基于超声波和GPRS的水泥电杆埋深自动检测和定位测量研制

基于超声波和GPRS的水泥电杆埋深自动检测和定位测量研制

贺伟军黄杰邬岱琪

（国网浙江省电力公司岱山县供电公司浙江岱山316200）

摘要：水泥杆埋深自动检测技术主要是以实现测量水泥杆埋深的超声波岩层裂隙测量技术和对采集数据的存储和显示。

关键词：自动检测，定位检测，水泥电杆

０引言

本研究在选取适合水泥电线杆工程检测的频率及模态基础上，主要是设计一种便携式、操作简便的水泥电线杆检测专用传感器，研制一种基于超声波和GPRS的水泥电杆埋深自动检测和定位测量系统，并设计开发超声波和GPRS的水泥电杆埋深自动检测和定位测量系统软件；将该系统应用于实际工程的检测中，分析工程现场因素对系统检测结果的影响，以确定此系统是否满足现场工程检测要求。

１、超声导波水泥电线杆检测原理

当超声波在诸如板、杆和管道等波导介质中传播时，将会在界面来回反射和折射，产生复杂的波型转换以及相互干涉，这种经波导介质边界制导传播的超声波称为超声导波。超声导波在管道中轴向传播时，按传播形式分3种模态，即纵向模态L(0，m)、扭转模态T(0，m)和弯曲模态F(n，m)。其中，n表示周向振动谐波数，m表示模数变量。当n=0时对应轴对称模态，即纵向和扭转模态。n=1，2，3，…时对应弯曲模态。图1为水泥电线杆中超声导波纵向模态频散曲线。其中，水泥电线杆外直径D=140mm，壁厚h=4.5mm。

利用不同的传感器及在管道中的分布形式，可以激励单一或多种不同模态的超声导波对管道进行检测。模态个数随着模态阶次和激励频率的变化而变化。采用低频L(0，2)模态用于水泥电线杆检测，整体测量误差优于±4%或不大于±80mm，满足工程需要。为便于该压电传感器环形阵列的安装，设计了一种拆装方便的夹具。然而该夹具重量较重，单人安装困难、耗时，且由于水泥电线杆并非完全规则的柱状，因此，使得部分探头无法与水泥电线杆有效耦合，影响检测结果。

2、基于斜探头的水泥电线杆埋深测量系统

为实现水泥电线杆的有效检测，研制了用于超声导波激励和接收的斜探头。斜探头由纵波斜探头和斜楔形块组成。本实验中，楔形块为有机玻璃，压电晶片为PZT。斜探头斜楔块的作用是使晶片产生的超声纵波以一定的角度入射到水泥电线杆，并通过波型转换使其在水泥电线杆中传播纵向超声导波。斜探头设计主要在于最佳激励频率和激励角度的选择。利用斜探头激发超声导波，可在一定范围内实现模态的选择，当选择不同的楔形块入射角时可以激发检测所需要的特定模态。根据Snell定律，被激发模态所需要的入射角θ可以由该模态的相速度以及楔形块材料的纵波波速确定。

式中，为有机玻璃中纵波波速2730m/s；为超声导波纵向模态的相速度。

图2给出了水泥电线杆中纵向模态频率与入射角的关系曲线。由图2可知，当频率在0～400kHz、入射角在30°左右时，采用斜探头可有效激发L(0，2)模态，因此，确定斜探头的入射角为30°。考虑到斜探头与水泥电线杆之间能有更加有效的耦合，斜楔块的曲率半径比水泥电线杆半径大0．5mm。

基于斜探头组建的超声导波水泥电线杆埋深检测系统如图3所示。该系统主要由斜探头、超声导波信号激励/接收仪器模块和计算机组成。

超声导波信号激励/接收仪器模块(依次包括任意函数发生器、功率放大器、转换开关和示波器)产生经汉宁窗调制的10个周期的单音频激励信号，并在放大后传至斜探头，在水泥电线杆中产生纵向模态的超声导波。超声导波在水泥电线杆中传播遇到下端面后反射，然后又由斜探头所接收，又经超声导波信号激励/接收仪器模块转换，将斜探头接收到的信号在便携式计算机上处理并且显示。

3、测量系统孔内部分

测量系统孔内部分即探头，其型号为ALTFac40。该探头可分辨最小隙宽为0.1mm的裂隙；内置磁力计精度为5%；发射的超声波频率为1.4MHz，形成的超声波束尺寸为3mm×3mm。探头主要由透声窗、马达、可旋转的凹面镜、磁力计、加速器和扶正器等部分组成（图2）。

ALTFac40探头基本物理参数探头长度246cm，直径40mm，重量7.4kg最大承受压力16,000kPa工作温度0～70°C精度磁力计为5%传感器可发射频率为1.4MHz，波束宽度3×3mm的传感器头，三轴磁力计和加速计测量范围钻孔直径60～300mm，视泥浆条件而定。探头在测量过程中的用途为：压电陶瓷晶体产生并发射高频超声波束沿探管轴心传播，被高速旋转的特制凹面反射镜垂直反射聚焦后，穿过低密度树脂透声窗和钻井液到达孔壁，部分超声波经孔壁反射按原路径返回，被压电陶瓷晶体接收（图2）。压电陶瓷晶体记录孔壁反射波的振幅和传播时间并转换成数字信号通过绞车电缆传送到地面主机生成孔壁特征图像。同时，三轴磁力计记录孔壁各扫描点的磁坐标并对孔壁图像进行定向；倾斜计则记录孔壁各扫描点的倾斜坐标并计算钻孔的偏移值以及对所测得的结构面(裂隙、岩层、断层等)进行角度校正，最终形成反映孔壁特征的二维孔壁展开图像。

接收部分构成

4、测量系统地面部分

测量系统地面部分包括地面数据采集显示系统和绞车控制系统。

1、地面数据采集显示系统

地面数据采集/显示系统包括数据采集储存器、数据采集软件以及笔记本电脑、数据线、打印机等系统辅助配件。

（1）数据采集储存器

如图3所示，其用途为：将压电陶瓷晶体收集到的孔壁反射波的振幅和传播时间转换成数字信号并进行数据储存和显示。

5、结论

基于超声波和GPRS的水泥电杆埋深自动检测和定位测量技术研究，掌握基于超声波技术测量水泥杆埋深的计算方法，基于数据采集和数据存储，实现电线杆信息的自动化检测和管理。系统将硬件与软件系统相结合，实现水泥杆埋深自动检测，提高电杆装设的水平，提高的使用的安全性。

参考文献

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