CN217359738U - 一种水下结构超声检测装备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无损检测技术领域，具体为一种水下结构超声检测装备，包括船体与水下机器人，所述船体的内部设置有GPS定位系统与拖曳接超短基线收器UGPS100，所述船体的内部设置有若干根连接线，若干根所述连接线的底端均连接有第一水下定位信标，若干个所述第一水下定位信标均为与所述船体的下方。本实用新型通过建立水声、视觉、超声信号向三维空间中像素值的转换关系，并在不同位置，用不同信号生成的像素值表征结构损伤程度，最终的损伤像素图谱具备可变的分辨率，采用超声方法，检测水生植物、淤泥或其它遮蔽物覆盖的区域，并可以检测结构内部空洞，在大尺度上检测出损伤后，即刻终止检测，提高了检测效率。

Description

一种水下结构超声检测装备

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术领域，具体为一种水下结构超声检测装备。

背景技术

大坝、桥墩、闸门、船舶、管道中存在金属或混凝土制成的水下工程结构，由于运行需要，这些结构一旦服役，就难以与水体分离，从而无法在无水环境中开展检测，评估结构安全性，进而需要在水下对工厂结构进行检测。

目前的水下检测方法有：

1、采用钻芯取样、切割取样等方法，开展破坏性取样，并将试样送入实验室检测其材料性能和力学参数，但是这种方法会对原结构造成损坏，需要开展修补，危害原结构的安全。

2、采用多波束声呐探测，通过水声在结构表面的回弹，检测水下结构的外观形态，这种方法具有较高的检测效率，能够实现千米级别的大范围快速检测，但是这种方法在只有结构出现明显损伤时才能检出，受浑浊水质、高速水流的干扰大，并且当结构表面被水生植物淤泥覆盖时无法检测损伤，以及仅能检测结构表面损伤，无法检测材性退化，内部空洞、钢筋脱粘、土体脱空等损伤。

3、采用水下视频检测，通过探照灯和水下摄像机，检测结构表观裂缝，检测速度、范围低于多波束声呐，高于超声方法，检测精度高于多波束声呐，低于超声方法，水下视频检测可以识别结构裸露表面的裂缝和破损，水下视频检测与多波束声呐探测具有一些相同的缺点，在当水质浑浊、水深光照低、或结构表面被水生植物淤泥覆盖时，无法检测损伤，并且同样仅能检测结构表面损伤，无法检测材性退化，内部空洞、钢筋脱粘、土体脱空等损伤。

因此为了解决上述问题，我们对此做出改进，提出一种水下结构超声检测装备。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

本实用新型一种水下结构超声检测装备，包括船体与水下机器人，所述船体的内部设置有GPS定位系统与拖曳接超短基线收器UGPS100，所述船体的内部设置有若干根连接线，若干根所述连接线的底端均连接有第一水下定位信标，若干个所述第一水下定位信标均为与所述船体的下方，所述水下机器人的一侧固定安装有超声波探测器，所述水下机器人的顶部固定安装有第二水下定位信标。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述超声波探测器一侧的四周均等间距圆周设置有八个第一探头，超声波探测器一侧的中间位置处设置有第二探头，八个所述第一探头与所述第二探头均为DYW-28-G28kHz纵波探头，八个所述第一探头（16）至所述第二探头的距离均为90毫米，所述水下机器人的内部设置有普源DG822信号发生器、PINTEK HA205放大器与普源DS1102Z-E示波器。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述水下机器人顶部的一侧固定安装有声呐，所述声呐为M750D多波束图像声呐。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述水下机器人为blueROV2水下遥控机器人，所述第二水下定位信标与若干个所述第一水下定位信标均为USBLX150水下定位信标。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述水下机器人正面的一侧固定安装有云台相机，所述云台相机为1080P水下云台相机。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述水下机器人的底部固定安装有安装箱，所述安装箱的内部固定安装有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的输出端延伸至所述安装箱的外侧并固定安装有电机，所述电机的外侧设置有机箱，所述电机的输出端固定安装有转轴，所述转轴的一端固定安装有砂轮。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述安装箱的底部固定安装有活动槽，所述活动槽的内部设置有安装板，所述安装板的顶部与所述电机外侧机箱的底部固定连接。

本实用新型的有益效果是：

1、该水下结构超声检测装备通过声呐可以快速检测损毁结构，从而无需继续开展视觉和超声检测，提高检测效率，对于视觉检测受水生植物和淤泥附着的情况，可采用超声检测覆盖视觉检测的盲区。

2、该水下结构超声检测装备通过建立水声、视觉、超声信号向三维空间中像素值的转换关系，并在不同位置，用不同信号生成的像素值表征结构损伤程度，最终的损伤像素图谱具备可变的分辨率，采用超声方法，检测水生植物、淤泥或其它遮蔽物覆盖的区域，并可以检测结构内部空洞，在大尺度上检测出损伤后，即刻终止检测，提高了检测效率。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型一种水下结构超声检测装备的整体结构示意图；

图2是本实用新型一种水下结构超声检测装备的图1中A处的放大结构示意图；

图3是本实用新型一种水下结构超声检测装备的超声波探头的侧面结构示意图；

图4是本实用新型一种水下结构超声检测装备的工作原理中的多波束声呐的像素图谱；

图5是本实用新型一种水下结构超声检测装备的工作原理中的拍摄视频的像素图谱；

图6是本实用新型一种水下结构超声检测装备的工作原理中的超声波的像素图谱；

图中：1、船体；2、第一水下定位信标；3、连接线；4、水下机器人；5、超声波探测器；6、声呐；7、第二水下定位信标；8、云台相机；9、安装箱；10、电动伸缩杆；11、活动槽；12、安装板；13、电机；14、转轴；15、砂轮；16、第一探头；17、第二探头。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1-6，本实用新型提供一种技术方案：一种水下结构超声检测装备技术方案，包括船体1与水下机器人4，船体1的内部设置有GPS定位系统与拖曳接超短基线收器UGPS100，船体1的内部设置有若干根连接线3，若干根连接线3的底端均连接有第一水下定位信标2，若干个第一水下定位信标2均为与船体1的下方，水下机器人4的一侧固定安装有超声波探测器5，水下机器人4的顶部固定安装有第二水下定位信标7，船体1上所设置的GPS定位系统可作为水下定位的基点，船体1内部的拖曳接超短基线收器UGPS100与第一水下定位信标2和第二水下定位信标7互馈信号，能解算水下机器人4与船体1的相对位置。

超声波探测器5一侧的四周均等间距圆周设置有八个第一探头16，超声波探测器5一侧的中间位置处设置有第二探头17，八个第一探头16与第二探头17均为DYW-28-G28kHz纵波探头，八个第一探头16至第二探头17的距离均为90毫米，水下机器人4的内部设置有普源DG822信号发生器、PINTEK HA205放大器与普源DS1102Z-E示波器，通过将第一探头16与第二探头17垂直抵靠在结构表面，分别按压9只探头，位于中心的第二探头17激发28 kHz矩形脉冲波，位于周边的第一探头16接收矩形脉冲波的回波。

水下机器人4顶部的一侧固定安装有声呐6，声呐6为M750D多波束图像声呐，水下机器人4顶部的声呐6对水下结构表观形态开展扫描，可生成结构表面形态的像素图谱。

水下机器人4为blueROV2水下遥控机器人，第二水下定位信标7与若干个第一水下定位信标2均为USBLX150水下定位信标，船体1内部的拖曳接超短基线收器UGPS100与第一水下定位信标2和第二水下定位信标7互馈信号，可解算水下机器人4与船体1的相对位置，从而建立以船体1为中心的局部坐标系统(x,y,z)。

水下机器人4正面的一侧固定安装有云台相机8，云台相机8为1080P水下云台相机，云台相机8可开展视觉检测，可生成基于拍摄视频的灰度值的像素图谱。

水下机器人4的底部固定安装有安装箱9，安装箱9的内部固定安装有电动伸缩杆10，电动伸缩杆10的输出端延伸至安装箱9的外侧并固定安装有电机13，电机13的外侧设置有机箱，电机13的输出端固定安装有转轴14，转轴14的一端固定安装有砂轮15，通过控制电机13可带动砂轮15旋转，对水下结构的表面进行打磨，形成裸露的结构表面。

安装箱9的底部固定安装有活动槽11，活动槽11的内部设置有安装板12，安装板12的顶部与电机13外侧机箱的底部固定连接，通过设置的活动槽11与安装板12，可对电机13进行支撑，使得砂轮15更加的稳定。

工作原理：使用前，先检查本实用新型各个结构的安全性，当使用该水下结构超声检测装备时：

步骤1：建立水下定位系统

在水中放入水下机器人4，水面停泊的船体1上所设置的GPS定位系统将作为水下定位的基点，船体1内部的拖曳接超短基线收器UGPS100与第一水下定位信标2和第二水下定位信标7互馈信号，解算水下机器人4与船体1的相对位置，从而建立以船体1为中心的局部坐标系统(x,y,z)；局部坐标约在100 m见方的范围内，理想状态下定位精度达到1厘米，即(x,y,z)以厘米为单位变化。

步骤2：水下机器人4顶部的声呐6对水下结构表观形态开展扫描，生成结构表面形态的像素图谱P1(x,y,z)，对P1开展归一化操作：

P2(x,y,z)=P1(x,y,z)/max(P1(x,y,z))，

max(P1(x,y,z))代表对P1矩阵取所有像素的最大值。此时P2的数值为0至1之间，代表(x,y,z)坐标处水声反射强度，数值越接近0，代表水声强度越低，由于裂缝对水声的反射强度低，故低像素值代表裂缝。

当P2图中的结构出现明显的断裂、倾覆等损伤时，认为结构中出现大尺度损伤，检测过程停止，当P2图中出现水生植物、淤泥或其它遮蔽物覆盖的情况时，记录被遮挡区域的坐标Q1(x,y,z)。

步骤3：

采用云台相机8开展视觉检测，基于拍摄视频的灰度值生成像素图谱P3(x,y,z)，如图5所示，对P3开展归一化操作：

P4(x,y,z)=P3(x,y,z)/max(P3(x,y,z))

max(P3(x,y,z))代表对P3矩阵取所有像素的最大值。此时P4的数值为0至1之间，代表(x,y,z)坐标处光学反射强度，数值越接近0，代表光学强度越低，由于裂缝对光学的反射强度低，故低像素值代表裂缝。

当P4图中的结构出现明显的断裂、倾覆等损伤时，认为结构中出现中等尺度损伤，检测过程停止。当P4图中出现水生植物、淤泥或其它遮蔽物覆盖的情况时，记录被遮挡区域的坐标Q2(x,y,z)。

步骤4：

在Q1和Q2区域开展超声检测，首先通过水下机器人4搭载的砂轮15对结构表面打磨，形成裸露的结构表面，之后通过第一探头16与第二探头17垂直抵靠在结构表面，按图3分别按压9只探头，位于中心的第二探头17激发28 kHz矩形脉冲波，位于周边的第一探头16接收矩形脉冲波的回波，激励脉冲由普源DG822信号发生器，发生信号经PINTEK HA205放大器放大，接入位于中心的探头激发，接收信号经PXPA3放大，再由周边的探头接收，接收信号由普源DS1102Z-E示波器存储。

步骤5

采用延时叠加算法对接收到的8条回波波形进行成像处理，得到图6所示的基于超声波的灰度值生成像素图谱P5(x,y,z)，对P5开展归一化操作：

P6(x,y,z)=1-P5(x,y,z)/max(P5(x,y,z))

此时P6的数值为0至1之间，代表(x,y,z)坐标处超声反射强度，数值越接近0，代表超声回波的强度越低，由于裂缝对超声波具有反射作用，故低像素值代表裂缝。

步骤6：

按(x,y,z)坐标在空间中对结构表面成像，像素图谱P=P2+P4+P6，像素值越接近0，代表损伤程度越高。像素图谱P在Q1、Q2区域具有高分辨率，达到厘米级别，在Q1、Q2以外区域，分辨率为分米或米级别。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水下结构超声检测装备，包括船体（1）与水下机器人（4），其特征在于，所述船体（1）的内部设置有GPS定位系统与拖曳接超短基线收器UGPS100，所述船体（1）的内部设置有若干根连接线（3），若干根所述连接线（3）的底端均连接有第一水下定位信标（2），若干个所述第一水下定位信标（2）均为与所述船体（1）的下方，所述水下机器人（4）的一侧固定安装有超声波探测器（5），所述水下机器人（4）的顶部固定安装有第二水下定位信标（7）。

2.根据权利要求1所述的一种水下结构超声检测装备，其特征在于，所述超声波探测器（5）一侧的四周均等间距圆周设置有八个第一探头（16），超声波探测器（5）一侧的中间位置处设置有第二探头（17），八个所述第一探头（16）与所述第二探头（17）均为DYW-28-G28kHz纵波探头，八个所述第一探头（16）至所述第二探头（17）的距离均为90毫米，所述水下机器人（4）的内部设置有普源DG822信号发生器、PINTEK HA205放大器与普源DS1102Z-E示波器。

3.根据权利要求1所述的一种水下结构超声检测装备，其特征在于，所述水下机器人（4）顶部的一侧固定安装有声呐（6），所述声呐（6）为M750D多波束图像声呐。

4.根据权利要求1所述的一种水下结构超声检测装备，其特征在于，所述水下机器人（4）为blueROV2水下遥控机器人，所述第二水下定位信标（7）与若干个所述第一水下定位信标（2）均为USBLX150水下定位信标。

5.根据权利要求1所述的一种水下结构超声检测装备，其特征在于，所述水下机器人（4）正面的一侧固定安装有云台相机（8），所述云台相机（8）为1080P水下云台相机。

6.根据权利要求1所述的一种水下结构超声检测装备，其特征在于，所述水下机器人（4）的底部固定安装有安装箱（9），所述安装箱（9）的内部固定安装有电动伸缩杆（10），所述电动伸缩杆（10）的输出端延伸至所述安装箱（9）的外侧并固定安装有电机（13），所述电机（13）的外侧设置有机箱，所述电机（13）的输出端固定安装有转轴（14），所述转轴（14）的一端固定安装有砂轮（15）。

7.根据权利要求6所述的一种水下结构超声检测装备，其特征在于，所述安装箱（9）的底部固定安装有活动槽（11），所述活动槽（11）的内部设置有安装板（12），所述安装板（12）的顶部与所述电机（13）外侧机箱的底部固定连接。

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