CN105465611A - 一种排水管道声纳检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种排水管道声纳检测方法，包括以下步骤：S1，检测准备、S2，检测设备配备、S3，实施声纳检测、S4，处理数据。本发明具有能在有一定深度水的排水管道内进行检测的优势，避免了传统检测方法的对检测人员人身安全的问题和对功能性缺陷判断不准确的问题，且能将原来扫描固定精度由每周400点提升为800点，通过减小步进电机每次旋转的角度，增加了发射接收次数，进而增加采样点的数量，提高精度。

Description

一种排水管道声纳检测方法

技术领域

本发明涉及排水管道声纳检测方法领域，尤其涉及一种排水管道声纳检测方法。

背景技术

在近年来的发展中，通过国外引进也陆续出现了不少针对排水管道有水时进行的超声检测设备，主要集中在超声检测设备的引进及吸收。这类超声设备在有水排水管道中能将水体作为超声传播的介质，接收回传的超声信号进行分析，最后绘制出排水管道的模拟横断面图以显示排水管道内部缺陷的位置及深度。

在对市政排水地下排水管道，农业用水地下排水管道，工业用水地下排水管道，自来水地下排水管道等地下管线进行疏通及修复时，需要提前了解排水管道内部的状况，诸如排水管道管线错位、井口埋没、漏损等情况。然而，针对排水管道内部有一定水深的情况，若采用传统潜望镜方式进行观测，则镜头拍摄会因受到水体影响而不能正常工作或拍摄效果较差。而采用CCTV的检测方式则需要进行堵水、停水等手段确保管内水位在管径的1/3以下。堵水、停水等手段既加大了检测的工作量及工作时间，也会给正常的生产工作带来影响。在这类条件下，利用排水管道机器人携带摄像装置进入排水管道方法进行检测有诸多局限。而传统的管道内部淤积以及损坏情况的检测方法一般采用直接目视，潜水员探摸或用竹片等一些简单的工具进行检查，存在着人身不安全、淤积情况不易发现、判断不准确等诸多弊病。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种排水管道声纳检测方法。

一种排水管道声纳检测方法，包括以下步骤：

S1，检测准备：

a、搜集资料：

1)已有排水管道检测资料；

2)排水管道的竣工图或施工图技术资料；

3)排水管道的技术评估资料；

b、现场踏勘：

1)察看待测区周围的地物、地貌、交通和排水管道分布情况；

2)开井目视或工具检查排水管道的水位、积泥情况；

3)核对所搜集资料中的管位、管径和材质；

S2，检测设备配备：

采用的探头漂浮装置进行负重，使其在排水管道中不滚动或倾斜；

滚动传感器在±45度内具备自动补偿功能；

检测声纳检测设备是否结构坚固，密封良好，并检查其是否配有防爆系统和防水系统；

S3，实施声纳检测：

在检测前，从被检排水管道中取水样通过调整声波速度对系统进行校准；

在进入每一段排水管道记录图像前，录入地名、路段和被测管段的起点、终点编号；

所述检测设备的声纳探头的推进方向与水流方向一致；

所述检测设备的声纳探头与排水管道轴线一致，滚动传感器标志朝正上方；

所述检测设备的声纳探头的发射和接收部位超过承载工具的边缘；

所述检测设备的声纳探头放入排水管道起始位置时，将电缆计数测量仪进行归零处理；

所述检测设备的声纳探头水平安放在合适的位置，减少几何图片变形，且滚动传感器标志朝正上方；

S4，处理数据：

在预先设定一定量的间隔和图形变异处，现场捕捉排水管道轮廓图，建立排水管道2D横截面、管壁纵剖面展开色谱图及3D模型；

所述S3中检测设备的声纳探头装置包括外壳、换能器、固定板、护罩、光电开关电路板、步进电机、控制电路板和护套，所述外壳内设有固定板，所述固定板将外壳的内部分隔成液腔和检测器腔，所述液腔内设有换能器，且换能器固定在固定板上，所述液腔的外侧设有护罩，用于保护换能器，所述检测器腔的外侧设有护套，用于步进电机的保护，所述检测器腔内设有光电开关电路板，所述光电开关电路板固定在固定板上，所述光电开关电路板远离固定板的一端设有转轴，所述转轴远离光电开关电路板的一端设有步进电机，所述步进电机远离转轴的一端设有控制电路板，所述外壳靠近控制电路板的一侧设有接口。

优选地，所述护罩为不锈钢材料，所述护罩通过4个螺钉连接护套。

优选地，所述护套为圆柱形不锈钢材料，护套上下端接口均为螺旋口，厚度为10-25mm。

优选地，所述控制电路板、步进电机、光电开关电路板、换能器均通过连接器连接。

本发明具有能在有一定深度水的排水管道内进行检测的优势，避免了传统检测方法的对检测人员人身安全的问题和对功能性缺陷判断不准确的问题。相对于CCTV检测，可以在不断流的情况下对排水管道水面以下的功能性缺陷进行检测，而CCTV检测是无法检测水面下的情况的。管道潜望镜同样无法检测水面以下的管道情况。

本发明能将原来扫描固定精度由每周400点提升为800点，即每个圆周的扫描率提高一倍。通过减小步进电机每次旋转的角度，增加发射接收次数，进而增加采样点的数量，提高精度。

本发明将原来的单探头旋转反射镜检测原理中包含的三个主要部件步进电机、平面反射镜和换能器改为步进电机和换能器，避免使用反射镜调整角度调整的问题。若平面反射镜与探头中心轴的夹角不能调整到45°，可能会出现回波能量弱，无回波，及误检误判等状况，将会给检测带来极大的困扰。将探头进行如此改进，避免了此类问题的发生。

本发明能利用分析软件生成排水管道纵剖面图和测算排水管道内部缺陷的大小。

附图说明

图1为本发明提出的一种排水管道声纳检测方法的声纳探头装置示意图；

图2为本发明提出的一种排水管道声纳检测方法的施工示意图。

图中：1护罩、2护套、3接口、4控制电路板、5步进电机、6转轴、7光电开关电路板、8换能器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

本发明提出的一种排水管道声纳检测方法，包括以下步骤：

S1，检测准备：

a、搜集资料：

1)已有排水管道检测资料；

2)排水管道的竣工图或施工图技术资料；

3)排水管道的技术评估资料；

当检测排水管道采用所述声纳检测时，排水管道内水深不宜小于300mm；

b、现场踏勘：

1)察看待测区周围的地物、地貌、交通和排水管道分布情况；

2)开井目视或工具检查排水管道的水位、积泥情况；

3)核对所搜集资料中的管位、管径和材质；

S2，检测设备配备：

采用的探头漂浮装置进行负重，使其在排水管道中不滚动或倾斜；

滚动传感器在±45度内具备自动补偿功能；

检测声纳检测设备是否结构坚固，密封良好，并检查其是否配有防爆系统和防水系统；

S3，实施声纳检测：

在检测前，从被检排水管道中取水样通过调整声波速度对系统进行校准；

在进入每一段排水管道记录图像前，录入地名、路段和被测管段的起点、终点编号；

所述检测设备的声纳探头的推进方向与水流方向一致；

所述检测设备的声纳探头与排水管道轴线一致，滚动传感器标志朝正上方；

所述检测设备的声纳探头的发射和接收部位超过承载工具的边缘；

所述检测设备的声纳探头放入排水管道起始位置时，将电缆计数测量仪进行归零处理；

所述检测设备的声纳探头水平安放在合适的位置，减少几何图片变形，且滚动传感器标志朝正上方；

S4，处理数据：

在预先设定一定量的间隔和图形变异处，现场捕捉排水管道轮廓图，建立排水管道2D横截面、管壁纵剖面展开色谱图及3D模型；

参照图1-2，所述S3中检测设备的声纳探头装置包括外壳、换能器8、固定板、护罩1、光电开关电路板7、步进电机5、控制电路板4和护套2，所述外壳内设有固定板，所述固定板将外壳的内部分隔成液腔和检测器腔，所述液腔内设有换能器8，且换能器8固定在固定板上，所述液腔的外侧设有护罩1，用于保护换能器8，所述检测器腔的外侧设有护套2，用于步进电机的保护，所述检测器腔内设有光电开关电路板7，所述光电开关电路板7固定在固定板上，所述光电开关电路板7远离固定板的一端设有转轴，所述转轴远离光电开关电路板7的一端设有步进电机5，所述步进电机5远离转轴的一端设有控制电路板4，所述外壳靠近控制电路板4的一侧设有接口3。

所述检测设备能在0至40摄氏度的温度条件下正常工作。

所述声纳检测方法的扫描固定精度应不小于每周800点。

所述声纳检测方法在一个发射接收超声波过程中的均匀采样点数量应不小于250个。

所述声纳检测方法反射的最大范围应不小于6m。

所述声纳检测方法125mm范围的分辨率应小于0.5mm。

所述声纳检测方法的电缆计数最低计量单位为0.1m，其精度误差不大于±1％。

在所述检测设备的声纳探头前进或后退时，所述电缆保持绷紧状态。

所述检测设备的声纳探头行进速度不超过0.1m/s。

经校准后的排水管道线状测量误差小于3％。

采样点间距约为5m，并根据检测结果绘制沉积状况纵断面图。

换能器8及固定板为声纳探头的主要功能部件，该部件为声纳设备核心工作部件，用于排水管道内部超声信号的输出和输入以及转换；固定板用于固定换能器8，同时在换能器8获得驱动力时，带动换能器8旋转。

护罩1位于换能器8外部，用于保护换能器8，该部件为不锈钢材料，通过4个螺钉连接不锈钢圆柱形护套2。

光电开关电路板7主要为开关控制，通过外部控制器发出信号给探头内部的电路板，电路板得到信号后，发出信号控制开关，用于换能器8的开启和关闭。

步进电机5位于换能器8和光电开关电路板7的正下方，主要功能是用于提供换能器8提供旋转的动力。

控制电路板4属于探头的中央控制系统，位于步进电机5的正下方，为探头的控制系统，用于接收外部的信号，并在探头内部发出相应的控制信号，整体控制探头内部换能器8信号发射的频率、强度等，以及接收信号的滤波选择等。

护套2为不锈钢材料，位于步进电机5外部，用于步进电机5的保护，护套2为圆柱形，护套2上下端接口均为螺旋口，厚度约10-25mm。

连接器用于连接控制电路板4、步进电机5、光电开关电路板7、换能器8。

检测装置工作原理为：通过控制电路板4接口3给步进电机5控制信号，步进电机5按照给定的控制信号旋转。通过光电开关电路板7接口3给换能器8激励信号使换能器8发射超声波。换能器8的前端极其固定板部分处于液腔中，液腔中充满水或者与检测环境声阻抗特性相似的液体。换能器8固定板安装在连接器上，连接器固定在转轴6上，步进电机5使转轴6转动，从而带动换能器8转动，固定发射的超声波传播点则形成一个圆周，超声波垂直轴线射向检测器腔壁，检测器腔壁采用声阻抗特性与水接近的材料做成，超声波基本没有反射和衰减而传播到检测器腔壁的外部环境。超声波在检测器腔壁的外部环境遇到障碍物发生反射，反射回波经过检测器腔壁到达液腔，最终被液腔中换能器8接收。换能器8从发射到接收实现一次的检测，一次检测完后步进电机5转过一个固定的角度再检测，如此循环实现一周360°的检测。

该检测装置可以安装在牵引车、漂浮装置或遥控水下装置送入排水管道中，利用水中声波对水下环境结构进行扫描检测。通过漂浮装置工作时，把检测装置固定在漂浮装置上，检测装置随漂浮装置浮在管道中的液面上，但是要注意检测装置部分要在液面下，漂浮装置通过牵引缆绳在管道中行进当检测装置在管道中行进时，根据行进的速度或电缆盘放线距离就可以确定检测装置在管道中的轴向位置信息，根据步进电机5的旋转速度及初始确定位置角度可以确定超声扫描的周向位置信息，根据轴向位置信息和周向位置信息来控制感兴趣的检测区域，从而实现管道的定位和扫描检测。

声纳检测是以脉冲-回波法为基础，采用旋转超声换能器8垂直管壁发射定向超声脉冲，同时接收管壁的反射回波，利用回波的声幅对管壁的反射系数进行成像，从而获取管壁的声阻抗信息。

由于换能器8是圆片状的压电陶瓷片，其直径要比厚度大许多，因而超声波的能量都集中在很小的范围内，形成一个方向性很强的超声波束，射向管壁。当声波到达管壁后，被管壁反射回来，并沿着与入射波相反的方向回到换能器8，并被换能器8接收下来，形成所谓的回波。可以从回波中提取回波幅度和回波时间两种重要的信息。回波幅度的大小反映管壁介质的性质和管壁的结构。管壁介质的密度越大，反射的能量越大，回波幅度就越大，反之回波幅度就小。

回波时间指的是从换能器8发射超声波开始到换能器8接收到回波信号为止之间的时间间隔。由于声波的传播距离等于声速乘以时间，即：L＝VT。这里V是声速，T是回波时间，L就是传播距离。因为L是声波来回所走的距离，显然管径R为：

R＝S+L/2

其中S是从声纳探头中轴线到换能器8的距离，即探头的扫描半径。

声纳探头发射超声窄脉冲射向管壁，接收其反射波而成像，因此反射回来的声波声强取决于管壁介质和管内流体介质的声阻抗，声强的反射系数为：

β＝[(ρ₂v₂-ρ₁v₁)/(ρ₂v₂+ρ₁v₁)]²

式中:ρ₁,v₁为管内流体密度和速度；ρ₂,v₂为管壁介质密度和纵波速度。

管道中的淤积物与管壁的反射系数相差很大，在声学图像上能明显地显示出来。幅度图像反映的是回波的强弱，时间图像反映的是管径的大小。回波幅度信号越弱，颜色越暗，管径越大，颜色越暗。

将声纳探头置于待检测管道内，声纳探头没入水中。上述声纳探头中的控制电路板4发出控制信号，声纳探头中的换能器8在接收到信号后产生圆锥形的超声波束，沿垂直于管壁的方向射出。超声波以水为介质传播。由于水与管壁和沉积物之间存在较大的声阻抗差，超声波在水中传播时遇到管壁或沉积物后被反射回来，并沿着与入射波相反的方向回到换能器8，并被换能器8接收下来，形成所谓的回波。可以从回波中提取回波幅度和回波时间两种重要的信息。

回波幅度的大小反映井壁介质的性质和井壁的结构。井壁介质的密度越大，反射的能量越大，回波幅度就越大，反之回波幅度就小。

通过对回波时间的计算可以得到超声波遇到的管壁或沉积物与声纳探头间的距离。

声纳探头通过旋转换能器8，换能器8从发射到接收实现一次的检测，一次检测完后步进电机5转过一个固定的角度再检测，如此旋转实现一周360°的检测。

将上述回波幅度和回波时间携带的信息输入到彩色摄像系统中，生成实时反映管道情况的彩色图像，用不同颜色区分回波幅度的强弱。

将上述声纳探头置于可嵌入探头的漂浮装置中，在拖拉装置或人力的作用下沿管道缓慢向前行进，可以获得一系列管道的声纳横截面图像。

对测得的声纳图像进行判读，实现管道缺陷的检测。

通过选取不同的脉冲宽度来适应不同管径大小的管道。脉冲宽度的变化范围为4μs-20μs，对应的适用管径为125mm-6000mm。

根据本发明所述的声纳检测方法，以普查为目的的采样点间距约为5m，并根据检测结果绘制沉积状况纵断面图。

根据本发明所述的声纳检测方法，系统设置的长度单位为米。

本发明所述的声纳检测方法，通过声波探测技术对排水管道内水下设施状况进行检测，对排水管道内状况进行显示和记录的检测方法，能较直观地了解埋设在地下的排水管道内部状况，进一步降低人员安全风险和检查费用，减少对道路交通的影响，并且可以避免开挖对路面造成的损坏和对环境带来的污染。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种排水管道声纳检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，检测准备：

a、搜集资料：

1)已有排水管道检测资料；

2)排水管道的竣工图或施工图等技术参考资料；

3)排水管道的技术评估资料；

b、现场踏勘：

1)察看待测区周围的地物、地貌、交通和排水管道分布情况；

2)开井目视或利用工具检查排水管道的水位、积泥情况；

3)核对所搜集资料中的管位、管径和材质等基础信息；

S2，检测设备配备：

采用漂浮装置进行负重，使其在排水管道中不滚动或倾斜；

滚动传感器在±45度内具备自动补偿功能；

检查声纳检测设备是否结构坚固，密封良好，并检查其是否配有防爆系统和防水系统；

S3，实施声纳检测：

在检测前，从被检排水管道中取一定的水样通过调整声波速度对系统进行校准；

在进入每一段排水管道前，录入地名、路段和被测管段的起点、终点编号；

所述检测设备的声纳探头的推进方向与水流方向一致；

所述检测设备的声纳探头与排水管道轴线一致，滚动传感器标志朝正上方；

所述检测设备的声纳探头的发射和接收部位超过承载工具的边缘；

所述检测设备的声纳探头放入排水管道起始位置时，将电缆计数测量仪进行归零处理；

所述检测设备的声纳探头水平安放在合适的位置，减少几何图片变形，且滚动传感器标志朝正上方；

S4，处理数据：

在预先设定一定量的间隔和图形变异处，现场捕捉排水管道轮廓图，建立排水管道2D横截面、管壁纵剖面展开色谱图及3D模型；

所述S3中检测设备的声纳探头装置包括外壳、换能器、固定板、护罩、光电开关电路板、步进电机、控制电路板和护套，所述外壳内设有固定板，所述固定板将外壳的内部分隔成液腔和检测器腔，所述液腔内设有换能器，且换能器固定在固定板上，所述液腔的外侧设有护罩，用于保护换能器，所述检测器腔的外侧设有护套，用于步进电机的保护，所述检测器腔内设有光电开关电路板，所述光电开关电路板固定在固定板上，所述光电开关电路板远离固定板的一端设有转轴，所述转轴远离光电开关电路板的一端设有步进电机，所述步进电机远离转轴的一端设有控制电路板，所述外壳靠近控制电路板的一侧设有接口。

2.根据权利要求1所述的一种排水管道声纳检测方法，其特征在于，所述护罩为不锈钢材料，所述护罩通过4个螺钉连接护套。

3.根据权利要求1所述的一种排水管道声纳检测方法，其特征在于，所述护套为圆柱形不锈钢材料，护套上下端接口均为螺旋口，厚度为10-25mm。。

4.根据权利要求1所述的一种排水管道声纳检测方法，其特征在于，所述控制电路板、步进电机、光电开关电路板、换能器均通过连接器连接。