CN104727358A - 一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，包括：测控计算机、绞车和探头，测控计算机用于根据用户输入的信息生成对于探头的探头控制信号，并将探头控制信号转发给绞车；绞车根据探头控制信号控制探头启动超声波的发送和接收，并控制探头在地下桩孔内的动作；探头伸入到地下桩孔，在绞车的控制下进行升降并发射超声波，并且探头根据超声波时间差控制自身进行旋转，测控计算机根据桩孔数据绘制桩孔的三维全景图像和/或二维平面图像。本发明采用了360度旋转探测方式，比传统的固定探测方式能获取更丰富的侧壁信息，可以检测出目前仪器无法检测到的侧壁上细小的孔洞和裂缝。

Description

一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪

技术领域

本发明涉及地下桩孔检测技术领域，特别涉及一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪。

背景技术

现有的成孔检测方式主要包括以下几种：摄像机检测、激光测距检测、超声波检测和机械式检测。下面对上述几种检测方式进行介绍：

(1)摄像机检测：利用摄像头拍摄桩孔内部图像，实现对桩孔内部情况的全景观察。但是实际成孔检测中经常需要检测含有大量泥浆桩孔的质量，采用摄像检测方法只适用于空桩孔或含有清水的桩孔检测，并且这种检测只是提供了一种人眼可观察的图像，无法直接计算建筑生产中所需的桩孔直径、桩孔体积等桩孔属性。

(2)激光测距检测：采用激光测距的方式旋转探测桩孔内部信息。激光测距精度高，适于空桩孔的质量检测。由于激光在水、泥浆等介质中会迅速衰减，激光测距探测方法与利用摄像头探测成孔质量的方法类似，存在着不能在含有泥浆或浑水的孔洞中进行探测的缺点。

(3)机械式检测：机械式成孔检测方法能够检测桩孔孔形、及时纠正打桩机打孔产生的偏斜现象和孔径不够等质量问题。但是这类方法只能定性判断桩孔存在的质量瑕疵，无法定量的给出桩孔质量评估，不利于及时准确的指导修正打桩机打孔。

(4)超声波检测：采用超声波传感器检测成孔底部沉渣厚度。超声波传感器在清水、浑水和泥浆中都可以正常探测距离，是一种理想的成孔检测方法，主要检测目标只是桩孔底部的沉渣厚度。

目前建筑工程地下成孔质量检测方法主要分为接触式和非接触式两种。接触式检测仪器采用伞形测量腿紧贴孔壁沿成孔壁向上滑动，四条测量腿在滑动过程中随着孔壁的起伏而颤动，其颤动变化信息被采集后通过数据处理可获得成孔的相关参数。非接触式检测仪器主要通过超声技术进行检测，井下探头在升降过程中呈“十”字形发射超声波，通过接收反射波的信息并经处理后获得成孔“十”字形四个方向的孔壁线，经进一步计算获得成孔的相关参数。相比接触式检测方法，基于超声波检测技术的非接触式检测方法更精确方便，是目前较为先进的成孔质量检测方法。但由于只能对桩孔壁的四个90°方向进行检测得到四条孔侧壁线图，无法获取桩孔的全景信息，存在大量检测盲区，因此有必要对非接触式超声检测技术进行进一步研究，以获得地下桩孔的更完整的全景信息。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，可以采用了360度旋转探测方式，比传统的固定探测方式能获取更丰富的侧壁信息，可以检测出目前仪器无法检测到的侧壁上细小的孔洞和裂缝。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，包括：测控计算机、绞车和探头，其中，所述测控计算机通过以太网与所述绞车连接，所述绞车通过复合电缆与所述探头连接，其中，所述测控计算机用于根据用户输入的信息生成对于所述探头的探头控制信号，并将所述探头控制信号转发给所述绞车；所述绞车根据所述探头控制信号控制所述探头启动超声波的发送和接收，并控制所述探头在所述地下桩孔内的动作；所述探头伸入到地下桩孔，在所述绞车的控制下进行升降并发射超声波，其中，超声波遇到孔壁后反射，所述探头进一步接收由孔壁反射回的超声波，所述探头进一步根据检测到的超声波的发射时间、接收时间计算超声波的收发时间差，并根据所述超声波的收发时间差控制自身进行匀速旋转，其中，所述探头进行升降和旋转动作以探测所述桩孔的全部孔壁，所述探头检测所述超声波的传播速度和回波强度，计算桩孔数据，并将所述桩孔数据通过所述复合电缆发送至所述绞车，由所述绞车通过所述以太网进一步发送至所述测控计算机，其中，所述测控计算机根据所述桩孔数据绘制所述桩孔的三维全景图像和/或二维平面图像。

在本发明的一个实施例中，所述绞车包括：深度控制器，所述深度控制器与所述测控计算机通过以太网进行双向通信，用于接收所述测控计算机的探头控制信号和所述探头的桩孔数据，根据所述探头控制信号生成变频控制信号；变频器，所述变频器与所述深度控制器相连，用于接收所述深度控制器的变频控制信号，并根据所述变频控制信号生成电机驱动信号；电机，所述电机与所述变频器相连，用于在所述电机驱动信号的驱动下工作；排缆机构，用于在所述电机的驱动下，控制所述复合电缆的收放；编码器，用于检测所述排缆机构的行进距离，并反馈至所述深度控制器。

在本发明的一个实施例中，所述探头包括：电缆接头，所述电缆接头通过复合电缆连接至所述排缆机构，以在根据所述复合电缆的收放控制所述探头升降；数据采集器，数据采集器连接至所述电缆接头，用于通过所述电缆接头接收由所述复合电缆传输的探头控制信号，并根据所述控制信号发出超声波发射启动信号、超声波接收启动信号，以及根据桩孔数据中的超声波的收发时间差发出电机驱动信号；信号放大器，所述信号放大器与所述数据采集器相连，用于对所述超声波发射启动信号、超声波接收启动信号进行放大处理；电机控制器，所述电机控制器连接至所述数据采集器，用于根据所述电机驱动信号驱动步进电机工作；超声发射换能器和超声接收换能器，所述超声发射换能器和超声接收换能器均与所述信号放大器和所述步进电机相连，其中，所述超声发射换能器在接收到放大后的超声波发射启动信号后启动，并在所述步进电机的驱动下工作，所述超声发射换能器发射超声波信号，所述超声接收换能器在接收到放大后的超声波接收启动信号后启动，并在所述步进电机的驱动下进行匀速旋转，所述超声接收换能器接收由孔壁反射回的超声波返回信号；信号调理器，所述信号调理器与所述超声接收换能器相连，用于将所述超声波返回信号进行模数转换，生成对应的超声波数字信号，并将所述超声波数字信号发送至所述数据采集器，所述数据采集器根据所述超声波数字信号解析出所述超声波的收发时间差、传播速度和回波强度计算所述桩孔数据。

在本发明的一个实施例中，所述数据采集器计算所述桩孔数据包括：所述数据采集器根据所述超声波的收发时间差、传播速度计算所述探头至孔壁的距离；所述数据采集器根据所述超声波的回波强度变化，判断所述孔壁的材质。

在本发明的又一个实施例中，当所述探头停留于所述桩孔的一个固定深度且位于所述桩孔的圆心处时，如果所述探头匀速旋转一周且连续进行超声波的发射和接收，则所述数据采集器根据接收到的桩孔数据检测出该固定深度处的一圈的桩孔轮廓和材质变化。

在本发明的再一个实施例中，当控制所述探头的行进深度进行连续调整时，则所述数据采集器根据接收到的桩孔数据检测出连续深度处的桩孔轮廓和材质变化；当控制所述探头同时进行水平旋转和连续提升时，则所述数据采集器根据接收到的桩孔数据检测出所述桩孔井壁螺旋形的轮廓形状和材质变化。

在本发明的一个实施例中，所述复合电缆包括：信号线，用于实现所述绞车和所述探头的双向通信；电源线，用于向所述探头提供工作电源；加强筋，用于实现所述绞车对所述探头的加强连接。

在本发明的一个实施例中，所述测控计算机还用于根据所述桩孔数据计算所述桩孔的垂直度、孔径和容积。

在本发明的又一个实施例中，所述探头为圆柱形组件，采用360度旋转探测方式。

根据本发明实施例的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，采用了360度旋转探测方式，比传统的固定探测方式能获取更丰富的侧壁信息，可以检测出目前仪器无法检测到的侧壁上细小的孔洞和裂缝。在声学模型上，本发明通过超小型多元阵超声发射换能器和超声接收换能器，可以同时进行快速信号发送和接收，建立一个款第发射和频移接收的新型工作模式，使接收信号的信噪比得到大大提高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪的结构图；

图2为根据本发明实施例的探头伸入桩孔内部的示意图；

图3为根据本发明实施例的绞车和探头的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，包括：测控计算机1、绞车2和探头3。其中，测控计算机1通过以太网与绞车2连接，绞车2进一步通过复合电缆与探头3连接，由此，绞车可以实现与测控计算机1和探头3的数据通信。

具体地，测控计算机1可以根据用户输入的信息生成对于探头3的探头控制信号，并将该探头控制信号转发给绞车2。

测控计算机1可以为上位机，在测控计算机1设置有人机操控界面，用户可以通过人机操控界面输入绞车2和探头3的工作参数和控制命令。测控计算机1可以根据上述工作参数和控制命令生成对绞车2和探头3的配置命令和对于探头3的探头控制信号，通过以太网发送至绞车2。

绞车2根据上述配置命令配置完成，并根据探头控制信号控制探头3启动超声波的发送和接收，并控制探头3在地下桩孔内的动作。

如图3所示，绞车2包括：深度控制器21、变频器22、电机23、排缆机构24、编码器25和控制盒26。

具体地，深度控制器21与测控计算机1通过以太网进行双向通信，实现与测控计算机1的相互之间的实时数据传输。深度控制器21接收测控计算机1的配置命令和头控制信号，根据探头控制信号生成变频控制信号，以及将桩孔数据发送至测控计算机1。

变频器22与深度控制器21和控制盒26相连，接收深度控制器21的变频控制信号生成电机驱动信号。具体地，变频器22在控制盒26发出的控制信号和变频控制信号下，输出脉宽调制波形的电压，产生不同频率的正弦电流，即电机驱动信号，以控制电机23的转速。电机23与变频器22相连，在变频器22的电机驱动信号的驱动下工作。排缆机构24与电机23相连，在电机23的驱动下，控制复合电缆的收放。其中，复合电缆可以缠绕在排缆机构24上，复合电缆的一端连接到探头3上。绞车2与探头3之间通过复合电缆进行连接。

在本发明的一个实施例中，复合电缆包括：信号线、电源线和加强筋。其中，信号线用于实现绞车2和探头3的双向通信。电源线用于向探头3提供工作电源。加强筋用于实现绞车2对探头3的加强连接。

进一步，编码器25与深度控制器21相连，检测排缆机构24的行进距离，并反馈至深度控制器21。

探头3伸入到地下桩孔，在绞车2的控制下进行升降并发射超声波。其中，超声波遇到孔壁后反射。探头3进一步接收由孔壁反射会的超声波，根据检测到的超声波的发射时间、接收时间计算超声波的收发时间差。探头3根据超声波的收发时间控制自身进行匀速旋转。

需要说明的是，探头3首先在绞车2的控制下执行升降动作，在达到某一固定高度后，再执行旋转动作，完成该固定高度下的360旋转探测。而后，探头3进行执行升降动作行进至另一固定高度进行旋转动作，以此类推可以覆盖桩孔孔壁的全部区域，实现对桩孔的全部孔壁的探测。

探头3检测超声波的传播速度和回波强度，计算桩孔数据，并将桩孔数据通过复合电缆发送至绞车2的深度控制器21，由绞车2的深度控制器21通过以太网进一步发送至测控计算机1。测控计算机1根据桩孔数据回执桩孔的三维全景图像和/或二维平面图形。

参考图3，探头3包括：电缆接头31、数据采集器32、信号放大器33、电机控制器34、步进电机35、超声发射换能器36、超声接收换能器37和信号调理器38。

图2为根据本发明实施例的探头伸入桩孔内部的示意图。从图2中可以看出，探头3为一圆柱形组件，采用360度旋转探测方式对孔壁进行探测。探头3可以根据在水平和竖直两个维度方向上运动，即探头可以在水平方向上旋转，在竖直方向上升降。

具体的，电缆接头31通过复合电缆连接至排缆机构24，从而可以根据排缆机构24控制复合电缆的收放，达到控制所述探头升降的目的。数据采集器32连接至电缆接头31，可以通过电缆接头31接收由复合电缆传输的探头控制信号，并根据探头控制信号，按照设定的工作模式发出超声波发射启动信号、超声波接收启动信号。

信号放大器33与数据采集器32相连，用于对超声波发射启动信号、超声波接收启动信号进行放大处理。

超声发射换能器36和超声接收换能器均与信号放大器33和步进电机35相连。超声发射换能器36在接收到放大后的超声波发射启动信号后执行启动动作，发射超声波信号。

超声接收换能器37在接收到放大后的超声波接收启动信号后执行启动动作，接收由桩孔孔壁反射会的超声波返回信号。

信号调理器38与超声接收换能器37相连，可以将超声返回信号进行模数转换，生成对应的超声波数字信号，并将超声波数字信号发送至数据采集器32。数据采集器32根据超声波数字信号解析出超声波的收发时间差、传播速度和回波强度计算桩孔数据。具体地，数据采集器32根据得到的超声波的时间差可以精确控制换能器的匀速旋转，并将测得的桩孔数据实时传送给绞车2的深度控制器21，由绞车2的深度控制器21通过以太网进一步发送至测控计算机1。

具体的，数据采集器32计算桩孔数据包括：

(1)数据采集器32根据超声波的收发时间差、传播速度计算探头3至孔壁的距离；

(2)数据采集器32根据超声波的回波强度变化，判断孔壁的材质。

数据采集器32可以根据桩孔数据中的超声波的收发时间差发出电机驱动信号，该电机驱动信号中携带有用于控制探头3匀速旋转的控制信息。电机控制器34连接至数据采集器32，可以根据电机驱动信号驱动步进电机35工作。超声发射换能器36和超声接收换能器37在步进电机35的驱动下进行匀速旋转，从而完成对探头3所在的当前高度下对应孔壁区域的探测。在本发明的一个实施例中，当探头3停留于桩孔的一个固定深度且位于桩孔的圆心处时，如果探头3匀速旋转一周且连续进行超声波的发射和接收，则数据采集器32可以根据接收到的桩孔数据检测出该固定深度处的一圈的桩孔轮廓和材质变化。

当控制探头3的行进深度进行连续调整时，则数据采集器32可以根据接收到的桩孔数据检测出连续深度处的桩孔轮廓和材质变化。

当控制探头3同时进行水平旋转和连续提升时，则数据采集器32可以根据接收到的桩孔数据检测出桩孔井壁螺旋形的轮廓形状和材质变化。

测控计算机1接收由绞车2的深度控制器21发送的桩孔数据，检测探头的升降深度，并实时绘制桩孔的三维全景/二维平面图像，实现对桩孔的全景检测。其中，测控计算机1使用目前最先进的单片机控制程序智能控制测量全过程，并采用了三维成像技术和加伪彩色技术，使测量结果更直观，图像更清晰。

进一步，测控计算机1还可以用于根据桩孔数据计算桩孔的垂直度、孔径和容积等属性数据，并可生成/打印桩孔检测报表。

下面对本发明的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪的工作原理进行说明：将探头3下放到注入泥浆的桩孔底部后，启动超声发射换能器36发射超声波，超声波遇到桩孔壁后反射，被超声接收换能器37接收。超声接收换能器37将超声返回信号发送给信号调理器38，由信号调理器对其进行模数转换，生成对应的超声波数字信号，并将超声波数字信号发送至数据采集器32。数据采集器32通过精确检测超声波的发射、接收时间差，并根据超声波在泥浆中的传播速度，可以得出探头3至孔壁的距离，再根据超声波的回波强度变化，可以判断孔壁的材质差异，经过计算机进行数据处理，即可生成桩孔的三维全景图像。

根据本发明实施例的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，采用了360度旋转探测方式，比传统的固定探测方式能获取更丰富的侧壁信息，可以检测出目前仪器无法检测到的侧壁上细小的孔洞和裂缝。在声学模型上，本发明通过超小型多元阵超声发射换能器和超声接收换能器，可以同时进行快速信号发送和接收，建立一个款第发射和频移接收的新型工作模式，使接收信号的信噪比得到大大提高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (9)

1.一种360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，包括：测控计算机、绞车和探头，其中，所述测控计算机通过以太网与所述绞车连接，所述绞车通过复合电缆与所述探头连接，其中，

所述测控计算机用于根据用户输入的信息生成对于所述探头的探头控制信号，并将所述探头控制信号转发给所述绞车；

所述绞车根据所述探头控制信号控制所述探头启动超声波的发送和接收，并控制所述探头在所述地下桩孔内的动作；

所述探头伸入到地下桩孔，在所述绞车的控制下进行升降并发射超声波，其中，超声波遇到孔壁后反射，所述探头进一步接收由孔壁反射回的超声波，所述探头根据检测到的超声波的发射时间、接收时间计算超声波的收发时间差，并根据所述超声波的收发时间差控制自身进行匀速旋转，其中，所述探头进行升降和旋转动作以探测所述桩孔的全部孔壁，所述探头检测所述超声波的传播速度和回波强度，计算桩孔数据，并将所述桩孔数据通过所述复合电缆发送至所述绞车，由所述绞车通过所述以太网进一步发送至所述测控计算机，

所述测控计算机根据所述桩孔数据绘制所述桩孔的三维全景图像和/或二维平面图像。

2.如权利要求1所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，所述绞车包括：

深度控制器，所述深度控制器与所述测控计算机通过以太网进行双向通信，用于接收所述测控计算机的探头控制信号和所述探头的桩孔数据，根据所述探头控制信号生成变频控制信号；

变频器，所述变频器与所述深度控制器相连，用于接收所述深度控制器的变频控制信号，并根据所述变频控制信号生成电机驱动信号；

电机，所述电机与所述变频器相连，用于在所述电机驱动信号的驱动下工作；

排缆机构，用于在所述电机的驱动下，控制所述复合电缆的收放；

编码器，用于检测所述排缆机构的行进距离，并反馈至所述深度控制器。

3.如权利要求1所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，所述探头包括：

电缆接头，所述电缆接头通过复合电缆连接至所述排缆机构，以在根据所述复合电缆的收放控制所述探头升降；

数据采集器，数据采集器连接至所述电缆接头，用于通过所述电缆接头接收由所述复合电缆传输的探头控制信号，并根据所述控制信号发出超声波发射启动信号、超声波接收启动信号，以及根据桩孔数据中的超声波的收发时间差发出电机驱动信号；

信号放大器，所述信号放大器与所述数据采集器相连，用于对所述超声波发射启动信号、超声波接收启动信号进行放大处理；

电机控制器，所述电机控制器连接至所述数据采集器，用于根据所述电机驱动信号驱动步进电机工作；

超声发射换能器和超声接收换能器，所述超声发射换能器和超声接收换能器均与所述信号放大器和所述步进电机相连，其中，所述超声发射换能器在接收到放大后的超声波发射启动信号后启动，并在所述步进电机的驱动下进行匀速旋转，所述超声发射换能器发射超声波信号，所述超声接收换能器在接收到放大后的超声波接收启动信号后启动，并在所述步进电机的驱动下工作，所述超声接收换能器接收由孔壁反射回的超声波返回信号；

信号调理器，所述信号调理器与所述超声接收换能器相连，用于将所述超声波返回信号进行模数转换，生成对应的超声波数字信号，并将所述超声波数字信号发送至所述数据采集器，所述数据采集器根据所述超声波数字信号解析出所述超声波的收发时间差、传播速度和回波强度计算所述桩孔数据。

4.如权利要求1或3所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，所述数据采集器计算所述桩孔数据包括：

所述数据采集器根据所述超声波的收发时间差、传播速度计算所述探头至孔壁的距离；

所述数据采集器根据所述超声波的回波强度变化，判断所述孔壁的材质。

5.如权利要求4所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，当所述探头停留于所述桩孔的一个固定深度且位于所述桩孔的圆心处时，如果所述探头匀速旋转一周且连续进行超声波的发射和接收，则所述数据采集器根据接收到的桩孔数据检测出该固定深度处的一圈的桩孔轮廓和材质变化。

6.如权利要求5所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，当控制所述探头的行进深度进行连续调整时，则所述数据采集器根据接收到的桩孔数据检测出连续深度处的桩孔轮廓和材质变化；

当控制所述探头同时进行水平旋转和连续提升时，则所述数据采集器根据接收到的桩孔数据检测出所述桩孔井壁螺旋形的轮廓形状和材质变化。

7.如权利要求1所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，所述复合电缆包括：

信号线，用于实现所述绞车和所述探头的双向通信；

电源线，用于向所述探头提供工作电源；

加强筋，用于实现所述绞车对所述探头的加强连接。

8.如权利要求1所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，所述测控计算机还用于根据所述桩孔数据计算所述桩孔的垂直度、孔径和容积。

9.如权利要求1所述的360度立体成像的地下桩孔孔壁检测仪，其特征在于，所述探头为圆柱形组件，采用360度旋转探测方式。