專利名稱：一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裂縫探測(cè)裝置，特別是涉及一種水下構(gòu)建物表面裂縫的可視化探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
水壩、鉆井平臺(tái)的水下構(gòu)建物部分經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作運(yùn)行，受水質(zhì)、水壓以及各種生物化學(xué)因素的影響，其壩體、閘門等處難免出現(xiàn)裂縫、破損現(xiàn)象。由于構(gòu)建物長(zhǎng)期處于水下，探測(cè)、清洗不便，導(dǎo)致水垢沉積，各種藻類貝類生物附著滋生，往往又會(huì)遮蔽隱藏這些已經(jīng)出現(xiàn)的問題。而這些初期出現(xiàn)的細(xì)微裂縫、破損若不能得到及時(shí)修補(bǔ)，其缺陷程度將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，可能引起大壩閘門無法及時(shí)開啟，壩體無法正常工作甚至出現(xiàn)大面積坍塌的災(zāi)難性事故。為了預(yù)防上述重大事故的發(fā)生，目前常采用的方法是定期對(duì)大壩進(jìn)行停工維護(hù)，即排空大壩蓄水，由大量工作人員親臨現(xiàn)場(chǎng)，人工清理壩體附著物，排查裂縫，修補(bǔ)缺損。這種方式雖然可行且效果良好，但耗費(fèi)了大量的人力、物力，成本代價(jià)高，不適合于經(jīng)常性維護(hù)，不適合于大范圍地普及。水下構(gòu)建物表面清洗可采取機(jī)械敲打或超聲清洗的方法。針對(duì)不同水下構(gòu)建物表面覆蓋物機(jī)械敲打力度不易掌握，且實(shí)現(xiàn)無人操作成本較高。超聲空化是液體中由于超聲的物理作用，在液體內(nèi)的某一區(qū)域會(huì)形成局部的暫時(shí)的負(fù)壓區(qū)，于是在液體中產(chǎn)生空穴或氣泡，這些充有蒸氣或空氣的氣泡處于非穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)它們突然閉合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激波。因而在局部微小區(qū)域產(chǎn)生很大的壓力，從而把聚集起來的聲場(chǎng)能量在液體中極小的空間內(nèi)迅速釋放出來，形成高溫(可高達(dá)5000K以上)、高壓(可高達(dá)5X10~7pa)以及強(qiáng)沖擊波和射流等極端的物理?xiàng)l件。超聲清洗技術(shù)利用超聲波空化效應(yīng)原理，經(jīng)多年發(fā)展比較成熟，具有不易損壞被清洗物及實(shí)施成本低的特點(diǎn)。水下構(gòu)建物的遠(yuǎn)程操作控制方式有利于操作人員與正處于工作狀態(tài)的水下構(gòu)建物保持安全距離，方便轉(zhuǎn)移維護(hù)監(jiān)測(cè)工作地點(diǎn)，同時(shí)節(jié)約了鋪設(shè)通信電纜的成本。遠(yuǎn)程操作控制可采取無線電波通信或水聲通信的方法。根據(jù)物理學(xué)原理，無線電波在水中傳播很短一段距離便會(huì)衰減耗盡，而水下構(gòu)建物的維護(hù)檢測(cè)若要不影響其正常工作便必須在水中進(jìn)行，不利于無線電波的傳輸。水聲通信使用在水中傳播不易衰減的聲波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是一項(xiàng)在水下傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。目前水聲通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，已發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化的階段，比較適合水下構(gòu)建物的遠(yuǎn)程操作控制的數(shù)據(jù)傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有水下構(gòu)建物維護(hù)檢查方式中消耗大量人力、物力、時(shí)間，且整個(gè)過程構(gòu)建物無法正常工作等問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)合超聲清洗和水聲通信技術(shù)，可遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化程度高、可組網(wǎng)、不干擾構(gòu)建物正常工作的水下構(gòu)建物表面可視化裂縫探測(cè)裝置，
為了解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于，包括一個(gè)位于上位機(jī)端的計(jì)算機(jī)；一個(gè)用于上位機(jī)端進(jìn)行水聲通信的第一水聲換能器；一個(gè)用于連接計(jì)算機(jī)和第一水聲換能器，將待發(fā)送或已接收信號(hào)調(diào)制解調(diào)的第一水 聲調(diào)制解調(diào)器；一個(gè)用于清洗拍攝端進(jìn)行水聲通信的第二水聲換能器；一個(gè)用于連接第二水聲換能器，將待發(fā)送或已接收信號(hào)調(diào)制解調(diào)的第二水聲調(diào)制解 調(diào)器;一個(gè)用于產(chǎn)生超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)并傳輸給超聲功率放大器的超聲信號(hào)產(chǎn)生器；一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)高壓水射流噴頭的高壓水泵；一個(gè)用于拍攝水下構(gòu)建物表面圖像的水下攝像頭；一個(gè)用于處理裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)并與第二水聲調(diào)制解調(diào)器、超聲信號(hào)產(chǎn)生器、高壓水泵和 水下攝像頭相連的核心處理器；所述的超聲信號(hào)產(chǎn)生器連接一個(gè)用于放大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲清洗換能器的超 聲功率放大器；所述的超聲功率放大器連接一個(gè)用于清洗水下構(gòu)建物表面的超聲清洗換能器；所述的高壓水泵連接一個(gè)用于沖洗水下構(gòu)建物表面的高壓水射流噴頭。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述的第一水聲 調(diào)制解調(diào)器使用FSK調(diào)制解調(diào)方式，所述第一水聲調(diào)制解調(diào)器與所述計(jì)算機(jī)的連接使用 RS232標(biāo)準(zhǔn)串口通信。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述第一水聲換 能器和第二水聲換能器的中心頻率各為32kHz。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述核心處理器 采用單片機(jī)MSP430F149，使用3. 3V直流電壓供電。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述超聲信號(hào)產(chǎn) 生器采用SG3525PWM控制芯片產(chǎn)生超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述超聲功率放 大器采用IRFP460 N通道、FET型、功率MOS管放大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述超聲清洗換 能器中心工作頻率為28 kHz。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述高壓水射流 噴頭形狀為直管狀，末端為錐型噴嘴。
前述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述水下攝像頭 采用CMOS傳感器，最大分辨率為640X800，最大耐壓防水深度為100米，內(nèi)置LED補(bǔ)光燈。
本發(fā)明的有益效果是由于此表面裂縫可視化探測(cè)裝置具備遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化程 度高、可組網(wǎng)、不干擾水下構(gòu)建物正常工作的特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的維護(hù)檢查方式節(jié)省了人 力、物力和時(shí)間，適合用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)水壩、鉆井平臺(tái)等工程建筑的水下關(guān)鍵部位，避免新生裂 縫擴(kuò)大產(chǎn)生危害。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖1所示，本發(fā)明的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，包括位于上位 機(jī)端的計(jì)算機(jī)I ;還包括一個(gè)用于上位機(jī)端進(jìn)行水聲通信的第一水聲換能器3，所述第一水 聲換能器3的中心頻率為32kHz。
還包括一個(gè)用于連接計(jì)算機(jī)I和第一水聲換能器3的第一水聲調(diào)制解調(diào)器2，所述 的第一水聲調(diào)制解調(diào)器2使用FSK調(diào)制解調(diào)方式，所述第一水聲調(diào)制解調(diào)器2與所述計(jì)算 機(jī)I的連接使用RS232標(biāo)準(zhǔn)串口通信。
還包括一個(gè)用于清洗拍攝端進(jìn)行水聲通信的第二水聲換能器4，所述第二水聲換 能器4的中心頻率為32kHz。
還包括一個(gè)用于連接第二水聲換能器4，將待發(fā)送或已接收信號(hào)調(diào)制解調(diào)的第二 水聲調(diào)制解調(diào)器5。
還包括一個(gè)用于產(chǎn)生超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)并傳輸給超聲功率放大器的超聲信號(hào)產(chǎn)生器 7，所述超聲信號(hào)產(chǎn)生器7采用SG3525PWM控制芯片產(chǎn)生超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
還包括一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)高壓水射流噴頭的高壓水泵10，所述的高壓水泵10連接一 個(gè)用于沖洗水下構(gòu)建物表面的高壓水射流噴頭11，所述高壓水射流噴頭11形狀為直管狀， 末端為維型嗔嘴。
還包括一個(gè)用于拍攝水下構(gòu)建物表面圖像的水下攝像頭12，所述水下攝像頭12 采用CMOS傳感器，最大分辨率為640X800，最大耐壓防水深度為100米，內(nèi)置LED補(bǔ)光燈。
還包括一個(gè)用于處理裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)并與第二水聲調(diào)制解調(diào)器5、超聲信號(hào)產(chǎn)生 器5、高壓水泵10和水下攝像頭12相連的核心處理器6，所述核心處理器6采用單片機(jī) MSP430F149，使用3. 3V直流電壓供電。
所述的超聲信號(hào)產(chǎn)生器7連接一個(gè)用于放大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲清洗換能 器的超聲功率放大器8，所述超聲功率放大器8采用IRFP460 N通道、FET型、功率MOS管放 大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
所述的超聲功率放大器8連接一個(gè)用于清洗水下構(gòu)建物表面的超聲清洗換能器 9，所述超聲清洗換能器9的中心工作頻率為28 kHz。
工作原理首先在岸上用數(shù)據(jù)線將計(jì)算機(jī)I與本裝置的第一水聲調(diào)制解調(diào)器2相 連，第一水聲調(diào)制解調(diào)器2經(jīng)長(zhǎng)數(shù)據(jù)線連接第一水聲換能器3構(gòu)成上位機(jī)端。將水聲換能器 3完全置于水下。同時(shí)將裝置的清洗拍攝端固定于水下導(dǎo)軌或鋼索上并使其貼近待探測(cè)的 水下構(gòu)建物表面。如圖1所示，本裝置的數(shù)據(jù)傳輸過程如下，計(jì)算機(jī)發(fā)出的二進(jìn)制電信號(hào)經(jīng) 第一水聲調(diào)制解調(diào)器2以FSK方式調(diào)制后，由第一水聲換能器3轉(zhuǎn)換為中心頻率為32kHz 的超聲波在水中發(fā)射出去。置于裝置清洗拍攝端的第二水聲換能器4接收到水中的超聲波 后，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并送入第二水聲調(diào)制解調(diào)器5，解調(diào)出的二進(jìn)制電信號(hào)被送入 核心處理器6，核心處理器6按照識(shí)別出的二進(jìn)制電信號(hào)所表示的指令分別控制超聲信號(hào)產(chǎn)生器7、高壓水泵10、水下攝像頭12的動(dòng)作。水下攝像頭12拍攝到的圖像以二進(jìn)制電信號(hào)形式發(fā)送給核心處理器6，由其壓縮后經(jīng)第二水聲調(diào)制解調(diào)器5調(diào)制，第二水聲換能器4發(fā)送，第一水聲換能器3接收，第一水聲調(diào)制解調(diào)器2解調(diào)后送入計(jì)算機(jī)I，最終顯示待探測(cè)處圖像。本裝置的水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)過程如下，首先由計(jì)算機(jī)I發(fā)出水下構(gòu)建物表面圖像采集指令，核心處理器6接到該指令后控制水下攝像頭12拍攝水下構(gòu)建物表面圖像，經(jīng)水聲信道傳回計(jì)算機(jī)I。由操作人員根據(jù)顯示的圖像判斷水下構(gòu)建物表面是否存在影響裂縫探測(cè)的覆蓋物。若存在，則控制計(jì)算機(jī)I發(fā)出水下構(gòu)建物表面覆蓋物清除指令，核心處理器6接到該指令后先定時(shí)控制超聲信號(hào)產(chǎn)生器7發(fā)出28kHz超聲驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)超聲功率放大器8放大后驅(qū)動(dòng)超聲清洗換能器9工作，開展超聲清洗作業(yè)。計(jì)時(shí)完畢后核心處理器6停止超聲信號(hào)產(chǎn)生器7工作，同時(shí)定時(shí)控制高壓水泵10開始工作。水流在高壓水泵10驅(qū)動(dòng)下形成高壓水射流，經(jīng)高壓水射流噴頭11聚焦后噴出，沖洗已被超聲清洗作業(yè)乳化、松動(dòng)的水下構(gòu)建物表面覆蓋物，達(dá)到清除覆蓋物，使水下構(gòu)建物表面露出的目的。計(jì)時(shí)完畢后核心處理器6停止高壓水泵10工作，并控制水下攝像頭12再次拍攝水下構(gòu)建物表面圖像后回傳，操作人員根據(jù)計(jì)算機(jī)I上顯示的清洗后圖像判斷水下構(gòu)建物表面是否存在裂縫。本發(fā)明涉及的水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置采用分離式結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)所處的上位機(jī)端與清洗拍攝端在最遠(yuǎn)相距300米的情況下經(jīng)水聲通信可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)作控制和圖像數(shù)據(jù)傳輸。為防止超聲波相互串?dāng)_，本裝置由軟件設(shè)定其水聲通信功能與超聲清洗功能錯(cuò)時(shí)工作，提高了裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性。多臺(tái)水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置具備組網(wǎng)功能，可以將裝置上水聲通信部分設(shè)置為通信節(jié)點(diǎn)模式，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離(大于300米)情況下大面積水下構(gòu)建物表面裂縫探測(cè)。本發(fā)明涉及的水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置具有遠(yuǎn)程操作、穩(wěn)定性強(qiáng)的特性，且整個(gè)清洗、探測(cè)過程都在液體環(huán)境中進(jìn)行，可以在不影響水下構(gòu)建物正常工作的情況下，長(zhǎng)期設(shè)置在其關(guān)鍵部位，監(jiān)測(cè)其表面裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)大趨勢(shì)，及時(shí)處理，防患于未然。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于，包括 一個(gè)位于上位機(jī)端的計(jì)算機(jī)； 一個(gè)用于上位機(jī)端進(jìn)行水聲通信的第一水聲換能器； 一個(gè)用于連接計(jì)算機(jī)和第一水聲換能器，將待發(fā)送或已接收信號(hào)調(diào)制解調(diào)的第一水聲調(diào)制解調(diào)器； 一個(gè)用于清洗拍攝端進(jìn)行水聲通信的第二水聲換能器； 一個(gè)用于連接第二水聲換能器，將待發(fā)送或已接收信號(hào)調(diào)制解調(diào)的第二水聲調(diào)制解調(diào)器; 一個(gè)用于產(chǎn)生超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)并傳輸給超聲功率放大器的超聲信號(hào)產(chǎn)生器； 一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)高壓水射流噴頭的高壓水泵； 一個(gè)用于拍攝水下構(gòu)建物表面圖像的水下攝像頭； 一個(gè)用于處理裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)并與第二水聲調(diào)制解調(diào)器、超聲信號(hào)產(chǎn)生器、高壓水泵和水下攝像頭相連的核心處理器； 所述的超聲信號(hào)產(chǎn)生器連接一個(gè)用于放大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)超聲清洗換能器的超聲功率放大器； 所述的超聲功率放大器連接一個(gè)用于清洗水下構(gòu)建物表面的超聲清洗換能器； 所述的高壓水泵連接一個(gè)用于沖洗水下構(gòu)建物表面的高壓水射流噴頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述的第一水聲調(diào)制解調(diào)器使用FSK調(diào)制解調(diào)方式，所述第一水聲調(diào)制解調(diào)器與所述計(jì)算機(jī)的連接使用RS232標(biāo)準(zhǔn)串口通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述第一水聲換能器和第二水聲換能器的中心頻率各為32kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述核心處理器采用單片機(jī)MSP430F149，使用3. 3V直流電壓供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述超聲信號(hào)產(chǎn)生器采用SG3525PWM控制芯片產(chǎn)生超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述超聲功率放大器采用IRFP460 N通道、FET型、功率MOS管放大超聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述超聲清洗換能器中心工作頻率為28 kHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述高壓水射流噴頭形狀為直管狀，末端為錐型噴嘴。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，其特征在于所述水下攝像頭采用CMOS傳感器，最大分辨率為640X800，最大耐壓防水深度為100米，內(nèi)置LED補(bǔ)光燈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水下構(gòu)建物表面裂縫可視化探測(cè)裝置，可用于在不干擾構(gòu)建物運(yùn)行的情況下實(shí)時(shí)靈活地探測(cè)其表面裂縫。使用超聲無損清洗協(xié)同高壓水射流清除附著于水下構(gòu)建物表面的水垢、油污、苔蘚和吸盤類生物從而確定探測(cè)部位，使用水下攝像頭采集被清洗處圖像，通過水聲通信方式將圖像傳送至上位機(jī)端，以便探測(cè)人員觀察探測(cè)部位。此水下構(gòu)建物表面裂縫探測(cè)裝置可以通過滑動(dòng)導(dǎo)軌調(diào)整清洗探測(cè)位置，或進(jìn)行多機(jī)組網(wǎng)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)水壩、鉆井平臺(tái)等工程建筑的水下關(guān)鍵部位，避免新生裂縫擴(kuò)大產(chǎn)生危害。
文檔編號(hào)G01N21/88GK103048330SQ20121054932
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者龔潤(rùn)航, 朱昌平, 王斌, 郭臣, 謝秀坤, 何貞兵, 韓慶邦, 莊海峰, 朱益鵬, 李佳銘 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)