CN109040666A - 一种用于斜拉桥拉索的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁检测技术领域，具体是一种用于斜拉桥拉索的检测装置及其检测方法，包括爬升系统、图像采集装置及地面接收装置，所述的爬升系统连接图像采集装置，所述的图像采集装置包括环型支架、若干个无线摄像头和至少3个导向轮，所述的无线摄像头和导向轮均设置在所述环型支架上，所述的若干无线摄像头沿环型支架的环状结构均布设置，所述的地面接收装置包括显示装置和无线通信模块。本发明在保证不对拉索造成损伤，控制装置自重，简化安装、简便检测操作等基础上，达到能便捷准确检测拉索外观缺陷目的的装置及方法。该装置利用了碳纤维板高强、重量轻的优点，同时采用无线微型摄像头，整个装置简单轻便高效且造价低。

Description

一种用于斜拉桥拉索的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及桥梁检测技术领域，具体是一种用于斜拉桥拉索的检测装置及其检测方法。

背景技术

由于斜拉桥是最近几十年才兴起的新桥型，对拉索进行检测的措施还很不完善。目前对斜拉索常规检查方法包括有：人工目测法、支架法、吊篮检测和维护法。

对于人工目测法，未借助其它机械外力，单单依靠目测设备进行观测、检查。由于缆索表面一般布满灰尘，此法不能把缆索表面所有部分检查清楚，并且并非每一个位置都具备通视的条件。对于支架法，只适应于斜拉索较少的情况，否则该法操作起来效率低下，成本高，影响交通，工人工作环境极端恶劣，甚至会出现人员伤亡事故。对于吊篮检测和维护法，由塔顶设立定滑轮吊点，用卷扬机经钢丝绳带动小车及载人和涂料的吊篮由人在高空对全部缆索实行了全面检查和维护。此法可满足斜拉索的日常检查维护，且可进行PE管的维修工作，整体效果较好，但整个设备复杂，检查费用巨大，仅适合大跨度斜拉索桥，同时该设备质量较大，容易造成缆索护套的二次损伤。

经过分析可以发现，上述几种检测方法都有各自的局限性和适用性，没有一种技术可以便捷有效的对缆索实现定期检测和保养。

现有技术中目前还有中损伤检测装置有斜拉索桥梁机器人检测装置，但是该装置设备自重、体积较大，检测过程装置可能会对对拉索造成损伤。其次，设备机构较为复杂，安装操作过于繁琐。另外，这种设备检测成本昂贵，设备维护复杂，更换成本较高。

近些年国内、外很多科研单位都开展了拉索机器人的技术和理论研究工作，但是一些斜拉索的检测装置存在整体质量大、结构复杂、安装调整不方便等缺点，总体而言，这类机器人的研究还处于初级阶段。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术中的上述技术缺陷，提供一种在保证不对拉索造成损伤，控制装置自重，简化安装、简便检测操作等基础上，达到能便捷准确检测拉索外观缺陷目的的装置及方法。该装置利用了碳纤维板高强、重量轻的优点，同时采用无线微型摄像头，整个装置简单轻便高效且造价低。

为实现上述目的，提供一种用于斜拉桥拉索的检测装置，包括爬升系统、图像采集装置及地面接收装置，所述的爬升系统连接图像采集装置，所述的图像采集装置包括环型支架、若干个无线摄像头和至少3个导向轮，所述的无线摄像头和导向轮均设置在所述环型支架上，所述的若干无线摄像头沿环型支架的环状结构均布设置，所述的地面接收装置包括显示装置和无线通信模块。

优选地，所述的爬升系统包括氦气球、纤维绳，所述的爬升系统包括氦气球、纤维绳，所述环形支架的上端和下端均设有绳孔，其中位于上端的绳孔通过纤维绳绑接氦气球，位于下端的绳孔绑接足够长的纤维绳，用于人工控制装置的爬升速度，也用于装置返程时人工拉回。

优选地，所述的环型支架包括两块半圆环型的碳纤维板，所述两块半圆环型的碳纤维板的两个端部均分别设有一固定螺栓孔，所述两块半圆环型的碳纤维板拼接构成环型结构后在两个端部分别通过固定螺栓固定。

优选地，所述的无线摄像头具有无线接收器。

优选地，所述的无线摄像头数量为4个。

优选地，所述的导向轮数量为3个，分别设置在所述环型支架的内侧左、右两边及环型支架的下表面。

优选地，所述的导向轮为尼龙轮。

优选地，所述的显示装置包括计算机和/或手机。

优选地，所述的斜拉桥拉索与水平面的夹角＞17°。

本发明还包括一种用于斜拉桥拉索的检测方法，该检测方法包括以下步骤：

将环型支架设置在斜拉桥拉索周围并固定在索体上；

将爬升系统与图像采集装置连接，人工控制爬升系统；

将无线摄像头接收无线通信模块，地面接收装置也连接到无线通信模块，并与各个无线摄像头匹配，无线摄像头开始录制视频，地面接收系统开始接收并储存视频；

匀速使爬升系统工作，检测装置在爬升系统的作用下沿着索体爬升，工作人员逐渐放松纤维绳，并向爬升方向水平移动，无线摄像头在爬升过程中拍摄索体，接收无线摄像头传输的实时视频，当检测装置爬升至顶端时，即可将绳子拉回，当观测到局部损伤，可及时根据视频定位并进行记录，进行进一步索体检测。

本发明同现有技术相比，其优点在于：

1.该装置通过人工控制爬升系统的爬行速度，利用导向轮控制装置在斜拉索上运动，装置能在斜拉桥的拉索上通过地面人工控制移动到检测人员需要观察的位置，以便局部进行局部的实况观察和检测。

2.该装置能对斜拉桥拉索外部保护层的表面进行全方位的观测，采集视频图像并储存图像。

3.该装置地面监控计算机实时地接收无线摄像头检测时传来的监控图像。

附图说明

图1为本发明实施例中的检测装置局部结构剖视图；

图2为本发明实施例中的检测装置安装示意图；

图3是本发明实施例中的工作原理示意图；

图4是本发明实施例中的图像采集系统受力图；

如图所示，图中：1.环型支架 2.导向轮 3.无线摄像头 4.绳孔 5.斜拉桥拉索 6.固定螺栓 7.氦气球 8.纤维绳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

该斜拉桥拉索检测装置主要包括爬升系统、图像采集装置及地面接收装置，图像采集装置主要由环型支架、无线微型摄像头、尼龙轮、氦气球等组成，地面接收系统包括无线通信模块、计算机等。爬升系统用于带动所述图像采集装置在斜拉索外表面上下移动。图像采集装置用于采集斜拉索外观的损伤信息并实现无线传输。如图1所示，图像采集装置优选采用四个用于采集视频的无线微型摄像头，该摄像头被设置在碳纤维环型支架上，可用于采集斜拉索表面的全部图像，当该装置在拉索上爬升时，环绕在索360°的摄像头对拉索进行图像采集，实现对索体表面全方位图像的储存，并通过无线传输到地面接收系统。上述无线微型摄像头自带无线接收器，通过无线通信模块传输给地下接收设备，对索体进行实时检测，能够快速有效检测外观受损情况，并储存视频，所述碳纤维圆环支架与通过纤维绳与爬升系统相连，且能通过螺栓扣套在斜拉索上。上述无线通信模块用于实现与地面终端之间的无线通信，无线通信模块为双向通信，无线微型摄像头可经无线通信模块向地面终端发送数据，地面终端也可经过无线通信模块访问检测装置上的SD卡。本发明中的接收系统有多种选择方式，计算机、手机或者其他可接收视频的设备。现场可直接根据视频进行索体缺陷检测。该装置简单高效，大大降低了检测的成本及难度，装置携带方便，机动性强，是目前唯一简便、高效的拉索检测装置。

环型支架采用了碳纤维材料，碳纤维材料具有高强高效、质量轻、便于加工的优点，且足够承受摄像头和导向轮的重量，加工方便，可根据索体直径制作不同直径的碳纤维支架。进一步地，由于摄像头在检测装置爬行过程中会产生抖动，摄像头在抖动状态下采集的视频不清晰且有重影，这样会加大计算机对图像处理的工作量，且图像处理的结果会有较大误差；为加强检测装置的稳定性，减小因装置抖动对视频处理带来的麻烦，在环形支架内侧左、右和下表面分别设置有三个导向轮，在爬升系统拉升作用下，装置下部的导向轮保证导向轮沿索体爬升，左右两侧的导向轮确保装置在爬升过生中不左右晃动。导向轮材料采用尼龙轮，利用了其尼龙材料轻质高强的优点。另外，爬升系统采用氦气球，氦气球通过绑接在纤维绳孔中，给装置提供升力，氦气球密度远小于空气，重量轻、造价低且易于取材。

检测装置的安装及实际操作过程如下：

将400mm×400mm×5mm的碳纤维板加工制作成内径140mm，外径为150mm的两个半圆型环碳纤维板，分别用螺钉将三个尼龙轮和四个无线微型摄像头用螺栓按如图1所示位置安装固定在两个半圆型环碳纤维板内侧。

步骤1：将两个半圆型环碳纤维板架在拉索周围，将两个半圆型环碳纤维板上部和下部分别用固定螺栓扣紧，使装置固定至索体，如图2所示；

步骤2：环型支架上设有用于绑扎纤维绳的绳孔，在上端和下端绳孔中分别绑扎纤维绳，上端绳孔中的纤维绳用于连接氦气球，氦气球提供升力，下端绳孔的纤维绳在装置沿索体爬升时由人工控制；

步骤3：将无线微型摄像头接收无线通信模块，地面接收系统计算机也连接到无线通信模块，并与装置上四个摄像头匹配，摄像头开始录制视频，地面接收系统开始接收并储存视频，工作原理如图3所示；

步骤4：现场工作人员匀速放松纤维绳，该装置沿在氦气球拉力作用下装置沿着索体爬升，工作人员爬升方向的水平方向移动，摄像头在爬升过程中拍摄索体，接收摄像头传输的实时视频，当装置爬升检测至顶端时，即可将将绳子拉回。若观测到局部损伤，可及时根据视频定位，并进行记录，进行进一步索体检测。

该检测装置的设计计算过程如下：

1.适用范围

装置在爬升过程中，尼龙轮和索体之间会产生一定的摩擦力，查阅规范可知，尼龙轮和索体之间的摩擦系数μ在0.3～0.5之间，因此：

μ＜tanθ，

0.3＜tanθ，

θ＞17°

其中，θ为拉索与水平面的夹角。由上计算可知，该检测装置适用范围在拉索与水平面的夹角为17°～90°之间。

2.装置重量

碳纤维板支架：0.2kg，3个尼龙轮重量：3×0.02kg＝0.06kg，4个无线微型摄像头重量：4×0.03kg＝0.12kg，固定螺钉重量：0.01kg，由此得出：

T＞G＝mg＝(0.2+0.06+0.12)×10＝3.8N，式中：T为气球上纤维绳对装置的拉力，G为斜拉桥拉索装置的重量。

3.气球提供升力

整个装置重量轻，可直接采用氦气提供升力，由于氦气密度远小于空气，易于取材，造价很低，控制方便，由此可大致估算爬升力，如图4所示。

氦气密度：ρ_He＝0.1786kg/m³，

空气密度：ρ₀＝1.293kg/m³，

F_浮＝ρ₀gV，

G_He＝ρ_HegV，

F_浮＞T+G_He＞G+G_He，

式中：F_浮为氦气球的浮力，G_He为氦气球的重力，V为氦气球的体积。可见，当氦气的体积大于0.34m²时，氦气即可提供足够的升力沿拉索爬升。只需很少的氦气就可以保证装置的爬升。氦气球提供的升力必须足够大于装置的重量，保证装置底部尼龙轮能紧贴索体表面，沿索体爬升。斜拉索与水平地面的夹角要大于17°，保证装置在氦气球的拉力作用下沿索体爬升。

Claims (10)

1.一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于包括爬升系统、图像采集装置及地面接收装置，所述的爬升系统连接图像采集装置，所述的图像采集装置包括环型支架、若干个无线摄像头和至少3个导向轮，所述的无线摄像头和导向轮均设置在所述环型支架上，所述的若干无线摄像头沿环型支架的环状结构均布设置，所述的地面接收装置包括显示装置和无线通信模块。

2.如权利要求1所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的爬升系统包括氦气球、纤维绳，所述环形支架的上端和下端均设有绳孔，其中位于上端的绳孔通过纤维绳绑接氦气球，位于下端的绳孔绑接用于人工控制的纤维绳。

3.如权利要求1所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的环型支架包括两块半圆环型的碳纤维板，所述两块半圆环型的碳纤维板的两个端部均分别设有一固定螺栓孔，所述两块半圆环型的碳纤维板拼接构成环型结构后在两个端部分别通过固定螺栓固定。

4.如权利要求1所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的无线摄像头具有无线接收器。

5.如权利要求1或4所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的无线摄像头数量为4个。

6.如权利要求1所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的导向轮数量为3个，分别设置在所述环型支架的内侧左、右两边及环型支架的下表面。

7.如权利要求1或6所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的导向轮为尼龙轮。

8.如权利要求1所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的显示装置包括计算机和/或手机。

9.如权利要求1所述的一种用于斜拉桥拉索的检测装置，其特征在于所述的斜拉桥拉索与水平面的夹角＞17°。

10.一种用于斜拉桥拉索的检测方法，其特征在于所述的检测方法采用如权利要求1～9任一所述的检测装置，所述的检测方法包括以下步骤：

(1)将环型支架设置在斜拉桥拉索周围并固定在索体上；

(2)将爬升系统与图像采集装置连接，人工控制爬升系统；

(3)将无线摄像头接收无线通信模块，地面接收装置也连接到无线通信模块，并与各个无线摄像头匹配，无线摄像头开始录制视频，地面接收系统开始接收并储存视频；

(4)匀速使爬升系统工作，检测装置在爬升系统的作用下沿着索体爬升，工作人员逐渐放松纤维绳，并向爬升方向水平移动，无线摄像头在爬升过程中拍摄索体，接收无线摄像头传输的实时视频，当检测装置爬升至顶端时，即可将绳子拉回，当观测到局部损伤，可及时根据视频定位并进行记录，进行进一步索体检测。