隧道病害检测装置的制作方法

本实用新型涉及隧道检测技术领域，尤其涉及一种隧道病害检测装置。

背景技术：

水电作为一种可再生资源和清洁能源，在发达国家发电总量中占有很大比重，截至2016年底，我国水电比重大约12.2%。在水电站水力发电过程中，上游水库中的水经过一条高差较大的引水隧道竖井或者斜井来获得较大流速，推动引水道底端的发电机组工作。引水隧洞经年累月在高压、高速的水流不断冲刷的过程中，存在混凝土冲蚀的风险，容易导致引水隧道上多种病害发生，例如磨损、剥落、裂缝、钢筋外露、渗浆等，这些病害轻则造成发电机组非正常停机检修，重则造成机组水轮机损毁，影响整个水电站引水发电系统运行，进而危及水电站下游群众和城市的安全，造成严重的后果。因此，对大型引水隧道进行表观病害检测，分析病害发展趋势，是大型水电站安全稳定运行的重要保障。

引水隧道通常是深埋在地下，隧道内环境恶劣，对于落差大的引水道斜井段，人员无法直接进入，搭建脚手架的方式资金投入大、工期长、作业风险高、效率低且不易实施，目前尚未有成熟的解决方案能对大型引水隧道开展系统性的检查工作，无法全面掌握斜井混凝土表面病害情况，在国际上属于检测“盲区”，因此，大型引水隧道斜井的病害检测是亟待解决的难点问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本实用新型目的在于提供一种隧道病害检测装置，旨在解决现有技术中引水隧道的检测需要搭设脚手架使检测人员进入到隧道内部检测，检测成本高，危险性大的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种隧道病害检测装置，包括设置在隧道一端的牵引单元，以及与所述牵引单元连接并在所述牵引单元的牵引力作用下沿着隧道行走的检测小车；所述检测小车包括安装平台，设置在所述安装平台底部的行走轮，设置在所述安装平台的上的激光扫描仪、同步控制器、计算机以及用于检测所述检测小车的姿态的惯性单元，所述行走轮的轴心上设置有光电编码器，所述同步控制器与所述激光扫描仪、计算机、惯性单元和光电编码器连接，所述计算机与所述惯性单元和所述激光扫描仪连接。

进一步的，所述牵引单元为卷扬机，所述卷扬机通过缆绳与所述检测小车的前端连接。

进一步的，所述卷扬机和检测小车之间设置有定滑轮。

进一步的，所述激光扫描仪为型号为Z+F9012的2D激光扫描仪。

进一步的，所述安装平台上设置有封装盒，所述同步控制器、计算机以及惯性单元安装在所述封装盒内。

进一步的，所述激光扫描仪为型号为Z+F5010C的3D激光扫描仪。

进一步的，所述3D激光扫描仪通过一倾斜支架安装在所述安装平台上。

进一步的，所述安装平台边缘安装有防护栏和防水罩。

进一步的，所述行走轮的高度不小于40cm。

进一步的，所述检测小车的前端底部设置有配重块。

本实用新型可通过检测小车在隧道内行走从而自动对隧道进行检测，无需检测人员进入隧道内部检测，提高了检测的安全性和降低了成本；可根据需要选择2D激光扫描仪或者3D激光扫描仪在检测过程中扫描隧道，2D激光扫描仪可扫描得到隧道的断面数据，3D激光扫描仪可在各个基站点处扫描得到隧道的三维数据，然后根据扫描的断面数据或三维数据进行处理判断病害类型；使用3D激光扫描仪时可通过倾斜支架将其安装在检测小车的安装平台上，倾斜支架的角度可根据隧道的倾斜角度进行调整，使3D激光扫描仪在检测时大致保持水平，使扫描仪在转动的过程中不会因为自身重量而使扫描仪细微晃动，提高检测精度；将同步控制器、计算机以及惯性单元安装在封装盒内，可对这些部件进行保护，同时检测小车的安装平台边缘安装有防护栏和防水罩可进一步防护和防水。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型隧道病害检测装置实施例的结构示意图。

图2为检测小车第一实施例的结构示意图。

图3为图2中检测小车的正面结构示意图。

图4为各传感器的连接关系示意图。

图5为检测小车第二实施例的结构示意图。

图6为使用3D激光扫描仪检测时的检测示意图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“顶”、“底”、“内”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。

请参阅图1，本实用新型隧道病害检测装置包括牵引单元10和检测小车20，牵引单元10设置在隧道30的一端，牵引单元10与检测小车20连接使检测小车20沿着隧道30行走，以检测隧道内是否存在磨损、剥落、裂缝、钢筋外露、渗浆等病害。将牵引单元10设置在隧道30的一端，使检测小车20在牵引单元10的牵引力作用下沿着隧道30行走检测，避免了检测人员进入隧道进行人工检测，提高了安全性，尤其是在落差大的斜隧道检测中，人员无法直接进入，需要搭建脚手架，资金投入大、工期长、作业风险高、效率低且不易实施。

牵引单元10为卷扬机，卷扬机为用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车，卷扬机可以垂直提升、水平或倾斜拽引重物。如图1所示，卷扬机通过缆绳11与检测小车20的前端连接。优选的，在缆绳11通过定滑轮40连接到检测小车20的前端，这样可以避免缆绳11刮到隧道顶部的壁面。缆绳11可以是钢丝绳，也可以是链条，在此不作限制。

图2为检测小车第一实施例的结构示意图，图3为图2中检测小车的正面结构示意图，如图2所示，检测小车20包括安装平台21、行走轮22、封装盒23以及激光扫描仪24。安装平台21为检测小车20的安装和支撑的主体，行走轮22设置在安装平台21的底部。激光扫描仪24和封装盒23设置在安装平台21，封装盒23用于固定和封闭检测需要用到的部分传感器，对传感器起到防护作用。

封装盒23内设置有同步控制器、计算机以及惯性单元。惯性单元用于检测检测小车20的姿态，例如检测小车20是水平放置还是倾斜放置，倾斜角度是多少等，惯性单元使用33所的POS2010激光惯导。同步控制器里包括有晶振，晶振又叫晶体震荡器，用于向同步控制器提供时钟频率，晶振使用高温晶振，型号为爱普生FC-135。同步控制器为一个同步控制电路，用于为各个传感器提供统一的时间参考。计算机使用工控机，其作为上位机负责系统的采集与控制以及参数设置等人机交互。同步控制器与激光扫描仪24、计算机、惯性单元连接，计算机还与惯性单元和激光扫描仪连接，如图4所示。

行走轮22的轴心上设置有光电编码器221，光电编码器221用于记录检测小车20行进的里程信息，型号为欧姆龙E6B2-CWZ6C，光电编码器221与同步控制器连接。

激光扫描仪24可选择2D激光扫描仪或者3D激光扫描仪。当使用2D激光扫描仪时，可将激光扫描仪24安装在封装盒23的顶部，如图2所示。使用2D激光扫描仪时，可检测隧道的断面（即截面），而不能像3D激光扫描仪那样检测整个隧道的三维图像。如图1所示，检测小车20在卷扬机的牵引下沿着隧道匀速运动，2D激光扫描仪的扫描头沿着图1中的圆31的方向不停旋转，以检测隧道的断面数据，对隧道的断面数据进行处理生成隧道的三维点云数据后可判断出隧道是否有病害。2D激光扫描仪的型号为Z+F 9012。

如图1所示，当激光扫描仪24为2D激光扫描仪时，卷扬机安装在斜管上游横管段或安装在地面通过定滑轮40将缆绳11引到横管段，然后缆绳11通过定滑轮40转向到斜管段，固定在检测小车20的前端，在卷扬机的牵引和拉放作用下，检测小车20沿着隧道壁上爬或下滑。具体施工步骤为：

1）检查各设备工作情况是否正常，检测小车20从下游进入，放置在斜隧道底部，卷扬机安装在上游，缆绳11从上游通过定滑轮40转向后经过斜隧道放到斜隧道底部，并固定于检测小车20前端，若下游不方便进入，检测小车可以从上游通过卷扬机用缆绳11慢慢松放到下游；

2）检测小车20的后端先不安装2D激光扫描仪，而是在安装2D激光扫描仪的位置安装照明灯和摄像机，将检测小车20从斜隧道底部拉倒斜隧道顶部，然后从斜隧道顶部松放到斜隧道底部，在斜隧道底部现场观看摄像机拍摄的画面，确保检测小车20行进路段没有安全隐患，保证正式测量过程中检测小车20不会在隧道中间被卡住、挂住或摔落，再进行下一步的检测；

3）将照明灯和摄像机取下，换上2D激光扫描仪和惯性单元等传感器，检查各部件工作情况是否正常，准备正式采集隧道全断面三维数据；

4）启动检测小车20采集程序，检测小车20静止至少5分钟，开启卷扬机，在卷扬机的牵引下检测小车20沿着斜隧道管壁从底部上爬到顶部，检测小车20静止至少5分钟，卷扬机缓慢松放钢丝绳让检测小车20下滑至斜隧道底部，测量小车静止至少5分钟，停止检测小车20采集程序，完成一次隧道完整三维数据采集；

5）重复步骤4，保存多次采集数据，验证重复精度；

6）各设备停止工作，解开钢丝缆绳，检测小车从下游撤离，卷扬机、定滑轮40和缆绳11从上游撤离，保证现场无遗留物品，人员安全撤离，完成现场数据采集任务。

当激光扫描仪24为3D激光扫描仪时，由于3D激光扫描仪需要一段一段的采集隧道内的三维数据，然后将各段采集的三维数据拼接成整个隧道的三维数据，所以采用定点扫描的方式，检测小车20每隔预定距离停下来静止检测，如图6所示。卷扬机安装在斜隧道上游横管段或安装在地面通过定滑轮40将缆绳11引到横管段，然后缆绳11通过定滑轮40转向到斜隧道段，固定在检测小车20的前端，在卷扬机的牵引和拉放作用下，测检测小车20沿着隧道壁上爬或下滑。3D激光扫描仪的型号为Z+F 5010C。考虑到检测小车20要在斜隧道上静止测量，而小车在斜隧道中静止的时候，无法通过无线的方式控制3D激光扫描仪启动和停止三维采集任务，所以将外部控制信号通过控制线和缆绳11一起连接到小车上，具体施工步骤为：

1）检查各设备工作情况是否正常，检测小车20从下游进入，放置在斜隧道底部，卷扬机安装在上游，缆绳11从上游通过定滑轮40转向后经过斜隧道松放到斜隧道底部，并固定于检测小车20前端，缆绳11和保险绳同时固定于小车前端，外部控制信号的控制线和保险绳做到一起，施工时接入到采集系统中，若下游不方便进入，检测小车20可以从上游通过卷扬机用缆绳11慢慢松放到下游；

2）检测小车20后端安装照明灯和摄像机，将检测小车20从斜隧道底部拉倒斜隧道顶部，然后从斜隧道顶部松放到斜隧道底部，在斜隧道底部现场观看摄像机拍摄的画面，确保检测小车20行进路段没有安全隐患，保证正式测量过程中检测小车不会在隧道中间被卡住、挂住或摔落，再进行下一步；

3）将照明灯和摄像机取下，换上3D激光扫描仪和惯性单元等传感器，检查各部件工作情况是否正常，准备正式采集在各个检测站点的隧道三维点云数据；

4）从斜隧道底部开始，根据隧道长度和检测站点距离计算检测站点个数，设置检测站点1，2，……，n，检测站点大概位置通过缆绳11的长度计算，实际检测站点间的相对位置关系由惯性单元和光电编码器221来计算；

5）卷扬机将检测小车20依次拉至每个检测站点后静止，启动检测小车20采集程序，3D激光扫描仪设置为三维测量模式，通过外部控制信号开启3D激光扫描仪，测量在每个检测站点的隧道三维点云数据，检测小车20在每个检测站停留时保证检测小车20静止至少5分钟，保证每个测站点的惯性单元静置状态稳定，停止3D激光扫描仪，完成一次隧道完整三维点云数据采集；

6）从斜隧道底部到斜隧道顶部，完成第1个到第n个检测站点的隧道三维点云数据采集，获取每个检测站点处隧道的三维点云，同时获取每个检测站点之间的相对位置关系，然后从斜隧道顶部到斜隧道底部，重复步骤5，获取反向数据；

7）各设备停止工作，解开缆绳11和保险绳，检测小车20从下游撤离，卷扬机、定滑轮40和缆绳11从上游撤离，保证现场无遗留物品，人员安全撤离，完成现场数据采集任务。

图5为检测小车第二实施例的结构示意图，3D激光扫描仪检测时需要保持水平，可通过一个倾斜支架241来将3D激光扫描仪安装在安装平台21上，如图5所示，倾斜支架241可根据隧道的倾斜角度调整，使3D激光扫描仪在倾斜的隧道里也可以保持水平，提高检测精度。

为了防止检测小车20在隧道坡度较大时翻倒，可以在检测小车20前端底部添加配重，配重情况视具体坡度来调整。例如可以在检测小车20前端的底部挂配重块。

如图2所示，安装平台21上还设置有电源模块50，用于为检测小车20的检测和信号传输提供电源。

安装平台21的边缘可以安装防护栏和防水罩，保证检测小车20发生倾倒时不磕碰到里面贵重的传感器，以及避免溅水对传感器的伤害。

行走轮22的高度不小于40cm，保障检测小车20能在隧道内有积水的情况下仍能工作且保护传感器设备不浸泡在水中，由于隧道内积水深度一般都小于40cm， 所以行走轮22的高度在40cm以上已经完全可以保证传感器设备不浸泡在水中了。检测小车20的两个后轮不可转向，两个前轮可以同时转向，转向角的范围由限位孔限定，光电编码器221设置在后轮的中心轴上。

本实用新型可通过检测小车在隧道内行走从而自动对隧道进行检测，无需检测人员进入隧道内部检测，提高了检测的安全性；可根据需要选择2D激光扫描仪或者3D激光扫描仪在检测过程中扫描隧道，2D激光扫描仪可扫描得到隧道的断面数据，3D激光扫描仪可在各个基站点处扫描得到隧道的三维数据，然后根据扫描的断面数据或三维数据进行处理判断病害类型；使用3D激光扫描仪时可通过倾斜支架将其安装在检测小车的安装平台上，倾斜支架的角度可根据隧道的倾斜角度进行调整，使3D激光扫描仪在检测时保持水平，提高检测精度；将同步控制器、晶振、计算机以及惯性单元安装在封装盒内，可对这些部件进行保护，同时检测小车的安装平台边缘安装有防护栏和防水罩可进一步防护和防水。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。