CN115508458A - 基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置及方法 - Google Patents

基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置及方法 Download PDF

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刘洪亮
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Abstract

本发明提供基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置及方法,涉及衬砌病害检测领域,针对目前隧道病害检测设备体积大,不便在隧道内开展连续检测工作的问题,通过集成飞行组件和行进组件,能够携带触发组件和收集组件进行快速调节检测位置,同时利用飞行组件工作时风压为行进组件提供压力,使行进组件能够满足倾斜状态贴附衬砌进行工作的需求,提升所采集数据的精度,降低隧道内病害检测的难度。

Description

基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置及方法
技术领域
本发明涉及衬砌病害检测领域,具体涉及基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置及方法。
背景技术
衬砌结构存在裂缝、变形、破损、掉块和渗漏水等病害现象的隧道在整体隧道中占有较大比例。这些病害的存在已经威胁到隧道结构的安全性、稳定性及耐久性,严重影响交通质量,因此对于隧道病害的检测与养护已成为日常工作和任务。传统的检测方法流程复杂、工作量大,花费时间及人力成本较高;由于隧道病害未及时发现,误判或错判将会引发隧道安全事故。
现有技术中存在一些沿隧道内行走的衬砌检测机器人,通过设置行走机构沿衬砌移动,配合声波激发和接收装置,实现对衬砌的检测。多由发射端和接收端组成的换能器,测取发出的声波和接收声波的差异进行计算分析,判定对应位置的隧道病害。但目前的检测设备体积较大,在完成衬砌全周检测时需要将发射端和接收端布置为可调位置的结构,整体结构较为复杂,不便在隧道内布置,对于一些有障碍的隧道节段,因体积限制而难以完成越障,整体自由度较低,难以满足复杂环境下隧道内检测的需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷,提供基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置及方法,通过集成飞行组件和行进组件,能够携带触发组件和收集组件进行快速调节检测位置,同时利用飞行组件工作时风压为行进组件提供压力,使行进组件能够满足倾斜状态贴附衬砌进行工作的需求,提升所采集数据的精度,降低隧道内病害检测的难度。
本发明的第一目的是提供基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,采用以下方案:包括:
飞行组件,安装于行进组件;
行进组件,其上安装有弹性波触发组件和收集组件,行进组件能够沿衬砌移动,以改变弹性波触发组件工作位置及收集组件工作位置;
标记组件,安装于行进组件,能够对隧道衬砌施加标记;
其中,飞行组件能够带动行进组件于隧道内飞行,并能够使行进组件贴附于衬砌移动。
进一步地,所述飞行组件为带有多个螺旋桨的无人机,无人机对应的螺旋桨围绕行进组件布置。
进一步地,所述行进组件包括行走轮,行走轮承载行进组件,行走轮带动行进组件沿衬砌移动并调整行进组件朝向。
进一步地,所述弹性波触发组件包括锤击件,锤击件安装于行进组件朝向衬砌的一侧,锤击件作用端朝向衬砌。
进一步地,所述收集组件包括弹性波收集器,安装于行进组件朝向衬砌的一侧,用于接受衬砌侧反射回的弹性波。
进一步地,所述收集组件连接储存组件,储存组件用于获取收集组件数据并储存。
进一步地,还包括操控组件,操控组件分别与行进组件、飞行组件、弹性波触发组件、收集组件、标记组件通信,实现远程操控。
本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置的检测方法,包括:
调整飞行组件姿态,控制飞行组件携带行进组件移动至目标检测位置;
行进组件接触衬砌,并在飞行组件作用下使行进组件紧贴衬砌;
对目标位置通过弹性波触发组件施加锤击,并通过收集组件采集弹性波信号;
分析弹性波信号数据并确定衬砌病害,对病害位置通过标记组件施加标记;
通过行进组件或飞行组件调整位置至下一目标点,重复锤击和采集流程,并对病害位置施加标记。
进一步地,预先对隧道内部进行勘察,确保遥控信号能够在隧道内稳定收发。
进一步地,在行进组件处于非水平状态时,通过飞行组件对行进组件施加压力,保持行进组件与衬砌的贴合。
与现有技术相比,本发明具有的优点和积极效果是:
(1)针对目前隧道病害检测设备体积大,不便在隧道内开展连续检测工作的问题,通过集成飞行组件和行进组件,能够携带触发组件和收集组件进行快速调节检测位置,同时利用飞行组件工作时风压为行进组件提供压力,使行进组件能够满足倾斜状态贴附衬砌进行工作的需求,提升所采集数据的精度,降低隧道内病害检测的难度。
(2)在满足检测工作精度要求的基础上,通过橡胶锤作为弹性波触发组件,通过收集组件获取弹性波信号,实现隧道安全性检测数据的采集,基于弹性波的频率对比分析,对隧道的安全性进行有效评估,保证交通工程与人员的生命与财产安全。
(3)设置远程操控组件,对飞行组件和行进组件进行远程控制,既可以远程调整飞行机器人的飞行姿态,又能够调整飞行后通过行进组件贴壁后的行进方向,实现了操控装置的多功能性。
(4)隧道衬砌质量飞行检测过程可进行多种无损探测仪器结合检测,实现了多种检测工作的一体化作业,同时,直接整体移动至目标位置,并通过飞行组件的反力作用保持与衬砌的紧密贴合,使得触发弹性波和接收弹性波的精度满足需求,既保证了检测工作的精度,又满足了检测过程的高效性与便捷性需求。
(5)集成标记组件,在采集检测数据后,能够发送至远端操控组件进行处理分析,并将结果反馈至行进组件,对于不符合规范要求的位置,通过标记组件进行标记,便于后续病害现场追踪处理。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1或2中飞行组件结合行进组件的结构示意图。
图2为本发明实施例1或2中操控组件的结构示意图。
图中,1.飞行组件,2.行进组件,3.弹性波触发组件,4.行走轮,5.收集组件,6.标记组件,7.第一显示器,8.第二显示器,9.第三显示器,10.飞行操控杆,11.行进操控台。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中,如图1-图2所示,给出基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置。
如图1所示基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,实现隧道安全性检测,通过在隧道内运行的检测装置采集数据,并基于弹性波的频率对比分析获取衬砌病害情况。通过位于隧道内的工作组件与远端的操控组件通信,检测装置能够实现远程一体化操作,充分保证所采集数据的客观性以及操作的便捷性。
弹性波触发组件3为安装在飞行组件1上的橡胶锤,可通过锤击衬砌结构来触发弹性波数据;收集组件5为弹性波收集装置,将触发的弹性波收集到收集器,并自动分析弹性波数据。
在满足检测工作精度要求的基础上,通过橡胶锤作为弹性波触发组件3,通过收集组件5获取弹性波信号,实现隧道安全性检测数据的采集,基于弹性波的频率对比分析,对隧道的安全性进行有效评估,保证交通工程与人员的生命与财产安全。
如图1、图2所示,基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置主要包括飞行组件1、操控装置、行进组件2、弹性波触发组件3、收集组件5以及标记组件6。
其中,飞行组件1,整体安装于行进组件2,能够带动行进组件2飞行,并能够对行进组件2施加压力,使行进组件2贴附于隧道衬砌上,行进组件2能够在倾斜的隧道衬砌上保持稳定和移动。
行进组件2,其上安装有弹性波触发组件3和收集组件5,承载弹性波的发射端和接收端,行进组件2能够沿衬砌移动,以改变弹性波触发组件3工作位置及收集组件5工作位置。
为了方便后续与远端的操控组件通信,行进组件2上还搭载有通信组件,通信组件连接行进组件2及行进组件2上的其他组件。可以理解的是,各个组件还可以内置通信模块,通过各自内置通信模块与外部进行通信和数据传输。
标记组件6,安装于行进组件2,能够对隧道衬砌施加标记,随行进组件2移动。
还包括操控组件,操控组件分别与行进组件2、飞行组件1、弹性波触发组件3、收集组件5、标记组件6通信,实现远程操控。
如图1所示,飞行组件1能够带动行进组件2于隧道内飞行,并能够使行进组件2贴附于衬砌移动。本实施例中,飞行组件1为带有多个螺旋桨的无人机,无人机对应的螺旋桨围绕行进组件2布置。
无人机的螺旋桨角度能够进行调整,通过操控装置调整螺旋桨的角度,来调整飞行组件1的飞行姿态,使得飞行组件1到达所要检测的衬砌的位置。
在实际运行是,通过调节无人机的螺旋桨角度和运行速度,能够对无人机及行走装置在飞行时的飞行速度、高度以及角度进行控制,无人机能够将其飞行时的相关数据反馈至远端的操控组件,从而在操控组件上生成无人机的行进路线。
采用飞行的行进模式,有效规避了隧道地面的复杂路况,且机器人的方向调转更加灵活,极大改善了原有检测装置行进路线固定的弊端。
如图1所示,行进组件2包括行走轮4,行走轮4承载行进组件2,行走轮4带动行进组件2沿衬砌移动并调整行进组件2朝向。可以理解的是,行进组件2上采用的行走轮4为可调控方向的行走轮4,在飞行组件1作用下,行走轮4能够紧贴衬砌结构表面,并带动行走组件及其上搭载的其他组件移动。
可以理解的是,行进装置包括行走轮4和支架,飞行组件1和行走轮4均安装在支架上,同样的,行走轮4接入行进组件2的通信模块,通过远端的操控组件与行进装置通信,控制行进组件2的行走轮4动作。
当需要改变行进方向时,通过操控组件控制行走轮4的转动,进而改变行进组件2的行进方向,调整其位置,使其能够朝向目标位置移动或避障。既确保了稳定的行进路线,又可根据实际工况进行路线调整、规避障碍物。
具体的,如图1所示,本实施例中,弹性波触发组件3包括锤击件,锤击件安装于行进组件2朝向衬砌的一侧,锤击件作用端朝向衬砌。弹性波触发组件3采用特制橡胶锤,可通过操控敲击衬砌结构表面来触发弹性波。
另外,收集组件5包括弹性波收集器,安装于行进组件2朝向衬砌的一侧,用于接受衬砌侧反射回的弹性波。在收集弹性波时,能够收集弹性波的频率、分析不同部位所得弹性波的特点。
可以理解的是,对于收集的弹性波信号数据,可以在收集组件5上进行初步的分析,也可以通过对应的通信组件发送至远端操控组件进行分析,并可以将结果反馈至行进组件2的各个模块。
弹性波触发组件3为特制橡胶锤,搭配弹性波收集组件5,可识别隧道不同部位的衬砌所发出的弹性波,并记录弹性波的波长、频率等相关参数。
弹性波收集组件5,可识别衬砌结构的弹性波,实时记录、传输弹性波的波长和频率等特性。能够将所识别的数据发送至操控组件,通过搭载的数据处理软件将波长和频率作为纵坐标,敲击次数为横坐标,实时绘制弹性波长和频率随敲击次数的曲线图,直观对比检测隧道衬砌病害的位置和类型。
收集组件5连接储存组件,储存组件用于获取收集组件5数据并储存,检测工作完成后可将数据导出,进行隧道洞壁表观裂缝分布成像工作。
同时,便于后续处理时,进行不同地方弹性波不同的对比工作,进而找出衬砌不合格或者存在病害的地方。
对于标记组件6,本实施例中,带有荧光漆喷洒元件,通过操控组件控制操作对病害位置进行荧光漆喷洒,有利于病害位置的现场辨识。
如图2所示,对于操控组件,本实施例中,操控组件采用无线地面站,具有三面显示屏,分别为第一显示器7、第二显示器8和第三显示器9,其中第一显示器7能够实时显示飞行机器人的飞行路线及路况,第二显示器8能够显示隧道不同部位衬砌结构的弹性波的波长,第三显示器9能够显示弹性波的频率。
另外,操控组件还设有飞行操控杆10和行进操控台11,飞行操控感可对飞行组件1的飞行姿态进行操控,行进操控台11能够对行进组件2的行进方向进行调整。
实施例2
本发明的另一典型实施方式中,如图1-图2所示,给出一种基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测方法。
利用如实施例1中的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,该检测方法包括:
预先对隧道内部进行勘察,确保遥控信号能够在隧道内稳定收发;
调整飞行组件1姿态,控制飞行组件1携带行进组件2移动至目标检测位置;
行进组件2接触衬砌,并在飞行组件1作用下使行进组件2紧贴衬砌;
对目标位置通过弹性波触发组件3施加锤击,并通过收集组件5采集弹性波信号;
分析弹性波信号数据并确定衬砌病害,对病害位置通过标记组件6施加标记;
通过行进组件2或飞行组件1调整位置至下一目标点,重复锤击和采集流程,并对病害位置施加标记。
需要指出的是,在行进组件2处于非水平状态时,通过飞行组件1对行进组件2施加压力,保持行进组件2与衬砌的贴合。
具体的,结合图1和图2,上述检测方法具体包括以下步骤:
采用该检测装置进行隧道衬砌结构病害检测时需要以下操作步骤:
A.确定隧道内部飞行环境通畅,且无遥控信号屏蔽。
B.打开飞行组件1与操控组件电源,操控飞行组件1携带行走组件飞行至所需检测位置附近。
C.调整飞行组件1飞行姿态,使其紧贴所需检测处洞壁。
D.通过操控组件调整行进组件2的转轮方向,使转轮方向对准预定行进路线。
E.启动弹性波触发组件3和收集组件5,操控飞行组件1停留固定在隧道衬砌的不同位置并收集数据,时频分析数据分析病害部位及其病害种类。
F.经过对比分析对称部位的多组数据发现衬砌病害后,操纵标记组件6对相应病害位置进行荧光漆喷洒。
G.数据收集完毕后,关闭弹性波触发组件3和收集组件5,调整行进组件2至初始状态。
H.通过操控组件操纵飞行组件1飞离检测处,平稳落地后关闭飞行组件1以及操控装置电源。
通过集成飞行组件1和行进组件2,能够携带触发组件3和收集组件5进行快速调节检测位置,同时利用飞行组件1工作时风压为行进组件2提供压力,使行进组件2能够满足倾斜状态贴附衬砌进行工作的需求,适应隧道内衬砌的倾斜走向,提高检测范围。提升所采集数据的精度,降低隧道内病害检测的难度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,包括:
飞行组件,安装于行进组件;
行进组件,其上安装有弹性波触发组件和收集组件,行进组件能够沿衬砌移动,以改变弹性波触发组件工作位置及收集组件工作位置;
标记组件,安装于行进组件,能够对隧道衬砌施加标记;
其中,飞行组件能够带动行进组件于隧道内飞行,并能够使行进组件贴附于衬砌移动。
2.如权利要求1所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,所述飞行组件为带有多个螺旋桨的无人机,无人机对应的螺旋桨围绕行进组件布置。
3.如权利要求1所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,所述行进组件包括行走轮,行走轮承载行进组件,行走轮带动行进组件沿衬砌移动并调整行进组件朝向。
4.如权利要求1所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,所述弹性波触发组件包括锤击件,锤击件安装于行进组件朝向衬砌的一侧,锤击件作用端朝向衬砌。
5.如权利要求1所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,所述收集组件包括弹性波收集器,安装于行进组件朝向衬砌的一侧,用于接受衬砌侧反射回的弹性波。
6.如权利要求5所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,所述收集组件连接储存组件,储存组件用于获取收集组件数据并储存。
7.如权利要求1所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置,其特征在于,还包括操控组件,操控组件分别与行进组件、飞行组件、弹性波触发组件、收集组件、标记组件通信,实现远程操控。
8.一种利用如权利要求1-7任一项所述的基于弹性波分析的隧道衬砌质量检测装置的检测方法,其特征在于,包括:
调整飞行组件姿态,控制飞行组件携带行进组件移动至目标检测位置;
行进组件接触衬砌,并在飞行组件作用下使行进组件紧贴衬砌;
对目标位置通过弹性波触发组件施加锤击,并通过收集组件采集弹性波信号;
分析弹性波信号数据并确定衬砌病害,对病害位置通过标记组件施加标记;
通过行进组件或飞行组件调整位置至下一目标点,重复锤击和采集流程,并对病害位置施加标记。
9.如权利要求8所述的检测方法,其特征在于,预先对隧道内部进行勘察,确保遥控信号能够在隧道内稳定收发。
10.如权利要求8所述的检测方法,其特征在于,在行进组件处于非水平状态时,通过飞行组件对行进组件施加压力,保持行进组件与衬砌的贴合。
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