一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件，还包括方位部件、扫描部件、标定部件和反射部件，还公开了一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，来解决单一频率超声的探测范围极限性及低精度的难题，通过选取两个频率的超声换能器所产生的清晰波形，进行对比分析，可以分别计算出各超声脉冲漏检的周期个数，从而提高传播时间检测精度，同时采用标定部件和反射部件，来实时测量环境介质中的声速，实现波速的高精度测量，最后将两个频率的超声换能器所测距值进行平均作为准确距离，本发明专利技术设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

Hole free space detection device and method based on multi frequency ultrasonic scanning

The invention discloses a goaf detection device of multi frequency ultrasonic scanning based on hole, including rotating driving components, including components, components, scanning range calibration component and a reflection component, also discloses a method for Detecting Goaf of multi frequency ultrasonic scanning hole based on the problem of low accuracy and limit of detection range to solve the single frequency ultrasound, clear waveform by ultrasonic transducer select two frequency generated by the comparative analysis, can calculate the number of cycles each ultrasonic pulse detection, so as to improve the detection accuracy of the propagation time, the calibration part and the reflecting member to sound real-time measurement in environmental medium, high to achieve precision measuring velocity, the frequency of the ultrasonic transducer two ranging on average as accurate distance, the invention of ingenious design, the idea of tight The structure of the system is simple and easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置及方法
本专利技术涉及岩土测量装置领域，具体涉及一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，还涉及一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，适用于对各类工程领域中地质钻孔内的空区进行详尽勘察和探测，获取空区的精细地质结构和轮廓信息，能够实现量程范围内各种尺寸空区的无盲点精确探测。
技术介绍
随着我国社会、经济的迅猛发展，矿产资源的需求急剧增加，我国已经进入矿产资源大规模开发阶段且多为地下开采。矿产资源地下开采不可避免会形成大量的采空区，而采空区可能会引发井下大面积冒落、岩移及地表塌陷，造成严重的人员伤亡和设备破坏。因此，非常有必要准确掌握采空区的形态、实际边界、顶板面积和体积大小等基本信息。我国岩溶地貌分布广泛，岩溶塌陷已成为我国频发的地质灾害之一，对社会发展和工程建设具有严重的危害；岩溶的发育对于油气资源的富集与运移、地下水资源的分布与径流、与岩溶相关矿产资源的发育和分布以及对工程建设都好产生重要影响。因此，对岩溶的探测具有重要的现实意义。世界上90％的能源(石油、天然气)储存库建在盐岩介质或利用报废的废盐矿井中。对于盐穴地下储库，在投入使用前或使用一段时间后，均要进行腔体变性及密封性的现场实地测试，由于洞室的不规则性、以及各种测试方法精度较低的局限性，所获得结果的准确性和可信度有待商榷。因此，亟需提出一种新的探测系统来解决地下能源储存中溶腔精确探测的问题。目前国内外关于空区的探测方法主要有：电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、微重力勘探、放射性勘探和激光3D法。但是前面五种探测方法均不同程度地存在着抗干扰能力较弱，勘探深度有限，探测结果不够精确，完成后需要对探测结果解释，过程繁琐，可视化程度低等问题，而测量精度高的激光3D法探测成本高，对空区内环境要求高且不能对充有水的空区进行探测。总之，随着我国可持续发展战略的深入，空区(采空区、岩溶和溶腔等)开发利用成为解决土地、资源与环境危机的重要措施，大量的地下工程建设方兴未艾，全生命周期的安全问题以及能源储备问题亟待解决。然而，空区探测技术的不足和匮乏成为制约地下空区开发利用的瓶颈。现在的探测发展中，超声探测的应用越来越广泛，超声探测技术不仅应用于军事领域，也越来越多地应用在民用场合，如超声测距、安防探测、医学成像、无损探测、水下声纳和管道检漏等方面。由于超声波具有频率高，波长短，绕射现象好；方向性好，能够成为射线而定向传播；能量消耗慢，传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量。超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。由此可见，采用超声波对孔内空区进行探测具有可行性，然而被探测的空区形态和尺寸未知且结构复杂，单一频率超声的探测范围有限(高频率探测范围小，低频率探测范围大)，不能准确掌握空区的形态和尺寸，此外，在检波的过程中，无法保证不存在漏检脉冲波形，以及无法获取各种环境下声速值，从而导致探测精度差。鉴于现有超声波探测存在的问题，本专利技术提出一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法与装置，从根本上解决了单一频率超声的探测范围极限以及探测精度低的难题，该装置将多种频率结合起来，同时扫描空区，最后选择两个合适频率的波形进行对比分析，计算出漏检波形周期，实现高精度测量，在结合方位和深度信息后，可以拟合出空区的立体轮廓。基于多频超声扫描的孔内空区探测装置的优点在于：1)探测精度高。通过选择较为合适的两个频率超声波形，进行对比，计算出漏检的超声脉冲个数，从而使探测的检测时间更加准确，获取声波在标定部件与反射部件之间的往返时间，计算出该探测环境下的声速，从而使各探测环境下的声速更加准确；2)探测方式简单。仅通过步进电机带动扫描部件和方位部件即能获得各尺寸空区全方位岩壁的轮廓曲线；3)探测范围广。通过选取合适的各种频探头能够探测到更大的孔内空区结构，可探测出不同方向的岩壁轮廓信息，其内含信息更加丰富；4)结构小巧，布局灵活，连接简洁，易于实施。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服以往超声波探测频率单一而导致的探测范围有限、探测精度差的缺点和不足，提出一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，还提出一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，利用两种频率相位差来精确计算测距值，结合扫描点方位及深度形成空区立体轮廓的方法，并形成一套布设有多个频率换能器的可旋转扫描孔内空区探测装置，即基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，能够实现对空区岩壁的高精度扫描，完成空区无死角的探测，并形成空区的立体轮廓。该方法和装置构思新颖、实施容易，是超声波探测技术的新方法和新一代装置，具有广阔的应用前景。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术措施：一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件，还包括方位部件、扫描部件、标定部件和反射部件，旋转驱动部件，用于驱动方位部件和扫描部件同步旋转；方位部件，用于实时方位获取；扫描部件，包括多个在旋转驱动部件的驱动下沿同一扫描圆旋转的超声换能器，各个超声换能器发射的发射脉冲序列的频率不同，各个旋转驱动部件沿同一扫描圆旋转时依次对孔内空区的孔壁的同一扫描点进行扫描；标定部件，用于配合反射部件测量超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度。一种基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，包括以下步骤：步骤一、采集孔内空区孔壁扫描点所在深度、方位，采集空区岩壁扫描点对应的各个超声换能器的发射脉冲序列以及对应的实际接收脉冲序列；步骤二、选取扫描点对应的脉冲峰值最大的两个实际接收脉冲序列，分别定义为第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列；第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列对应的发射脉冲序列分别为第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列，第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的频率分别为f1和f2，且f1小于f2，第一发射脉冲序列的脉冲周期为T1，第二发射脉冲序列的脉冲周期为T2，定义第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列对应的理论接收脉冲序列分别为第一理论接收脉冲序列和第二理论接收脉冲序列，第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的首波所用时间为t1，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的首波所用时间为t2，第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t1_n，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t2_n，第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的脉冲数量均为N，设定第一实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m1，选定扫描点对应的第一发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第一实际接收脉序列的第a个脉冲的上升沿所用时间记为时间t1_a，设定第二实际接收脉冲序列中的第一个脉冲之前漏检的脉冲数为m2，选定扫描点对应的第二发射脉冲序列的第一个脉冲的上升沿到第二实际接收脉序列的第b个脉冲的上升沿所用时间记为时间t1_b；步骤三、首先取a＝b＝1；步骤四、判断时间t1_a与t2_b的大小；若时间t1_a<时间t2_b，则a加1,直至时间t1_a第一次大于等于时间t2_b，在时间t1_a第一次大于等于时间t2_b的情况下：当时间t1_a-时间t2_b>＝M，则b加1，直至时间t1_a减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件(3)，其特征在于，还包括方位部件(4)、扫描部件(5)、标定部件(6)和反射部件(7)，旋转驱动部件(3)，用于驱动方位部件(4)和扫描部件(5)同步旋转；方位部件(4)，用于实时方位获取；扫描部件(5)，包括多个在旋转驱动部件(3)的驱动下沿同一扫描圆旋转的超声换能器，各个超声换能器发射的发射脉冲序列的频率不同，各个旋转驱动部件(3)沿同一扫描圆旋转时依次对孔内空区的孔壁的同一扫描点进行扫描；标定部件(6)，用于配合反射部件(7)测量超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度。

【技术特征摘要】
1.一种基于多频超声扫描的孔内空区探测装置，包括旋转驱动部件(3)，其特征在于，还包括方位部件(4)、扫描部件(5)、标定部件(6)和反射部件(7)，旋转驱动部件(3)，用于驱动方位部件(4)和扫描部件(5)同步旋转；方位部件(4)，用于实时方位获取；扫描部件(5)，包括多个在旋转驱动部件(3)的驱动下沿同一扫描圆旋转的超声换能器，各个超声换能器发射的发射脉冲序列的频率不同，各个旋转驱动部件(3)沿同一扫描圆旋转时依次对孔内空区的孔壁的同一扫描点进行扫描；标定部件(6)，用于配合反射部件(7)测量超声脉冲在孔内空区内的介质中的传播速度。2.一种利用权利要求1所述装置进行基于多频超声扫描的孔内空区探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采集孔内空区孔壁扫描点所在深度、方位，采集空区岩壁扫描点对应的各个超声换能器的发射脉冲序列以及对应的实际接收脉冲序列；步骤二、选取扫描点对应的脉冲峰值最大的两个实际接收脉冲序列，分别定义为第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列；第一实际接收脉冲序列和第二实际接收脉冲序列对应的发射脉冲序列分别为第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列，第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列的频率分别为f1和f2，且f1小于f2，第一发射脉冲序列的脉冲周期为T1，第二发射脉冲序列的脉冲周期为T2，定义第一发射脉冲序列和第二发射脉冲序列对应的理论接收脉冲序列分别为第一理论接收脉冲序列和第二理论接收脉冲序列，第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的首波所用时间为t1，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的首波所用时间为t2，第一发射脉冲序列的首波到第一理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t1_n，第二发射脉冲序列的首波到第二理论接收脉冲序列的第n个上升沿所用时间为t...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪进超，王川婴，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42