[发明专利]一种基于有水管道的声呐检测系统

说明书

本发明公开一种基于有水管道的声呐检测系统，通过非接触式电磁角位置检测模块实现对步进电机转动角位置实时获取，换能器信号线通过集电环连接方式，实现换能器可一直沿同一方向转动连续检测，提高检测效率；换能器的激励频率由主控单元提供，即激励频率可控，确保该激励方式适用于不同频率的水声换能器；换能器激励电压由电压/电流输出可调的电源模块提供，即激励电压实时可调，实现在各种不同待测管径条件下，一次激励信号能量强度满足检测需求，且二次反射信号都能被准确感测并提取。本发明的管道声呐检测系统适用于有水管道检测场景，避免了常规声呐探头存在的不足，提高管道声呐设备的适用性和便捷性。

技术领域

本发明属于管道声呐检测技术领域，具体为一种基于有水管道的声呐检测系统。

背景技术

现有技术中，常规的管道检测方式包含通过管道电视、管道机器人、无线潜望镜等方式实现对待测管道状况进行检测，这些检测方式需要待测管道水位在1/3以下甚至更少；而管道声呐检测方式则可在待测管道水位较高甚至满水状态下对管道进行检测，主要依靠声波反射法对有水管道进行功能性检测，例如管道缺陷状态及位置、管道淤泥沉积状态，弥补了常规检测方式存在的不足，提高了管道检测的便捷性和安全性。

管道声呐检测的基本原理为：采用声波反射法，以待测管道内的水体作为声波传播的介质，通过水声换能器发射特定频率的激励信号，并通过换能器接收从待测管道中二次反射的声波信号进行分析，二次反射信号中幅值表示信号强度，时间表示待测物体与水声换能器之间的距离。

现有的管道声呐检测在结构组成、连接方式、实现方式等方面具有以下特点：

1）结构组成方面：管道声呐由PC机、线缆车、声呐探头组成，PC机、线缆车大体都相同，差别在于声呐探头，常规声呐探头内部由通讯单元、主控单元、信号激励与调理单元、电机驱动单元、水声换能器、步进电机组成，声呐探头采样信号上传方式也分为两种，即采样的模拟信号直接上传给线缆车和采样的模拟信号转换为数字信号后再上传给线缆车，后者传输方式的抗干扰能力更强。

2）连接方式方面：线缆车通过线缆与声呐探头内部的通讯单元连接，通讯单元与主控单元连接，主控单元分别与信号激励与调理单元、电机驱动单元连接，信号激励与调理单元与水声换能器连接，电机驱动单元与步进电机连接，水声换能器固定于步进电机旋转轴上。

3）实现方式方面：系统上电后，PC机通过有线/无线的连接方式与线缆车连接，线缆车通过有线方式与声呐探头连接，具体实现方式为：PC机通过线缆车上的路由器及线缆车与声呐探头连接的电缆把指令发送给探头内的主控单元，探头内的主控单元接收到指令后依据指令通过电机驱动单元控制步进电机运动，通过信号激励与调理单元产生固定频率和幅值的激励信号作用于水声换能器，并在激励换能器的同时，收集换能器感测的二次响应信号进行处理，同时主控单元不断采集声呐探头整体姿态信息、气压信息，并逆向发送给PC机处理并显示。

现有的管道声呐检测具有以下缺点：

1）开环控制：步进电机开环控制，即电机旋转一周过程中实时角位置无法获知，依据驱动步进电机转动的脉冲个数和步进电机步距角换算并不能准确得出电机实时转动的绝对角度，甚至无法检测电机是否转动，导致换能器的实时绝对角位置也无法准确获知，最终采样信号在上位机进行绘图显示时只能从固定起始点开始，将采样数据包按照360°均分绘制，与待测物体缺陷的实际状态和位置可能存在误差。

2）刷新速度慢：市场上主流的管道声呐探头在检测过程中，换能器从固定起始点开始转动一圈完成检测，到达机械限位点后反向转动到起始点，因为若连续沿同一方向转动则存在将换能器信号线拧断的风险，且反向转动过程中换能器不进行检测，这种工作模式拉长了上位机图像刷新时间。

3）激励频率不可调：常规的管道声呐探头，其激励频率是固定的，当更换换能器后，整个硬件部分需要重新设计，这与激励方式及其后级的滤波电路相关连，因为不同频率的换能器，其二次反射信号对应的带通频段范围也不同，对应的后级信号调理电路也会不同。