本发明专利技术公开了一种超声波成孔检测探头装置，包括电缆线、控制单元、电子罗盘、陀螺仪、加速度计、声波发射接收单元，声波发射接收单元包括多个超声波发射接收单元。本发明专利技术还公开了一种超声波成孔检测探头控制方法，控制单元实时读取电子罗盘、陀螺仪、加速度计数据，确定装置摆动位置、空间姿态和超声波发射接收单元的空间指向，控制完成发射接收超声波的检测过程，得到孔壁反射点。控制单元读取加速度计数据，判断检测过程中是否触碰孔壁，确定触碰时间，计算触碰孔壁点。根据孔壁反射点和触碰孔壁点，计算钻孔中心点和钻孔直径，最终得到钻孔的倾斜角和钻孔的倾斜方位角。检测过程中无需抑制探头装置的摆动，极大的简化了对地面绞车的要求。车的要求。车的要求。
【技术实现步骤摘要】
一种超声波成孔检测探头装置及其检测方法
[0001]本专利技术属于岩土工程检测领域中的应用超声波法检测灌注桩成孔质量的
，具体涉及一种超声波成孔检测探头装置，还涉及一种超声波成孔检测探头装置的检测方法。
技术介绍
[0002]现有技术中，成孔检测有两种技术路线，一种基于机械接触法，一种基于超声波法。
[0003]机械接触法成孔检测仪通常采用的检测方法为：计算机控制绞车收放在成孔泥浆中的接触式检测装置，接触式检测装置的核心构件是多个可向外展开的类似于雨伞伞骨的机械臂，机械臂展开角度与某种电位器输出相关，计算机通过读取电位器的输出值换算接触式传感器多个机械臂向外伸展的角度，进而换算出成孔的等效直径。传统的机械接触法成孔检测仪最重要的缺陷是不能检测成孔的倾斜度，而成孔倾斜度检测是成孔检测中的一个必不可少的检测项目。专利号2012102475720《可实现钻孔三维成像的检测装置及其方法》提出了一种在接触式传感器中增加磁阻传感器检测方位角、增加加速度计检测倾斜角的技术方法，以实现检测成孔孔径时，同时检测成孔倾斜度。这种方法存在一些问题：首先，每个机械臂与孔壁的具体接触点的接触性状有很强的随机性，这是岩土材料离散性导致的，提升传感器时多个机械臂与孔壁接触摩擦过程十分复杂，无法保证倾斜角的检测精度；其次，机械臂张开的力度过小，不足以影响传感器跟随孔壁倾斜，机械臂张开的力度过大，机械臂与成孔孔壁接触时受到接触性状随机性的影响很大。专利申请号CN201410244920.8《带有电子罗盘的地下连续墙质量检测装置及其方法》涉及一种使用电子罗盘指示方向，进而修正实际方位的机械接触法检测装置。
[0004]超声波成孔检测通常采用的检测方法为：计算机控制绞车收放放置在成孔泥浆中的探头装置，同时计算机控制探头装置向四周发射超声波并接收钻孔孔壁的反射波，通过反射位置计算得到成孔孔径，不同深度同一方向反射位置的变化可以反映成孔的倾斜度。超声波成孔检测过程中收放探头装置时，要确保探头装置始终处在一条铅锤线上，且不能发生扭转，即探头装置中的超声波传感器面对的方向不能发生改变。
[0005]超声波成孔检测的原理是反射波法，检测装置的超声波发射接收部分并不复杂，检测装置的复杂性是要求检测过程中确保探头装置“始终处在一条铅锤线上”、确保探头装置“不发生扭转”等特定要求带来的。确保探头装置“始终处在一条铅锤线上”，实际上是保证探头装置被放置在钻孔任意深度H处时探头装置的平面坐标不变，“不能发生扭转”实际上是保证检测的四个方向不变，带来的好处是(在假定钻孔截面是圆形的前提下)钻孔截面圆心平面坐标和半径的计算十分简单，钻孔截面圆心平面坐标随着深度的变化就可以反映桩孔的倾斜。
[0006]实际检测过程中，灌注桩的成孔往往有数十米甚至上百米深，放置在孔中的探头装置与电缆线构成一个摆系统，孔内电缆线长度相当于摆长，探头装置为摆端重物，收放电
缆线时有多种因素会导致这个摆系统受到扰动发生摆动。例如，缠绕在绞车线轮上的电缆线长期受到弯曲作用处于平衡的自然弯曲状态，检测过程中从绞车放出电缆线时，电缆线处于铅锤拉直状态，这是一个克服电缆线弯曲状态建立新平衡的动态过程，会导致一定的摆动。再如，探头装置本身重心偏差，升降过程中受到的阻力不均衡，上方孔口电缆悬挂装置刚性不足，甚至有时由于检测过于仓促，成孔结束后清孔导致的泥浆尚未完全静止，等等，都可能带来复杂的扰动，导致探头装置摆动和扭转，见图1a。
[0007]为了克服上述因素导致的探头装置摆动和扭转，现有的技术采用的方法是增加两根定位钢丝约束摆动，示意图见图1b。定位钢丝装置成为现有超声波成孔检测装置的不可缺少的部分，定位钢丝装置导致超声波成孔检测装置的整体复杂性增加、体积增加、重量增加，通常超声波成孔检测装置的尺寸为米量级，重量为百公斤量级。但是增加定位钢丝仅仅是增加了约束，并不能完全抑制探头装置的摆动和扭转。一些厂家在增加定位钢丝的同时，还在探头装置上设计腹板，增加摆动或扭转时的阻力、加快摆动和扭转能量衰减，表明这些厂家也认识到仅靠定位钢丝装置并不能完全抑制探头装置的摆动或扭转，检测实践中探头装置的摆动或扭转的影响不容忽视。
[0008]现有技术中由于必须考虑抑制探头装置的摆动或扭转，导致绞车往往需要同时收放多根电缆线和定位钢丝，带来诸多同步问题，导致绞车结构复杂，且衍生出诸多维护性问题。一些检测中，检测设备的探头装置在钻机上，放入钻孔检测，其实质是钻机在这里起到绞车的作用，相当于为了抑制摆动和扭转，采用一种更复杂的绞车。
[0009]专利申请号CN201610983056.2《钻孔桩成孔质量检测装置及方法》涉及一种使用三维姿态传感器检测探头装置的倾斜姿态，进而修正实际的反射间距的技术。采用声波反射法原理进行成孔质量检测时，通常探头装置总是处于自然悬吊状态时的摆动或扭转状态，对应的倾斜角可以忽略，当探头装置到达成孔孔底时发生倾斜，或由于孔斜导致探头装置与孔壁发生接触时发生倾斜，必须进行修正。该技术并不涉及探头装置发生摆动或扭转问题的处置技术。
技术实现思路
[0010]本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种超声波成孔检测探头装置，还提供一种超声波成孔检测探头装置的检测方法，在检测过程中无需抑制探头摆动和扭转，实时探测探头摆动和扭转状况，控制检测过程，得到检测结果，可以极大的简化对地面绞车的要求。
[0011]本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0012]定义附着在大地的空间坐标系XYZ，为简化描述，定义X轴、Y轴为水平方向，X轴垂直于Y轴，Z轴为垂直方向。定义附着在超声波成孔检测探头装置S上的装置坐标系uvw，u轴、v轴、w轴相对于超声波成孔检测探头装置S固定不变，为简化描述，定义u轴、v轴为水平方向，u轴垂直于v轴，w轴为垂直方向。
[0013]实际检测中，超声波成孔检测探头装置S摆动的角度不大，但是由于检测深度可以达到数十米甚至上百米，摆幅不能忽略，此时可以将超声波成孔检测探头装置S的装置坐标系uvw设定为u轴、v轴为水平方向，u轴垂直于v轴，w轴为垂直方向，w轴与空间坐标系XYZ中的Z轴平行。超声波成孔检测探头装置S在空间坐标系XYZ中某个深度位置Zj的摆动可以分
解为装置坐标系uvw原点在空间坐标系XYZ水平面Z＝Zj上的平移和装置坐标系uvw的u轴、v轴围绕装置坐标系uvw中的w轴(平行于空间坐标系XYZ中Z轴)的旋转。
[0014]一种超声波成孔检测探头装置，包括探头壳体，还包括设置在探头壳体上的控制单元P、电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和声波发射接收单元UT，声波发射接收单元UT包括M个周向设置在探头本体上的超声波发射接收单元SH1～SHM，M≥6。原理框图见图2。
[0015]在某个确定深度的检测过程中，电缆线L的长度相当于摆长，超声波成孔检测探头装置S相当于摆端质点，整个摆动系统的摆动角度不大，超声波成孔检测探头装置S近似为铅锤状态，摆动轨迹近似限定在一个水平面上。由于摆动角度不大，摆动幅度本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超声波成孔检测探头装置，包括探头壳体，其特征在于，还包括设置在探头壳体上的控制单元P、电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和声波发射接收单元UT，声波发射接收单元UT包括M个周向设置在探头壳体上的超声波发射接收单元SH1～SHM，M≥6，电缆线L与控制单元P连接，控制单元P还分别与电子罗盘DC、陀螺仪G、加速度计A和声波发射接收单元UT连接。2.一种超声波成孔检测探头装置的检测方法，利用权利要求1所述的一种超声波成孔检测探头装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设定N+1个待检测深度位置Zj，0≤j≤N，超声波成孔检测探头装置S放置在初始检测位置，记录初始检测位置的空间坐标X0、Y0、Z0；确定各个超声波发射接收单元在装置坐标系uvw中的指向；超声波成孔检测探头装置S在待检测深度位置Z0处，控制单元P读取电子罗盘DC的初始方位数据，控制单元P读取陀螺仪G的初始姿态数据；步骤2、控制单元P读取电子罗盘DC的当前方位数据、陀螺仪G的当前姿态数据、加速度计A的当前加速度数据，计算在空间标系XYZ中超声波成孔检测探头装置S的当前空间坐标和第i个超声波发射接收单元SHi的当前空间指向；控制单元P控制第...
【专利技术属性】
技术研发人员：张杰，杨永波，邹宇，尹中南，程四磊，
申请(专利权)人：武汉中岩科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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