CN113589295A - 一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置及使用方法，涉及水工建筑施工安全监测领域，该装置安装于灌浆套筒内外壁之间空间处，该装置包括：声波收发模块，用于发射一定频率范围内的声信号，接收到在灌浆套筒内部反射后返回的声信号并传输至信号处理模块；信号处理模块，用于接收所述声波收发模块接收到的反射回来的声信号，对所述声信号进行处理后，得到管道长度以及灌浆料高度。本发明解决了灌浆套筒内部破损监测问题和灌浆时灌浆套筒内部灌浆材料高度无法实时监测的问题，较已有的装置价格低廉，操作方便且更便于养护和维修。
Description
技术领域
本申请涉及灌浆套筒监测技术领域，尤其涉及一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置及使用方法。
背景技术
国内外众多学者提出了许多基于不同监测原理的海上灌浆套筒缺陷监测技术。主要包括：X射线检测灌浆套筒，直接冲击振动检测灌浆套筒，基于冲击回波法检测灌浆套筒，预埋钢丝拉拔法检测灌浆套筒。其中X射线检测法无法实时对灌浆套筒进行监测，同时由于设备原因，无法实现轻量化，在工程现场无法实现；冲击回波法检测法无法在进行灌浆操作时对灌浆套筒内部进行检测，同时由于灌浆套筒内外壁间距较短，常常会使得入射波和反射波发生叠加效应；预埋钢丝拉拔法需要提前在灌浆套筒之中埋入传感器，无法满足对灌浆套筒实时监测和全面监测；直接冲击振动监测法只局限于在灌浆完成之后对灌浆套筒内部灌浆材料进行监测，无法在工程进行时对套筒进行监测。
综上，目前流行的灌浆套筒监测方法都无法在海上施工现场实时对灌浆套筒内部灌浆情况进行监测。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置及使用方法，以解决相关技术中存在的无法在施工现场进行监测的技术问题和无法实时对灌浆套筒内部灌浆材料情况进行监测的技术问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置，该装置安装于灌浆套筒内外壁之间空间处，该装置包括：
声波收发模块，用于发射一定频率范围内的声信号，接收到在灌浆套筒内部反射后返回的声信号并传输至信号处理模块；
信号处理模块，用于接收所述声波收发模块接收到的反射回来的声信号，对所述声信号进行处理后，得到管道长度以及灌浆料高度。
进一步地，还包括：
灌浆套筒警报模块，用于接收所述信号处理模块的管道长度以及灌浆料高度，并与设计的灌浆套筒内部高度进行比较，若高于套筒长度或者低于应达灌浆高度时，则该模块将发送警报给使用者。
进一步地，所述声波收发模块包括：
音箱，所述音箱为空心柱体，能发射一定频率范围的声信号；
测头，所述测头外观为空心圆柱体，焊接于所述灌浆套筒内壁或者外壁，同时需要避开套筒内部原有的剪力键；
拾音器，所述拾音器内藏于所述测头，用来将声信号转换为电信号；
长直金属管，所述长直金属管安装在测头外端，所述长直金属管直通至灌浆套筒底部封隔器位置，金属管底部安装有磁性挡板，构成封闭空间。
进一步地，所述信号处理模块包括：滤波器、放大器、单片机，所述声信号先通过所述滤波器进行信号过滤，再通过放大器进行信号放大，再通过单片机进行处理后得到管道内部共振频率值。
进一步地，还包括：
仪器数据显示模块，用于接收并显示所述信号处理模块发送的管道长度以及灌浆料高度。
进一步地，所述仪器显示模块包括数据显示器，所述数据显示器与所述信号处理模块相连，用于将信号处理模块处理完毕的数据显示给使用者。
根据本发明实施例的第二方面，提供第一方面所述的基于声学测距的灌浆套筒监测装置的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
(1)由音箱发射特定频率的声信号，声信号在所述测头下端连接的长直金属管内部空间发生共振，测头前置的放大器和滤波器将共振的声信号接受，并传输给所述单片机内部包含的FFT电路，经过快速傅里叶变换处理后可以得到灌浆套筒内部的共振频率fn，代入闭口管道共振频率公式
计算出此时封隔器至灌浆套筒顶部的距离；
(2)测得初始封隔器位置后，进行灌浆操作时，装置始终处于运行状态，灌浆套筒内部灌浆料界面上升，没过长直金属管底部，形成了末端封闭的管道，利用第(1)中公式继续对长直管道内部剩余长度进行检测，与初始得到的封隔器位置高度做差得到此时灌浆料高度。
进一步地，该方法还包括：
在灌浆前需要启动声波收发模块和信号处理模块，初次使用时需要考虑环境温度影响和声波吸收衰减影响，利用对不同温度和套筒内部吸收衰减补偿来降低所测得的共振频率误差，补偿公式为：
式中c为声速，t为摄氏温度，空气温度为20℃时η/ρ0＝15.6×10-6m/s2，a为管内半径，f为频率。
进一步地，灌浆作业进行时，灌浆料界面不断上升，达到设定的高度警报值时，由所述灌浆套筒警报模块将会发送警报至所述仪器显示模块。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请因采用了新型测试装置和数据计算技术，克服了以往灌浆套筒监测技术无法在施工现场，进而达到了实时监测预警的技术效果。
本申请因采用了新型测试装置和数据计算技术，克服了监测方法，受外界影响较大、易于损坏的问题，进而达到了监测方便快捷、经济节约的效果。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于声学测距的灌浆套筒检测装置的示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于声学测距的灌浆套筒检测装置的内部结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种基于声学测距的灌浆套筒检测装置的固定位置及方法示意图。
图中：1-1、音箱；1-2、测头；1-3、长直金属管；1-4、磁性挡板；2-1、单片机；2-2、放大器；3-1、灌浆套筒外壁；3-2、剪力键；3-3、灌浆套筒内壁。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本发明实施例提供一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置，该装置安装于灌浆套筒内外壁之间空间处，该装置包括：
声波收发模块，用于发射特定频率范围内的声信号，同时还可以接收到在灌浆套筒内部反射后返回的声信号并传输至信号处理模块；
信号处理模块，用于接收所述声波收发模块接收到的反射回来的声信号，通过内置装置对声信号进行处理后，将管道长度，灌浆料高度等数据发送至仪器数据显示模块；
灌浆套筒警报模块，用于接收所述信号处理模块的管道长度以及灌浆料高度，并与设计图纸上的灌浆套筒内部高度进行比较，若数据存在高于套筒长度或者低于应达灌浆高度时，则该模块将发送警报给使用者。
由上述实施例可知，本申请因采用了新型测试装置和数据计算技术，克服了监测方法过于复杂繁重的问题，进而可以实时在施工过程中监测灌浆套筒。
本实施例中，所述声波收发模块包括音箱1-1，所述音箱1-1为空心圆柱体，能发射一定频率范围的声信号；
本实施例中，所述测头1-2外观为空心圆柱体，焊接于所述灌浆套筒内壁3-3或者灌浆套筒外壁3-1，同时在焊接的过程中，需要避开灌浆套筒内外壁之间原本按照设计图纸设置的剪力键3-2，焊接可以极大的减少长直金属管1-3在灌浆套筒内外壁之间的不必要振动，极大的减少了监测误差；
本实施例中，所述拾音器内藏于所述测头1-2，用来将所述声信号转换为电信号；
本实施例中，所述长直金属管1-3安装在测头1-2上，所述长直金属管1-3直通至灌浆套筒底部封隔器位置，金属管底部安装有磁性挡板1-4，所述磁性挡板1-4可随灌浆料的升高在长直金属管1-3内升高，始终与所述声波发生模块和信号处理模块形成封闭空间，减少灌浆套筒内部环境对监测带来的误差。
本实施例中，所述信号处理模块包括滤波器、放大器2-2、FFT电路和单片机2-1，所述声信号先通过所述滤波器进行信号过滤，再通过所述放大器2-2进行信号放大，最后通过单片机2-1进行处理得到管道内部共振频率值。所述滤波器、放大器2-2、单片机2-1可全部位于测头1-2上部并且与音箱1-1相连；
本实施例中，所述滤波器用于过滤不必要的声信号；所述放大器2-2用于将过滤完的声信号进行放大；所述单片机2-1能够对信号进行处理。
本实施例中，所述仪器显示模块包括数据显示器，所述数据显示器与所述信号处理模块相连，用于将信号处理模块处理完毕的数据显示给使用者。使得灌浆监测数据实现实时可视化，便于现场施工人员随时进行施工计划的变动。
本实施例中，所述声波收发模块和信号处理模块数目可根据需要调整，安装在灌浆套筒内外壁圆周上，全方位监测灌浆料界面上升情况。同时，可以全面检测灌浆套筒底部封隔器的破损情况。由于装置轻便，数目可随具体工程情况进行调整，监测所得数据可信度大大提高。
本实施例中，所述信号处理模块与所述仪器数据显示模块和报警模块相连，若灌浆套筒内部灌浆料高度超限，则会发出警报给使用者。该设计可以使得施工过程中灌浆过程更加安全，减少不必要的浪费。
本实施例中，在灌浆前需要启动声波收发模块和信号处理模块，初次使用时需要考虑环境温度影响和声波吸收衰减影响，利用对不同温度和套筒内部吸收衰减补偿来降低所测得的共振频率误差。
本发明实施例还提供一种基于声学测试的灌浆套筒监测装置的监测方法，该方法包括：
(1)启动装置，由音响发射特定频率的声信号，声信号在所述测头1-2下端连接的长直金属管1-3内部空间发生共振，测头1-2前置的放大器2-2和滤波器将共振的声信号接受，并传输给所述单片机2-1内部的FFT电路，经过快速傅里叶变换处理后可以得到灌浆套筒内部的共振频率fn，代入闭口管道共振频率公式
可计算出此时封隔器至灌浆套筒顶部的距离；
(2)测得初始封隔器位置后，进行灌浆操作时，装置始终处于运行状态，灌浆套筒内部灌浆料界面上升，没过长直金属管1-3底部，形成了末端封闭的管道，利用第(1)中公式可以继续对长直管道内部剩余长度进行检测，与初始得到的封隔器位置高度做差得到此时灌浆料高度。
(3)灌浆作业进行时，灌浆料界面不断上升，达到设定的高度警报值时，由所述灌浆套筒警报模块将会发送警报至所述仪器显示模块。
该发明通过发射、接收声波来测量大型灌浆套筒内部灌浆料实时高度，较已有方法更为准确，方便且可在施工现场实施，受环境影响更小。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种基于声学测距的灌浆套筒监测装置，其特征在于，该装置安装于灌浆套筒内外壁之间空间处，该装置包括：
声波收发模块，用于发射一定频率范围内的声信号，接收到在灌浆套筒内部反射后返回的声信号并传输至信号处理模块；
信号处理模块，用于接收所述声波收发模块接收到的反射回来的声信号，对所述声信号进行处理后，得到管道长度以及灌浆料高度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
灌浆套筒警报模块，用于接收所述信号处理模块的管道长度以及灌浆料高度，并与设计的灌浆套筒内部高度进行比较，若高于套筒长度或者低于应达灌浆高度时，则该模块将发送警报给使用者。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声波收发模块包括：
音箱，所述音箱为空心柱体，能发射一定频率范围的声信号；
测头，所述测头外观为空心柱体，焊接于所述灌浆套筒内壁或者外壁；
拾音器，所述拾音器内藏于所述测头上部，用来将声信号转换为电信号；
长直金属管，所述长直金属管安装在测头外端，所述长直金属管直通至灌浆套筒底部封隔器位置，金属管底部安装有磁性挡板，构成封闭空间。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：滤波器、放大器、单片机，所述声信号先通过所述滤波器进行信号过滤，再通过放大器进行信号放大，再通过单片机进行处理后得到管道内部共振频率值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
仪器数据显示模块，用于接收并显示所述信号处理模块发送的管道长度以及灌浆料高度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述仪器显示模块包括数据显示器，所述数据显示器与所述信号处理模块相连，用于将信号处理模块处理完毕的数据显示给使用者。
7.根据权利要求4所述的基于声学测距的灌浆套筒监测装置的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：
(1)由音箱发射特定频率的声信号，声信号在所述测头下端连接的长直金属管内部空间发生共振，测头前置的放大器和滤波器将共振的声信号接受，并传输给所述单片机内部包含的FFT电路，经过快速傅里叶变换处理后可以得到灌浆套筒内部的共振频率fn，代入闭口管道共振频率公式
(n＝1，2，3)，计算出此时封隔器至灌浆套筒顶部的距离；
(2)测得初始封隔器位置后，进行灌浆操作时，装置始终处于运行状态，灌浆套筒内部灌浆料界面上升，没过长直金属管底部，形成了末端封闭的管道，利用第(1)中公式继续对长直管道内部剩余长度进行检测，与初始得到的封隔器位置高度做差得到此时灌浆料高度。
8.根据权利要求7所述的装置的使用方法，其特征在于，该方法还包括：
在灌浆前需要启动声波收发模块和信号处理模块，初次使用时需要考虑环境温度影响和声波吸收衰减影响，利用对不同温度和套筒内部吸收衰减补偿来降低所测得的共振频率误差，补偿公式为：
式中c为声速，t为摄氏温度，空气温度为20℃时η/ρ0＝15.6×10-6m/s2，a为管内半径，f为频率。
9.根据权利要求7所述的装置的使用方法，其特征在于，该方法还包括：
灌浆作业进行时，灌浆料界面不断上升，达到设定的高度警报值时，由所述灌浆套筒警报模块将会发送警报至所述仪器显示模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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