CN112664180A - 一种扫描法测成孔成槽检测探头、检测仪及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种扫描法测成孔成槽检测探头、检测仪及控制方法,包括探头,所述探头包括换能器组件、驱动组件、激光雷达组件;所述换能器组件包括换能器仓,所述换能器仓的内部设有声波换能器;所述驱动组件包括位于所述换能器仓一侧的防水外壳,所述防水外壳内固定设有电机,所述电机的输出轴连接有旋转轴,所述旋转轴与所述换能器仓固定连接;所述激光雷达组件包括激光旋转扫描头、以及透明护罩,所述透明护罩连接有连接座,所述连接座的外侧固定连接有液位传感器;本发明的成孔成槽检测仪拓展了常规成孔检测的应用环境,提高了检测精度和检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及到岩土工程领域中成孔成槽质量检测设备领域,具体涉及到一种扫描法测成孔成槽检测探头、检测仪及控制方法。
背景技术
岩土工程中应用声波反射法检测基桩钻孔成孔状况,要在钻孔完成后,放置钢筋笼并灌注混凝土前,在钻孔中的护壁泥浆中放置检测探头,在不同的深度位置向多个水平方向(一般不小于四个方向)发射声波,接收自钻孔孔壁反射回来的声波,通过反射声波的返回时间计算不同方向的孔壁间距,达到检测不同深度不同水平方向上基桩钻孔孔径的目的,进而了解钻孔的成孔质量状况。这种检测方法同样也可用于地下连续墙灌注前检测成槽质量状况。
《建筑桩基技术规范JGJ94-2008》、《建筑地基基础设计规范GB50007-2011》均由相关条款要求对钻孔灌注桩成孔状况和地下连续墙成槽状况进行检测,相关的技术规范有《钻孔灌注桩成孔、地下连续墙成槽检测技术规程DB/T29-112-2010》(天津)、《钻孔灌注桩成孔、地下连续墙成槽质量检测技术规程》DGJ32TJ117-2011(江苏)。
现有的成孔成槽检测装置,通常由检测探头和地面控制单元组成、绞车组成。检测探头通常由4-8个超声换能器组合而成。在每一个待检测深度,检测探头的控制单元分别控制多组超声换能器完成每个方向上的声波发射、接收记录相应的声波回波,并将记录的反射声波回波数据通过数据线传给地面控制单元。绞车通常由两根钢丝绳辅助电缆做垂直提升(俗称“双线绞车”),为了让两根钢丝绳尽可能同步,需要额外增加限位与平衡装置,设备不仅复杂,可靠性反而降低。
现有的成孔成槽检测装置存在几个明显的缺陷,第一,通过声波回波的到达时间计算孔壁与传感器的间距,要求已知护壁泥浆的声波波速,相关的技术规范都有在泥浆中校正泥浆波速的条文,但是这种校正只在某个深度的泥浆中进行,实际工程中不同深度的泥浆的密度是变化的,泥浆中的声速与泥浆密度是相关的,仅仅采用在某个深度的实测波速是不够的,在其他深度位置换算孔径时将存在误差;第二,无法测量干孔或者探头未下放到泥浆中的成孔成槽数据;第三,“双线绞车”体积笨重,且容易出现双线放线不同步,探头下放不平衡的问题,降低了成孔检测的便捷易用性和检测效率。第四,将记录的数据通过数据线传给地面控制单元时,由于钻孔深度往往达到百米以上,数据传输通常采用485通讯协议,在满足数据传输距离需求时,数据传输速度受到限制,导致实际检测时检测速度较慢。为了提升检测速度,一些厂家往往采用加大深度检测间距的dH,减少数据A/D位数,降低数据采集频率等办法,均对检测效果有不利影响。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种扫描法测成孔成槽检测仪,拓展了常规成孔检测的应用环境,提高了检测精度和检测效率。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种扫描法测成孔成槽检测仪,包括探头,所述探头包括换能器组件、驱动组件、激光雷达组件。
换能器组件包括换能器仓,和设置在换能器仓内部的声波换能器,以及与所述换能器仓和声波换能器形成密封关系的前盖、尾盖;声波换能器与换能器仓为柔性连接,可以消除机械振动对声波信号的干扰。
驱动组件的防水外壳两端分别与支撑护罩激光雷达组件的连接座固定,且两端分别有密封圈静态压紧密封;驱动组件中的电机固定在电机安装板上,旋转轴的底部D型内孔直接与电机伸出轴同轴固定;光耦开关安装在光耦安装板上后再整体固定在电机安装板上;旋转轴设有槽口,当光耦开关对准此槽口时代表电机已经旋转一周,然后***控制其反向转动一周,依次类推;支撑护罩内孔内装有油泥组合密封垫圈,组合密封垫圈的下端靠盖板压紧;旋转轴外圆与组合密封垫圈内孔动密封配合;支撑护罩的下端固定有四根支撑柱,防护顶帽固定在四根支撑柱上;防护顶帽及支撑柱,在探头下放过程中能对换能器组件起到防护作用,另外防护顶帽还能起到一定的配重作用,原因是当泥浆比较粘稠以及到达一定泥浆深度时,探头自重不够将难以下放到泥浆底部;换能器组件的换能器仓同轴固定在驱动组件的旋转轴上,旋转轴上具有双O型圈静态密封。
激光雷达组件的托盘固定在驱动组件的防水外壳底部,托盘底部与激光旋转扫描头底部锁紧,激光旋转扫描头可做360度旋转扫描;连接座外端还固封有液位传感器,用于检测探头的激光雷达组件是否探入泥浆等液体中,从而控制激光旋转扫描头是否关闭扫描;与激光旋转扫描头同一高度设置有透明护罩,透明护罩围绕罩住激光旋转扫描头,透明护罩两端分别与连接座、外管通过胶水固结。
外管内设有控制电路板,控制电路板两背面与支架固定,支架固定在尾座上,所述尾座固定在外管上端,尾座还固定连接有防水电缆插座、尾翼和把手,尾翼的作用主要是在流体中起到导流和平衡的作用。
地面绞车通过电缆与所述探头连接;还包括通过以太网线或者无线WIFI与所述地面绞车连接的地面主机或者无线控制终端。
一种扫描法测成孔成槽检测仪的控制方法,包括以下步骤:
S1:将探头置于待检测孔口的起始位置,保持探头静止不动,使得声波换能器发射端正对孔壁,匀速下放探头,实时记录下放深度;
S2:在探头的下放过程中,先启动激光旋转扫描头进行扫描,得到孔径的大概的大小,根据孔径的大小关联出电机的旋转速度和声波换能器的激励能量;
S3:控制电机反复的360度正反转,声波换能器自发自收超声波信号,孔壁反射回的超声波信号经转换成数字信号后,由电缆传送至地面绞车的控制电路,后经所述控制电路转换成网络信号,再通过无线路由器传输给地面主机;
S4:地面主机具有分析软件,对声波扫描的数据进行显示、存储和分析,得到孔壁反射信号返回的时间,从而可以计算孔的实际大小;同步分析声波扫描和激光扫描的数据,并分别形成两种360度全孔三维图像;
S5:探头继续下放过程中,当液位传感器检测到探头进入到液面环境后发出信号,激光旋转扫描头停止扫描工作,声波换能器继续扫描工作不停止。
控制电路板包括单片机控制单元、电机驱动单元、激光雷达驱动单元、接口单元和电源单元、惯性测量单元、电力载波模块、网络驱动电路、AD采集模块、超声激励与接收电路;控制电路板内各组成部分彼此电连接,且接口单元外部分别与防水电缆插座、电机和光耦开关、声波换能器、液位传感器的引出线电连接,防水电缆插座与电缆电连接。
探头匀速下放的过程中,惯性测量单元连续测量探头的方位角度和姿态角度,直至探头到达孔底,叠加所有深度的孔径测量数据和此方位角度后可以得到三维管壁模型,从而测出孔斜;当惯性测量单元实时检测的姿态角出现大于1度的偏差时,探头的单片机控制单元会通过电缆传输指令给地面绞车,地面绞车会逐渐降低绞车电机的放线速度,当姿态角恢复正常范围后自动恢复所述探头的下放速度;
孔壁反射回的超声波信号经过控制电路板的超声激励与接收电路转换成电信号,然后由AD采集模块经信号放大、滤波、提取等处理转换为数字信号,传输给单片机控制单元,再由网络驱动电路转给电力载波模块,将数字信号载入到电力信号通过电缆传输至地面绞车的控制电路;
当液位传感器检测到探头进入液面环境后传输电信号给单片机控制单元,然后控制激光雷达驱动单元停止激光旋转扫描头的扫描;
单片机控制单元通过与接口单元连接的电缆接收所述地面主机或者无线控制终端的控制信号。
当探头到达孔底时,电缆松弛后触动地面绞车的下限位开关,控制电路板控制地面绞车不再放线;
探头在向上迅速提升过程中,地面主机同样可以对孔径和孔斜进行测量,并同步生成声波扫描和激光雷达扫描的三维图像;
探头提升至孔口后,结束声波扫描和激光雷达扫描,并保存检测数据,至此完成整个成孔成槽的检测过程。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、本发明将孔壁反射回的超声波信号经过控制电路板的超声激励与接收电路转换成电信号,然后由AD采集模块经信号放大、滤波、提取等处理转换为数字信号,传输给单片机控制单元,再由网络驱动电路转给电力载波模块,将数字信号载入到电力信号通过电缆传输至地面绞车的控制电路,利用电力载波传输信号和供电,电缆精简成两芯,电缆接头稳定性更高,可以有效规避双线绞车造成的防线不同步等问题,使绞车结构简化很多,降低了成孔检测仪的复杂程度和操作难度;
2、使换能器组件的换能器仓同轴固定在驱动组件的旋转轴上,相较于现有技术中的设置多个超声换能器,本发明使单个超声换能器做360度旋转扫描,使探头成本更低;
3、通过设置激光雷达组件,在探头的下放过程中,先启动激光旋转扫描头进行扫描,得到孔径的大概的大小,根据孔径的大小关联出电机的旋转速度和声波换能器的激励能量,提高采样点数,从何提高检测精度和检测效率;
4、激光雷达扫描可以同步生成干孔的三维图像,拓展了常规成孔检测的应用环境;
5、同时启动激光雷达扫描和声波扫描,并同时展示两种扫描图像,可以更加直观的对两者进行对比,分析出声波扫描时可能的信号干扰;
6、设置液位传感器,一方面用于检测探头的激光雷达组件是否探入泥浆等液体中,从而控制激光旋转扫描头是否关闭扫描,另一方面用于检测所处泥浆层的密度的大小,关联出施工技术规范中的不同密度下声波的传播速度,在软件中对检测结果进行校正,得到与实际更加相符的结果。
附图说明
图1为本发明一种扫描法测成孔成槽检测仪的探头的结构示意图;
图2为本发明图1中A处的放大图;
图3为本发明一种扫描法测成孔成槽检测仪的结构示意图;
图4为本发明一种扫描法测成孔成槽检测仪的控制逻辑原理图;
图中:1、探头;11、换能器组件;111、换能器仓;112、前盖;113、尾盖;114、声波换能器;12、驱动组件;121、防水外壳;122、步进电机;123、电机安装板;124、光耦安装板;125、光耦开关;126、旋转轴;127、组合密封垫圈;128、盖板;129、支撑护罩;1291、支撑柱;1292、防护顶帽;13、激光雷达组件;131、连接座;132、透明护罩;133、液位传感器;134、激光旋转扫描头;135、托盘;136、外管;137、控制电路板;13701、单片机控制单元;13702、步进电机驱动单元;13703、激光雷达驱动单元;13704、接口单元;13705、电源单元;13706、惯性测量单元;13707、电力载波模块;13708、网络驱动电路;13709、AD采集模块;13710、超声激励与接收电路;138、支架;139、尾座;140、防水电缆插座;141、尾翼;142、把手;2、电缆;3、地面绞车;4、地面主机。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为均基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种扫描法测成孔成槽检测仪,包括探头1,所述探头包括换能器组件11、驱动组件12、激光雷达组件13。
换能器组件11包括换能器仓111,和设置在换能器仓111内部的声波换能器114,以及与所述换能器仓111和声波换能器114形成密封关系的前盖112、尾盖113;声波换能器114与换能器仓111为柔性连接,可以消除机械振动对声波信号的干扰。
驱动组件12的防水外壳121两端分别与支撑护罩129和激光雷达组件13的连接座131固定,且两端分别有密封圈静态压紧密封;驱动组件12中的步进电机122固定在电机安装板123上,旋转轴126的底部D型内孔直接与步进电机122伸出轴同轴固定;光耦开关125安装在光耦安装板124上后再整体固定在电机安装板123上;旋转轴126设有槽口,当光耦开关125对准此槽口时代表步进电机122已经旋转一周,然后***控制其反向转动一周,依次类推;支撑护罩129内孔内装有油泥组合密封垫圈127,组合密封垫圈127的下端靠盖板128压紧;旋转轴126外圆与组合密封垫圈127内孔动密封配合;支撑护罩129的下端固定有四根并列设置的支撑柱1291,防护顶帽1292固定在四根支撑柱1291上;防护顶帽1292及支撑柱1291,在探头1下放过程中能对换能器组件11起到防护作用,另外防护顶帽1292还能起到一定的配重作用,原因是当泥浆比较粘稠以及到达一定泥浆深度时,探头1自重不够将难以下放到泥浆底部;换能器组件11的换能器仓111同轴固定在驱动组件12的旋转轴126上,旋转轴126上具有双O型圈静态密封。
激光雷达组件13的托盘135固定在驱动组件12的防水外壳121底部,托盘135底部与激光旋转扫描头134底部锁紧,激光旋转扫描头134可做360度旋转扫描;连接座131外端还固封有液位传感器133;与激光旋转扫描头134同一高度设置有透明护罩132,透明护罩132围绕罩住激光旋转扫描头134,透明护罩132两端分别与连接座131、外管136通过胶水固结;液位传感器133用于检测探头1的激光雷达组件13是否探入泥浆等液体中,从而控制激光旋转扫描头134是否关闭扫描。
外管136内设有控制电路板137,控制电路板137两背面与支架138固定,支架138固定在尾座139上,所述尾座139固定在外管136上端,尾座139还固定连接有防水电缆插座140、尾翼141和把手142,尾翼141的作用主要是在流体中起到导流和平衡的作用。
地面绞车3通过电缆2与所述探头1连接;还包括通过以太网线或者无线WIFI与所述地面绞车3连接的地面主机4或者无线控制终端。
实施例2
一种扫描法测成孔成槽检测仪的控制方法,包括以下步骤:
S1:将探头1置于待检测孔口的起始位置,保持探头1静止不动,使得声波换能器114发射端正对孔壁,匀速下放探头1,实时记录下放深度;
S2:在探头1的下放过程中,先启动激光旋转扫描头134进行扫描,得到孔径的大概的大小,根据孔径的大小关联出步进电机122的旋转速度和声波换能器114的激励能量;
S3:控制步进电机122反复的360度正反转,声波换能器114自发自收超声波信号,孔壁反射回的超声波信号经转换成数字信号后,由电缆2传送至地面绞车3的控制电路,后经所述控制电路转换成网络信号,再通过无线路由器传输给地面主机4;
S4:地面主机4具有分析软件,一方面对声波扫描的数据进行显示、存储和分析,得到孔壁反射信号返回的时间,从而可以计算孔的实际大小;另一方面同步分析声波扫描和激光扫描的数据,并分别形成两种360度全孔三维图像;
S5:探头1继续下放过程中,当液位传感器133检测到探头1进入到液面环境后发出信号,激光旋转扫描头134停止扫描工作,声波换能器114继续扫描工作不停止。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于,控制电路板137包括单片机控制单元13701、步进电机驱动单元13702、激光雷达驱动单元13703、接口单元13704和电源单元13705、惯性测量单元13706、电力载波模块13707、网络驱动电路13708、AD采集模块13709、超声激励与接收电路13710;控制电路板137内各组成部分彼此电连接,且接口单元13704外部分别与防水电缆插座140、步进电机122和光耦开关125、声波换能器114、液位传感器133的引出线电连接,防水电缆插座140与电缆2电连接。
实施例4
本实施例与实施例2的区别在于,探头1匀速下放的过程中,惯性测量单元13706连续测量探头1的方位角度和姿态角度,直至探头1到达孔底,叠加所有深度的孔径测量数据和此方位角度后可以得到三维管壁模型,从而测出孔斜;当惯性测量单元13706实时检测的姿态角出现大于1度的偏差时,探头1的单片机控制单元13701会通过电缆2传输指令给地面绞车3,地面绞车3会逐渐降低绞车电机的放线速度,当姿态角恢复正常范围后自动恢复所述探头1的下放速度;
孔壁反射回的超声波信号经过控制电路板137的超声激励与接收电路13710转换成电信号,然后由AD采集模块13709经信号放大、滤波、提取等处理转换为数字信号,传输给单片机控制单元13701,再由网络驱动电路13708转给电力载波模块13707,将数字信号载入到电力信号通过电缆2传输至地面绞车3的控制电路;
当液位传感器133检测到探头1进入液面环境后传输电信号给单片机控制单元13701,然后控制激光雷达驱动单元13703停止激光旋转扫描头134的扫描;
单片机控制单元13701通过与接口单元13704连接的电缆2接收所述地面主机4或者无线控制终端的控制信号。
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于,当探头1到达孔底时,电缆2松弛后触动地面绞车3的下限位开关,控制电路板137控制地面绞车3不再放线;
探头1在向上迅速提升过程中,地面主机4同样可以对孔径和孔斜进行测量,并同步生成声波扫描和激光雷达扫描的三维图像;
探头1提升至孔口后,结束声波扫描和激光雷达扫描,并保存检测数据,至此完成整个成孔成槽的检测过程。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于,连接座131外端固封有密度传感器,密度传感器选为谐振式密度传感器,一方面用于检测探头1的激光雷达组件13是否探入泥浆等液体中,从而控制激光旋转扫描头134是否关闭扫描,另一方面用于检测所处泥浆层的密度的大小,关联出施工技术规范中的不同密度下声波的传播速度,在软件中对检测结果进行校正,得出更准确的测量孔径。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种扫描法测成孔成槽检测探头,其特征在于,包括探头,所述探头包括换能器组件、驱动组件、激光雷达组件;所述换能器组件包括换能器仓,所述换能器仓的内部设有声波换能器;所述驱动组件包括位于所述换能器仓一侧的防水外壳,所述防水外壳内固定设有电机,所述电机的输出轴连接有旋转轴,所述旋转轴穿过所述防水外壳、与所述换能器仓固定连接;所述激光雷达组件包括与所述防水外壳的一侧固定连接的托盘、以及与所述托盘连接的激光旋转扫描头、以及围绕所述激光旋转扫描头设置的透明护罩,所述透明护罩通过连接座与所述防水外壳密封固定连接,所述连接座的外侧固定连接有液位传感器或者密度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头,其特征在于,所述驱动组件包括与所述防水外壳固定连接的电机安装板,所述电机安装板与所述电机固定连接;所述电机安装板还连接有光耦安装板,所述光耦安装板连接有光耦开关;所述旋转轴设有槽口,所述光耦开关的探测端对准所述槽口。
3.根据权利要求1所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头,其特征在于,所述防水外壳密封连接有支撑护罩,所述支撑护罩连接有若干个并列设置的支撑柱,若干个所述支撑柱的一端共同固定连接有防护顶帽;所述支撑护罩套设于所述旋转轴的外侧,所述支撑护罩与所述旋转轴之间通过组合密封垫圈转动密封连接,所述组合密封垫圈与所述支撑护罩之间通过盖板连接固定;所述换能器仓位于所述支撑护罩与所述防护顶帽之间。
4.根据权利要求1所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头,其特征在于,所述透明护罩的一端密封连接有外管,所述外管内固定设有控制电路板;所述控制电路板包括单片机控制单元、电机驱动单元、激光雷达驱动单元、接口单元和电源单元、惯性测量单元、电力载波模块、网络驱动电路、AD采集模块、超声激励与接收电路;所述控制电路板内各组成部分彼此电连接,所述接口单元外部分别与所述电机、所述声波换能器、所述液位传感器的引出线电连接。
5.根据权利要求4所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头,其特征在于,所述外管的一端密封连接有尾座,所述尾座的朝向外管内的一侧连接有支架,另一侧连接有把手、尾翼、防水电缆插座。
6.包括权利要求1所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头的检测仪,其特征在于,包括地面绞车,所述地面绞车通过电缆与所述探头连接;还包括通过以太网线或者无线WIFI与所述地面绞车连接的地面主机或者无线控制终端。
7.应用权利要求1-5任意一项所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将所述探头置于孔口的起始位置,保持所述探头静止不动,使得所述声波换能器发射端正对孔壁,匀速下放探头,实时记录下放深度;
S2:在所述探头的下放过程中,先启动所述激光旋转扫描头进行扫描,得到孔径的大概的大小,根据孔径的大小关联出所述电机的旋转速度和所述声波换能器的激励能量;
S3:控制所述电机反复的360度正反转,所述声波换能器自发自收超声波信号,孔壁反射回的超声波信号经转换成数字信号后,由电缆传送至地面绞车的控制电路,后经控制电路转换成网络信号,通过无线路由器传输给地面主机;
S4:地面主机具有分析软件,对声波扫描的数据进行显示、存储和分析,得到孔壁反射信号返回的时间,从而可以计算孔的实际大小;同步分析声波扫描和激光扫描的数据,并分别形成两种360度全孔三维图像;
S5:所述探头继续下放过程中,当所述液位传感器检测到所述探头进入到液面环境后发出检测信号,所述激光旋转扫描头停止扫描工作,所述声波换能器继续扫描工作。
8.根据权利要求7所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头的控制方法,其特征在于,还包括以下方法:
所述探头匀速下放的过程中,惯性测量单元连续测量所述探头的方位角度和姿态角度,直至所述探头到达孔底,叠加所有深度的孔径测量数据和此方位角度后可以得到三维管壁模型,从而测出孔斜;当惯性测量单元实时检测的姿态角出现大于1度的偏差时,所述探头的单片机控制单元会通过电缆传输指令给地面绞车,地面绞车会逐渐降低绞车电机的放线速度,当姿态角恢复正常范围后自动恢复所述探头的下放速度。
9.根据权利要求7所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头的控制方法,其特征在于,步骤S3具体包括:
孔壁反射回的超声波信号经过控制电路板的超声激励与接收电路转换成电信号,然后由AD采集模块经信号放大、滤波、提取等处理转换为数字信号,传输给单片机控制单元,再由网络驱动电路转给电力载波模块,将数字信号载入到电力信号通过电缆传输至地面绞车的控制电路。
10.根据权利要求7所述的一种扫描法测成孔成槽检测探头的控制方法,其特征在于,步骤S5具体包括:
当所述液位传感器检测到所述探头进入液面环境后传输电信号给单片机控制单元,然后单片机控制单元控制激光雷达驱动单元停止所述激光旋转扫描头的扫描;
单片机控制单元通过与接口单元连接的电缆接收地面主机或者无线控制终端的控制信号。
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