CN112067619B - 用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪及裂纹检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深地微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪及裂纹检测方法，该视觉窥视仪包括用于视觉窥视仪深度和方位定位的定位单元，用于采集微孔表面图像的摄像单元，用于控制摄像单元旋转的驱动单元，用于向驱动单元输出操作指令的控制板，用于安装所述驱动单元、摄像单元和控制板的承载器以及与定位单元、摄像单元和控制板连接的控制分析装置。本发明基于上述视觉窥视仪采集的图像，将摄像单元采集的图像拼接后绘制微孔表面深度‑角度坐标图像，分析地质微孔表面是否存在裂纹及裂纹主应力方向，能够实现对微孔表面图像的精确采集，图像处理及判别效率高，可满足实际工程需求。

Description

用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪及裂纹检测方法

技术领域

本发明属于缺陷分析领域，涉及地质微孔表面裂纹分析技术，具体涉及一种用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪及分析裂纹检测方法。

背景技术

近几年随着我国科学技术发展的迅速性，地质勘测也越来越被人们重视。地壳是由各种各样的岩石、矿物质以及各种各样的地质所构成，它们所具有的性质不同，包括导电性、渗透性、介电性能和电化学性能。由于地底深部的应力情况复杂，应力水平高，深部岩石微裂纹和浅部岩石比较，更易于影响到岩石的力学行为。处于深部环境的岩石在工程力扰动下，大的构造层次由于其裂缝宽、强度低，岩石首先在这一层次上开始变形破坏，随着时间的延伸，低一级的构造层次也逐渐参与到岩石的变形破坏中。岩石埋藏越深，所处的应力环境越复杂，应力水平越高，参与岩石变形破坏的构造层次也越低。因此，研究深部岩石微裂纹及其对岩石力学行为的影响，对解释深部岩体力学的特征具有重要意义。

地质结构的勘探方法多种多样，对于被揭露部分，可以直接观察观测，得出相关分析数据结果，但对于岩体结构没有揭露的地方，需要采取一定的工程设备及方法进行采样观测，传统方法为岩芯采取法。岩芯采取法是通过岩心钻机直接钻取一定长度的圆柱形岩体，工程技术人员通过分析钻取的岩体层理结构，继而得出整个地区的地质分析结果。此方法应用复杂，而且当涉及松软岩层、硬度较低的岩体或小口径钻孔时，岩心钻机的工作效率往往会降低，获得的岩心不完整、不规则，不仅增加了技术人员的工作量，还会导致分析结构不准确、不全面。虽然工程技术人员对此方法进行了一系列的改进，一定程度上提高了该方法的适用场合及效率，但根本上依旧存在上述不足。

随着相关学科技术的不断交叉深入，利用声光电磁等技术的成像钻孔观测设备大量出现，成为地质结构获取和分析的重要力量。传统的勘测技术都是利用电磁学、声学和力学的原理，基于这些原理的一些方法包括超声波探测法、多点位移计量探测法、地质雷达探测法以及地震波测试法等，利用依据原理开发的相关设备先向地表、岩层或者煤层发射电磁波、声波等信号，再依据反射回来的信号进行处理或者对矿物质的磁场进行检测，在显示端显示出相应的图像。虽然这些地质勘测技术可以对地质信息做出分析和判断，但是此类方法最大的特点是不能获得可见图像，即不可以直接观测到其内部信息和地质状况，因钻孔成像技术的直观性和准确性逐渐被应用于实测中，因此成像测井技术就出现了。

目前的成像测井技术一般都是采用阵列式传感器在钻孔内获取当地的地质信息，然后通过数据线将获取到的地质信息传输到处理设备，利用图像处理技术可以得到钻孔的展开平面图或者生成三维立体图。成像测井技术利用原理的不同，可以将成像测井技术分为声成像、光学成像、电成像和核磁成像。但此类技术是以前视钻孔为主，在拼接图像的时候可能由于畸变大(距离越远，视场越模糊)，导致后期处理困难并且效率低。此外，目前的成像技术采用的远距离传输视频信号的装置较大，不适用于小直径钻孔裂纹分析。

目前我国一些地质勘测企业面临着极大地挑战，其中包括传统的勘测技术无法得到改进以及人们接受新技术的速度慢等。在现如今的发展形势下，工程地质勘测工作应抓住重点，探索勘探的新技术，同时加强新技术的研究和应用，促进勘测工作的顺利进行，使我国的勘察技术水平不断提高。同时专业技术人员应该对视觉检测法在一些地质检测工程中的应用继续进行深入研究和探讨。

综上所述，由于地下磁场和水对检测过程的影响，现有市面上存在小直径钻孔检测分析设备的空缺和不足，现有检测设备和技术既不能满足检测精度的要求，也不能满足检测环境的要求。随着加工技术的不断提高和智能视觉设备的日益发展，亟待科技工作者研究开发出一种适用于地址小直径钻孔的能满足需求的结构和缺陷视觉分析的仪器和方法。

发明内容

本发明的目的旨在针对地质微孔裂纹检测视觉检测效率低、精度低的技术现状，提供一种用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，能够实现对地质微孔的表面裂纹进行分析，且分析速度快、精度高。

本发明的另一目的旨在提供一种地质微孔表面裂纹检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。

本发明提供的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，包括：

定位单元，用于视觉窥视仪深度和方位定位；

摄像单元，用于采集微孔表面图像；

驱动单元，用于控制摄像单元旋转；

控制板，用于向驱动单元输出操作指令；

承载器，用于安装所述驱动单元、摄像单元和控制板；承载器包括视孔管以及分别套设在视孔管两端的第一套管、第二套管，所述驱动单元和控制板固定设置于第一套管内，所述摄像单元设置于视孔管内且与驱动单元连接；摄像单元在驱动单元驱动下围绕微孔轴向旋转，采集微孔壁面图像；所述第二套管用于密封和保护视孔管；

控制分析装置，与定位单元、摄像单元和控制板连接，用于向摄像单元和控制板发送操作指令，并实时接收定位单元、摄像单元和控制板发送的数据，依据接收的数据生成微孔表面深度—角度图形坐标图像，利用微孔表面深度—角度图形坐标图像对微孔表面裂纹情况及裂纹主应力方向进行分析。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，首先通过定位单元实现对视觉窥视仪的精准定位，从而有助于摄像单元进行图像采集；摄像单元采集的图像传输给控制分析装置。控制分析装置依据接收的图像对钻孔表面进行分析。定位单元、控制板与控制分析装置之间通讯均采用RS485协议，RS485通讯相较于其它通讯方式，传输距离远，传输速度快。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述定位单元包括：

滚轮式深度计，用于实现摄像单元深度定位，滚轮式深度计的信号输出端经传输线与控制分析装置相连接；惯性导航仪，用于实现摄像单元的方位定位，惯性导航仪安装于第一套管内，其信号输出端经传输线与控制分析装置连接；摄像单元、控制板及惯性导航仪与控制分析装置连接的传输线集束于同一牵引线中，并跨接于滚轮式深度计的滚轮上。传输线移动带动滚轮式深度计的滚轮旋转，通过滚轮旋转圈数就可以确定摄像单元在微孔中的深度。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述摄像单元包括45°反射管和设置于45°反射管内的内窥镜，45°反射管内安装有相对于内窥镜镜头平面呈45°角的反射镜，45°反射管上端与驱动单元连接，由驱动单元带动旋转。由45°反射管带动反射镜旋转一定角度，内窥镜在停留位置采集反射镜反射的微孔壁面图像。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述45°反射管的下端管口设置有卡塞；卡塞插入视孔管下端内侧设置的密封塞安装槽内。这样可以提升视孔管的密封效果。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述驱动单元包括电机、与电机输出轴相连接的减速箱以及内啮合齿圈，所述电机通过电机托架与第一套管固定连接；所述减速箱底部设置有用于安装输出轴的减速箱托架，减速箱输出轴通过与内啮合齿圈啮合连接带动与内啮合齿圈固定连接的45°反射管旋转，内窥镜顶端穿过45°反射管与减速箱托架底部固定连接。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述电机托架包括承插连接的第一托架和第二托架，所述第一托架具有与电机和减速箱外型相适应的内腔，其侧壁还设有用于卡置电机的卡槽。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述控制板通过电路支架设置于第一套管内；所述控制板包括面板，设置于面板上的电源转换电路以及分别与电源转换电路输出端连接的控制电路和驱动电路，控制电路的信号输出端与驱动电路的信号输入端连接，驱动电路信号的信号输出端与电机连接，所述电源转换电路还与安装于面板上的和惯性导航仪连接；所述控制电路和惯性导航仪均通过其设置的信号转换电路与控制分析装置连接。在优选的实现方式中，信号转换电路为RS485信号转换电路。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，进一步包括沿第一套管周向设计的弹性对中装置，弹性对中装置的弹性部分呈压缩状态与微孔内壁抵接。

上述用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，所述弹性对中装置包括弹簧片对中单和弹性凸点对中单元，所述弹簧片对中单元与第一套管上端部固定连接，包括对中支架以及环设于对中支架上的若干弹性片，对中支架包括连接杆件以及套设于连接杆件上的支板一和支板二，弹性片的上、下端部分别与支板一和支板二相连接；所述弹性凸点对中单元包括套设于第一套管上的环片，以及沿环片周向设置于环片上的若干弹性凸点。

本发明进一步提供了采用上述视觉窥视仪对微孔表面裂纹进行检测的方法，包括以下步骤：

(S1)将承载器放入到地质微孔特定深度处，通过定位单元获取当前摄像单元拍摄深度及方位；

(S2)控制分析装置经控制板控制驱动单元带动摄像单元旋转并在设定的位置停留、微孔壁面图像，并将图像传输给控制分析装置；

(S3)控制分析装置将接收到的图像进行拼接得到设定深度的360°微孔表面图像后保存，当拍摄范围累计高度未达到深度总高度时，返回(S1)；若达到深度总高度，继续下一步骤；

(S4)将不同深度的360°微孔表面图像进行总拼接得到微孔表面图像并保存，再根据保存的微孔表面图像和惯性导航仪采集的方位数据，绘制微孔表面深度—角度坐标图像。

上述地质微孔表面裂纹分析方法，步骤(S1)的目的是将摄像单元对准待检测微孔表面，实现对小直径钻孔表面裂纹的精准定位。为了实现对小直径钻孔表面裂纹的精确定位，本发明中通过滚轮式深度计和惯性导航仪的协同作用来实现，两者均可以通过RS485协议将数据通过串口传输给控制分析装置以此定位当前微孔裂纹的所在孔深度和方位。通过上述定位方式，深度精度可达到毫米级，方位精度可达到0.1°。

上述地质微孔表面裂纹分析方法，步骤(S2)中，为了实现摄像单元360°拍摄，实现对微孔表面裂纹视觉缺陷的识别定位，本发明利用驱动单元带动45°反射管旋转，并在多个位置拍摄图像，控制分析装置对相同深度拍摄的多张图像进行拼接并保存。本发明采用常规AutoStitch算法来对图像进行拼接，本领域技术人员可以选择其它方法来图像进行拼接得到微孔壁面图像。AutoStitch算法为现有图像拼接技术中常见算法，因此不再赘述。

上述地质微孔表面裂纹分析方法，步骤(S3)中，当拍摄范围累计高度未达到要求的深度总高度时，继续将承载器下降一定深度；若达到深度总高度，进行下一步骤。

上述地质微孔表面裂纹分析方法，步骤(S4)中，将所有沿不同深度得到的360°微孔表面图像进一步拼接得到微孔表面图像并保存。这里仍可采用AutoStitch算法进行总拼接并保存。然后根据保存的微孔表面图像结合惯性导航仪采集的方位数据绘制微孔表面深度-角度坐标图像。通过对得到的微孔表面深度-角度坐标图像进行分析，便可以判断出微孔表面是否存在裂纹以及裂纹主应力方向。

本发明提供的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪及裂纹检测方法，可实现对地质微孔表面裂纹快速、高精度检测分析。与现有地质微孔表面裂纹检测技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明视觉窥视仪为自主研发设计，整体结构简单小巧，直径最大处20mm，通过定位单元实现方向和深度的双重定位，再通过驱动单元带动摄像单元实现360°旋转拍摄微孔表面图像，能够实现对微孔(小直径钻孔)表面图像的精确采集，且本发明为环视钻孔，相较现有前视钻孔，拼接图像畸变小，后期处理简单且图像处理效率高，可满足实际工程需求；

(2)本发明通过摄像单元获取微孔不同位置表面图像，再同控制分析装置将不同微孔不同位置表面图像进行拼接、绘制得到微孔表面深度-角度图形坐标图像，再通过对微孔表面深度-角度图形坐标图像进行分析识别，进而实现对微型深孔表面的高精度裂纹方向定位，且判别效率高；

(3)本发明控制分析装置与定位单元和驱动单元之间通讯均优选采用RS485协议，对于远通讯距离，RS485通讯相较于其它通讯方式，传输距离远、传输速度快；

(4)本发明在控制板输入端设有电源转换电路，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，对于原距离供电，使用可靠、方便且成本低；

(5)本发明优选配备专用驱动电路，使摄像单元旋转角度精确，且，保证计算机发送操作指令后，电机带动摄像单元精确旋转一定角度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明实施例用于地质微孔表面裂纹分析的视觉窥视仪结构示意图；

图2为本发明实施例承载器外观结构示意图；

图3为本发明实施例承载器及其内部结构剖视图，其中(a)为俯视图，(b)为图(a)H-H方向剖视图；

图4为本发明实施例承载器内部部件结构示意图；

图5为本发明实施例电机、减速箱及内窥镜结构示意图；

图6为本发明实施例45°反射管结构示意图；

图7为本发明实施例电机托架结构示意图；

图8为本发明实施例视觉窥视仪与钻孔的配合示意图；

图9为本发明实施例实际采集的小直径钻孔表面裂纹图像；

图10为本发明实施例的电源转换电路原理图；

图11为本发明实施例的用于电机操作命令和数据传输的信号转换电路原理图；

图12为本发明实施例的控制电路和驱动电路原理图；

图13为本发明实施例的惯性导航仪电路原理图；

图14为本发明实施例通过拼接得到的某一深度360°微孔表面图像；

图15为本发明实施例得到的微孔表面深度-角度图形坐标图像。

附图标记说明：1、工作台；2、滚轮式深度计；201、深度计支架；3、计算机；4、惯性导航仪；5、承载器；501、第一套管；502、第二套管；503、视孔管；6、控制板；601、电源转换电路；602、控制电路；603、驱动电路；604、第一支架板；605、第二支架板；606、面板；7、电机；701、第一托架；702、第二托架；703、电机输出轴；8、减速箱；801、减速箱托架；802、偏心传动轴；803、中心传动轴；804、减速箱输出轴；9、45°反射管；901、反射镜；902、卡塞；903、密封塞；904、深沟球轴承；905、无油轴承；10、内窥镜；1001、滚子轴承；11、内啮合齿圈；12、弹簧片对中单元；13、弹性凸点对中单元。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例

本实施例提供的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，包括用于视觉窥视仪深度和方位定位的定位单元，用于采集微孔表面图像的摄像单元，用于控制摄像单元旋转的驱动单元，用于控制驱动单元的控制板，用于安装驱动单元、摄像单元及控制板的承载器以及与定位单元、摄像单元和驱动单元连接的控制分析装置。本实施例中以计算机3作为控制分析装置。计算机3用于向摄像单元和驱动单元发送操作指令，并实时接收定位单元、摄像单元采集的数据，依据从摄像单元采集的微孔表面图像数据对微孔表面裂纹情况及裂纹主应力方向进行分析。

如图1所示，本实施例中，计算机3安装于工作台1上。定位单位包括滚轮式深度计2和惯性导航仪4，滚轮式深度计2通过深度计支架201固定安装于工作台1上，并通过传输线与计算机3连接。滚轮式深度计2(通过自带串口)和惯性导航仪4(通过设置的RS485信号转换电路)均通过RS485协议将数据通过串口传输给计算机3，以此定位当前微孔表面裂纹所在深度和方位。通过该定位方式，深度精度可达到毫米级，方位精度可达到0.1°。如图2-3所示，本实施例中，上述控制板6、驱动单元和摄像单元顺次布设于承载器5中。承载器5包括第一套管501、第二套管502、视孔管503。视孔管503两端分别套设在第一套管501和第二套管502内。第一套管501和视孔管503采用防水密封胶连接，第二套管502和视孔管503通过三层O型密封胶连接。视孔管503为玻璃管，主要用于排除反射镜901与孔壁之间的积水，改善拍摄效果。如图3所示，控制板6和驱动单元固定设置于第一套管501内，摄像单元设置于视孔管503内且与驱动单元连接；摄像单元在驱动单元驱动下围绕微孔轴向旋转，采集微孔壁面图像；第二套管502用于密封和保护视孔管503。

如图3-5所示，本实施例中，驱动单元包括电机7、与电机输出轴703相连接的减速箱8以及内啮合齿圈11。电机7为微型步进电机，优选两相四线步进电机。电机7通过电机托架与第一套管501固定连接。如图7所示，电机托架包括第一托架701和第二托架702。第一托架701外型呈与第一套管501内壁尺寸相适应的圆柱形，具有与电机7和减速箱8外型相适应的内腔体。第一托架701侧壁设有向内延伸、用于卡置电机7的卡槽，与卡槽相对的侧壁具有用于插置第二托架702插块的插口。第二托架702包括圆盘状端盖和与顶盖一体成型的插块。端盖内侧边缘设计有与第一托架701上端边缘台阶适配的台阶面。插块形状尺寸与第一托架701的插口相适应。插口/插块以及台阶结构构成承插连接关系。电机7和减速箱8从上至下依次设置于第一托架701内腔中，电机7侧端部卡置于第一托架701的卡槽中，第二托架702插设于第一托架701上。减速箱8具有偏心输出扭矩，其为由偏心传动轴802、中心传动轴803、减速箱输出轴804以及安装于各轴上的传动齿轮构成的减速齿轮副，电机输出轴703、减速箱偏心传动轴802、中心传动轴803和减速箱输出轴804通过其上的齿轮啮合。减速箱8底部还固定设置有横置U型减速箱托架801。减速箱输出轴804穿设于U型减速箱托架801的空腔中，并与内啮合齿圈11相啮合。电机7通过减速齿轮副带动偏心传动轴802转动，偏心传动轴802通过减速齿轮副带动中心传动轴803转动，中心传动轴803通过减速齿轮副带动与之啮合连接的内啮合齿圈11旋转。上述只是驱动单元的一种实现方式，其也可以为带减速箱的微型步进电机，只要减速箱为偏心输出扭矩即可。

如图3、图5及图6所示，本实施例中，摄像单元包括45°反射管9和设置于45°反射管9内的内窥镜10。45°反射管9内安装有与内窥镜10镜头平面呈45°角的反射镜901。微孔表面图像反射至反射镜901中，内窥镜10获取反射镜901上反射的图像。45°反射管9上端与内啮合齿圈11通过定位销固定连接，由内啮合齿圈11带动45°反射管9转动。45°反射管9与第一套管501之间还套设有无油轴承，以便于旋转时减少45°反射管9与第一套管501之间摩擦。内窥镜10顶部与U型减速箱托架801底部固定连接。内窥镜10两端套设于45°反射管9内设置的滚珠轴承1001，以便于45°反射管9旋转时减少与之的摩擦。

为了增强内窥镜10采集微孔表面图像，本实施例中内窥镜10还配备了环形光源。环形光源与控制板连接，通过控制板调节光源的输出光强。内窥镜10优选为小型高清工业内窥镜10。内窥镜10通过传输线与计算机3连接。传输线从第二托架702上开设的过孔穿过，并从第一套管穿出且跨接于滚轮式深度计的滚轮上。内窥镜10在计算机3的控制下采集微孔表面图像，并经传输线发送给计算机3，计算机根据接收到的图像对微孔表面是否存在裂纹及裂纹主应力方向进行分析。

为进一步加强防水效果，45°反射管9的下端管口还设置有卡塞902。优选地，卡塞902插入视孔管503下端内侧设置的密封塞903安装槽内，安装槽内设置有与卡塞902适配的深沟球轴承904连接。密封塞903与视孔管503之间进一步设置有多个密封圈，以增强密封效果。

如图3-4所示，本实施例中，控制板6通过电路支架设置于第一套管501内。控制板6包括面板606、设置于面板606上的电源转换电路601、控制电路602、驱动电路603和信号转换电路，此外，惯性导航仪4也安装于面板606上。所述电源转换电路601输出端分别与控制电路、驱动电路和惯性导航仪4连接，用于将远程输入的高电压转化为它们所需电压。控制电路602的信号输出端与驱动电路602的信号输入端连接，驱动电路信号603的信号输出端与电机连接。控制电路602和惯性导航仪均通过其设置的信号转换电路与计算机连接，实现远距离通信。控制电路602用于将接收的来自计算机的操作指令发送给驱动电路603，驱动电路603用于根据来自控制电路602的操作指令控制电机旋转设定角度或停止旋转等相应动作。

如图4所示，本实施例中，电路支架主要由第一支架板604和第二支架板605以及用于固定第一支架板604和第二支架板605的三根连接杆件组成。连接杆件为钢棒。连接杆件的数量没有特殊要求，其主要起连接固定作用，根据实际情况合理选择数量即可。面板606嵌套在任意两根连接杆件之间。

如图10所示，本实施例中，电源转换电路601采用低压差线性稳压器，具体通过78M05芯片实现。电源转换电路601(78M05芯片)VIN端输入转换前电压(即计算机输出电压，在此为12V)，VOUT端输出转化后电压+5V，为后续控制电路602、驱动电路603及惯性导航仪4提供满足需求的电源电压。此外，为了保证78M05芯片的稳定工作，在VOUT端与VIN端各并联了两个电容。

本实施例通过RS485协议接收操作指令或发送数据。如图11所示，本实施例中，信号转换电路为RS485信号转换电路，采用MAX485芯片及其外围电路实现。为了满足芯片MAX485的稳定工作，本实施例在电路差分信号接口(引脚A、B)中加入双向稳压二极管(型号为SMAJ6.5CA)，三个双向稳压二极管(D4-D6)串联连接，双向稳压二极管D5两端与引脚A、B之间，在双向稳压二极管D5与引脚A、B连接线路上分别并联接入保护电阻(R11、R14)，电阻R13并联于从双向稳压二极管D5引出的两条线路之间。这样将A、B引脚对地的电压以及A和B引脚之间的电压牵制至6.5V以内。

如图12所示，本实施例中，控制电路602和驱动电路603分别采用单片机STC12C2052AD和L293DD芯片实现，且信号转换电路与控制电路602设置在一起。控制电路602的信号接收端(引脚RXD)与信号转换电路的信号输出端(引脚RO)连接，控制电路602的信号反馈端(引脚TXD)经开关电路与信号转换电路的信号输入端(引脚RE和DE连接作为信号输入端)连接，控制电路602的信号输出端(引脚ADC0/P1.0-ADC3/P1.3)与驱动电路的信号输入端(INPUT4-INPUT1)连接。上述开关电路包括三极管Q2，电阻R10、R12和R15，三极管Q2基极经电阻R15与控制电路的信号反馈端连接，三极管集电极经电阻R10与电源转换电路601输出端连接，同时三极管Q2集电极与信号转换电路的信号输入端连接，三极管Q2发射极接地，电阻R12两端与电阻10、三极管Q2和电阻R15连接线路并联。这样，可以通过远程通信控制电机，使电机接收驱动信号完成带反馈的相应动作。具体的数据传输过程为：信号转换电路接收的电机操作指令数据通过引脚RXD传输至控制电路602中，并通过引脚ADC0/P1.0-ADC3/P1.3将相应的控制信号发送给驱动电路603，驱动电路603再依据接收的控制信号，驱动电机7执行相应的动作；当需要控制电路602发送相应反馈数据时，可以自动通过TXD发送，只需要连接控制电路602(单片机STC12C2052AD)的RXD和TXD引脚，无需用控制电路602(单片机STC12C2052AD)引脚连接信号转换电路(MAX485芯片)的DE、RE引脚。

此外，电源转换电路601输出端与环形光源信号输入端连接，用于控制环形光源的启闭以及输出光强。

如图13所示，本实施例中，惯性导航仪4由芯片W61及与之连接的信号转换电路组成，这里所采用的信号转换电路原理与前面给出图11中给出的信号转换电路原理相同，信号转换电路为RS485信号转换电路，采用MAX485芯片及其外围电路实现。信号转换电路的信号输出端(引脚RO)与芯片WT61的信号接收端(引脚RX)连接，信号转换电路的信号输入端(引脚RE和DE连接作为信号接收端)经开关电路与芯片WT61的信号反馈端(引脚TX)连接。为了满足芯片MAX485的稳定工作，本实施例在电路差分信号接口(引脚A、B)中加入双向稳压二极管(型号为SMAJ6.5CA)。上述开关电路和双向稳压二极管原理与前面给出的相同，这里不再详细解释。

上述控制电路和惯性导航仪中设置的RS485信号转换电路的差分信号接收/发送端通过传输线与计算机3连接。上述摄像单元、电源转换电路、控制电路和惯性导航仪与计算机连接的传输线聚成一束牵引线从第一套管穿出、并从滚轮深度计的滚轮跨过，最终与计算机信号输入端连接。

本实施例，通过RS485协议进行数据传输，可实现电机7、惯性导航仪4与计算机3之间的远距离通信。

对于微型钻孔(钻孔直径在20mm以内)，其只能施工为台阶孔，如图8所示。为了适应这种类型微孔的工作环境，本实施例中，视觉窥视仪还包括对弹性中装置，弹性对中装置的弹性部分呈压缩状态与微孔内壁抵接。弹性对中装置包括弹簧片对中单元12和弹性凸点对中单元13。弹簧片对中单元12与第一套管501上端部固定连接，包括对中支架以及环设于对中支架上的若干弹性片，对中支架包括连接杆件以及套设于连接杆件上的支板一和支板二，弹性片设置于支板一和支板之间，且弹性片的长度大于连接杆件的长度，使弹性片具有可压缩性。连接杆件为中空结构，一端与第一套管501上端固连，传输牵引线从连接杆件中穿过。弹性凸点对中单元13包括套设于第一套管501上的环片，以及沿环片周向设置于环片上的若干弹性凸点。本实施例中，以弹簧球轴作为弹性凸点，弹簧球轴与环片安装孔通过螺纹连接。该弹性对中装置可以实现视觉窥视仪在微孔中的对中，并增加其稳定性。通过设置的弹性凸点对中单元13，能够满足直径在20mm以内的微孔表面图像采集要求。

本实施例以检测地质小直径钻孔表面裂纹情况为例，对采用上述视觉窥视仪对微孔表面裂纹进行分析检测的过程进行详细解释，该过程包括以下步骤：

(S1)将承载器5放入到地质微孔(小直径钻孔)特定深度处，通过定位单元获取当前摄像单元拍摄深度及方位。

将承载器5放入到地质小直径钻孔设定深度处，即将内窥镜10下降到需要拍摄的深度对准待检测的小直径钻孔表面，通过滚轮式深度计2获取当前内窥镜10拍摄深度，钻孔和承载器5的配合示意图如图8所示。由于摄像单元与计算机3连接的传输线跨过滚轮，而窥视仪各部件尺寸是已知的，因此通过滚轮式深度计2滚轮转数便可得到当前内窥镜10拍摄深度。

惯性导航仪4将承载器5放入前后角度变化传输给计算机3，便于内窥镜10初始拍摄方向定位。

本发明中通过滚轮式深度计2和惯性导航仪4的协同作用来实现对小直径钻孔表面裂纹方向的精确定位。两者都通过RS485协议将数据通过串口传输给计算机3以此定位当前小直径钻孔裂纹的所在孔深度和方位。通过上述定位方式，深度精度可达到毫米级，方位精度可达到0.1°。

(S2)计算机3经控制板6控制驱动单元带动摄像单元旋转并在设定的位置停留、微孔壁面图像，并将图像传输给计算机3。

计算机3发送操作指令给控制电路602，控制电路602经驱动电路603驱动电机7，由减速箱8带动45°反射管9旋转，并在设定的位置停留，内窥镜10采集旋转拍摄的图像，并将图像传输给计算机3；

为了实现内窥镜10 360°拍摄，进而实现对小直径钻孔表面裂纹视觉缺陷的识别定位，利用微型步进电机与减速模组通过内啮合齿圈11带动45°反射管9旋转，在多个位置拍摄图像，计算机3对相同深度拍摄的每一张图像用AutoStitch算法进行拼接得到设定深度的360°微孔表面图像并保存。

通过计算机3控制电机7与减速箱8旋转一定角度(每旋转120°停留0.5s)。在初始定位完成后，计算机3控制内窥镜10采集此时小直径钻孔表面图像，之后，电机7与减速箱8每当转过设定角度后，计算机3便控制内窥镜10采集小直径钻孔的图像，内窥镜10将采集的图像实时传输给计算机3。本实施例中通过45°反射管9，每旋转一圈共采集三张图像(图9示出了其中一个角度采集的照片)，利用三张图像拼接得到相应深度的360°微孔表面完整图像。

(S3)计算机3根据接收到的图像用AutoStitch算法进行拼接后保存，当拍摄范围累计高度未达到深度总高度时，回到(S1)；若达到深度总高度，继续下一步骤。

计算机3对图像进行实时保存，当前深度位置采集的三张图像完成后，采用常规的AutoStitch算法进行拼接，得到如图14所示相应深度的360°微孔表面完整图像。再继续采集下一深度的图像。内窥镜10每次下降10mm，可通过滚轮式深度计2精确下降深度。当拍摄范围累计高度未达到要求的深度总高度时，继续将承载器5下降；若达到深度总高度，进行下一步骤。

(S4)将不同深度的360°微孔表面图像进行总拼接得到微孔表面图像并保存，再根据保存的微孔表面图像和惯性导航仪采集的方位数据，绘制微孔表面深度—角度坐标图像。

将得到的不同深度的360°微孔表面图像用AutoStitch算法进行总拼接并保存，得到总深度的微孔表面图像。惯性导航设备从开始拍摄便开始记录角度，因此可以知道从孔口到每一帧图像的偏转角。根据偏转角和初始位置的方位坐标，可以计算出每一帧图像的的实时方位，并标记在图像上。计算机根据保存的总深度的微孔表面图像，结合惯性导航仪实时采集的方位数据，便可绘制微孔表面深度-角度坐标图像，图15示出了某一段微型钻孔的表面深度-角度坐标图像。

根据微孔表面深度-角度坐标图像，可以根据常规基于图像处理的图像裂纹检测方法来对裂纹进行识别，并确定裂纹主应力方向，例如传统机器视觉方法(包括边缘检测、模板匹配、色彩通道抓取、阈值检测等)，也可以采用基于深度学习的全卷积神经网络，或者将传统机器视觉方法与基于深度学习的全卷积神经网络相结合。

综上所述，本发明提供的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪及其裂纹检测方法，所用结构采用纯自主研发设计，整体简单小巧，直径最大处20mm，设计新颖，能满足实际工程需求；由于需要360°旋转拍摄小直径钻孔表面裂纹走向，在固定小型高清工业内窥镜10的情况下，让微型步进电机与减速模组通过内啮合齿圈11带动45°反射管9达到小型高清工业内窥镜10旋转拍摄。

本发明所用控制板6与计算机3之间通讯均采用RS485协议，对于远通讯距离，RS485通讯相较于其它通讯方式，传输距离远，传输速度快。进一步的，在控制板6输入端设有低压差线性稳压器，对于远距离供电，相对于传统的线性稳压器来说，该低压差线性稳压器组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

本发明通过滚轮式深度计2和惯性导航仪4实现对小直径钻孔表面裂纹的精确定位，两者均通过RS485协议将数据通过串口传输给计算机3以此定位当前小直径钻孔裂纹的所在深度和方位。通过上述定位方式，深度精度可达到毫米级，方位精度可达到0.1°。进一步的，为了让45°反射管9旋转角度精确，采用两相四线步进电机，且配备专用驱动芯片，保证计算机3发送操作指令后，步进电机精确旋转一定角度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于包括：

定位单元，用于视觉窥视仪深度和方位定位；

摄像单元，用于采集微孔表面图像；

驱动单元，用于控制摄像单元旋转；

控制板(6)，与驱动单元连接，用于向驱动单元输出操作指令；

承载器(5)，用于安装所述驱动单元、摄像单元和控制板；承载器(5)包括视孔管(503)以及分别套设在视孔管(503)两端的第一套管(501)、第二套管(502)，所述驱动单元和控制板固定设置于第一套管(501)内，所述摄像单元设置于视孔管(503)内且与驱动单元连接；摄像单元在驱动单元驱动下围绕微孔轴向旋转，采集微孔壁面图像；所述第二套管(502)用于密封和保护视孔管；

控制分析装置，与定位单元、摄像单元和控制板连接，用于向摄像单元和控制板发送操作指令，并实时接收定位单元、摄像单元和控制板发送的数据，依据接收的数据生成微孔表面深度—角度图形坐标图像，利用微孔表面深度—角度图形坐标图像对微孔表面裂纹情况及裂纹主应力方向进行分析；

所述定位单元包括：

滚轮式深度计(2)，用于实现摄像单元深度定位，滚轮式深度计的信号输出端经传输线与控制分析装置信号输入端连接；

惯性导航仪(4)，用于实现摄像单元的方位定位，惯性导航仪安装于第一套管内，其信号输出端经传输线与控制分析装置连接；

摄像单元、控制板及惯性导航仪与控制分析装置连接的传输线跨接于滚轮式深度计的滚轮上。

2.根据权利要求1所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于所述摄像单元包括45°反射管(9)和设置于45°反射管(9)内的内窥镜(10)，45°反射管(9)内安装有相对于内窥镜(10)镜头平面呈45°角的反射镜(901)，45°反射管(9)上端与驱动单元连接，由驱动单元带动旋转。

3.根据权利要求2所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于所述45°反射管(9)的下端管口设置有卡塞(902)；卡塞(902)插入视孔管(503)下端内侧设置的密封塞(903)安装槽内。

4.根据权利要求2所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于所述驱动单元包括电机(7)、与电机输出轴(703)相连接的减速箱(8)以及内啮合齿圈(11)，所述电机(7)通过电机托架与第一套管(501)固定连接；所述减速箱(8)底部设置有用于安装输出轴的减速箱托架(801)，减速箱输出轴(804)通过与内啮合齿圈(11)啮合连接带动与内啮合齿圈(11)固定连接的45°反射管(9)旋转，内窥镜(10)顶端穿过45°反射管(9)与减速箱托架(801)底部固定连接。

5.根据权利要求4所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于所述电机托架包括承插连接的第一托架(701)和第二托架(702)，所述第一托架(701)具有与电机(7)和减速箱(8)外型相适应的内腔，其侧壁还设有用于卡置电机(7)的卡槽。

6.根据权利要求4所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于所述控制板(6)通过电路支架设置于第一套管(501)内；所述控制板(6)包括面板(606)，设置于面板(606)上的电源转换电路(601)以及分别与电源转换电路(601)输出端连接的控制电路(602)和驱动电路(603)，控制电路(602)的信号输出端与驱动电路(602)的信号输入端连接，驱动电路(603)的信号输出端与电机连接，所述电源转换电路还与安装于面板(606)上的和惯性导航仪(4)连接；所述控制电路602和惯性导航仪(4)均通过其设置的信号转换电路与控制分析装置连接。

7.根据权利要求1所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于进一步包括沿第一套管周向设计的弹性对中装置，弹性对中装置的弹性部分呈压缩状态与微孔内壁抵接。

8.根据权利要求7所述的用于地质微孔表面裂纹检测的视觉窥视仪，其特征在于所述弹性对中装置包括弹簧片对中单元(12)和弹性凸点对中单元(13)，所述弹簧片对中单元(12)与第一套管(501)上端部固定连接，包括对中支架以及环设于对中支架上的若干弹性片，对中支架包括对中支架包括连接杆件以及套设于连接杆件上的支板一和支板二，弹性片的上、下端部分别与支板一和支板二相连接；所述弹性凸点对中单元(13)包括套设于第一套管(501)上的环片，以及沿环片周向设置于环片上的若干弹性凸点。

9.一种使用权利要求1-8任一所述视觉窥视仪对微孔表面裂纹进行检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

(S1)将承载器(5)放入到地质微孔特定深度处，通过定位单元获取当前摄像单元拍摄深度及方位；

(S2)控制分析装置经控制板控制驱动单元带动摄像单元旋转并在设定的位置停留、微孔壁面图像，并将图像传输给控制分析装置；

(S3)控制分析装置将接收到的图像进行拼接得到设定深度的360°微孔表面图像后保存，当拍摄范围累计高度未达到深度总高度时，返回(S1)；若达到深度总高度，继续下一步骤；

(S4)将不同深度的360°微孔表面图像进行总拼接得到微孔表面图像并保存，再根据保存的微孔表面图像和惯性导航仪采集的方位数据，绘制微孔表面深度—角度坐标图像。

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