CN103048330A - 一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，可用于在不干扰构建物运行的情况下实时灵活地探测其表面裂缝。使用超声无损清洗协同高压水射流清除附着于水下构建物表面的水垢、油污、苔藓和吸盘类生物从而确定探测部位，使用水下摄像头采集被清洗处图像，通过水声通信方式将图像传送至上位机端，以便探测人员观察探测部位。此水下构建物表面裂缝探测装置可以通过滑动导轨调整清洗探测位置，或进行多机组网，长期监测水坝、钻井平台等工程建筑的水下关键部位，避免新生裂缝扩大产生危害。

Description

一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置

技术领域

本发明涉及一种裂缝探测装置，特别是涉及一种水下构建物表面裂缝的可视化探测装置。 

背景技术

 水坝、钻井平台的水下构建物部分经过长时间的工作运行，受水质、水压以及各种生物化学因素的影响，其坝体、闸门等处难免出现裂缝、破损现象。由于构建物长期处于水下，探测、清洗不便，导致水垢沉积，各种藻类贝类生物附着滋生，往往又会遮蔽隐藏这些已经出现的问题。而这些初期出现的细微裂缝、破损若不能得到及时修补，其缺陷程度将会进一步扩大，可能引起大坝闸门无法及时开启，坝体无法正常工作甚至出现大面积坍塌的灾难性事故。为了预防上述重大事故的发生，目前常采用的方法是定期对大坝进行停工维护，即排空大坝蓄水，由大量工作人员亲临现场，人工清理坝体附着物，排查裂缝，修补缺损。这种方式虽然可行且效果良好，但耗费了大量的人力、物力，成本代价高，不适合于经常性维护，不适合于大范围地普及。

水下构建物表面清洗可采取机械敲打或超声清洗的方法。针对不同水下构建物表面覆盖物机械敲打力度不易掌握，且实现无人操作成本较高。超声空化是液体中由于超声的物理作用，在液体内的某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体中产生空穴或气泡，这些充有蒸气或空气的气泡处于非稳定状态，当它们突然闭合时，会产生激波。因而在局部微小区域产生很大的压力，从而把聚集起来的声场能量在液体中极小的空间内迅速释放出来，形成高温(可高达5000K以上)、高压(可高达5×10^7pa)以及强冲击波和射流等极端的物理条件。超声清洗技术利用超声波空化效应原理，经多年发展比较成熟，具有不易损坏被清洗物及实施成本低的特点。

水下构建物的远程操作控制方式有利于操作人员与正处于工作状态的水下构建物保持安全距离，方便转移维护监测工作地点，同时节约了铺设通信电缆的成本。远程操作控制可采取无线电波通信或水声通信的方法。根据物理学原理，无线电波在水中传播很短一段距离便会衰减耗尽，而水下构建物的维护检测若要不影响其正常工作便必须在水中进行，不利于无线电波的传输。水声通信使用在水中传播不易衰减的声波进行数据传输，是一项在水下传输数据的技术。目前水声通信技术已经发展得较为成熟，已发展到网络化的阶段，比较适合水下构建物的远程操作控制的数据传输。

发明内容

为了解决现有水下构建物维护检查方式中消耗大量人力、物力、时间，且整个过程构建物无法正常工作等问题，本发明提供了一种结合超声清洗和水声通信技术，可远程操作、自动化程度高、可组网、不干扰构建物正常工作的水下构建物表面可视化裂缝探测装置，

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于，包括：

一个位于上位机端的计算机；

一个用于上位机端进行水声通信的第一水声换能器；

一个用于连接计算机和第一水声换能器,将待发送或已接收信号调制解调的第一水声调制解调器；

一个用于清洗拍摄端进行水声通信的第二水声换能器；

一个用于连接第二水声换能器,将待发送或已接收信号调制解调的第二水声调制解调器；

一个用于产生超声驱动信号并传输给超声功率放大器的超声信号产生器；

一个用于驱动高压水射流喷头的高压水泵；

一个用于拍摄水下构建物表面图像的水下摄像头；

一个用于处理装置运行数据并与第二水声调制解调器、超声信号产生器、高压水泵和水下摄像头相连的核心处理器；

所述的超声信号产生器连接一个用于放大超声驱动信号以驱动超声清洗换能器的超声功率放大器；

所述的超声功率放大器连接一个用于清洗水下构建物表面的超声清洗换能器；

所述的高压水泵连接一个用于冲洗水下构建物表面的高压水射流喷头。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述的第一水声调制解调器使用FSK调制解调方式，所述第一水声调制解调器与所述计算机的连接使用RS232标准串口通信。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述第一水声换能器和第二水声换能器的中心频率各为32kHz。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述核心处理器采用单片机MSP430F149，使用3.3V直流电压供电。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述超声信号产生器采用SG3525PWM控制芯片产生超声驱动信号。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述超声功率放大器采用IRFP460 N通道、FET型、功率MOS管放大超声驱动信号。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述超声清洗换能器中心工作频率为28 kHz。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述高压水射流喷头形状为直管状，末端为锥型喷嘴。

前述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述水下摄像头采用CMOS传感器，最大分辨率为640×800，最大耐压防水深度为100米，内置LED补光灯。

本发明的有益效果是：由于此表面裂缝可视化探测装置具备远程操作、自动化程度高、可组网、不干扰水下构建物正常工作的特点，相较于传统的维护检查方式节省了人力、物力和时间，适合用长期监测水坝、钻井平台等工程建筑的水下关键部位，避免新生裂缝扩大产生危害。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，包括位于上位机端的计算机1；还包括一个用于上位机端进行水声通信的第一水声换能器3，所述第一水声换能器3的中心频率为32kHz。

还包括一个用于连接计算机1和第一水声换能器3的第一水声调制解调器2，所述的第一水声调制解调器2使用FSK调制解调方式，所述第一水声调制解调器2与所述计算机1的连接使用RS232标准串口通信。

还包括一个用于清洗拍摄端进行水声通信的第二水声换能器4，所述第二水声换能器4的中心频率为32kHz。

还包括一个用于连接第二水声换能器4,将待发送或已接收信号调制解调的第二水声调制解调器5。

还包括一个用于产生超声驱动信号并传输给超声功率放大器的超声信号产生器7，所述超声信号产生器7采用SG3525PWM控制芯片产生超声驱动信号。

还包括一个用于驱动高压水射流喷头的高压水泵10，所述的高压水泵10连接一个用于冲洗水下构建物表面的高压水射流喷头11，所述高压水射流喷头11形状为直管状，末端为锥型喷嘴。

还包括一个用于拍摄水下构建物表面图像的水下摄像头12，所述水下摄像头12采用CMOS传感器，最大分辨率为640×800，最大耐压防水深度为100米，内置LED补光灯。

还包括一个用于处理装置运行数据并与第二水声调制解调器5、超声信号产生器5、高压水泵10和水下摄像头12相连的核心处理器6，所述核心处理器6采用单片机MSP430F149，使用3.3V直流电压供电。

所述的超声信号产生器7连接一个用于放大超声驱动信号以驱动超声清洗换能器的超声功率放大器8，所述超声功率放大器8采用IRFP460 N通道、FET型、功率MOS管放大超声驱动信号。

所述的超声功率放大器8连接一个用于清洗水下构建物表面的超声清洗换能器9，所述超声清洗换能器9的中心工作频率为28 kHz。

工作原理：首先在岸上用数据线将计算机1与本装置的第一水声调制解调器2相连，第一水声调制解调器2经长数据线连接第一水声换能器3构成上位机端。将水声换能器3完全置于水下。同时将装置的清洗拍摄端固定于水下导轨或钢索上并使其贴近待探测的水下构建物表面。如图1所示，本装置的数据传输过程如下，计算机发出的二进制电信号经第一水声调制解调器2以FSK方式调制后,由第一水声换能器3转换为中心频率为32kHz的超声波在水中发射出去。置于装置清洗拍摄端的第二水声换能器4接收到水中的超声波后，将声波信号转化为电信号并送入第二水声调制解调器5，解调出的二进制电信号被送入核心处理器6,核心处理器6按照识别出的二进制电信号所表示的指令分别控制超声信号产生器7、高压水泵10、水下摄像头12的动作。水下摄像头12拍摄到的图像以二进制电信号形式发送给核心处理器6，由其压缩后经第二水声调制解调器5调制，第二水声换能器4发送，第一水声换能器3接收，第一水声调制解调器2解调后送入计算机1，最终显示待探测处图像。

本装置的水下构建物表面裂缝可视化探测过程如下，首先由计算机1发出水下构建物表面图像采集指令，核心处理器6接到该指令后控制水下摄像头12拍摄水下构建物表面图像，经水声信道传回计算机1。由操作人员根据显示的图像判断水下构建物表面是否存在影响裂缝探测的覆盖物。若存在，则控制计算机1发出水下构建物表面覆盖物清除指令，核心处理器6接到该指令后先定时控制超声信号产生器7发出28kHz超声驱动电信号，该信号经超声功率放大器8放大后驱动超声清洗换能器9工作，开展超声清洗作业。计时完毕后核心处理器6停止超声信号产生器7工作，同时定时控制高压水泵10开始工作。水流在高压水泵10驱动下形成高压水射流，经高压水射流喷头11聚焦后喷出，冲洗已被超声清洗作业乳化、松动的水下构建物表面覆盖物，达到清除覆盖物，使水下构建物表面露出的目的。计时完毕后核心处理器6停止高压水泵10工作，并控制水下摄像头12再次拍摄水下构建物表面图像后回传，操作人员根据计算机1上显示的清洗后图像判断水下构建物表面是否存在裂缝。

本发明涉及的水下构建物表面裂缝可视化探测装置采用分离式结构，计算机所处的上位机端与清洗拍摄端在最远相距300米的情况下经水声通信可实现实时动作控制和图像数据传输。为防止超声波相互串扰，本装置由软件设定其水声通信功能与超声清洗功能错时工作，提高了装置系统的稳定性。多台水下构建物表面裂缝可视化探测装置具备组网功能，可以将装置上水声通信部分设置为通信节点模式，以实现长距离（大于300米）情况下大面积水下构建物表面裂缝探测。本发明涉及的水下构建物表面裂缝可视化探测装置具有远程操作、稳定性强的特性，且整个清洗、探测过程都在液体环境中进行，可以在不影响水下构建物正常工作的情况下，长期设置在其关键部位，监测其表面裂缝的产生与扩大趋势，及时处理，防患于未然。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (9)

1. 一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于，包括：

一个位于上位机端的计算机；

一个用于上位机端进行水声通信的第一水声换能器；

一个用于连接计算机和第一水声换能器,将待发送或已接收信号调制解调的第一水声调制解调器；

一个用于清洗拍摄端进行水声通信的第二水声换能器；

一个用于连接第二水声换能器,将待发送或已接收信号调制解调的第二水声调制解调器；

一个用于产生超声驱动信号并传输给超声功率放大器的超声信号产生器；

一个用于驱动高压水射流喷头的高压水泵；

一个用于拍摄水下构建物表面图像的水下摄像头；

一个用于处理装置运行数据并与第二水声调制解调器、超声信号产生器、高压水泵和水下摄像头相连的核心处理器；

所述的超声信号产生器连接一个用于放大超声驱动信号以驱动超声清洗换能器的超声功率放大器；

所述的超声功率放大器连接一个用于清洗水下构建物表面的超声清洗换能器；

所述的高压水泵连接一个用于冲洗水下构建物表面的高压水射流喷头。

2.根据权利要求1所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述的第一水声调制解调器使用FSK调制解调方式，所述第一水声调制解调器与所述计算机的连接使用RS232标准串口通信。

3.根据权利要求1所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述第一水声换能器和第二水声换能器的中心频率各为32kHz。

4.根据权利要求1所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述核心处理器采用单片机MSP430F149，使用3.3V直流电压供电。

5.根据权利要求1所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述超声信号产生器采用SG3525PWM控制芯片产生超声驱动信号。

6.根据权利要求1所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述超声功率放大器采用IRFP460 N通道、FET型、功率MOS管放大超声驱动信号。

7.根据权利要求1所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述超声清洗换能器中心工作频率为28 kHz。

8.根据权利要求1-7中任一所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述高压水射流喷头形状为直管状，末端为锥型喷嘴。

9.根据权利要求8所述的一种水下构建物表面裂缝可视化探测装置，其特征在于：所述水下摄像头采用CMOS传感器，最大分辨率为640×800，最大耐压防水深度为100米，内置LED补光灯。

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