CN112359884B - 一种超声波成槽检测探头装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波成槽检测探头装置及其检测方法，装置包括电缆线、控制单元、电子罗盘、陀螺仪、加速度计、超声波发射接收模块，超声波发射接收模块包括M个指向四周水平方向的超声波发射接收单元。控制单元P实时读取电子罗盘、陀螺仪、加速度计数据，确定装置摆动位置、空间姿态和超声波发射接收单元的空间指向，控制完成发射接收超声波的检测过程，得到槽壁反射点。控制单元读取加速度计数据，判断检测过程中是否触碰槽壁，确定触碰时间，计算触碰槽壁点。根据槽壁反射点和触碰槽壁点，最终得到整个深度范围内的成槽宽度、倾斜、走向。检测过程中无需抑制探头装置的摆动，极大的简化了对地面绞车的要求。

Description

一种超声波成槽检测探头装置及其检测方法

技术领域

本发明属于岩土工程检测领域中的应用超声波法检测地下混凝土连续墙成槽质量的技术领域，具体涉及一种超声波成槽检测探头装置，还涉及一种超声波成槽检测探头装置的检测方法。

背景技术

成槽检测是地下连续墙施工过程质量控制的一个关键环节，要在浇灌混凝土前检测开挖完成的沟槽的宽度和倾斜状况，类似于钻孔灌注桩浇灌混凝土前必须进行成孔质量检测。现有技术通常采用超声波法进行成槽质量检测，现场检测多直接借用超声波灌注桩成孔质量检测装置进行检测，将检测探头装置放置在沟槽中的泥浆里，计算机控制地面绞车收放检测探头装置，同时计算机控制探头装置向沟槽两侧槽壁发射超声波并接收槽壁的反射波，计算反射位置，进而得到槽壁位置。由于没有专门针对成槽检测的检测装置和检测方法，现有技术检测过程中存在一些技术缺陷。

首先，借用超声波灌注桩成孔质量检测装置进行检测，超声波灌注桩成孔质量检测装置通常只能向水平面均布分布的四个方向发射超声波，用于检测灌注桩成孔质量检测时，在某个高度位置，只要获取三个水平方向的反射点，即可计算该高度位置成孔圆心的平面坐标和半径，可以满足灌注桩成孔质量检测的需要，但是用于地下连续墙成槽质量检测时，往往四个超声波收发单元中只有两个对着成槽的两侧槽壁，因此每个侧壁上往往只能获取一个反射点，另两个超声波收发单元正对的方向是成槽的走向，通常无法接收到反射波。如此，得到的检测结果实际上是检测点附近成槽状况的一个纵剖面，无法全面反映检测点处成槽状况，特别是无法反映成槽走向随着深度发生的偏移，而一旦成槽走向发生偏移，成槽宽度的检测结果也会有误差。

与运用超声波检测钻孔灌注桩成孔质量最大的不同在于，钻孔在某个深度位置上的几何特征是一个圆，当检测探头由于钻孔倾斜或探头摆动导致探头过于靠近孔壁某处时，会导致某检测方向探头与孔壁距离小于盲区，难以准确识别孔壁反射点，但总会有相对应的另外几个发射方向距孔壁距离大于盲区，只要保证得到不少于3个方向的孔壁反射点，就可以计算钻孔的中心位置和直径。可是在运用超声波检测地下连续墙成槽质量检测时，两侧的槽壁实际上是相对独立的两个待检测对象，一个侧槽壁得不到反射点，另一侧槽壁有再多的发射点也于事无补，因此要确保检测探头在距离槽壁很近的位置也能得到反射点，必须消除盲区的影响。

其次，检测过程中收放探头装置时，通常要确保探头装置始终处在一条铅锤线上，特别是不能发生扭转，即探头装置中的超声波传感器面对的方向不能发生改变，否则得到的成槽倾斜状况和成槽宽度不准确。检测装置的超声波发射接收部分并不复杂，检测装置的复杂性是要求检测过程中确保探头装置“始终处在一条铅锤线上”、确保探头装置“不发生扭转”等特定要求带来的。实际检测过程中，检测深度往往有数十米，放置在槽中的探头装置与电缆线构成一个摆系统，有多种因素可能带来复杂的扰动，导致探头装置摆动和扭转，见图1a。由于必须考虑抑制探头装置的摆动或扭转，导致绞车往往需要同时收放多根电缆线和定位钢丝，见图1b，带来诸多同步问题，导致绞车结构复杂，且衍生出诸多维护性问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种超声波成槽检测探头装置，还提供一种超声波成槽检测方法，在检测过程中无盲区影响，无需抑制探头摆动和扭转，实时探测探头摆动和扭转状况，控制检测过程，在极大简化对地面绞车的要求的同时，得到准确的检测结果。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

定义附着在大地的空间坐标系XYZ，为简化描述，定义X轴、Y轴为水平方向，X轴垂直于Y轴，Z轴为重力方向。定义附着在超声波成槽检测探头装置S上的装置坐标系uvw，u轴、v轴、w轴相对于超声波成槽检测探头装置S固定不变，为简化描述，定义u轴、v轴为水平方向，u轴垂直于v轴，w轴为重力方向。

实际检测中，超声波成槽检测探头装置S摆动的角度不大，但是由于检测深度可以达到数十米，摆幅不能忽略，超声波成槽检测探头装置S的空间坐标需要实时获取，此时可以将超声波成槽检测探头装置S的装置坐标系uvw设定为u轴、v轴为水平方向，u轴垂直于v轴，w轴为重力方向，w轴与空间坐标系XYZ中的Z轴平行。超声波成槽检测探头装置S在空间坐标系XYZ中某个深度位置Zj的摆动可以分解为装置坐标系uvw原点在空间坐标系XYZ水平面Zj上的平移和装置坐标系uvw的u轴、v轴围绕装置坐标系uvw中的w轴(平行于空间坐标系XYZ中Z轴)的旋转。

一种超声波成槽检测探头装置，包括探头壳体，还包括设置在探头壳体上的控制单元P、电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和超声波发射接收模块UT，超声波发射接收模块UT包括M个周向设置在探头本体上的超声波发射接收单元SH1～SHM，M≥6。原理框图见图2。

第i个超声波发射接收单元由一个低频高压大功率换能器UTDAi和一个高频低压小功率换能器UTDBi组成，低频大功率换能器UTDAi和高频小功率换能器UTDBi的发射接收方向相同，i∈(1，…，M)。

在某个确定深度的检测过程中，电缆线L的长度相当于摆长，超声波成槽检测探头装置S相当于摆端质点，整个摆动系统的摆动角度不大，超声波成槽检测探头装置S为铅锤状态，摆动轨迹近似限定在一个水平面上。由于摆动角度不大，摆动幅度与电缆线L的长度成正比，随着检测深度的增加，摆动幅度不可忽略，超声波成槽检测探头装置S的当前空间坐标需要实时获取。

电缆线L与控制单元P连接。用于承重，提供电源，传输信号。

控制单元P与电缆线L连接，与电子罗盘DC连接，与陀螺仪G连接，与加速度计A连接，与超声波发射接收模块UT连接。

电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A固定安装在超声波成槽检测探头装置S上，电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A的安装位置和三个轴的指向在装置坐标系uvw中是固定的，是装置的出厂规格参数，用于根据电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A的数据，计算超声波成槽检测探头装置S在空间坐标系XYZ中的坐标和姿态。设置电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A三个轴与装置坐标系uvw的三个轴平行可以简化计算。

电子罗盘DC与控制单元P连接。控制单元P读取电子罗盘DC数据，计算超声波成槽检测探头装置S的M个超声波发射接收单元SH1～SHM的指向。

陀螺仪G与控制单元P连接。控制单元P读取陀螺仪G数据，得到超声波成槽检测探头装置S的空间位置和姿态。

加速度计A与控制单元P连接。控制单元P读取加速度A数据，校正陀螺仪G数据，判断超声波成槽检测探头装置S的是否触碰槽壁，记录触碰槽壁的时间，结合陀螺仪G数据，计算触碰槽壁点坐标。

在计算超声波发射接收单元的指向时，可以依据电子罗盘DC确定的磁极方向和加速度计A确定的铅锤重力方向，对陀螺仪G数据得到超声波成槽检测探头装置S的空间位置和姿态进行校正。

超声波发射接收模块UT与控制单元P连接，控制单元P控制超声波发射接收模块UT的M个超声波发射接收单元SH1～SHM分别向M个方向发射超声波并接收反射声波。

控制单元P控制超声波发射接收模块UT的第i个超声波发射接收单元SHi发射超声波并接收反射声波时，分别控制低频高压大功率换能器UTDAi和高频低压小功率换能器UTDBi发射超声波并接收反射声波。

成槽检测时，超声波在护壁泥浆中传播，护壁泥浆对超声波有很大的衰减，尤其是在成槽的底部由于沉淀作用泥浆的浓度很高，衰减极为严重，为了满足探测需要，通常采用低频高压大功率探头。探头输出功率大往往导致探头和壳体产生余震，加上高达几百伏～上千伏的高压脉冲，产生的电路串扰，导致在一定距离内产生检测盲区。另外盲区的大小也跟超声波的频率有关。M个低频高压大功率换能器UTDA1～UTDAM用于识别较远距离的反射点，高频小功率换能器探测距离近，盲区可以忽略，M个高频低压小功率换能器UTDB1～UTDBM用于识别较近处的反射点。

超声波的反射与超声波入射角(声束与反射面法线的夹角)也有关系，入射角越大越难以获取和识别反射波，见图3。在某个深度位置Zj处，为了计算成槽在Zi深度位置的宽度和走向，必须至少在一侧槽壁上获取两个准确的槽壁反射点数据，在另一侧槽壁上获得不少于一个槽壁反射点。超声波成槽检测探头装置S应有不少于6个超声波发射接收单元。

一种超声波成槽检测探头装置的检测方法，其步骤如下：

步骤1、设定初始状态；

步骤1.1、设定N+1个待检测深度位置Zj，0≤j≤N，超声波成槽检测探头装置S放置在初始检测位置(待检测深度位置Z0)的初始空间坐标为X0、Y0、Z0，输入Z0深度位置成槽中心线的初始几何参数，标识成槽中心线两侧的槽壁；

超声波成槽检测探头装置S是检测设备的一部分，由地面控制仪器控制绞车，通过收放电缆线L，将超声波成槽检测探头装置S放置在初始位置。

初始位置的初始空间坐标X0、Y0、Z0由现场采用其他方式实际测量输入，初始位置宜选在成槽中心线上。

Zj深度位置成槽中心线是在空间坐标系下水平面Z＝Zj与成槽两侧的两个槽壁交线的中间线，成槽中心线是一条水平直线，Z0深度位置成槽中心线的初始几何参数由现场采用其他方式实际测量输入，检测过程中，根据实际得到的反射点空间坐标计算成槽中心线的几何参数。

成槽中心线是一条水平直线，其几何参数中Z轴坐标为确定值，前一个检测深度位置序号为j-1，当前检测深度位置序号为j，取前一个检测深度位置的成槽中心线几何参数为作为当前检测深度位置的成槽中心线的初始几何参数，即将前一个检测深度位置的成槽中心线的几何参数中Z＝Z_j-1替换为Z＝Zj，其他参数不变，作为当前检测深度位置Zj的成槽中心线的初始几何参数。

标识成槽中心线两侧的槽壁，例如将某侧槽壁标识为第一侧壁，另一侧的槽壁标识为第二侧壁，以便后续检测发射接收超声波时，判断某个反射点属于两个槽壁中的哪个槽壁，判断的依据就是Zj深度位置成槽中心线。

检测深度范围H，可以设定等间隔的检测，检测深度间隔dZ，此时预设的N+1个检测深度位置为：Zj＝Z0+j*dZ，0≤j≤N，N＝H/dZ。也可以预先设定N+1个任意的待检测深度位置，初始时，j＝0，检测深度位置为Z0，该检测深度位置的检测完成后，依次进行Z1，Z2，……，ZN深度位置的检测。

步骤1.2、确定M个超声波发射接收单元SH1～SHM在装置坐标系uvw中的指向SH1uvw～SHMuvw，M≥6；

M个超声波发射接收单元SH1～SHM在装置坐标系uvw中的指向SH1uvw～SHM0uvw是装置的出厂规格参数，是检测程序的固化初始数据。

步骤1.3、超声波成槽检测探头装置S在初始检测位置X0、Y0、Z0，控制单元P读取电子罗盘DC的初始方位数据DC0，控制单元P读取陀螺仪G的初始姿态数据G0，初始数据G0包括初始空间位置和初始姿态；

电子罗盘DC的初始数据DC0和M个超声波发射接收单元SH1～SHM在装置坐标系uvw中的指向SH1uvw～SHMuvw用于计算初始时刻M个超声波发射接收单元SH1～SHM在空间坐标系XYZ中的指向。

在执行步骤1.3时须保证超声波成槽检测探头装置S处于静止，确保陀螺仪G的初始数据G0与超声波成槽检测探头装置S初始检测位置的空间坐标X0、Y0、Z0关联，如此才能保证用于后期检测时的计算精度，才能根据陀螺仪G的即时数据，准确计算超声波成槽检测探头装置S的即时空间坐标X、Y、Z和超声波成槽检测探头装置S围绕Z轴转动的角度。

在超声波成槽检测探头装置S摆动的角度不大的情况下，设定u轴、v轴为水平方向，w轴为垂直方向，w轴与空间坐标系XYZ中的Z轴平行，超声波成槽检测探头装置S的姿态可简化为装置坐标系uvw的u轴、v轴围绕装置坐标系uvw中的w轴(平行于空间坐标系XYZ中Z轴)的旋转角度。根据这个旋转角度也可计算M个超声波发射接收单元SH1～SHM在空间坐标系XYZ中的指向。

超声波成槽检测探头装置S在初始检测位置X0、Y0、Z0，控制单元P读取电子罗盘DC的初始方位数据DC0，控制单元P读取陀螺仪G的初始姿态数据G0，初始数据G0包括初始空间位置和初始姿态；

步骤2、完成深度Zj处的超声波发射接收工作，具体包括以下步骤；

步骤2.1、控制单元P读取电子罗盘DC的当前方位数据、陀螺仪G的当前姿态数据、加速度计A的当前加速度数据，计算在空间标系XYZ中超声波成槽检测探头装置S的当前空间坐标和第i个超声波发射接收单元SHi的当前空间指向；

由于实际检测时，超声波成槽检测探头装置S可能处于摆动中，且可能处于旋转中，必须实时读取电子罗盘DC的当前方位数据、陀螺仪G的当前姿态数据、加速度计A的当前加速度数据，确定超声波成槽检测探头装置S的当前空间坐标，和第i个超声波发射接收单元SHi的当前空间指向。电子罗盘DC的当前方位数据、陀螺仪G的当前姿态数据、加速度计A当前加速度数据在计算超声波成槽检测探头装置S空间坐标和姿态时，可以依据磁极方向和铅锤重力方向进行校正。

步骤2.2、控制单元P控制第i个超声波发射接收单元SHi完成超声波发射与接收，得到槽壁反射点空间坐标；

控制单元P控制第i个超声波发射接收单元SHi完成超声波发射与接收时，分别控制低频高压大功率换能器UTDAi和高频低压小功率换能器UTDBi发射与接收超声波，得到槽壁反射点空间坐标，其中，低频高压大功率换能器UTDA1～UTDAM用于识别较远距离的反射点，高频小功率换能器探测距离近，盲区可以忽略，高频低压小功率换能器UTDB1～UTDBM用于识别较近处的反射点。

步骤3、重复步骤2直至遍历所有的超声波发射接收单元，获得多个槽壁反射点空间坐标，根据加速度计A的加速度数据，判断超声波成槽检测探头装置S的是否触碰槽壁，触碰槽壁时，记录触碰槽壁的时间，结合陀螺仪G获得当前姿态数据，计算触碰槽壁点空间坐标作为一个槽壁反射点空间坐标；

步骤4、根据获得的槽壁反射点空间坐标计算深度Zj处成槽中心线的几何参数和成槽宽度，具体包括以下步骤；

步骤4.1、取前一个检测深度位置的成槽中心线几何参数为作为当前检测深度位置的成槽中心线的初始几何参数，判断每一个槽壁反射点归属于哪个槽壁；

实际检测时，槽宽通常为1米量级，检测深度位置间距通常≤10^-1米量级，取前一个检测深度位置的成槽中心线几何参数作为标准，判断每个槽壁反射点来自哪个槽壁，即便槽壁有相当程度的倾斜，也不会出现误判。

初始检测时，当前检测深度位置的成槽中心线的初始几何参数是在步骤1.1时人为测量输入的Z0深度位置成槽中心线的初始几何参数。

步骤4.2、计算两个槽壁与水平面Z＝Zj的交线，这两条交线的中间线为深度Zj处成槽中心线，计算Zj处成槽宽度；

归属于同一个槽壁的所有深度Zj处反射点所拟合的直线为该槽壁与水平面Z＝Zj的交线，(简称槽壁交线)，考虑到检测误差，在槽壁反射点多于2个时，可以采用多种方法计算这个交线。例如，采用最小二乘法计算趋势线，采用计算每两个点的连线求平均。

步骤5、将超声波成槽检测探头装置S放置到下一个待检测深度处，返回步骤2，直至遍历所有待检测深度位置，现场检测结束。

发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

从方法层面完善了现有成槽检测技术的缺陷，能够准确得到成槽在不同深度的倾斜程度和走向偏差。另外，不需在检测过程中抑制超声波成槽检测探头装置S的摆动和扭转，地面收放电缆线的绞车只需收放一根电缆线并计量电缆线长度即可，彻底杜绝了原有检测技术中，为抑制超声波成槽检测探头装置S的摆动和扭转，地面绞车同时收放多根电缆线时面临的同步控制问题，以及由于同步装置复杂带来的诸多维护问题，可以最大限度的简化整体检测装备。

附图说明

图1(a)：一根电缆线L与超声波成槽检测探头装置S组成的摆动系统。

图1(b)：一根电缆线L、两根定位钢丝Ls1、Ls2与超声波成槽检测探头装置S组成的摆动系统。

图2：超声波成槽检测探头装置S成槽的原理框图。L：电缆线，P：控制单元，DC：电子罗盘，G：陀螺仪，A：加速度计，UT：声波发射接收单元，SH1～SHM：M个超声波发射接收单元，M≥6。

图3(a)：5个超声波发射接收单元盲区示意图。

图3(b)：6个超声波发射接收单元盲区示意图。

图4：实例1，超声波成槽检测探头装置S成槽的原理框图。L：电缆线，P：控制单元，DC：电子罗盘，G：陀螺仪，A：加速度计，UT：声波发射接收单元，SH1～SHM：M个超声波发射接收单元，M≥6。UTDA1～UTDAM：M个低频高压大功率超声波换能器，UTDB1～UTDBM：M个高频低压小功率超声波换能器。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：一种超声波成槽检测探头装置S，包括探头壳体，还包括设置在探头壳体上的控制单元P、电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和超声波发射接收模块UT，超声波发射接收模块UT包括6个指向探头壳体四周水平方向的超声波发射接收单元SH1～SH6，6个超声波发射接收单元在水平面上间隔60°等圆心角分布，每个超声波发射接收单元由一个20kHz-1000V低频高压大功率超声波发射接收换能器和一个200kHz-100V伏高频低压小功率超声波发射接收换能器组成，每个超声波发射接收单元中的两个超声波发射接收换能器发射接收方向一致。原理图见图4。

电缆线L与控制单元P连接。用于承重，提供电源，传输信号。

控制单元P与电缆线L连接，与电子罗盘DC连接，与陀螺仪G连接，与加速度计A连接，与超声波发射接收模块UT连接。

电子罗盘DC与控制单元P连接。控制单元P读取电子罗盘DC数据，获取超声波成槽检测探头装置S的空间指向，得到6个超声波发射接收单元SH1～SH6的指向。

陀螺仪G与控制单元P连接。控制单元P读取陀螺仪G数据，得到超声波成槽检测探头装置S的空间位置。

加速度计A与控制单元P连接。控制单元P读取加速度计A的三维加速度数据，校正陀螺仪G数据，判断超声波成槽检测探头装置S是否触碰槽壁，确定碰壁时间。

M个超声波发射接收单元SH1～SHM指向均为水平方向，在水平方向宜等圆心角分布，第i个超声波发射接收单元Shi指向的方向也就是低频大功率换能器UTDAi和高频小功率换能器UTDBi指向的方向。

超声波发射接收模块UT与控制单元P连接，控制单元P控制超声波发射接收模块UT的M个超声波发射接收单元SH1～SHM的低频大功率换能器UTDA1～UTDAM和高频小功率换能器UTDB1～UTDBM分别向M个方向发射超声波并接收反射波。

实施例2：一种超声波成槽检测探头装置的检测方法，利用实施例1所述的一种超声波成槽检测探头装置S，其步骤如下：

待检测成槽估计宽度1.0m，槽深H＝20m，检测间隔深度dZ＝0.05m，N＝H/dZ＝400，0≤j≤400。

定义空间坐标系XYZ，原点在地面成槽中心线上任意一点，X轴垂直正对槽壁，Y轴与地面成槽中心线平行，Z轴垂直向下方向。定义附着在超声波成槽检测探头装置S上的装置坐标系uvw，为简化描述，定义u轴、v轴为水平方向，u轴垂直于v轴，w轴为垂直于水平方向。超声波成槽检测探头装置S的电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A各自的三个轴与装置坐标系uvw的三个轴平行。

步骤1、设定初始状态；

步骤1.1、设定401个待检测深度位置Zj＝j*dZ，0≤j≤400，超声波成槽检测探头装置S放置在初始检测位置，初始空间坐标为X0＝0、Y0＝0、Z0＝0，输入Z0＝0深度位置成槽中心线的初始几何参数：x＝0，z＝0，标识成槽中心线两侧的槽壁：X轴正方向正对的槽壁标识为第一侧壁1，X轴负方向正对的槽壁标识为第二侧壁2。

步骤1.2、确定各个超声波发射接收单元在装置坐标系uvw中的指向，6个超声波发射接收单元SH1～SH6在装置坐标系uvw中的指向SH1uvw～SH6uvw分别设定为0°、60°、120°、180°、240°、300°；

步骤1.3、超声波成槽检测探头装置S在初始位置X0＝0，Y0＝0，Z0＝0处，控制单元P读取电子罗盘DC的初始方位数据DC0，控制单元P读取陀螺仪G的初始姿态数据G0，初始姿态数据G0包括初始空间位置和初始姿态；

步骤2、完成深度Zj处的超声波发射接收工作，具体包括以下步骤；

步骤2.1、控制单元P读取电子罗盘DC的当前方位数据、陀螺仪G的当前姿态数据、加速度计A的当前加速度数据，计算在空间标系XYZ中超声波成槽检测探头装置S的当前空间坐标和第i个超声波发射接收单元SHi的当前空间指向；

步骤2.2、控制单元P控制第i个超声波发射接收单元SHi完成超声波发射与接收，得到槽壁反射点空间坐标；

控制单元P控制第i个超声波发射接收单元SHi完成超声波发射与接收时，分别控制20kHz-1000V低频高压大功率换能器UTDAi和200kHz-100V高频低压小功率换能器UTDBi发射与接收超声波，得到槽壁反射点空间坐标，其中，低频高压大功率换能器UTDA1～UTDAM用于识别较远距离的反射点，高频小功率换能器探测距离近，盲区可以忽略，高频低压小功率换能器UTDB1～UTDBM用于识别较近处的反射点。

步骤3、重复步骤2直至遍历所有的超声波发射接收单元，获得多个槽壁反射点空间坐标，根据加速度计A的加速度数据，判断超声波成槽检测探头装置S的是否触碰槽壁，触碰槽壁时，记录触碰槽壁的时间，结合陀螺仪G获得当前姿态数据，计算触碰槽壁点空间坐标作为一个槽壁反射点空间坐标；

步骤4、根据获得的槽壁反射点空间坐标计算深度Zj处成槽中心线的几何参数和成槽宽度，具体包括以下步骤；

步骤4.1、取前一个检测深度位置的成槽中心线几何参数为作为当前检测深度位置的成槽中心线的初始几何参数，判断每一个槽壁反射点归属于哪个槽壁；

成槽中心线是一条水平直线，其几何参数中Z轴坐标为确定值，前一个检测深度位置序号为j-1，当前检测深度位置序号为j，取前一个检测深度位置的成槽中心线几何参数为作为当前检测深度位置的成槽中心线的初始几何参数，即将前一个检测深度位置的成槽中心线的几何参数的几何参数Y＝a·X+b和Z＝Z_j-1中Z＝Z_j-1替换为Z＝Zj，其他参数不变，作为当前检测深度位置Zj的成槽中心线的初始几何参数。

第一次执行步骤4.1时，即当前检测深度序号为0时，成槽中心线的初始几何参数是在步骤1.1时人为测量输入的Z0深度位置成槽中心线的初始几何参数：x＝0，z＝0。x>0的槽壁反射点归属于第一侧壁1，x<0的槽壁反射点归属于第二侧壁2。

步骤4.2、计算两个槽壁与水平面Z＝Zj的交线，这两条交线的中间线为深度Zj处成槽中心线，计算Zj处成槽宽度；

将归属于第一侧壁的所有深度Zj处反射点所拟合的直线作为第一槽壁与水平面Z＝Zj的交线，简称第一侧壁交线，采用最小二乘法计算第一侧壁交线的几何参数。将归属于第二侧壁的所有深度Zj处反射点所拟合的直线作为第二槽壁与水平面Z＝Zj的交线，简称第二侧壁交线，采用最小二乘法计算第二侧壁交线的几何参数。计算第一侧壁交线和第二侧壁交线的中间线作为深度Zj处成槽中心线。

实际检测时由于存在检测误差，计算得到的第一侧壁交线和第二侧壁交线并不平行，深度Zj处成槽宽度可以定义为：过超声波成槽检测探头装置S空间坐标点，与第一侧壁交线垂直的水平直线分别与第一侧壁交线和第二侧壁交线相交的点之间的距离。虽然深度Zj处检测过程需要一定的时间，考虑到这个时间段较短，通常不大于100ms量级，可以任取这个时间段内某一时刻的超声波成槽检测探头装置S的空间坐标点，参与Zj处成槽宽度的计算。

特殊的情况下，可能出现某个槽壁只有一个槽壁反射点的情况，可考虑将过此反射点，且与水平面Z＝Zj和另一槽壁交线平行的直线，作为水平面Z＝Zj和该槽壁的交线，进而计算得到Zj处成槽中心线的几何参数和成槽宽度。

步骤5、将超声波成槽检测探头装置S放置到下一个待检测深度处，返回步骤3，直至遍历所有待检测深度位置，现场检测结束，进而获得各个深度范围内的成槽宽度、倾斜、走向。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种超声波成槽检测探头装置，包括探头壳体，其特征在于，还包括设置在探头壳体上的控制单元P、电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和超声波发射接收模块UT，超声波发射接收模块UT包括M个周向设置在探头壳体上的超声波发射接收单元SH1～SHM，M≥6，

电缆线L与控制单元P连接，

控制单元P还分别与电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和超声波发射接收模块UT连接，

第i个超声波发射接收单元SHi由一个低频高压大功率换能器UTDAi和一个高频低压小功率换能器UTDBi组成，i∈(1，…，M)，低频高压大功率换能器UTDAi和高频低压小功率换能器UTDBi的发射接收方向相同，

低频高压大功率换能器UTDAi用于识别较远距离的反射点，高频低压小功率换能器UTDBi用于识别较近处的反射点。

2.一种超声波成槽检测探头装置的检测方法，利用权利要求1所述的一种超声波成槽检测探头装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定初始状态；

步骤1.1、设定N+1个待检测深度位置Zj，0≤j≤N，超声波成槽检测探头装置S放置在初始检测位置的初始空间坐标为X0、Y0、Z0，输入Z0深度位置成槽中心线的初始几何参数，标识成槽中心线两侧的槽壁；

步骤1.2、确定M个超声波发射接收单元SH1～SHM在装置坐标系uvw中的指向SH1uvw～SHMuvw，M≥6；

步骤1.3、超声波成槽检测探头装置S在初始检测位置X0、Y0、Z0，控制单元P读取电子罗盘DC的初始方位数据DC0，控制单元P读取陀螺仪G的初始姿态数据G0，初始数据G0包括初始空间位置和初始姿态；

步骤2、完成除初始监测位置的深度Zj处的超声波发射接收工作，具体包括以下步骤；

步骤2.1、控制单元P读取电子罗盘DC的当前方位数据、陀螺仪G的当前姿态数据、加速度计A的当前加速度数据，计算在空间标系XYZ中超声波成槽检测探头装置S的当前空间坐标和第i个超声波发射接收单元SHi的当前空间指向；

步骤2.2、控制单元P控制第i个超声波发射接收单元SHi完成超声波发射与接收，得到槽壁反射点空间坐标；

步骤3、重复步骤2直至遍历所有的超声波发射接收单元，获得多个槽壁反射点空间坐标，根据加速度计A的加速度数据，判断超声波成槽检测探头装置S的是否触碰槽壁，触碰槽壁时，记录触碰槽壁的时间，结合陀螺仪G获得当前姿态数据，计算触碰槽壁点空间坐标作为一个槽壁反射点空间坐标；

步骤4、根据获得的槽壁反射点空间坐标计算深度Zj处成槽中心线的几何参数和成槽宽度，具体包括以下步骤；

步骤4.1、取前一个检测深度位置的成槽中心线几何参数作为当前检测深度位置的成槽中心线的初始几何参数，判断每一个槽壁反射点归属于哪个槽壁；

步骤4.2、计算两个槽壁与水平面Z＝Zj的交线，这两条交线的中间线为深度Zj处成槽中心线，计算Zj处成槽宽度；

步骤5、将超声波成槽检测探头装置S放置到下一个待检测深度处，返回步骤2，直至遍历所有待检测深度位置，现场检测结束。

3.根据权利要求2所述的一种超声波成槽检测探头装置的检测方法，其特征在于，所述的步骤4.2包括以下步骤：

将归属于第一侧壁的所有深度Zj处反射点所拟合的直线作为第一槽壁与水平面Z＝Zj的交线，记为第一侧壁交线，将归属于第二侧壁的所有深度Zj处反射点所拟合的直线作为第二槽壁与水平面Z＝Zj的交线，记为第二侧壁交线，计算第一侧壁交线和第二侧壁交线的中间线作为深度Zj处成槽中心线，

深度Zj处成槽宽度为：过超声波成槽检测探头装置S空间坐标点，与第一侧壁交线垂直的水平直线分别与第一侧壁交线和第二侧壁交线相交的点之间的距离。

Images