CN115015396A - 一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置及方法，装置中的升降结构置于移动结构上，且升降结构输出端与支撑调节结构连接，升降结构与控制组件电性连接，检测结构置于支撑调节结构上，检测结构的角度可通过支撑调节结构进行调节，支撑调节结构和检测结构均与控制模块电性连接，控制组件包括编码器、无线通信模块以及数据采集仪，编码器用于记录移动结构的运动轨迹，无线通信模块与数据采集仪电性连接，数据采集仪与编码器、检测结构电性连接；无线通信模块用于接收计算机端的控制，且将采集到的回波信息传输给计算机端以分析被测区域的缺陷；本发明实现自动化检测，同时检测精度高。

Description

一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置及方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置及方法。
背景技术
随着经济不断发展，近些年来，中国完成了可观数量的隧道工程。隧道工程的质量直接关系到行车安全，尤其是隧道衬砌的质量，因此需要定期对隧道衬砌进行内部缺陷探伤检测，常用的检测方法有人工敲击法和地质雷达法。使用人工敲击法耗时耗力并且存在安全隐患，申请专利号CN112902918A和CN112394007A的两项专利提供了基于地质雷达法的自动化检测系统，代替了人工检测，提高了检测效率。但使用探地雷达法对隧道衬砌进行检测时，需要将雷达天线紧贴拱顶，雷达天线和拱顶的贴合情况将影响检测结果。为了解决以上问题，本发明提供了一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置。
冲击回波声频法是在冲击回波法的基础上用非接触式拾音器代替传感器的无损检测方法。具体的，冲击回波法是利用激励源对混凝土表面施加一个冲击从而产生弹性波，弹性波在混凝土的上、下表面及内部缺陷处不断反射，形成瞬时共振，通过传感器接收反射回波信号，对反射回波信号进行频谱分析来确定所测区域混凝土是否存在内部缺陷。
发明内容
发明的目的在于提供一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置及方法，解决了如何提高工作效率的同时保证检测结果的准确性的问题。
本发明是这样实现的，一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，所述装置包括移动结构、升降结构、支撑调节结构、检测结构以及控制组件，
所述升降结构置于所述移动结构上，且所述升降结构输出端与所述支撑调节结构连接，所述升降结构与所述控制组件电性连接，
所述检测结构置于所述支撑调节结构上，所述检测结构的角度可通过所述支撑调节结构进行调节，所述支撑调节结构和检测结构均与所述控制模块电性连接，
所述控制组件包括编码器、无线通信模块以及数据采集仪，所述编码器置于所述移动结构上用于记录移动结构的运动轨迹，所述无线通信模块与所述数据采集仪电性连接，所述数据采集仪与所述编码器、检测结构电性连接；所述无线通信模块与计算机端连接用于接收计算机端的路线控制，还用于将采集到的回波信息传输给计算机端以分析被测区域的缺陷。
所述控制组件还包括电池，所述电池与编码器、无线通信模块以及所述检测结构中的激振器、麦克风电性连接。
本发明的进一步技术方案是：所述移动结构包括车体、置于所述车体前后两侧的轮胎以及驱动所述轮胎滚动的驱动电机，所述驱动电机输出端与所述轮胎上的驱动轴连接。
本发明的进一步技术方案是：所述升降结构包括剪式液压升降杆以及置于所述剪式液压升降杆底部的底座，所述底座与所述移动结构顶端连接，所述剪式液压升降杆顶端与所述支撑调节结构连接。
本发明的进一步技术方案是：所述支撑调节结构包括支撑座、置于所述支撑座上方的支撑杆、置于所述支撑杆上的转动座、置于所述转动座上且与所述转动座转动连接的转动连接杆以及置于所述转动座内且与所述转动连接杆连接的电机，所述电机的输出端与所述转动连接杆连接且驱动所述转动连接杆在所述转动座上转动。
本发明的进一步技术方案是：所述转动座上设有与所述转动座转动连接的转动块，所述转动连接杆穿过所述转动块与所述电机连接。
本发明的进一步技术方案是：所述检测结构包括检测底座以及置于所述检测底座上的检测组件，所述检测组件包括置于所述检测底座上的激振器以及置于所述检测底座上的回波收集组件。
本发明的进一步技术方案是：所述回波收集组件包括麦克风以及套设在所述麦克风外侧的聚声器。
激振器采用电动式激振器，通过支撑调节结构调节激振器与隧道拱顶垂直；激振器的顶针有规律的垂直敲击隧道拱顶，产生冲击波。
本发明的进一步技术方案是：所述聚声器的纵截面为抛物面状，且所述麦克风置于所述聚声器中心处。
冲击波在隧道拱顶内部传播，遇到内部缺陷时产生反射回波。反射回波泄露到空气中，遇到抛物面聚声器时被聚焦到其中心处，即麦克风的位置。通过反射聚集后的回波信号能够在保持峰值频率不变的同时，提高幅值和信噪比。
本发明的进一步技术方案是：所述检测底座为弧形或者板状结构。
所述检测底座为弧形时，弧形的检测底座与隧道拱顶形状配合，在弧形的检测底座上安装多个检测结构，多个检测结构同时工作，实现更大面积的检测。
本发明的另一个目的，提供一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测方法，所述方法基于所述的装置，方法包括以下步骤：
步骤一、调节升降结构将检测结构上下移动到设定的位置，通过支撑调节结构使得检测结构转动到设定的角度；
步骤二、移动结构通过无线通信模块与计算机端通信，计算机端控制移动结构的运动路线，编码器记录移动结构的行驶轨迹；
步骤三、计算机端设定检测结构的敲击间隔，产生的冲击波遇到拱顶内部缺陷后产生反射回波信号，随着移动结构的移动，检测结构不断敲击拱顶的不同位置同时收集不同位置接收到的反射回波信号；
步骤四、计算机端使用数据处理软件将收集到的反射回波信号转换成频域信号，通过分析频域曲线判断对应区域是否存在缺陷。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，计算机端预设电动式激振器的敲击间隔，驱动激振器的顶针敲击隧道拱顶，敲击产生的冲击波在遇到拱顶内部缺陷后产生反射回波信号。随着移动结构的运动，激振器被带动着不断敲击拱顶不同位置，麦克风收集不同位置接收到的反射回波信号。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤四中，在计算机端使用数据处理软件将收集到的反射回波信号转换为频域信号，通过分析频域曲线判断所在区域的混凝土是否存在内部缺陷。将运输小车的行驶轨迹与频域曲线相结合，建立信号幅值和被测区域空间位置的对应关系，从而确定隧道拱顶内部缺陷的位置和形状。
本发明的有益效果：本发明的检测装置，无需考虑传感器与拱顶间的耦合情况，通过升降结构来托运检测结构到合适的高度，用转动座内的电机驱动检测结构，能够根据需要调整检测结构的检测角度，从而使得检测结构中的电磁式激振器的顶针等间隔地且垂直地对隧道拱顶进行持续敲击，以此来替代人工检测；用可移动结构搭载升降结构、支撑调节结构及检测结构，计算机端通过无线通信模块控制移动结构运动，使其对隧道拱顶不同位置进行敲击，从而实现自动化检测；
检测底座可采用弧形的结构，该弧形的检测底座与拱顶的弧度配合，在弧形的检测底座上安装多个检测组件，多个检测组件同时工作，实现更大面积的检测；
由麦克风作为传感器接收敲击点的反射回波，实现非接触式检测，在麦克风处安装纵截面为抛物面状的聚声器，使空气中的反射回波聚焦到麦克风上，提高检测回波能量，从而提高检测精度。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置的结构示意图；
图2是本发明提供的驱动电机与编码器以及轮胎的连接结构示意图；
图3是本发明提供的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置工作状态的示意图；
图4是本发明提供的检测底座为板状结构的结构示意图；
图5是本发明提供的检测底座为弧形结构的结构示意图；
图6是本发明提供的检测结构中的支撑杆与支撑调节结构中的电机的连接结构示意图；
图7是本发明提供的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测方法的结构示意图。
附图标记：1-移动结构、2-升降结构、3-支撑调节结构、4-检测结构、5-控制组件、6-隧道衬砌、51-编码器、52-无线通信模块、53-电池、54-驱动电机、55-数据采集仪、11-车体、12-轮胎、21-剪式升降杆、22-底座、31-支撑座、32-支撑杆、33-转动座、34-转动支撑杆、35-电机、41-激振器、42-麦克风、43-聚声器、44-检测底座、411-顶针。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一：
图1-6示出了一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，所述装置包括移动结构1、升降结构2、支撑调节结构3、检测结构4以及控制组件5，
所述升降结构2置于所述移动结构1上，且所述升降结构2输出端与所述支撑调节结构3连接，所述升降结构2与所述控制组件5电性连接，
所述检测结构4置于所述支撑调节结构3上，所述检测结构4的角度可通过所述支撑调节结构3进行调节，所述支撑调节结构3和检测结构4均与所述控制模块5电性连接，
所述控制组件5包括编码器51、无线通信模块52以及数据采集仪55，所述编码器51置于所述移动结构1上用于记录移动结构1的运动轨迹，所述无线通信模块52与所述数据采集仪55电性连接，所述数据采集仪55与所述编码器51、检测结构4电性连接；所述无线通信模块52与计算机端连接用于接收计算机端的路线控制，还用于将采集到的回波信息传输给计算机端以分析被测区域的缺陷。
所述控制组件还包括电池53，所述电池53与编码器51、无线通信模块52以及所述检测结构中的激振器41、麦克风42电性连接。
在本实施例中，所述移动结构1包括车体11、置于所述车体11前后两侧的轮胎12以及驱动所述轮胎12滚动的驱动电机54，所述驱动电机54输出端与所述轮胎12上的驱动轴连接。
在本实施例中，所述升降结构2包括剪式液压升降杆21以及置于所述剪式液压升降杆21底部的底座22，所述底座22与所述移动结构1顶端连接，所述剪式液压升降杆21顶端与所述支撑调节结构3连接。
在本实施例中，所述支撑调节结构3包括支撑座31、置于所述支撑座31上方的支撑杆32、置于所述支撑杆32上的转动座33、置于所述转动座33上且与所述转动座33转动连接的转动连接杆34以及置于所述转动座33内且与所述转动连接杆34连接的电机35，所述电机35的输出端与所述转动连接杆34连接且驱动所述转动连接杆34在所述转动座33上转动。
在本实施例中，所述转动座33上设有与所述转动座33转动连接的转动块，所述转动连接杆34穿过所述转动块与所述电机35连接。
在本实施例中，所述检测结构4包括检测底座44以及置于所述检测底座44上的检测组件，所述检测组件包括置于所述检测底座44上的激振器41以及置于所述检测底座44上的回波收集组件。
在本实施例中，所述回波收集组件包括麦克风42以及套设在所述麦克风42外侧的聚声器43。
在本实施例中，激振器41采用电动式激振器，通过支撑调节结构调节激振器与隧道拱顶垂直；激振器41的顶针411有规律的垂直敲击隧道拱顶，产生冲击波。
在本实施例中，所述聚声器43的纵截面为抛物面状，且所述麦克风42置于所述聚声器43中心处。
冲击波在隧道拱顶内部传播，遇到内部缺陷时产生反射回波。反射回波泄露到空气中，遇到抛物面聚声器时被聚焦到其中心处，即麦克风的位置。通过反射聚集后的回波信号能够在保持峰值频率不变的同时，提高幅值和信噪比。
在本实施例中，所述检测底座41为弧形或者板状结构。
所述检测底座为弧形时，如图5所示，弧形的检测底座与隧道拱顶形状配合，在弧形的检测底座上安装多个检测组件，多个检测组件沿隧道长度方向设置，多个检测组件同时工作，实现更大面积的检测。
实施例二：
图1-7示出了一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测方法，所述方法基于所述实施例一中所述的装置，方法包括以下步骤：
步骤一、调节升降结构将检测结构上下移动到设定的位置，通过支撑调节结构使得检测结构转动到设定的角度；
步骤二、移动结构通过无线通信模块与计算机端通信，计算机端控制移动结构的运动路线，编码器记录移动结构的行驶轨迹；
步骤三、计算机端设定检测结构的敲击间隔，产生的冲击波遇到拱顶内部缺陷后产生反射回波信号，随着移动结构的移动，检测结构不断敲击拱顶的不同位置同时收集不同位置接收到的反射回波信号；
步骤四、计算机端使用数据处理软件将收集到的反射回波信号转换成频域信号，通过分析频域曲线判断对应区域是否存在缺陷。
在本实施例中，所述步骤三中，计算机端预设电动式激振器的敲击间隔，驱动激振器的顶针敲击隧道拱顶，敲击产生的冲击波在遇到拱顶内部缺陷后产生反射回波信号。随着移动结构的运动，激振器被带动着不断敲击拱顶不同位置，麦克风收集不同位置接收到的反射回波信号。
在本实施例中，所述步骤四中，在计算机端使用数据处理软件将收集到的反射回波信号转换为频域信号，通过分析频域曲线判断所在区域的混凝土是否存在内部缺陷。将运输小车的行驶轨迹与频域曲线相结合，建立信号幅值和被测区域空间位置的对应关系，从而确定隧道拱顶内部缺陷的位置和形状。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于：所述装置包括移动结构(1)、升降结构(2)、支撑调节结构(3)、检测结构(4)以及控制组件(5)，
所述升降结构(2)置于所述移动结构(1)上，且所述升降结构(2)输出端与所述支撑调节结构(3)连接，所述升降结构(2)与所述控制组件(5)电性连接，
所述检测结构(4)置于所述支撑调节结构(3)上，所述检测结构(4)的角度可通过所述支撑调节结构(3)进行调节，所述支撑调节结构(3)和检测结构(4)均与所述控制模块(5)电性连接，
所述控制组件(5)包括编码器(51)、无线通信模块(52)以及数据采集仪(55)，所述编码器(51)置于所述移动结构(1)上用于记录移动结构(1)的运动轨迹，所述无线通信模块(52)与所述数据采集仪(55)电性连接，所述数据采集仪(55)与所述编码器(51)、检测结构(4)电性连接；所述无线通信模块(52)与计算机端连接用于接收计算机端的路线控制，还用于将采集到的回波信息传输给计算机端以分析被测区域的缺陷。
2.根据权利要求1所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述移动结构(1)包括车体(11)、置于所述车体(11)前后两侧的轮胎(12)以及驱动所述轮胎(12)滚动的驱动电机(54)，所述驱动电机(54)输出端与所述轮胎(12)上的驱动轴连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述升降结构(2)包括剪式液压升降杆(21)以及置于所述剪式液压升降杆(21)底部的底座(22)，所述底座(22)与所述移动结构(1)顶端连接，所述剪式液压升降杆(21)顶端与所述支撑调节结构(3)连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述支撑调节结构(3)包括支撑座(31)、置于所述支撑座(31)上方的支撑杆(32)、置于所述支撑杆(32)上的转动座(33)、置于所述转动座(33)上且与所述转动座(33)转动连接的转动连接杆(34)以及置于所述转动座(33)内且与所述转动连接杆(34)连接的电机(35)，所述电机(35)的输出端与所述转动连接杆(34)连接且驱动所述转动连接杆(34)在所述转动座(33)上转动。
5.根据权利要求4所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述转动座(33)上设有与所述转动座(33)转动连接的转动块，所述转动连接杆(34)穿过所述转动块与所述电机(35)连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述检测结构(4)包括检测底座(44)以及置于所述检测底座(44)上的检测组件，所述检测组件包括置于所述检测底座(44)上的激振器(41)以及置于所述检测底座(44)上的回波收集组件。
7.根据权利要求6所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述回波收集组件包括麦克风(42)以及套设在所述麦克风(42)外侧的聚声器(43)。
8.根据权利要求7所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述聚声器(43)的纵截面为抛物面状，且所述麦克风(42)置于所述聚声器(43)中心处。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述检测底座(41)为弧形或者板状结构。
10.一种基于冲击回波声频法的隧道拱顶检测方法，其特征在于，所述方法基于所述权利要求1-9中任意一项所述的装置，方法包括以下步骤：
步骤一、调节升降结构将检测结构上下移动到设定的位置，通过支撑调节结构使得检测结构转动到设定的角度；
步骤二、移动结构通过无线通信模块与计算机端通信，计算机端控制移动结构的运动路线，编码器记录移动结构的行驶轨迹；
步骤三、计算机端设定检测结构的敲击间隔，产生的冲击波遇到拱顶内部缺陷后产生反射回波信号，随着移动结构的移动，检测结构不断敲击拱顶的不同位置同时收集不同位置接收到的反射回波信号；
步骤四、计算机端使用数据处理软件将收集到的反射回波信号转换成频域信号，通过分析频域曲线判断对应区域是否存在缺陷。
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