CN102748008B - 可实现钻孔三维成像的检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现钻孔三维成像的检测装置及其方法，涉及建筑工程检测技术。本装置包括地面上的检测仪器（20）和电动绞车（30），设置有井下传感器，井下传感器由密封筒（32）、电缆插座（31）、主电路板（33）、环氧树脂防水层（35）、内部连接导线（34）、压力弹簧（27）、转动轴（36）、主电路板（33）、长杆（39）、测臂（22）、测臂电路板（37）、阻尼圆盘（38）组成。本发明简化了检测方法、提高工作效率；提高检测精度；通过三维成像，提供更加全面直观的检测结果；基于三维成像图，通过不同的数学方法，可计算出不同定义下的孔径和孔斜曲线，提供更加丰富多样的检测结果；适用于建筑工程中孔径和孔斜的检测。

Description

可实现钻孔三维成像的检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及建筑工程检测技术，尤其涉及一种可实现钻孔三维成像的检测装置及其方法。

背景技术

钻孔灌注桩是建筑工程中常见的基桩形式之一，它的作用是将上部建筑结构的荷载传递到深层稳定土层中或岩石层上，减少上部建筑结构的不均匀沉降。钻孔灌注桩的施工分为“钻孔”和向钻孔内“灌注混凝土”两个阶段。第一阶段的钻孔作业是在地下并配合注水完成，因此质量控制难度大，有时复杂的地质条件易引起施工中的失误，最后可能导致钻孔直径（孔径）大小不一、钻孔沿重力方向发生倾斜（孔斜）等问题。

经过第二阶段的灌注混凝土作业后，形成混凝土基桩。钻孔质量的好坏直接影响到基桩质量。如果孔径偏小（缩径），则基桩的侧摩阻力和底部端承力降低；如果孔径偏大（扩径），则基桩的局部侧摩阻力增大，而其他部分侧摩阻力得不到充分发挥，如果局部应力过于集中，易发生破坏效应（如断裂等）；同时如果孔径偏大，基桩的混凝土灌注量增加，费用提高，造成不必要的浪费。孔斜会改变基桩竖向受力的特性，减弱了基桩竖向承载力的有效发挥；同时给周围土层施加了一定程度的剪切力。因为土的抗剪特性一般较低，孔斜过大容易带来上部建筑结构的安全隐患，并且还可能造成吊放钢筋笼困难、塌孔、钢筋保护层厚度不足等施工质量问题。孔径和孔斜是保证钻孔灌注桩施工质量的两项重要指标，因此，在第一阶段钻孔作业完成后，立即进行孔径和孔斜的检测十分必要。

《建筑桩基技术规范》（中华人民共和国行业标准JGJ94-2008）6.2.4条规定：钻孔灌注桩的钻孔施工的允许偏差应满足表1的要求。

表1

目前使用的孔径和孔斜的检测方法主要有简易检测法、声波检测法和接触检测法。

一、简易检测法

检测装置为制作简单的检孔器，如圆球式、钢筋笼式、六边木条铰链式和卡尺式等。

圆球式检孔器原理图如图1。圆球式检孔器3由钢筋弯制，直径比待检测的孔径略小。钢丝绳4的一端连接圆球式检孔器3，另一端可由地面上的电机或人工驱动，在两个转向滑轮5的导引下，圆球式检孔器3可依靠自重放入钻孔1内。检测孔径时，若圆球式检孔器3能顺利到达孔底，表明孔径正常；否则表明实际孔径小于设计孔径，应进行扫孔或重钻。

图1中标尺6的原点O和最上面的转向滑轮5的中心点在同一铅垂线上，最上面的转向滑轮5的半径为r。在圆球式检孔器3到达孔底后，钻孔1内的钢丝绳4偏离标尺6的原点O的水平距离为e，偏离铅垂线的角度为θ，因此，孔斜的检测可由倾斜角θ表示：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{e-r}{h}\right)---\left[1\right]$

或者孔斜的检测由垂直度表示：

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\left(\frac{e-r}{h}\right)---\left[2\right]$

该方法的检测装置简单，操作方便，但无法检测出孔径和孔斜随孔深的变化。

二、声波检测法

该方法检测装置原理图如图2.1。声波传感器装置14内安装两组发射和接收声波传感器，可完成钻孔1内一个竖向剖面的检测。如果在另外一个竖向剖面也安装两组发射和接收声波传感器，并且两组之间构成十字正交方向，这样可完成钻孔1内两个相互正交的竖向剖面的检测。声波传感器发射的声波通过钻孔1内的混水介质传播，并到达内部孔壁。由于孔壁介质主要是土，其声阻抗与混水介质的声阻抗存在差异，导致部分声波发生反射；反射波被声波传感器接收，并转换成电信号通过电缆13送至地面上的声波检测仪10。通过分析两组反射波信号，可确定其在混水介质中的传播时间分别为t1和t2，在混水介质的波速已知为c的情况下，并且忽略声波发射和反射路径之间的夹角，可计算出图2.1所示的孔径距离d1和d2:

$d1=c\frac{t1}{2}---\left[3\right]$

$d2=c\frac{t2}{2}---\left[4\right]$

假设声波传感器装置14的直径为r，则孔径d为：

d＝d1-d2-r                    [5]

电动升降装置11放置于孔口上的支架12上，声波检测仪10控制电动升降装置11去提升或下降声波传感器装置14，以完成孔径在不同深度的检测。

图2.2为一示例曲线，其横轴表示孔径距离，竖轴表示深度。不同深度下的孔径值为两条竖向粗黑实线之间的横向距离。关于孔斜的计算，可采用不同的数学方法，例如首先确定孔径距离中间线（图2.2中粗黑虚线），再运用最小二乘法对该粗黑虚线进行线性插值，求得的直线斜率对应于孔斜或垂直度。

该方法较简易法而言，可测得孔径随深度的变化。但是，本方法的实现是基于能识别反射波信号，以确定其传播时间。首先，钻孔中的水质较混，充斥泥浆颗粒，声波传播时易发生散射、绕射等现象，造成声波转播能量的过度衰减；另外，声波的波阻抗为波速和密度的乘积，对于土和混水两种介质而言，土的波速一般小于混水的波速，而土的密度一般大于混水的密度，最后导致两种介质的波阻抗差异不如期望的那么大。上述原因使得反射波信号比较微弱，不易识别，造成声波检测法的工程应用存在原理上的局限。

三、接触检测法

该方法检测装置的井下部分由两个独立的装置组成：井下孔径检测装置和井下孔斜检测装置。因此，孔径和孔斜的检测是分别进行的。在检测过程中，井下孔径或孔斜检测装置需接触到钻孔内壁，故称之为接触检测法。

①孔径检测装置原理图如图3.1。井下孔径检测装置21安装四条测臂22并成十字正交，可完成钻孔1内两个竖向剖面的检测。测臂22的连接示意图如图3.2。测臂22在图中的O点处固定，其上方安装有压力弹簧27和滑动电位器25；测臂22的b端可以以O点为圆心作圆周运动；而a端为半圆钩形结构，并和滑动杆26自然接触。当测臂22的b端作圆周运动时，其a端将带动滑动杆26作上下直线运动，从而将改变滑动电位器25的电阻值。该值可经输出端24读出。

在孔径检测开始前，通过图3.1所示的测臂锁定装置23将测臂22固定，并首先将井下孔径检测装置21放入钻孔1底部。检测开始后，测臂锁定装置23被打开；在图3.2所示压力弹簧27的作用下，测臂22向外自然张开，并和钻孔1内壁接触。地面上的检测仪器20控制电动升降装置11，向上提升井下孔径检测装置21至不同的深度进行孔径的检测。孔径变大，则测臂22的张开角也变大；孔径变小，则测臂22的张开角也变小。因此孔径的变化，对应不同的滑动电位器25的电阻值。不同深度下得到的电阻值，被送到检测仪器20进行分析计算，根据事先标定的孔径和电阻值的关系曲线，由电阻值可直接得到对应的孔径值。

②孔斜检测装置原理图如图4。该装置采用高精度的传统测斜仪28，其检测沿铅锤线发生的倾斜角θ，检测结果可通过电缆13在地面上读出。实际检测时，钻孔1某一竖向剖面的倾斜方向事先不得而知，这样，可在钻孔1孔口处分别选取三点进行检测：O点为孔口中心点，a和b为孔口两端端点。从图4可以看出，当从b点进行检测时，由于传统测斜仪28能够依靠自重与钻孔1内壁完全接触，因而传统测斜仪28发生倾斜；而从O或a点进行检测时，传统测斜仪28是否发生倾斜还取决于传统测斜仪28所在的深度位置，以及钻孔1孔径的大小。通过多次检测并综合深度、孔径等信息，最后才可给出结论。

接触检测法较前两种方法而言，有一定的工程应用价值，但是，存在以下问题：

①孔径和孔斜的检测需要不同的装置，检测也无法一次完成，这人为的增加了现场的工作量；

②孔径检测的精度较低；如图3.2，测臂22的b端较大行程的圆周运动转换成滑动杆26较小行程的上下直线运动，大行程到小行程意味着传感精度损失；

③需要严格的标定程序；如图3.2，孔径到滑动电位器25所输出的电阻值的转换关系至少取决于：测臂22的b端的圆周运动，a端的半圆钩形结构的运动，滑动杆26的上下直线运动；因此，这种转换关系是非线性的，加之相关机械部件的加工精度存在误差，要保证孔径检测结果有较高的精度，严格的标定程序和冗长的标定过程是必不可少的；需要指出的是现有的做法是用孔径和电阻值之间的线性函数，通过最小二乘法去完成标定的；

④孔斜检测采用单独的传统测斜仪28；在实际检测时，传统测斜仪28需要依靠自重和钻孔1某方位内壁完全接触，因此所检测到的是该方位内壁的倾斜角，并不能完全代表钻孔1的倾斜角；

⑤传统测斜仪28是否能和钻孔1内壁完全接触，需要在钻孔1的孔口尝试不同的测点，并综合传统测斜仪28的深度位置，钻孔1的孔径等信息，给出检测结果；因而，检测过程复杂，检测结果需依靠人工经验。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的局限性，提供一种可实现钻孔三维成像的检测装置及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

一、可实现钻孔三维成像的检测装置（简称装置）

本装置包括地面上的检测仪器和电动绞车，设置有井下传感器，井下传感器由密封筒、电缆插座、主电路板、环氧树脂防水层、内部连接导线、压力弹簧、转动轴、主电路板、长杆、测臂、测臂电路板、阻尼圆盘组成；

其位置和连接关系是：

井下传感器通过电缆和地面上的检测仪器连接；

密封筒的顶部设置有电缆插座,用于和电缆连接；

密封筒的内部设置有主电路板、环氧树脂防水层、内部连接导线和压力弹簧；

密封筒的下端设置有四根成十字正交的测臂；

密封筒和测臂通过转动轴连接；

测臂内设置有测臂电路板，其被环氧树脂完全密封；

通过内部连接导线，测臂电路板、主电路板和电缆插座依次连接；

测臂的顶部和密封筒的内压力弹簧接触，并且测臂能在压力弹簧的作用下，绕转动轴自由向外张开；

密封筒的下部连接一长杆，用于固定四根测臂；

长杆下部套有一个阻尼圆盘，也用于固定四根测臂。

二、可实现钻孔三维成像的检测方法（简称方法）

本方法基于上述可实现钻孔三维成像的检测装置，通过在井下传感器的主电路板上安装的方位角传感芯片和测臂电路板上安装的倾斜角传感芯片来实现的。

本方法包括下列步骤：

①确认井下传感器的4根测臂被套入阻尼圆盘内，并固定在长杆周围；

②通过电动绞车将井下传感器缓慢放入钻孔内，同时根据电动绞车内的深度计数器确定井下传感器所处的深度位置；

③通过判断电缆的松紧，确认井下传感器是否到达钻孔底部，如果已到钻孔底部，可在检测仪器上读出钻孔深度值；

④人工迅速提拉电缆，利用钻孔内混水介质对阻尼圆盘的运动阻力，致使阻尼圆盘向下脱开，然后四根测臂向外张开；此时可在检测仪器上读出井下传感器的方位角（这表示井下传感器在钻孔内可能发生旋转，旋转后的位置由方位角确定；方位角的参考方向为大地磁场的正北方向），和四根测臂的张开角；反过来，可通过读出四根测臂的张开角来判断阻尼圆盘是否已经向下脱开，或四根测臂是否已经向外张开；

⑤通过电动绞车缓慢提升井下传感器，在预先设置的每个深度位置下，由检测仪器上读出并储存井下传感器的方位角和四根测臂的张开角；

⑥根据读出的井下传感器的方位角、四根测臂的张开角、和深度位置信息，由检测仪器绘制出钻孔三维成像图；

⑦基于钻孔三维成像图，计算出在不同方位下钻孔的孔径沿深度变化的曲线；

⑧基于钻孔三维成像图，计算出每个深度位置下钻孔的水平剖面的中心位置，此中心位置沿深度变化的曲线可视为孔斜曲线；

⑨井下传感器有四根测臂，这样在每个深度位置下的钻孔水平剖面上，获得四个检测点；为增加检测精度，待一次检测过程完成后，可将井下传感器转动一定的方位角，并再将其放入钻孔内重复上一次的检测过程；这样在每个深度位置下的钻孔水平剖面上，可获得八个检测点；依次类推，可获得十二，十六，二十等个检测点。

本发明具有下列优点和积极效果：

①简化检测方法、提高工作效率

本方法主要是检测在每个深度位置下的测臂张开角，并由此计算出孔径和孔斜，因此检测过程可一次完成；

②提高检测精度

检测精度取决于安装在测臂电路板内的倾斜角传感芯片，它可以直接给出测臂沿重力方向的倾斜角，并以数字方式输出；其检测精度可达0.1度；通常情况下整个检测装置无需标定；

③通过三维成像，提供更加全面直观的检测结果；

④基于三维成像图，通过不同的数学方法，可计算出不同定义下的孔径和孔斜曲线，提供更加丰富多样的检测结果；

⑤本发明适用于建筑工程中孔径和孔斜的检测。

附图说明

图1是简易检测法的圆球式检孔器示意图；

图2.1是声波检测法检测装置示意图；

图2.2是声波检测法示例曲线图；

图3.1是接触检测法孔径检测装置示意图；

图3.2是接触检测法孔径检测装置的测臂连接示意图；

图4是接触检测法孔斜检测装置示意图；

图5是本发明的可实现钻孔三维成像的检测装置示意图；

图6是工业控制电脑应用软件工作流程图；

图7是主电路板原理方框图；

图8是测臂电路板原理方框图；

图9是阻尼圆盘结构示意图（俯视）；

图10是井下传感器空间位置示意图；

图11是钻孔三维成像示意图；

图12是孔径和孔斜计算方法示意图。

图中：

1—钻孔；            2—原土；                 3—圆球检孔器；

4—钢丝绳；          5—转向滑轮；             6—标尺；

7—横梁；

10—声波检测仪；     11—电动升降装置；        12—支架；

13—电缆；           14—声波传感装置；

20—检测仪器；       21—井下孔径检测装置；    22—测臂；

23—测臂锁定装置；   24—输出端；              25—滑动电位器；

26—滑动杆；         27—压力弹簧；            28-传统测斜仪；

30—电动绞车；       31—电缆插座；            32—密封筒；

33—主电路板；       34—内部连接导线；        35-环氧树脂防水层；

36—转动轴；         37—测臂电路板；          38—阻尼圆盘；

39—长杆；           40-直流步进电机驱动线；

50—信号A插座；      51—串口转换器；          52-主加速度计；

53-ARM单片机；       54-磁阻传感器；           55-数字多路开关；

56—信号B插座；

60-信号C插座；       61-ARM单片机；            62-测臂加速度计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对可实现钻孔三维成像的检测装置详细说明：

一、总体结构

如图5,本装置包括地面上的检测仪器20和电动绞车30，设置有井下传感器，井下传感器由密封筒32、电缆插座31、主电路板33、环氧树脂防水层35、内部连接导线34、压力弹簧27、转动轴36、主电路板33、长杆39、测臂22、测臂电路板37、阻尼圆盘38组成；

其位置和连接关系是：

井下传感器通过电缆13和地面上的检测仪器20连接；

密封筒32的顶部设置有电缆插座31,用于和电缆13连接；

密封筒32的内部设置有主电路板33、环氧树脂防水层35、内部连接导线34和压力弹簧27；

密封筒32的下端设置有四根成十字正交的测臂22；

密封筒32和测臂22通过转动轴36连接；

测臂22内设置有测臂电路板37，其被环氧树脂完全密封；

通过内部连接导线34，测臂电路板37、主电路板33和电缆插座31依次连接；

测臂22的顶部和密封筒32的内压力弹簧27接触，并且测臂22能在压力弹簧27的作用下，绕转动轴36自由向外张开；

密封筒32的下部连接一长杆39，用于固定四根测臂22；

长杆39下部套有一个阻尼圆盘38，也用于固定四根测臂22。

二、功能部件

1、检测仪器20

检测仪器20是一种通用的二次仪表；检测仪器20的内部结构主要包括有：通用触摸显示液晶屏、通用工业控制电脑、通用通讯电路板和通用直流步进电机驱动板。

触摸显示液晶屏接受用户输入的指令或参数，显示检测结果；

工业控制电脑运行自行开发的应用软件，存储检测结果；

通用通讯电路板完成和井下传感器的通讯功能；

通用直流步进电机驱动板产生直流步进电机工作时所需的驱动电流。

检测仪器20通过电缆13与井下传感器进行数据通讯，并驱动电动绞车20以控制井下传感器在钻孔1内的升降；最终记录每个深度下的井下传感器的方位角和四个测臂22的倾斜角。

如图6，所述的工业控制电脑运行自行开发的应用程序的工作流程包括下列步骤：

①工作开始A；

②判断人工检查四个测臂是否已固定在阻尼圆盘内B，是则进入下一步骤，否则人工固定四个测臂在阻尼圆盘内C，再继续步骤②；

③下放井下传感器至钻孔底部D；

④判断电缆是否松弛E，是则进入下一步骤，否则转跳到步骤③；

⑤初始化参数：确定井下传感器深度位置h=a，并且设置井下传感器提升步距s=bF；

⑥人工急速提拉电缆使阻尼圆盘下坠，四个测臂脱离阻尼圆盘，并向外自由张开G；

⑦通过测臂倾斜角判断四个测臂是否已经张开H，是则进入下一步骤，否则转跳到步骤⑥；

⑧按步距提升井下传感器，并且h=h–sI；

记录井下传感器的方位角和四个测臂的倾斜角J；

绘制钻孔的深度-孔径曲线K；

绘制钻孔的深度-孔斜曲线L；

绘制钻孔的三维成像图M；

判断井下传感器是否到达钻孔的孔口，即h≤0N，是则进入下一步骤，否继续步骤⑧；

⑨停止提升井下传感器O；

⑩工作结束P。

2、电动绞车30

电动绞车30内置有直流步进电机，直流步进电机驱动电动绞车30正转或反转，从而按设定的步距提升或下放井下传感器。

3、直流步进电机驱动线40

直流步进电机驱动线40连接电动绞车30内的直流步进电机和检测仪器20内的通用直流步进电机驱动板，其作用是传递直流步进电机工作时所需的驱动电流。

4、电缆13

电缆13盘绕在电动绞车30上，并连接井下传感器和地面上的检测仪器20；其作用是传递通讯信号及检测数据，并承担井下传感器的重力负荷。

5、电缆插座31

电缆插座31是一种通用件，连接密封筒32内的内部连接导线34。

6、密封筒32

密封筒32通常采用不锈钢材料；可保证井下传感器在100米深的充满水的钻孔下，密封筒32内的主电路板33能正常工作。

7、主电路板33

如图7，主电路板33由信号A插座50、串口转换器51、主加速度计52、ARM单片机53、磁阻传感器54、数字多路开关55和信号B插座56组成。

信号A插座50和串口转换器51连接；

数字多路开关55和信号B插座56连接；

串口转换器51、主加速度计52、磁阻传感器54和数字多路开关55分别与ARM单片机53连接。

主电路板33的工作原理：

主加速度计52和磁阻传感器54用于井下传感器的方位角检测；其中，主加速度计52将检测到倾斜角数据通过SPI接口传递到的ARM单片机53中，而磁阻传感器54将检测到的磁阻三分量通过I2C接口传递到的ARM单片机53中；最后由存储在ARM单片机53中通用算法计算出井下传感器的方位角；

ARM单片机53可通过数字多路开关55分别接受来自于四个测臂电路板37的倾斜角数据；四个测臂电路板37通过内部连接导线34连接至信号B插座56；

ARM单片机53通过串口转换器51，连接至信号A插座50，再通过内部连接导线34和电缆插座31相连，以完成井下传感器和地面上的检测仪器20的数据交换。

主电路板33的主要器件：

1）ARM单片机53

可选用菲利浦公司的LPC2114系列。

2）主加速度计52

可选用Analog Device公司的ADIS16003，其通过SPI接口的4根信号线MOSI、MISO、CLK、CS和ARM单片机53连接。

3）磁阻传感器54

可选用Honeywell公司的HMC5843,其通过I²C接口的2根信号线SDA、SCL和ARM单片机53连接。

4）数字多路开关55

可选用通用的74LS151，其地址信号端（A0、A1、A2）和ARM单片机53的数据I/O口（P10、P11、P12）；数字多路开关55的数据输出端Y和ARM单片机53的RXDO端相连；数字多路开关55的数据输入端（D0、D1、D2、D3）连接至信号B插座56。

5）信号B插座56

可选用通用IC插座,其连接来自于四个测臂电路板37的串行数据（TXD1、TXD2、TXD3、TXD4）；其中，信号B插座56的PWM为数据传输同步端，其连接ARM单片机53的PWM信号端。

6）串口转换器51

选用MAXIM公司的MAX3422，其作用是将RS-232串口（TXD、RXD）转换成RS-422串口（A、B、Z、Y），以便于长线传输；

7）信号A插座50

可选用通用IC插座；为通用RS-422接口。

8、环氧树脂防水层35

环氧树脂防水层35设置在密封筒32内，用于保护其上方的主电路板33和电缆插座31；来自于四个测臂电路板37的内部连接导线34从环氧树脂防水层35中穿过，连接至上方的主电路板33和电缆插座31。

9、内部连接导线34

内部连接导线34用于连接四个测臂电路板37、主电路板33和电缆插座31。

10、压力弹簧27

四个压力弹簧27分别安装在四个测臂22之上；在压力弹簧27的作用下，测臂22绕转动轴36向外转动，并可向外自由张开。

11、转动轴36

转动轴36是测臂22和密封筒32的连接点，并且测臂22可绕转动轴36向外转动。

12、长杆39

长杆39连接至密封筒32的底端，用于固定四个测臂22；在将长杆39连接至密封筒32之前，因先将阻尼圆盘38套入长杆39中；长杆39的底端设计成一个横截面积突然变大的锥形圆头，其目的是防止阻尼圆盘38脱落；

14、测臂电路板37

如图8，测臂电路板37由依次连接的信号C插座60、ARM单片机61、测臂加速度计62组成。

测臂电路板37的工作原理：

测臂加速度计62用于测臂22的倾斜角检测；测臂加速度计62将检测到倾斜角数据通过SPI接口传递到的ARM单片机61中；

ARM单片机61的串口输出端（TXD）连接至信号C插座60；信号C插座60的数据传输同步端PWM，连接至ARM单片机61的EINT信号端。

测臂电路板37的主要器件：

1）ARM单片机61

可选用菲利浦公司的LPC2114系列。

2）测臂加速度计62

可选用Analog Device公司的ADIS16003，其通过SPI接口的4根信号线MOSI、MISO、CLK、CS和ARM单片机61连接；

3）信号A插座60

可选用通用IC插座；通过信号A插座60，每个测臂电路板37的ARM单片机61的串口信号输出（TXD），可连接至主电路板33中的信号B插座56中（TXD1、TXD2、TXD3、TXD4）。

15、阻尼圆盘38

如图9，通过阻尼圆盘38的中心园孔，阻尼圆盘38被套入长杆39上；四个测臂22可依靠和阻尼圆盘38内壁的摩擦力，被固定在长杆39的周围。

三、工作原理

本发明是通过在井下传感器的主电路板33上安装的方位角传感芯片（包括主加速度计52和磁阻传感器54）和测臂电路板37上安装的倾斜角传感芯片（是测臂加速度计62吗）来实现的。

井下传感器首先被下放至钻孔底部，此时进行钻孔的深度校准，尔后检测开始。在地面上的检测仪器20内的应用程序控制下，按预先设定的步距提升井下传感器至每个深度，并记录下每个深度位置下的方位角和四个成十字正交的测臂22的倾斜角（或称张开角）θ_i,j,这里i表示每个测臂（i=1…4），j表示井下传感器的深度位置(j=1…n,包含从钻孔1底部至孔口的每个深度位置，n为深度位置总数)，该位置对应井下传感器的底端。

根据每个深度位置j(j=1…n）的方位角以及四个测臂的倾斜角θ_i,j（i=1…4），就可以构建三维成像图，并绘制孔径和孔斜曲线，其过程如下：

1）如图10所示的三维空间坐标系中，井下传感器被提升至钻孔内某一深度位置j，图10中仅第一个和第三个测臂被显示（i=1、3）。经检测得出，第一个和第三个测臂与长杆的夹角分别为θ_1,j和θ_3,j，井下传感器方位角为如果测臂的长度为L，长杆的长度为H，则两个测臂末端端点的空间位置坐标（称为实测点），可以较容易地通过传统的空间解析几何方法得出，即P1(x1、y1、z1)和P3(x3、y3、z3)；同样的方法，可得出其他两个测臂末端端点的空间位置，即P2(x2、y2、z2)和P4(x4、y4、z4)。虽然四个实测点（P1、P2、P3、P4）都是在井下传感器处于同一深度位置j时所获得，但由于测臂和长杆之间的夹角θ_1,j（i=1…4）可能互不相等，因而可能出z1≠z2≠z3≠z4，最后导致在井下传感器的每个深度位置j，获得四个实测点在四个深度位置上（z1、z2、z3、z4），因而所有实测点的深度位置以k表示，其最大变化范围：k=1…4n。

2）图11所示为构建三维成像图的范例。k=1…12为实测点的深度位置，每一深度位置对应一个椭圆横截面；四条竖向线对应四个测臂（i=1…4），其中圆点为实测点，方点为插值点。插值点产生的方法是：如果需要得到某个支臂在某一深度的插值点，则先找到该支臂在该深度两侧最近的两个实测点（如果该支臂的实测点均在该深度同一侧，则找出该支臂在这一侧离该深度最近的两个实测点），过这两个实测点做一直线，该直线与该深度位置的截点即为所需的插值点；例如，连接相邻的实测点P_1,10和P_1,8，可得到在深度位置k=9的插值点为P_1,9，在深度位置k=11的插值点为P_1,11，和在深度位置k=12的插值点为P_1,12；这样，每个深度位置都有四个点，例如在深度位置k=12,四个点依次是P_1,12、P_2,12、P_3,12、P_4,12；通过通用的平面几何方法，可找到穿过这四个点的椭圆，且该椭圆的一个主轴的方位角为0度（或180度）。依次得到每个深度位置（k=1…12）椭圆的空间位置之后，再利用NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines，即非均匀有理B样条）方法将这些椭圆在空间上沿竖向方向连接，即可构建三维成像图。

3）根据三维成像图绘制孔径曲线。如图12，在每个深度位置的椭圆上，可找到中心点P_0,k（k=1…12）；P_1,k、P_2,k和P_3,k（k=1…12）均为每个深度位置椭圆上的截点，并且假设P_1,k是椭圆上一点且满足向量P_0,kP_1,k（k=1…12）所指向的方向为方位角0度，过椭圆中心P_0,k作弦P_2,kP_3,k且满足向量P_0,kP_1,k和向量P_0,kP_2,k（k=1…12）之间的夹角为α，并且三个截点P_2,kP_0,kP_3,k（k=1…12）在一条直线上，那么在每个深度位置α方位角上的孔径可定义成向量P_2,kP_3,k（k=1…12）的长度，该长度值随深度位置的变化即为α方位角上的孔径曲线；显然对于不同的方位夹角α，会有不同的孔径曲线。

4）根据三维成像图绘制孔斜曲线。如图12，孔斜曲线可有椭圆中心点来给出，即依次连接每个深度位置的椭圆中心点P_0,k（k=1…12），该中心点随深度位置在空间上的变化即被定义成种孔斜曲线。还有一种孔斜曲线的定义和方位角有关，对于给定的方位夹角α，可得到每个深度位置在椭圆上的截点P_2,k（k=1…12）且满足向量P_0,kP_1,k（P_1,k是椭圆上一点，且满足向量P_0,kP_1,k（k=1…12）所指向的方向为方位角0度）和向量P_0,kP_2,k（k＝1…12）之间的夹角为α，该截点随深度位置在空间上的变化即被定义成另一种孔斜曲线。

Claims (6)

1.一种可实现钻孔三维成像的检测装置，其特征在于：

本装置包括地面上的检测仪器（20）和电动绞车（30），设置有井下传感器，井下传感器由密封筒（32）、电缆插座（31）、主电路板（33）、环氧树脂防水层（35）、内部连接导线（34）、压力弹簧（27）、转动轴（36）、主电路板（33）、长杆（39）、测臂（22）、测臂电路板（37）、阻尼圆盘（38）组成；

其位置和连接关系是：

井下传感器通过电缆（13）和地面上的检测仪器（20）连接；

密封筒（32）的顶部设置有电缆插座（31）,用于和电缆13连接；

密封筒（32）的内部设置有主电路板（33）、环氧树脂防水层（35）、内部连接导线（34）和压力弹簧（27）；

密封筒（32）的下端设置有四根成十字正交的测臂（22）；

密封筒（32）和测臂（22）通过转动轴（36）连接；

测臂（22）内设置有测臂电路板（37），其被环氧树脂完全密封；

通过内部连接导线（34），测臂电路板（37）、主电路板（33）和电缆插座（31）依次连接；

测臂（22）的顶部和密封筒（32）的内压力弹簧（27）接触，并且测臂（22）能在压力弹簧（27）的作用下，绕转动轴（36）自由向外张开；

密封筒（32）的下部连接一长杆（39），用于固定四根测臂（22）；

长杆（39）下部套有一个阻尼圆盘（38），也用于固定四根测臂(22)。

2.按权利要求1所述的一种可实现钻孔三维成像的检测装置，其特征在于：

所述的检测仪器20是一种通用的二次仪表；自行开发的应用程序的工作流程包括下列步骤：

①工作开始（A）；

②判断人工检查四个测臂是否已固定在阻尼圆盘内（B），是则进入下一步骤，否则人工固定四个测臂在阻尼圆盘内（C），再继续步骤②；

③下放井下传感器至钻孔底部（D）； 

④判断电缆是否松弛（E），是则进入下一步骤，否则转跳到步骤③；

⑤初始化参数：确定井下传感器深度位置h=a，并且设置井下传感器提升步距s=b（F）；

⑥人工急速提拉电缆使阻尼圆盘下坠，四个测臂脱离阻尼圆盘，并向外自由张开（G）；

⑦通过测臂倾斜角判断四个测臂是否已经张开（H），是则进入下一步骤，否则转跳到步骤⑥；

⑧按步距提升井下传感器，并且h=h–s（I）；

记录井下传感器的方位角和四个测臂的倾斜角（J）；

绘制钻孔的深度-孔径曲线（K）；

绘制钻孔的深度-孔斜曲线（L）；

绘制钻孔的三维成像图（M）；

判断井下传感器是否到达钻孔的孔口，即h≤0（N），是则进入下一步骤，否继续步骤⑧；

⑨停止提升井下传感器（O）；

⑩工作结束（P）。

3.按权利要求1所述的一种可实现钻孔三维成像的检测装置，其特征在于：

所述主电路板（33）由信号A插座（50）、串口转换器（51）、主加速度计（52）、ARM单片机（53）、磁阻传感器（54）、数字多路开关（55）和信号B插座（56）组成；

信号A插座（50）和串口转换器（51）连接；

数字多路开关（55）和信号B插座（56）连接；

串口转换器（51）、主加速度计（52）、磁阻传感器（54）和数字多路开关（55）分别与ARM单片机（53）连接。

4.按权利要求1所述的一种可实现钻孔三维成像的检测装置，其特征在于：

所述测臂电路板（37）由依次连接的信号C插座（60）、ARM单片机（61）、测臂加速度计（62）组成。

5.基于权利要求1所述的一种可实现钻孔三维成像的检测装置的检测方法， 其特征在于包括下列步骤：

①确认井下传感器的4根测臂（22）被套入阻尼圆盘（38）内，并固定在长杆（39）周围；

②通过电动绞车（30）将井下传感器缓慢放入钻孔（1）内，同时根据电动绞车（30）内的深度计数器确定井下传感器所处的深度位置；

③通过判断电缆（13）的松紧，确认井下传感器是否到达钻孔（1）底部，如果已到钻孔（1）底部，可在检测仪器（20）上读出钻孔深度值；

④人工迅速提拉电缆（13），利用钻孔（1）内混水介质对阻尼圆盘（38）的运动阻力，致使阻尼圆盘（38）向下脱开，然后四根测臂（22）向外张开；此时可在检测仪器（20）上读出井下传感器的方位角，和四根测臂（22）的张开角；反过来，可通过读出四根测臂（22）的张开角来判断阻尼圆盘（38）是否已经向下脱开，或四根测臂（22）是否已经向外张开；

⑤通过电动绞车（30）缓慢提升井下传感器，在预先设置的每个深度位置下，由检测仪器上读出并储存井下传感器的方位角和四根测臂的张开角；

⑥根据读出的井下传感器的方位角、四根测臂的张开角和深度位置信息，由检测仪器绘制出钻孔三维成像图；

⑦基于钻孔三维成像图，计算出在不同方位下钻孔（1）的孔径沿深度变化的曲线；

⑧基于钻孔三维成像图，计算出每个深度位置下钻孔（1）的水平剖面的中心位置，此中心位置沿深度变化的曲线可视为孔斜曲线；

⑨井下传感器有四根测臂（22），这样在每个深度位置下的钻孔水平剖面上，获得四个检测点。

6.按权利要求5所述的检测方法，其特征在于步骤⑨：

为增加检测精度，待一次检测过程完成后，可将井下传感器转动一定的方位角，并再将其放入钻孔内重复上一次的检测过程；这样在每个深度位置下的钻孔水平剖面上，可获得八个检测点；

依次类推，可获得十二、十六和二十个检测点。