CN104678453A - 用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置 - Google Patents

用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，包括孔内自动行走装置和钻孔雷达线缆收送机。孔内自动行走装置中的移动轮驱动装置可以控制移动轮转动，使钻孔雷达天线在水平钻孔套管中前后自主移动。光电编码器可以得到钻孔雷达天线在钻孔套管中移动的距离。通信线缆绕在钻孔雷达线缆收送机内部的卷线盘上，线缆收送机控制器根据线缆受力信息和天线移动距离控制卷线盘的转速，实现对通信电缆的自动收送操作。钻孔雷达天线可以在钻孔套管中自主移动而无需人工干预；线缆收送机可以自动递送和回收通信线缆而无需人工干预。

Description

用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置
技术领域
本发明涉及一种天线自动探测辅助装置，尤其涉及用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置。
背景技术
钻孔雷达方法是一种确定地下介质分布的广谱电磁技术，将发射天线和接收天线都放置在同一钻孔中且间距固定，根据接收端电磁波的双程走时、振幅和波形资料，可以推测出地下岩土介质的结构特征。钻孔雷达的解译是在数据处理后所得的地质雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质特征。
超前地质钻孔雷达被视为一种精细化超前预报方法，常用于隧道超前地质探测中，力图在施工前掌握前方的岩石土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况和地应力情况等地质信息，为进一步施工提供指导并避免发生地质灾害，保证施工安全和顺利的进行。
但在现有钻孔雷达探测中，常使用拼接PVC杆或绳索的方式对钻孔雷达天线进行递送和回收，整个过程都需要人工进行操作，且人工记录钻孔雷达天线移动距离的方式存在较大误差；由于钻孔雷达可以探测的深度很大，因此通信电缆很长，再加上通信电缆较为粗重，所以在钻孔雷达天线进行递送和回收过程中，人工整理通信电缆的工作量极大。因此，现有钻孔雷达探测方式人工操作复杂且移动距离记录精度不高，迫切需要一套用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，用于自动递送和回收钻孔雷达天线，自动记录钻孔雷达天线移动距离，自动整理通信电缆。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，且具有以下优点：钻孔雷达天线可以在钻孔套管中自主移动而无需人工干预；线缆收送机可以自动递送和回收通信线缆而无需人工干预。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
在钻孔雷达天线头尾两端分别安装定子，包括前端定子和后端定子，在所述定子上设有孔内自动行走装置，可带动钻孔定向雷达天线在钻孔内前后移动；所述孔内自动行走装置通过线缆与雷达主机进行信号传输和移动控制。
所述定子上设有移动轮和驱动模块，所述移动轮和驱动模块共同构成孔内自动行走装置；所述驱动轮模块包括驱动电机和光电编码器，所述驱动电机驱动移动轮转动进而带动钻孔雷达天线实现孔内的自动行走功能，所述光电编码器通过记录驱动电机转动的圈数得到钻孔定向雷达天线在水平钻孔中前后移动的距离。
所述定子的横断面为圆形，在其水平竖直方向的等四分相位处分别设有四个移动轮和与之相连的驱动轮模块，所述移动轮的外侧露出所述外壳。
在所述后端定子上设有姿态检测模块，所述姿态检测模块由加速度计、陀螺仪和罗盘组成，可分别获得雷达天线在钻孔中移动时的加速度、角速度和地磁夹角信息，进而得到钻孔定向雷达天线在钻孔内的姿态信息。
在所述前端定子上设有传感器组，所述传感器组包括摄像头、探照灯和距离传感器，用以获取所述钻孔定向雷达天线在钻孔内的位置信息；所述定子的中心设有定子线缆过孔，可供线缆通过，所述后端定子尾部通过线缆与雷达主机连接。
所述线缆由雷达主机控制线缆收送机进行自动收送，钻孔雷达主机可以对整个探测过程进行控制和查看。
所述线缆收送机内部设有绕线电机模块、线缆收送机控制器和卷线盘，所述线缆绕在卷线盘上，绕线电机模块带动卷线盘转动，线缆收送机控制器通过光电编码器得到的天线移动距离控制卷线盘的转速。
所述线缆收送机中设有线缆收送控制器和线缆受力传感器，线缆收送机控制器通过光电编码器传输的天线移动距离和线缆受力传感器传输的线缆受力信息对绕线电机模块的转速进行控制。
所述线缆收送机控制器接收光电编码器传输的天线移动距离的信息，确定绕线电机转速收送线缆；此外，所述线缆受力传感器将线缆受力信息反馈给线缆收送机控制器，线缆收送机控制器对绕线电机转速进行负反馈控制，进一步调整所述绕线电机的转速，使线缆始终保持一定的张紧度。
在线缆收送机和所述卷线盘之间设有防止卷线盘与雷达主机之间的线缆发生缠绕的高频旋转接头。
本发明的有益效果为：
在所述后端定子上设有姿态检测模块，所述姿态检测模块由加速度计、陀螺仪和罗盘组成，可分别获得雷达天线在钻孔中移动时的加速度、角速度和地磁夹角信息，进而得到钻孔定向雷达天线在钻孔内的姿态信息，为得到地质异常体的精确方位提供计算依据。
所述转子两端通过高频旋转接头与定子连接，可以防止转子旋转时，造成转子与定子之间的线缆发生缠绕损坏。
所述自动行走装置在其水平竖直方向的等四分相位处分别设有四个独立驱动的移动轮，可以使四个移动轮沿钻孔的四壁驱动行走，保证了钻孔定向雷达天线自动行走的稳定性和安全性，并能保证钻孔定向雷达天线在钻孔内顺畅行走。
线缆收送机内部设有绕线电机模块、线缆收送机控制器和卷线盘，所述线缆绕在卷线盘上，绕线电机模块带动卷线盘转动，线缆收送机控制器通过光电编码器得到的天线移动距离控制卷线盘的转速，使孔内自动行走装置的运行速度和线缆收送的速度相匹配，可以实现对线缆的自动递送和回收操作。
所述线缆收送机控制器接收光电编码器传输的天线移动距离的信息，确定绕线电机转速收送线缆；此外，所述线缆受力传感器将线缆受力信息反馈给线缆收送机控制器，线缆收送机控制器对绕线电机转速进行负反馈控制，进一步调整所述绕线电机的转速，使线缆始终保持一定的张紧度，可以有效的应对钻孔定向雷达天线的移动距离测量误差和绕线电机模块的转速误差所带来的扰动，保证了孔内自动行走装置可以顺畅安全的行走，避免了因扰动而产生的线缆过松而导致的绕线问题，和线缆过紧而发生线缆损坏的可能性。
在钻孔雷达天线两端安装有孔内自动行走装置，并配合线缆收送机使用，操作人员只需通过雷达主机进行控制，即可实现对钻孔雷达天线和通信线缆的自动递送和回收操作，并且可以同时获取雷达天线的精确移动距离信息。整个探测过程无需人工进行干预，极大的简化了探测流程并提高了探测准确率。
附图说明
图1为用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置工作示意图；
图2为孔内自动行走装置示意图；
图3为孔内自动行走装置内部结构图；
图4为钻孔雷达线缆收送机剖面图；
图5为钻孔雷达线缆收送机顶视图；
图6为钻孔雷达线缆收送机控制系统框图。
图中：1.隧道掌子面，2.钻孔套管，3.孔内自动行走装置，4.钻孔雷达天线，5.可升降线缆支撑轮，6.通信线缆，7.钻孔雷达线缆收送机，8.钻孔雷达主机，9.移动轮，10.移动轮驱动装置，11.头部传感器组，12.伺服减速电机，13.光电编码器，14.传动皮带，15.孔内自动行走装置外壳，16.接头，17.高频旋转接头，18.线缆受力传感器，19.线缆收送机控制器，20.可升降支架，21.绕线盘，22.电机，23.天线移动距离，24.线缆受力信息，25.扰动，26.负反馈，27.电机转速。
具体实施方式
下面通过具体实例和附图对本发明进行进一步的阐述，应当指出的是，以下所揭露的仅为本发明的一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，在不脱离本发明原理的前提下，本领域技术人员还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置工作情况如图1所示，在隧道掌子面1上施做水平钻孔并安装钻孔套管2，钻孔雷达天线4两端安装孔内自动行走装置3后，就可以在钻孔套管2中水平自主移动，可升降线缆支撑轮5将通信线缆6支撑起来，钻孔雷达线缆收送机7可以自动递送和回收通信线缆6，钻孔雷达主机8可以对整个探测过程进行控制和查看。在整个探测过程中，钻孔雷达天线自动探测辅助装置可以自动完成对钻孔雷达天线4和通信线缆6的递送和回收操作，而无需人工干预。
孔内自动行走装置如图2所示，在钻孔雷达天线4头尾两端分别安装孔内自动行走装置3，移动轮驱动装置10控制移动轮9转动，从而能够使钻孔雷达天线4在水平钻孔套管2中前后移动，在头部的孔内自动行走装置3中还设有头部传感器组11，头部传感器组11主要包括摄像头、探照灯和距离传感器等，用于获取钻孔内部的信息，指导操作人员进行探测和控制。
孔内自动行走装置内部结构如图3所示，在孔内自动行走装置3中等距设有四组移动轮模块，每组移动轮模块主要包括移动轮9、皮带14、伺服减速电机12和光电编码器13。伺服减速电机12通过皮带14带动移动轮9转动，光电编码器13可以通过记录伺服减速电机12转动的圈数，来得到钻孔雷达天线4在水平钻孔套管2中前后移动的距离。
钻孔雷达线缆收送机结构如图4、5所示，钻孔雷达线缆收送机7内部设有卷线盘21，通信线缆6绕在卷线盘21上，电机22带动卷线盘21转动，线缆收送机控制器19根据线缆受力传感器18得到的线缆受力信息24和光电编码器13得到的天线移动距离23控制电机22的转速，实现对通信电缆6的自动递送和回收操作。可升降支架20可以调节钻孔雷达线缆收送机7的高度，通信电缆6通过接头16分别与钻孔雷达天线4和钻孔雷达主机8相连接，在钻孔雷达线缆收送机7与内部卷线盘21之间设有高频旋转接头17，高频旋转接头17可以防止卷线盘21中通信线缆6与钻孔雷达主机8相连接时发生缠绕造成损坏。
钻孔雷达线缆收送机控制系统框图如图6所示，理论上线缆收送机控制器19控制卷线盘21递送或回收通信线缆6的长度等于天线移动距离23即可，但实际上由于存在钻孔雷达天线4移动测量误差和电机22转速误差等扰动25，导致二者并不完全相等，因此就需要线缆受力传感器18将线缆受力信息24反馈给线缆收送机控制器19，线缆收送机控制器19对电机转速27进行负反馈26控制，使通信线缆6始终保持一定的张紧度，从而确保通信线缆6递送和回收顺利。

Claims (10)

1.用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：在钻孔雷达天线头尾两端分别安装定子，包括前端定子和后端定子，在所述定子上设有孔内自动行走装置，可带动钻孔定向雷达天线在钻孔内前后移动；所述定子通过线缆与雷达主机进行信号传输和移动控制。
2.根据权利要求1所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：所述定子上设有移动轮和驱动模块，所述移动轮和驱动模块共同构成孔内自动行走装置；所述驱动轮模块包括驱动电机和光电编码器，所述驱动电机驱动移动轮转动进而带动钻孔雷达天线实现孔内的自动行走功能，所述光电编码器通过记录驱动电机转动的圈数得到钻孔定向雷达天线在水平钻孔中前后移动的距离。
3.根据权利要求2所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：所述定子的横断面为圆形，在其水平竖直方向的等四分相位处分别设有四个所述移动轮和与之相连的所述驱动轮模块。
4.根据权利要求1所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：在所述后端定子上设有姿态检测模块，所述姿态检测模块由加速度计、陀螺仪和罗盘组成，可分别获得雷达天线在钻孔中移动时的加速度、角速度和地磁夹角信息，进而得到钻孔定向雷达天线在钻孔内的姿态信息。
5.根据权利要求1所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：在所述前端定子上设有传感器组，所述传感器组包括摄像头、探照灯和距离传感器，用以获取所述钻孔定向雷达天线在钻孔内的位置信息；所述定子的中心设有定子线缆过孔，可供线缆通过，所述后端定子尾部通过线缆与雷达主机连接。
6.根据权利要求1所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：所述线缆由雷达主机控制线缆收送机进行自动收送，钻孔雷达主机可以对整个探测过程进行控制和查看。
7.根据权利要求6所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：所述线缆收送机内部设有绕线电机模块、线缆收送机控制器和卷线盘，所述线缆绕在卷线盘上，绕线电机模块带动卷线盘转动，线缆收送机控制器通过光电编码器得到的天线移动距离控制卷线盘的转速。
8.根据权利要求7所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：所述线缆收送机中设有线缆收送控制器和线缆受力传感器，线缆收送机控制器通过光电编码器传输的天线移动距离和线缆受力传感器传输的线缆受力信息对 绕线电机模块的转速进行控制。
9.根据权利要求8所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：所述线缆收送机控制器接收光电编码器传输的天线移动距离的信息，确定绕线电机转速收送线缆；此外，所述线缆受力传感器将线缆受力信息反馈给线缆收送机控制器，线缆收送机控制器对绕线电机转速进行负反馈控制，进一步调整所述绕线电机的转速，使线缆始终保持一定的张紧度。
10.根据权利要求7所述的用于隧道超前地质探测的钻孔雷达天线自动探测辅助装置，其特征在于：在线缆收送机和所述卷线盘之间设有防止卷线盘与雷达主机之间的线缆发生缠绕的高频旋转接头。
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