圓中心點Pak (k=l…12)，該中心點隨深度位置在空間上的變化即被定義成種孔斜曲線。還有一種孔斜曲線的定義和方位角有關，對於給定的方位夾角a，可得到每個深度位置在橢圓上的截點P2，k (k=l-12)且滿足向量PcuP^ (P^是橢圓上 一點，且滿足向量PcuP^ (k=l…12)所指向的方向為方位角0度)和向量PcuP2^ (k = I-12)之間的夾角為a，該截點隨深度位置在空間上的變化即被定義成另一種孔斜曲線。
權利要求
1.一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置，其特徵在於 本裝置包括地面上的檢測儀器(20)和電動絞車(30)，設置有井下傳感器，井下傳感器由密封筒(32)、電纜插座(31)、主電路板(33)、環氧樹脂防水層(35)、內部連接導線(34)、壓力彈簧(27)、轉動軸(36)、主電路板(33)、長杆(39)、測臂(22)、測臂電路板(37)、阻尼圓盤(38)組成； 其位置和連接關係是 井下傳感器通過電纜(13)和地面上的檢測儀器(20)連接； 密封筒(32)的頂部設置有電纜插座(31)，用於和電纜13連接； 密封筒(32 )的內部設置有主電路板(33 )、環氧樹脂防水層(35 )、內部連接導線(34 )和壓力彈簧(27); 密封筒(32)的下端設置有四根成十字正交的測臂(22)； 密封筒(32 )和測臂(22 )通過轉動軸(36 )連接； 測臂(22)內設置有測臂電路板(37)，其被環氧樹脂完全密封； 通過內部連接導線(34)，測臂電路板(37)、主電路板(33)和電纜插座(31)依次連接； 測臂(22)的頂部和密封筒(32)的內壓力彈簧(27)接觸，並且測臂(22)能在壓力彈簧(27)的作用下，繞轉動軸(36)自由向外張開； 密封筒(32)的下部連接一長杆(39)，用於固定四根測臂(22)； 長杆(39)下部套有一個阻尼圓盤(38)，也用於固定四根測臂(22)。
2.按權利要求I所述的一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置，其特徵在於 所述的檢測儀器20是一種通用的二次儀表；自行開發的應用程式的工作流程包括下列步驟 ①工作開始(A); ②判斷人工檢查四個測臂是否已固定在阻尼圓盤內(B)，是則進入下一步驟，否則人工固定四個測臂在阻尼圓盤內(C)，再繼續步驟②； ③下放井下傳感器至鑽孔底部(D)； ④判斷電纜是否鬆弛(E)，是則進入下一步驟，否則轉跳到步驟③； ⑤初始化參數確定井下傳感器深度位置h=a，並且設置井下傳感器提升步距s=b(F); ⑥人工急速提拉電纜使阻尼圓盤下墜，四個測臂脫離阻尼圓盤，並向外自由張開(G); ⑦通過測臂傾斜角判斷四個測臂是否已經張開(H)，是則進入下一步驟，否則轉跳到步驟⑥； ⑧按步距提升井下傳感器，並且h=h-s(I)； 記錄井下傳感器的方位角和四個測臂的傾斜角(J); 繪製鑽孔的深度-孔徑曲線(K)； 繪製鑽孔的深度-孔斜曲線(L)； 繪製鑽孔的三維成像圖(M); 判斷井下傳感器是否到達鑽孔的孔口，即h ( 0 (N)，是則進入下一步驟，否繼續步驟⑧； ⑨停止提升井下傳感器(O); ⑩工作結束(P)。
3.按權利要求I所述的一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置，其特徵在於 所述主電路板(33 )由信號A插座(50 )、串口轉換器(51)、主加速度計(52 )、ARM單片機(53)、磁阻傳感器(54)、數字多路開關(55)和信號B插座(56)組成。
信號A插座(50)和串口轉換器(51)連接； 數字多路開關(55)和信號B插座(56)連接； 串口轉換器(51)、主加速度計(52)、磁阻傳感器(54)和數字多路開關(55)分別與ARM單片機(53)連接。
4.按權利要求I所述的一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置，其特徵在於 所述測臂電路板(37)由依次連接的信號C插座(60)、ARM單片機(61)、測臂加速度計(62)組成。
5.基於權利要求I所述的一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置的檢測方法，其特徵在於包括下列步驟 ①確認井下傳感器的4根測臂(22)被套入阻尼圓盤(38)內，並固定在長杆(39)周圍； ②通過電動絞車(30)將井下傳感器緩慢放入鑽孔(I)內，同時根據電動絞車(30 )內的深度計數器確定井下傳感器所處的深度位置； ③通過判斷電纜(13)的鬆緊，確認井下傳感器是否到達鑽孔(I)底部，如果已到鑽孔(I)底部，可在檢測儀器(20 )上讀出鑽孔深度值； ④人工迅速提拉電纜(13)，利用鑽孔(I)內混水介質對阻尼圓盤(38)的運動阻力，致使阻尼圓盤(38)向下脫開，然後四根測臂(22)向外張開；此時可在檢測儀器(20)上讀出井下傳感器的方位角，和四根測臂(22)的張開角；反過來，可通過讀出四根測臂(22)的張開角來判斷阻尼圓盤(38)是否已經向下脫開，或四根測臂(22)是否已經向外張開； ⑤通過電動絞車(30)緩慢提升井下傳感器，在預先設置的每個深度位置下，由檢測儀器上讀出並儲存井下傳感器的方位角和四根測臂的張開角； ⑥根據讀出的井下傳感器的方位角、四根測臂的張開角和深度位置信息，由檢測儀器繪製出鑽孔三維成像圖； ⑦基於鑽孔三維成像圖，計算出在不同方位下鑽孔(I)的孔徑沿深度變化的曲線； ⑧基於鑽孔三維成像圖，計算出每個深度位置下鑽孔(I)的水平剖面的中心位置，此中心位置沿深度變化的曲線可視為孔斜曲線； ⑨井下傳感器有四根測臂(22)，這樣在每個深度位置下的鑽孔水平剖面上，獲得四個檢測點。
6.按權利要求5所述的檢測方法，其特徵在於步驟⑨ 為增加檢測精度，待一次檢測過程完成後，可將井下傳感器轉動一定的方位角，並再將其放入鑽孔內重複上一次的檢測過程；這樣在每個深度位置下的鑽孔水平剖面上，可獲得八個檢測點； 依次類推，可獲得十二、十六和二十個檢測點。
全文摘要
本發明公開了一種可實現鑽孔三維成像的檢測裝置及其方法，涉及建築工程檢測技術。本裝置包括地面上的檢測儀器(20)和電動絞車(30)，設置有井下傳感器，井下傳感器由密封筒(32)、電纜插座(31)、主電路板(33)、環氧樹脂防水層(35)、內部連接導線(34)、壓力彈簧(27)、轉動軸(36)、主電路板(33)、長杆(39)、測臂(22)、測臂電路板(37)、阻尼圓盤(38)組成。本發明簡化了檢測方法、提高工作效率；提高檢測精度；通過三維成像，提供更加全面直觀的檢測結果；基於三維成像圖，通過不同的數學方法，可計算出不同定義下的孔徑和孔斜曲線，提供更加豐富多樣的檢測結果；適用於建築工程中孔徑和孔斜的檢測。
文檔編號E21B47/002GK102748008SQ20121024757
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月18日 優先權日2012年7月18日
發明者楊光, 楊燕軍 申請人:武漢巖海工程技術有限公司