专利名称：基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置及方法
技术领域：
本发明涉及ー种属于无损检测技术领域，具体涉及ー种超声传感器的地下非金属管道分布探測装置及方法。
背景技术：
非金属管道在当今城市基本建设中得到了极其广泛的应用，在国家的经济发展和人民的生产生活中占有极其重要位置。非金属管道的分布探測是检测和保护其安全运行的重要手段。非金属管道分布探测技术的成功开发将起到确保非金属管道安全运营，方便非金属管道的验收与检修，同时能避免对非金属管道的不必要破坏，大大減少因频繁大修所引起的损失，防止施工过程中对非金属管道的损害，大大节约了城市建设的资金和时间。现有的地下非金属管道探测技术有探底雷达、非金属管线探测仪、标志法。其中 探底雷达技术受管道周围地址条件限制，干扰信号较多；非金属管线探测仪只适用于地下供水、排水、燃气等小口径非金属管道，并且需要管线在地表有暴露点；标志法则需要管道在铺设时在地下埋有相应的标记或者特质导线，如果没有标记或者特质导线则无法探測。以上方法皆存在很大的局限性。
发明内容
本发明提供了一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置及方法，可以在不开挖覆土、真正无接触、不影响正常使用的情况下，通过直接检测位于管道地表上方的传感器接受到的反射波信号变化即可方便准确的检测地下管道的分布走向。为实现上述目的，本发明提供一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置，其特点是，该探測装置包含
拉伸杆；
超声传感器，其悬挂固定于上述拉伸杆一端边缘的下方，该超声传感器发射超声波探测地下非金属管道，并接收地下非金属管道的反射波；
步进电机，通过其转轴连接拉伸杆的另一端，步进电机通过拉伸杆带动超声传感器平行于地表平面的圆周步进平移；以及，
分别与上述步进电机和超声传感器电路连接的控制电路。上述的控制电路包含
步进电机驱动电路，其输出驱动脉冲驱动步进电机步进；
发射波激励电路，其输出激励脉冲驱动超声传感器发射超声波；
反射波调理电路，超声传感器接收反射波输出至反射波调理电路，反射波调理电路对该反射波信号进行调理；以及，
双向连接的上位机和数据采集模块，上位机通过数据采集模块分别驱动上述发射波激励电路和步进电机驱动电路；数据采集模块扫描采样反射波调理电路调理后的反射波信号导入上位机，上位机选取部分时间段的反射波信号进行分析处理。
上述的步进电机的步距角Θ彡1.8°。上述的步进电机高于地表平面悬挂固定设置。上述的拉伸杆可沿其轴向拉伸，该拉伸杆长度r为25至100厘米。上述的超声传感器采用压电式单晶片、收发一体超声传感器，其盲区d ( 35cm，发射角为0°。上述的数据采集模块包含
模拟输出模块，其输出激励脉冲至超声传感器，并输出驱动脉冲至步进电机；
模拟输入模块，接收超声传感器输出的反射波信号。一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探測方法，其适用于任意ー项上述的 基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置；其特点是，该方法包含以下步骤
步骤I、探測装置从无管道区域开始采集反射波信号的波形；
步骤1.1、选取下方无管道的区域标记圆心位置0，将步进电机固定于圆心位置O的上方，设置拉伸杆的初始长度，确保超声传感器扫描范围内无杂物；
步骤I. 2、上位机控制探測装置工作，步进电机驱动电路驱动步进电机带动超声传感器顺时针或逆时针平移一周，同时发射波激励电路激励超声传感器发射超声波进行扫描；步骤I. 3、超声传感器接收反射波信号传输至反射波调理电路进行调理；
步骤I. 4、反射波调理电路将调理后的反射波信号传输至上位机进行处理分析；
步骤I. 5、上位机将处理分析后的反射波信号的数据通过波形显示输出；
步骤2、探測装置増大探测范围，直至反射波信号的波形中出现两处突起；
步骤2. I、增大拉伸杆的长度，扩大探测范围，并确保超声传感器扫描范围内无杂物；拉伸杆长度的增大量小于等于超声传感器探測半径的两倍；
步骤2. 2、步进电机驱动电路驱动步进电机带动超声传感器顺时针或逆时针平移一周，同时发射波激励电路激励超声传感器发射超声波进行扫描；
步骤2. 3、超声传感器接收反射波信号传输至反射波调理电路进行调理；
步骤2. 4、反射波调理电路将调理后的反射波信号传输至上位机进行处理分析；
步骤2. 5、上位机将分析处理后的反射波信号数据与步骤I中所得的反射波信号的数据进行比较分析，并以通过波形显示输出分析处理后的反射波信号数据；
步骤2. 5、上位机判断反射波信号的波形中是否出现两处突起，若是，则跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤2. I ；
步骤3、上位机设步进电机在地表的垂直投射点定为圆心0，记录反射波信号的波形中出现两处突起分别与超声传感器的扫描起始点之间的圆心角α和β ;
步骤4、上位机以超声传感器在地表的垂直投射点A与圆心O的连线OA为圆心角α和β的一条边，顺时针或逆时针量取圆心角α和β，取得圆心角α和β的另一条边分别为OB和0C，该直线OB与直线OC分别与以O为圆心、OA为半径的圆周相交于点B和点C，该BC连线即为检测所得管道的走向，且该管道位于直线BC的正下方。本发明基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置及方法和现有技术的非金属管道分布探測方法相比，其优点在于，本发明实现了在不开挖覆土、真正无接触、不影响正常使用的情况下，方便快速地确定地下非金属管道分布走向，相对现有技术而言，这ー技术更实用、更方便、更易操作，是最具可行性的地下非金属管道无损探測工具之一。
图I为本发明基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置的结构示意 图2为本发明基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置的探測方法的工作时序 图3为本发明基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置的探測方法的结果测量图。
具体实施例方式
以下结合附图，进ー步说明本发明的具体实施例。如图I所示，本发明公开ー种基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置，用于测量地下非金属管道的走向情況。该探测装置包含可伸縮的拉伸杆2、分别设置于拉伸杆2两端的步进电机I和超声传感器3，以及分别与步进电机I和超声传感器3电路连接的控制电路。超声传感器3悬挂固定于拉伸杆2 —端边缘的下方,该超声传感器3用于发射超声波探測地下非金属管道，并探测接收地下非金属管道的反射波。本实施例中，超声传感器3米用压电式单晶片、收发一体超声传感器，其盲区d ^ 35cm,发射角为0°。步进电机I悬挂固定与高于地表平面一定距离处设置。该步进电机I通过其转轴连接拉伸杆2的另一端，步进电机I的转轴垂直于底面，并通过其转轴带动拉伸杆2旋转，步进电机I通过拉伸杆2带动超声传感器3平行于地表平面的作圆周步进平移。步进电机I的步距角Θ彡1.8°。拉伸杆2可沿其轴向拉伸，该拉伸杆2长度r为25至100厘米。控制电路包含上位机8，与上位机8双向电路连接的数据采集模块7，电路连接数据采集模块7输出端的步进电机驱动电路6和发射波激励电路4，以及电路连接数据采集模块7输入端的反射波调理电路5，其中步进电机驱动电路6的输出端电路连接步进电机I的输入端，发射波激励电路4的输出端电路连接超声传感器3的输入端，反射波调理电路5的输入端电路连接超声传感器3的输出端。数据采集模块7包含模拟输出模块71和模拟输入模块72，模拟输出模块71为D/A转换器，其输出激励脉冲至超声传感器3，并输出驱动脉冲至步进电机I。模拟输入模块72为A/D转换器，其接收超声传感器3输出的反射波信号。数据采集模块7中还包含有缓冲寄存器73，缓冲寄存器73电路连接于模拟输出模块71和模拟输入模块72与上位机8之间。步进电机驱动电路6包含有光耦隔离器、脉冲分配器和功率放大器，满足步进电机驱动电压和电流的要求。发射波激励电路4，提高了脉冲负载能力，满足超声传感器驱动电压和电流的要求。反射波调理电路5包含保护电路，具有信号放大和滤波功能。基于超声传感器的地下非金属管道分布探測装置的工作原理如下
上位机8通过数据采集模块7驱动发射波激励电路4，发射波激励电路4输出特定频率和特定脉冲宽度的激励脉冲驱动超声传感器3发射超声波，超声波辐射入地下，超声波通过地下的非金属管道进行反射，超声传感器3探测接收反射波，并将反射波信号传输至反射波调理电路5，反射波调理电路5对该反射波信号进行信号放大和滤波的调理，并将调理后的反射波信号传输至数据采集模块7的模拟输入模块72，模拟输入模块72将调理后的反射波信号传输至上位机8,上位机8选取部分时间段的反射波信号进行分析处理,上位机8设有显示器，上位机8将其分析处理所得数据通过波形图显示输出。同时为实现以圆周路径扫描地面，上位机8通过数据采集模块7驱动步进电机驱动电路6，步进电机驱动电路6输出特定频率和特定脉冲宽度的驱动脉冲驱动步进电机I以特定步距角步进旋转，该步距角即9 ^ I. 8°。步进电机I通过转轴带动拉伸杆2在平行于地面的平面内旋转，通过拉伸杆2带动超声传感器3以圆周路径平移扫描。该基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置的探测时序如图2所示，在O时刻，发射波激励电路4开始输出激励脉冲驱动超声传感器3发射超声波，同时超声传感器3接收反射波，在tl时刻，发射波激励电路4停止驱动超声传感器3发射超声波。当经过 tl与t2时间之间的余震时间At后(其中该余震时间At=2d/(340m/s))，在t2时刻，上位机8开始接收反射波信号进行处理分析，上位机8选取t2至t3之间时段的反射波信号进行处理分析，直至t3时刻，上位机8停止分析反射波信号。同时，在t3时刻上位机8通过步进电机驱动电路6开始输出驱动脉冲，在t3至t4时段驱动步进电机I以特定步距角步进旋转。然后在t4时刻，发射波激励电路4再输出激励脉冲，以驱动超声传感器3发射超声波，并重复上述流程。本发明还公开一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探测方法，其适用于上述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，该方法包含以下步骤
步骤I、本发明基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置从无管道区域开始采集反射波信号的波形。步骤I. I、选取下方无管道的区域标记圆心位置0，将步进电机I固定于圆心位置O的上方，设置拉伸杆2的初始长度，并确保超声传感器3扫描范围内无杂物。步骤I. 2、上位机8控制本基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置工作，步进电机驱动电路6驱动步进电机I带动超声传感器3顺时针(或逆时针)平移一周，同时发射波激励电路4激励超声传感器3发射超声波进行扫描。步骤I. 3、超声传感器3接收反射波信号传输至反射波调理电路5进行调理。步骤I. 4、反射波调理电路5将调理后的反射波信号传输至上位机8进行处理分析。步骤I. 5、上位机8将处理分析后的反射波信号的数据通过波形显示输出。步骤2、基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置增大探测范围，直至反射波信号的波形中出现两处突起。步骤2. I、增大拉伸杆2的长度，扩大探测范围，并确保超声传感器3扫描范围内无杂物。拉伸杆2长度的增大量小于等于超声传感器3探测半径的两倍。步骤2. 2、步进电机驱动电路6驱动步进电机I带动超声传感器3顺时针(或逆时针)平移一周，同时发射波激励电路4激励超声传感器3发射超声波进行扫描。
步骤2. 3、超声传感器3接收反射波信号传输至反射波调理电路5进行调理。步骤2. 4、反射波调理电路5将调理后的反射波信号传输至上位机8进行处理分析。步骤2. 5、上位机8将分析处理后的反射波信号数据与步骤I中所得的反射波信号的数据进行比较分析，并以通过波形显示输出分析处理后的反射波信号数据。步骤2. 5、上位机8判断反射波信号的波形中是否出现两处突起，若是，则跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤2. I。步骤3、上位机8设步进电机I在地表的垂直投射点定为圆心0，记录反射波信号的波形中出现两处突起分别与超声传感器3的扫描起始点之间的圆心角α和圆心角β。步骤4、如图3所示，上位机8以超声传感器3在地表的垂直投射点A与圆心O的连线OA为圆心角α和圆心角β的一条边，顺时针(或逆时针)量取圆心角α和β，取得 圆心角α和β的另一条边分别为OB和0C，该直线OB与直线OC分别与以O为圆心、OA为半径的圆周相交于点B和点C，该BC连线即为检测所得管道的走向，且确定该管道位于直线BC的正下方。综上所述，本发明公开的一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置及方法，可以在不开挖覆土、真正无接触、不影响正常使用的情况下，通过直接检测位于管道地表上方的超声传感器接受到的反射波信号值变化即可方便准确的检测地下管道的分布走向。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，该探测装置包含: 拉伸杆(2)； 超声传感器(3)，其悬挂固定于所述拉伸杆(2)—端边缘的下方，该超声传感器(3)发射超声波探测地下非金属管道，并接收地下非金属管道的反射波； 步进电机(I)，通过其转轴连接拉伸杆(2 )的另一端,步进电机(I)通过拉伸杆(2 )带动超声传感器(3)平行于地表平面的圆周步进平移；以及， 分别与所述步进电机(I)和超声传感器(3 )电路连接的控制电路。
2.如权利要求I所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，所述的控制电路包含 步进电机驱动电路(6 )，其输出驱动脉冲驱动步进电机(I)步进； 发射波激励电路(4)，其输出激励脉冲驱动超声传感器(3)发射超声波； 反射波调理电路(5)，超声传感器(3)接收反射波输出至反射波调理电路(5)，反射波调理电路(5)对该反射波信号进行调理；以及， 双向连接的上位机(8)和数据采集模块(7)，上位机(8)通过数据采集模块(7)分别驱动所述发射波激励电路(4)和步进电机驱动电路(6);数据采集模块(7)扫描采样反射波调理电路(5)调理后的反射波信号导入上位机(8)，上位机(8)选取部分时间段的反射波信号进行分析处理。
3.如权利要求I所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，所述的步进电机(I)的步距角Θ彡I. 8°。
4.如权利要求I所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，所述的步进电机(I)高于地表平面悬挂固定设置。
5.如权利要求I所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，所述的拉伸杆(2)可沿其轴向拉伸，该拉伸杆(2)长度！■为25至100厘米。
6.如权利要求I所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，所述的超声传感器(3)采用压电式单晶片、收发一体超声传感器，其盲区35cm，发射角为0°。
7.如权利要求2所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，其特征在于，所述的数据采集模块(7)包含 模拟输出模块(71)，其输出激励脉冲至超声传感器(3)，并输出驱动脉冲至步进电机(I); 模拟输入模块(72 )，接收超声传感器(3 )输出的反射波信号。
8.一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探测方法，其适用于如权利要求I至权利要求7中任意一项所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置；其特征在于，该方法包含以下步骤 步骤I、探测装置从无管道区域开始采集反射波信号的波形； 步骤2、探测装置增大探测范围，直至反射波信号的波形中出现两处突起； 步骤3、上位机(8)设步进电机(I)在地表的垂直投射点定为圆心O，记录反射波信号的波形中出现两处突起分别与超声传感器(3)的扫描起始点之间的圆心角α和β ;步骤4、上位机(8)以超声传感器(3)在地表的垂直投射点A与圆心O的连线OA为圆心角α和β的一条边，顺时针或逆时针量取圆心角α和β，取得圆心角α和β的另一条边分别为OB和0C，该直线OB与直线OC分别与以O为圆心、OA为半径的圆周相交于点B和点C，该BC连线即为检测所得管道的走向，且该管道位于直线BC的正下方。
9.如权利要求8所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测方法，其特征在于，所述步骤I包含以下步骤 步骤1.1、选取下方无管道的区域标记圆心位置0，将步进电机(I)固定于圆心位置O的上方，设置拉伸杆(2)的初始长度，确保超声传感器(3)扫描范围内无杂物； 步骤I. 2、上位机(8)控制探测装置工作，步进电机驱动电路(6)驱动步进电机(I)带动超声传感器(3 )顺时针或逆时针平移一周，同时发射波激励电路(4 )激励超声传感器(3 )发射超声波进行扫描； 步骤I. 3、超声传感器(3)接收反射波信号传输至反射波调理电路(5)进行调理； 步骤I. 4、反射波调理电路(5)将调理后的反射波信号传输至上位机(8)进行处理分析； 步骤I. 5、上位机(8)将处理分析后的反射波信号的数据通过波形显示输出。
10.如权利要求8所述的基于超声传感器的地下非金属管道分布探测方法，其特征在于，所述步骤2包含以下步骤 步骤2. I、增大拉伸杆(2)的长度，扩大探测范围，并确保超声传感器(3)扫描范围内无杂物；拉伸杆(2)长度的增大量小于等于超声传感器(3)探测半径的两倍； 步骤2. 2、步进电机驱动电路(6)驱动步进电机(I)带动超声传感器(3)顺时针或逆时针平移一周，同时发射波激励电路(4)激励超声传感器(3)发射超声波进行扫描； 步骤2. 3、超声传感器(3)接收反射波信号传输至反射波调理电路(5)进行调理； 步骤2. 4、反射波调理电路(5)将调理后的反射波信号传输至上位机(8)进行处理分析； 步骤2. 5、上位机(8)将分析处理后的反射波信号数据与步骤I中所得的反射波信号的数据进行比较分析，并以通过波形显示输出分析处理后的反射波信号数据； 步骤2. 5、上位机(8)判断反射波信号的波形中是否出现两处突起，若是，则跳转到步骤3，若否，则跳转到步骤2. I。
全文摘要
本发明公开一种基于超声传感器的地下非金属管道分布探测装置，该探测装置包含拉伸杆；超声传感器，其悬挂固定于上述拉伸杆一端边缘的下方，该超声传感器发射超声波探测地下非金属管道，并接收地下非金属管道的反射波；步进电机，通过其转轴连接拉伸杆的另一端，步进电机通过拉伸杆带动超声传感器平行于地表平面的圆周步进平移；以及，分别与步进电机和超声传感器电路连接的控制电路。本发明实现在不开挖覆土、真正无接触、不影响正常使用的情况下，方便快速地确定地下非金属管道分布走向，具有实用、方便、易操作的特点。
文档编号G01V7/00GK102830436SQ201210363260
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者尹武良, 陈丽婷 申请人:上海海事大学