專利名稱：一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種裂縫探測裝置，特別是涉及一種水下構建物表面裂縫的可視化探測裝置。
背景技術：
水壩、鉆井平臺的水下構建物部分經過長時間的工作運行，受水質、水壓以及各種生物化學因素的影響，其壩體、閘門等處難免出現裂縫、破損現象。由于構建物長期處于水下，探測、清洗不便，導致水垢沉積，各種藻類貝類生物附著滋生，往往又會遮蔽隱藏這些已經出現的問題。而這些初期出現的細微裂縫、破損若不能得到及時修補，其缺陷程度將會進一步擴大，可能引起大壩閘門無法及時開啟，壩體無法正常工作甚至出現大面積坍塌的災難性事故。為了預防上述重大事故的發生，目前常采用的方法是定期對大壩進行停工維護，即排空大壩蓄水，由大量工作人員親臨現場，人工清理壩體附著物，排查裂縫，修補缺損。這種方式雖然可行且效果良好，但耗費了大量的人力、物力，成本代價高，不適合于經常性維護，不適合于大范圍地普及。水下構建物表面清洗可采取機械敲打或超聲清洗的方法。針對不同水下構建物表面覆蓋物機械敲打力度不易掌握，且實現無人操作成本較高。超聲空化是液體中由于超聲的物理作用，在液體內的某一區域會形成局部的暫時的負壓區，于是在液體中產生空穴或氣泡，這些充有蒸氣或空氣的氣泡處于非穩定狀態，當它們突然閉合時，會產生激波。因而在局部微小區域產生很大的壓力，從而把聚集起來的聲場能量在液體中極小的空間內迅速釋放出來，形成高溫(可高達5000K以上)、高壓(可高達5X10~7pa)以及強沖擊波和射流等極端的物理條件。超聲清洗技術利用超聲波空化效應原理，經多年發展比較成熟，具有不易損壞被清洗物及實施成本低的特點。水下構建物的遠程操作控制方式有利于操作人員與正處于工作狀態的水下構建物保持安全距離，方便轉移維護監測工作地點，同時節約了鋪設通信電纜的成本。遠程操作控制可采取無線電波通信或水聲通信的方法。根據物理學原理，無線電波在水中傳播很短一段距離便會衰減耗盡，而水下構建物的維護檢測若要不影響其正常工作便必須在水中進行，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行數據傳輸，是一項在水下傳輸數據的技術。目前水聲通信技術已經發展得較為成熟，已發展到網絡化的階段，比較適合水下構建物的遠程操作控制的數據傳輸。
發明內容
為了解決現有水下構建物維護檢查方式中消耗大量人力、物力、時間，且整個過程構建物無法正常工作等問題，本發明提供了一種結合超聲清洗和水聲通信技術，可遠程操作、自動化程度高、可組網、不干擾構建物正常工作的水下構建物表面可視化裂縫探測裝置，
為了解決上述問題，本發明所采取的技術方案是一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于，包括一個位于上位機端的計算機；一個用于上位機端進行水聲通信的第一水聲換能器；一個用于連接計算機和第一水聲換能器，將待發送或已接收信號調制解調的第一水 聲調制解調器；一個用于清洗拍攝端進行水聲通信的第二水聲換能器；一個用于連接第二水聲換能器，將待發送或已接收信號調制解調的第二水聲調制解 調器;一個用于產生超聲驅動信號并傳輸給超聲功率放大器的超聲信號產生器；一個用于驅動高壓水射流噴頭的高壓水泵；一個用于拍攝水下構建物表面圖像的水下攝像頭；一個用于處理裝置運行數據并與第二水聲調制解調器、超聲信號產生器、高壓水泵和 水下攝像頭相連的核心處理器；所述的超聲信號產生器連接一個用于放大超聲驅動信號以驅動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用于清洗水下構建物表面的超聲清洗換能器；所述的高壓水泵連接一個用于沖洗水下構建物表面的高壓水射流噴頭。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述的第一水聲 調制解調器使用FSK調制解調方式，所述第一水聲調制解調器與所述計算機的連接使用 RS232標準串口通信。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述核心處理器 采用單片機MSP430F149，使用3. 3V直流電壓供電。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述超聲信號產 生器采用SG3525PWM控制芯片產生超聲驅動信號。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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管放大超聲驅動信號。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述超聲清洗換 能器中心工作頻率為28 kHz。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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。
前述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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，內置LED補光燈。
本發明的有益效果是由于此表面裂縫可視化探測裝置具備遠程操作、自動化程 度高、可組網、不干擾水下構建物正常工作的特點，相較于傳統的維護檢查方式節省了人 力、物力和時間，適合用長期監測水壩、鉆井平臺等工程建筑的水下關鍵部位，避免新生裂 縫擴大產生危害。
圖1為本發明的結構示意框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
如圖1所示，本發明的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，包括位于上位 機端的計算機I ;還包括一個用于上位機端進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。
還包括一個用于連接計算機I和第一水聲換能器3的第一水聲調制解調器2，所述 的第一水聲調制解調器2使用FSK調制解調方式，所述第一水聲調制解調器2與所述計算 機I的連接使用RS232標準串口通信。
還包括一個用于清洗拍攝端進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。
還包括一個用于連接第二水聲換能器4，將待發送或已接收信號調制解調的第二 水聲調制解調器5。
還包括一個用于產生超聲驅動信號并傳輸給超聲功率放大器的超聲信號產生器 7，所述超聲信號產生器7采用SG3525PWM控制芯片產生超聲驅動信號。
還包括一個用于驅動高壓水射流噴頭的高壓水泵10，所述的高壓水泵10連接一 個用于沖洗水下構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。
還包括一個用于拍攝水下構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，內置LED補光燈。
還包括一個用于處理裝置運行數據并與第二水聲調制解調器5、超聲信號產生 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 MSP430F149，使用3. 3V直流電壓供電。
所述的超聲信號產生器7連接一個用于放大超聲驅動信號以驅動超聲清洗換能 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 大超聲驅動信號。
所述的超聲功率放大器8連接一個用于清洗水下構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據線將計算機I與本裝置的第一水聲調制解調器2相 連，第一水聲調制解調器2經長數據線連接第一水聲換能器3構成上位機端。將水聲換能器 3完全置于水下。同時將裝置的清洗拍攝端固定于水下導軌或鋼索上并使其貼近待探測的 水下構建物表面。如圖1所示，本裝置的數據傳輸過程如下，計算機發出的二進制電信號經 第一水聲調制解調器2以FSK方式調制后，由第一水聲換能器3轉換為中心頻率為32kHz 的超聲波在水中發射出去。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，將聲波信號轉化為電信號并送入第二水聲調制解調器5，解調出的二進制電信號被送入 核心處理器6，核心處理器6按照識別出的二進制電信號所表示的指令分別控制超聲信號產生器7、高壓水泵10、水下攝像頭12的動作。水下攝像頭12拍攝到的圖像以二進制電信號形式發送給核心處理器6，由其壓縮后經第二水聲調制解調器5調制，第二水聲換能器4發送，第一水聲換能器3接收，第一水聲調制解調器2解調后送入計算機I，最終顯示待探測處圖像。本裝置的水下構建物表面裂縫可視化探測過程如下，首先由計算機I發出水下構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拍攝水下構建物表面圖像，經水聲信道傳回計算機I。由操作人員根據顯示的圖像判斷水下構建物表面是否存在影響裂縫探測的覆蓋物。若存在，則控制計算機I發出水下構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控制超聲信號產生器7發出28kHz超聲驅動電信號，該信號經超聲功率放大器8放大后驅動超聲清洗換能器9工作，開展超聲清洗作業。計時完畢后核心處理器6停止超聲信號產生器7工作，同時定時控制高壓水泵10開始工作。水流在高壓水泵10驅動下形成高壓水射流，經高壓水射流噴頭11聚焦后噴出，沖洗已被超聲清洗作業乳化、松動的水下構建物表面覆蓋物，達到清除覆蓋物，使水下構建物表面露出的目的。計時完畢后核心處理器6停止高壓水泵10工作，并控制水下攝像頭12再次拍攝水下構建物表面圖像后回傳，操作人員根據計算機I上顯示的清洗后圖像判斷水下構建物表面是否存在裂縫。本發明涉及的水下構建物表面裂縫可視化探測裝置采用分離式結構，計算機所處的上位機端與清洗拍攝端在最遠相距300米的情況下經水聲通信可實現實時動作控制和圖像數據傳輸。為防止超聲波相互串擾，本裝置由軟件設定其水聲通信功能與超聲清洗功能錯時工作，提高了裝置系統的穩定性。多臺水下構建物表面裂縫可視化探測裝置具備組網功能，可以將裝置上水聲通信部分設置為通信節點模式，以實現長距離(大于300米)情況下大面積水下構建物表面裂縫探測。本發明涉及的水下構建物表面裂縫可視化探測裝置具有遠程操作、穩定性強的特性，且整個清洗、探測過程都在液體環境中進行，可以在不影響水下構建物正常工作的情況下，長期設置在其關鍵部位，監測其表面裂縫的產生與擴大趨勢，及時處理，防患于未然。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于，包括 一個位于上位機端的計算機； 一個用于上位機端進行水聲通信的第一水聲換能器； 一個用于連接計算機和第一水聲換能器，將待發送或已接收信號調制解調的第一水聲調制解調器； 一個用于清洗拍攝端進行水聲通信的第二水聲換能器； 一個用于連接第二水聲換能器，將待發送或已接收信號調制解調的第二水聲調制解調器; 一個用于產生超聲驅動信號并傳輸給超聲功率放大器的超聲信號產生器； 一個用于驅動高壓水射流噴頭的高壓水泵； 一個用于拍攝水下構建物表面圖像的水下攝像頭； 一個用于處理裝置運行數據并與第二水聲調制解調器、超聲信號產生器、高壓水泵和水下攝像頭相連的核心處理器； 所述的超聲信號產生器連接一個用于放大超聲驅動信號以驅動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用于清洗水下構建物表面的超聲清洗換能器； 所述的高壓水泵連接一個用于沖洗水下構建物表面的高壓水射流噴頭。
2.根據權利要求1所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述的第一水聲調制解調器使用FSK調制解調方式，所述第一水聲調制解調器與所述計算機的連接使用RS232標準串口通信。
3.根據權利要求1所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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.根據權利要求1所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述核心處理器采用單片機MSP430F149，使用3. 3V直流電壓供電。
5.根據權利要求1所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述超聲信號產生器采用SG3525PWM控制芯片產生超聲驅動信號。
6.根據權利要求1所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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管放大超聲驅動信號。
7.根據權利要求1所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，其特征在于所述超聲清洗換能器中心工作頻率為28 kHz。
8.根據權利要求1-7中任一所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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.根據權利要求8所述的一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，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，內置LED補光燈。
全文摘要
本發明公開了一種水下構建物表面裂縫可視化探測裝置，可用于在不干擾構建物運行的情況下實時靈活地探測其表面裂縫。使用超聲無損清洗協同高壓水射流清除附著于水下構建物表面的水垢、油污、苔蘚和吸盤類生物從而確定探測部位，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端，以便探測人員觀察探測部位。此水下構建物表面裂縫探測裝置可以通過滑動導軌調整清洗探測位置，或進行多機組網，長期監測水壩、鉆井平臺等工程建筑的水下關鍵部位，避免新生裂縫擴大產生危害。
文檔編號G01N21/88GK103048330SQ20121054932
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月18日 優先權日2012年12月18日
發明者龔潤航, 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 申請人:河海大學常州校區