實橋焊縫掃描儀及其掃描方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實橋焊縫掃描儀及其掃描方法，實橋焊縫掃描儀包括安裝在掃描儀機箱上的行走部分和掃描部分，掃描儀機箱首端和尾端均設(shè)有激光測距儀，掃描儀機箱的底部設(shè)有磁鐵，掃描部分包括依連接的探頭滑塊、可折彎金屬管和探頭，探頭滑塊上具有齒輪，該齒輪與掃描儀機箱滑槽內(nèi)部的齒條相嚙合。該方法是在行走部分焊縫沿焊縫前進的同時進行掃描，當檢測到磁場變化時，對疑似缺陷位置進行更加細致的掃描。本發(fā)明可對鋼箱梁焊縫缺陷進行精確探測、定位，對缺陷宏觀現(xiàn)象的實時拍攝，并將掃描儀位置坐標化，提高了實橋焊縫檢測的效率與質(zhì)量，有效降低了檢測成本。
【專利說明】
實橋焊縫掃描儀及其掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種無損檢測的器材，具體涉及一種實橋焊縫掃描儀及其掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 正交異性鋼橋面板具有自重輕、抗扭剛度大、承載力高、施工周期短等優(yōu)點，在大 跨徑纜索體系橋梁中得到了廣泛運用。但鋼箱梁構(gòu)造復(fù)雜，在焊接過程中易產(chǎn)生較大的焊 接殘余應(yīng)力，加上結(jié)構(gòu)本身可能存在的缺陷及施工質(zhì)量的影響，在服役過程中難免會產(chǎn)生 損傷。隨著橋梁服役年限的增加及交通流量的增長，鋼箱梁逐漸產(chǎn)生各種病害，其中疲勞是 具有代表性的病害之一。疲勞裂紋的產(chǎn)生不僅會對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生不利影響，當裂紋裂透 時還會引起橋面鋪裝層的損傷，雨水順著裂紋進入鋼箱梁內(nèi)還會進一步引起箱梁銹蝕等問 題。因此針對鋼箱梁疲勞裂紋應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)，盡早修復(fù)。
[0003] 由于鋼箱梁構(gòu)造復(fù)雜，焊縫較多，對于鋼箱梁重點部位連接焊縫的檢查工作量大。 目前國內(nèi)鋼箱梁焊縫的檢查大多采用分階段進行的方式，主要由檢察人員通過目視對焊縫 外觀進行檢查，效率較低且檢查質(zhì)量不高。超聲波檢測應(yīng)用于實橋焊縫檢測雖然精度得到 一定程度的提升，但成本較高且超聲波實橋檢測技術(shù)尚未成熟，多用于工廠、實驗室檢測。
[0004] 可見，設(shè)計一種成本低、效率高、精度好的實橋焊縫檢測裝置，已成為亟待解決的 技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種實橋焊縫掃描儀及 其掃描方法。
[0006] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的實橋焊縫掃描儀包括安裝在掃描 儀機箱上的行走部分和掃描部分，所述掃描儀機箱首端和尾端均設(shè)有激光測距儀，所述掃 描儀機箱的底部設(shè)有磁鐵，所述掃描部分與行走部分之間聯(lián)接有滑槽，該滑槽與行走裝置 的行走方向平行。在焊縫長度較長的情況下（如鋼箱梁頂板與U肋焊縫，長度為一個倉的長 度，為3~4m)，通過激光測距儀可調(diào)整焊縫掃描儀前進方向平行于焊縫，此時焊縫掃描儀在 工作過程中不會出現(xiàn)偏移原設(shè)定路線的情況，可實現(xiàn)對焊縫掃描儀前進位置的精確控制。
[0007] 作為優(yōu)選，所述磁鐵是人造永磁體，磁鐵與鋼箱梁內(nèi)壁間的吸引力可實現(xiàn)焊縫掃 描儀對箱梁頂部焊縫的掃描而不致掉落。
[0008] 作為優(yōu)選，所述掃描儀機箱內(nèi)部設(shè)有電源與控制裝置。電源可以合理分配焊縫掃 描儀各部件正常工作室所需的電壓，控制裝置可采用變頻器原件來精準控制探頭馬達與掃 描儀驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對探頭移動速度、掃描儀前進速度的精確控制。
[0009] 作為優(yōu)選，所述控制裝置與無線收發(fā)裝置相連接。比如藍牙信號接收發(fā)射裝置，匯 集到集成電路板的信號通過藍牙發(fā)射器以無線的方式傳送給客戶端，從而實現(xiàn)對掃描過程 的實時控制。
[0010] 作為優(yōu)選，所述掃描部分包括依次連接的探頭滑塊、可折彎金屬管和探頭，所述探 頭滑塊上具有齒輪，所述齒輪與掃描儀機箱滑槽內(nèi)部的齒條相嚙合。當掃描儀前進道焊縫 端部而無法行駛時，可通過探頭馬達的轉(zhuǎn)動帶動探頭滑塊在滑槽內(nèi)的滑動，從而實現(xiàn)對剩 余焊縫的掃描工作?？赏ㄟ^彎曲可彎折金屬管實現(xiàn)在掃描前對探頭位置的調(diào)整，提高掃描 檢測的精度。
[0011] 作為優(yōu)選，所述探頭包括固定套筒、磁鐵、磁致阻傳感器和攝像頭，所述磁鐵安裝 在固定套筒內(nèi)，所述磁致阻傳感器安裝在磁鐵的端，所述攝像頭固定安裝在套筒外壁上。當 掃描到焊縫缺陷時磁鐵形成的磁場會發(fā)生變化，而磁致阻傳感器會感應(yīng)到這種變化并將變 化信號傳遞給電路板，最終傳遞給客戶端當磁致阻傳感器檢測到磁場變化時攝像頭可立即 對相應(yīng)位置進行拍攝，從而可獲得疑似缺陷部位的宏觀圖像。
[0012] 作為優(yōu)選，所述行走部分的車輪包裹有橡膠墊，實現(xiàn)焊縫掃描儀在前進過程中的 平穩(wěn)，避免顛簸對掃描精度的不利影響。所述掃描儀機箱壁設(shè)有一個導(dǎo)線通過孔，所述掃描 儀機箱與探頭滑塊上具有USB接口，連接掃描儀機箱與探頭滑塊的USB連接線可順利地實現(xiàn) 對兩者的連接。掃描儀機箱滑槽端部設(shè)有一個可拆卸的固定擋板，通過旋桿與固定插銷實 現(xiàn)與掃描儀機箱之間的連接，不用時可以先取下?lián)醢澹M而將掃描部分取出。
[0013] 本發(fā)明同時提出上述實橋焊縫掃描儀的掃描方法，包括以下步驟：
[0014] 焊縫掃描儀沿焊縫方向進行掃描，并將各部件的信號匯集到控制裝置；
[0015]控制裝置對行走部分及掃描部分進行控制，并將信號發(fā)送到客戶端；
[0016] 客戶端對信號進行分析處理，根據(jù)初始設(shè)定的坐標位置可進一步獲得疑似缺陷位 置的坐標、宏觀圖像，且通過對焊縫掃描儀變頻器的控制實現(xiàn)對焊縫掃描儀前進速度的控 制，可以在缺陷位置減慢行走速度，或利用滑槽使掃描部分往復(fù)運動，使焊縫掃描儀在檢測 到磁場變化時可對疑似缺陷位置進行更加細致的掃描。
[0017] 使用時，本發(fā)明的實橋焊縫掃描儀，探頭滑塊、馬達、可彎折金屬管、磁鐵固定套 管、攝像頭固定套管固接在一起，通過傳動齒輪與齒條之間的相互作用可實現(xiàn)探頭滑塊在 滑槽內(nèi)的滑動。人造磁鐵嵌入掃描儀機箱的人造磁鐵嵌入孔內(nèi)，利用人造磁鐵與鋼箱梁頂 板或內(nèi)壁構(gòu)件之間的引力平衡重力對掃描儀的影響，實現(xiàn)焊縫掃描儀在鋼箱梁頂板或內(nèi)壁 構(gòu)件上的行走。USB接口在為攝像頭、磁致阻傳感器、探頭馬達提供工作所需電力的同時還 可將圖像、磁致阻傳感器信號、馬達轉(zhuǎn)動速率等信息傳遞給掃描儀機箱，實現(xiàn)對探頭工作的 實時控制。激光測距儀可通過激光發(fā)射孔發(fā)射一束激光，若激光接收孔能夠接收到發(fā)射出 的激光，則表明掃描儀機箱與焊縫方向平行，從而實現(xiàn)對掃描儀行進方向的精準控制。掃描 儀機箱內(nèi)的電路板可將USB接口傳輸過來的信號進行匯總，并將掃描儀驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速信 號統(tǒng)一通過電路板上的藍牙信號接收發(fā)射裝置發(fā)射給外界連接在電腦上的藍牙信號接收 裝置，電腦端則通過配套程序?qū)邮盏降男盘栠M行處理，獲得磁場變化情況、圖像、焊縫掃 描儀實時坐標等信息，實現(xiàn)對實橋焊縫的高效掃描。
[0018] 在掃描儀機箱底部的人造磁鐵，磁鐵與鋼箱梁內(nèi)壁間的吸引力可實現(xiàn)焊縫掃描儀 對箱梁頂部焊縫的掃描而不致掉落，如下式所述：
[0019] F磁=6挪義+C
[0020] 其中F磁為人造磁鐵與鋼箱梁構(gòu)件的引力;G抹K為掃描儀本身的重力;c為正數(shù)。 [0021]有益效果:本發(fā)明在行走部分焊縫沿焊縫前進的同時，由掃描部分進行掃描，當檢 測到磁場變化時，對疑似缺陷位置進行更加細致的掃描。實現(xiàn)了對鋼箱梁焊縫缺陷的精確 探測、定位、對缺陷宏觀現(xiàn)象的實時拍攝、掃描儀位置坐標化等功能，解決了現(xiàn)階段鋼箱梁 焊縫人工檢測的耗時長、效率低、高成本等問題，提高了實橋焊縫檢測的效率與質(zhì)量，有效 降低了檢測成本。
[0022]除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技 術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點外，本發(fā)明的實橋焊縫掃描儀及其掃描方法所能解決的其 他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點，將結(jié)合附圖 做出進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0023]圖1為本裝置的前視外觀示意圖；
[0024]圖2為本裝置的后視外觀不意圖；
[0025]圖3為本裝置的電路板位置剖視圖；
[0026] 圖4為本裝置的探頭馬達與齒條協(xié)同工作示意圖；
[0027] 圖5為本裝置的滑槽齒條情況剖視圖；
[0028] 圖6為本裝置的探頭滑塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0029] 圖7為本裝置的磁鐵固定套筒、攝像頭固定套筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0030] 圖8為本裝置的實施示意圖；
[0031 ]圖9為本裝置的探頭部分移動工作示意圖；
[0032]圖10為本裝置的坐標設(shè)置不意圖；
[0033]圖11為本裝置的磁致阻傳感器信號變化原理示意圖；
[0034]圖中：掃描儀機箱1，探頭滑塊2,探頭滑塊電路板放置孔2a，探頭滑塊線路孔2b、 2c，探頭馬達3，傳動齒輪3a，可彎折金屬管4，磁鐵固定套管5，磁鐵安裝孔5a，攝像頭固定套 管6，攝像頭安裝孔6a，齒條7，滑槽8，激光測距儀9，激光發(fā)射孔9a，激光接收孔9b，掃描儀車 輪10，橡膠外套l〇a，第一人造磁鐵11，第二人造磁鐵16，人造磁鐵嵌入孔1 la，固定擋板12， 旋桿13，固定插銷14，圓孔15，磁致阻傳感器17，導(dǎo)線通過孔18，第一USB接口 19，第二USB接 口 20，電源開關(guān)21，電源接口 22，電路板23，藍牙信號接收發(fā)射裝置24，探頭線路孔25。
【具體實施方式】 [0035] 實施例：
[0036]以對鋼箱梁一個艙室的頂板與U肋連接焊縫進行掃描為例，如圖1、圖2、圖5、圖6和 圖7所示，該實橋焊縫掃描儀包括掃描儀機箱1，探頭滑塊2,探頭滑塊電路板放置孔2a，探頭 滑塊線路孔2b、2c，探頭馬達3,傳動齒輪3a，可彎折金屬管4,磁鐵固定套管5,磁鐵安裝孔 5a，攝像頭固定套管6，攝像頭安裝孔6a，齒條7，滑槽8，激光測距儀9，激光發(fā)射孔9a，激光接 收孔9b，掃描儀車輪10，橡膠外套10a，第一人造磁鐵11，第二人造磁鐵16，人造磁鐵嵌入孔 11 a，固定擋板12，旋桿13，固定插銷14，圓孔15，磁致阻傳感器17，導(dǎo)線通過孔18，第一USB接 口 19，第二USB接口 20，電源開關(guān)21，電源接口 22，電路板23，藍牙信號接收發(fā)射裝置24，探頭 線路孔25。人造磁鐵11可嵌入掃描儀機箱1的底部，通過人造磁鐵與鋼箱梁內(nèi)壁間的引力實 現(xiàn)掃描儀在鋼箱梁頂部及內(nèi)壁的順利行走。探頭滑塊2可通過探頭馬達3與齒條7的相互作 用實現(xiàn)在滑槽8內(nèi)的滑動。固定擋板12可通過旋桿13與固定插銷14實現(xiàn)對探頭滑塊2的固 定，防止其掉落出滑槽8。激光測距儀9可校核掃描儀機箱1的位置，確保其前進方向與焊縫 平行。
[0037]如圖1、圖2、圖8、圖9、圖10所示，將焊縫掃描儀各部件進行安裝，并將靠近磁致阻 傳感器的激光測距儀9頂?shù)戒撓淞簝?nèi)壁，其對應(yīng)的位置A即作為掃描儀前進的起點位置，在 臨時坐標系中的坐標設(shè)為A(0,0)。由于掃描部分的可彎折金屬管4可以彎折，因此可根據(jù)實 際需要調(diào)整磁致阻傳感器17的位置。調(diào)整完畢后測得磁致阻傳感器探頭與坐標原點（即激 光測距儀)間的距離為cb，將cU輸入客戶端程序內(nèi)，即可得到掃描起點的坐標(cU，0)。外接電 源通過電源接口 22與掃描儀連接。打開焊縫掃描儀的電源開關(guān)21，若供電正常，則焊縫掃描 儀會將供電正常信號sg通過藍牙信號接收發(fā)射裝置24發(fā)送給客戶端?？蛻舳送ㄟ^對收到的 藍牙信號進行判斷，并顯示結(jié)果：
[0039] 如圖3、圖8、圖11所示，焊縫掃描儀沿焊縫方向，即向量i的方向進行掃描，并將各 部件的信號匯集到電路板23,并通過藍牙信號接收發(fā)射裝置24發(fā)送給客戶端。電路板匯集 的信號包括:供電信號知、磁致阻傳感器信號s。、掃描儀驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速s xl、探頭馬達轉(zhuǎn)速&2、 攝像頭拍攝圖片信號st，其中供電信號sg、磁致阻傳感器信號s。、掃描儀驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速s xl、探 頭馬達轉(zhuǎn)速sX2組成一個信號矩陣A= { Sg，S。，SX1，SX2}，并客戶端將A與一個單位矩陣
進行乘運算A?B，獲得接收到的信號數(shù)字矩陣C={a，b，c，d}，從而客戶端可對 C矩陣內(nèi)的信息進行處理。如：
[0040] (1)獲取疑似缺陷F位置的坐標
[0041] 客戶端程序?qū)邮盏降拇胖伦鑲鞲衅餍盘杝。進行處理，若信號s。有變化，則b=l， 則由式X = cU+C ? t ? a可計算得到掃描儀行駛的距離，從而得到缺陷位置的坐標為（cU+c ? t ? a，0)。其中c為掃描儀驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速，可通過電路板23上的變頻器進行控制；t為焊縫 掃描儀前進的時間;a為轉(zhuǎn)換系數(shù)，代表掃描儀驅(qū)動馬達傳動齒輪轉(zhuǎn)動一圈下掃描儀前進的 距離，具體視掃描儀驅(qū)動馬達傳動齒輪的具體參數(shù)而定。
[0042] (2)獲取疑似缺陷位置的宏觀照片
[0043]客戶端程序?qū)邮盏降男盘栠M行處理，若此時磁致阻傳感器檢測到磁場變化，則 由客戶端程序發(fā)送指令，此時掃描儀機箱內(nèi)的電路板對指令進行識別并執(zhí)行指令，執(zhí)行指 令后攝像頭即進行一次拍攝操作，并將獲得的圖片信號st發(fā)送給客戶端?？蛻舳顺绦?qū)?收到的信號st進行處理即可得到疑似缺陷區(qū)域的宏觀圖像。
[0044]如圖4、圖8、圖9所示，當焊縫掃描儀走到焊縫盡頭時，由于掃描儀機箱本身具有一 定的尺寸，此時掃描探頭可通過左右移動完成對剩余焊縫的掃描?？蛻舳顺绦蚩勺詣优袛?掃描儀是否到達焊縫的盡頭：
[0046]其中L為鋼箱梁艙室的長度（即焊縫全長）；D為焊縫掃描儀的長度?？蛻舳瞬⑴?斷結(jié)果發(fā)送給掃描儀機箱，掃描儀機箱根據(jù)接收到的信號來控制焊縫掃描儀的運動狀 態(tài)，其中SstoP=l表示停止，S stoP = 0表示前進。SX2=1表示此時探頭馬達開始工作，并將轉(zhuǎn)速 信息反饋給客戶端程序。設(shè)齒條8的長度為1。，客戶端程序可自動控制探頭滑塊2左右移動 的距離，即：
[0048]其中d為信號矩陣C={a，b，c，d}中的值；ti為探頭馬達2轉(zhuǎn)動的時間；0為轉(zhuǎn)換系 數(shù)，表示探頭馬達2轉(zhuǎn)動一圈探頭滑塊移動的距離;A為剩余焊縫長度與齒條長度間的比值， 可按下式取值，其中n為激光測距儀的長度，m為磁致阻傳感器中心到坐標原點的距離：
[0050]掃描結(jié)束后關(guān)閉焊縫掃描機電源，將固定插銷14拔出，去除掃描探頭部分，收好 USB數(shù)據(jù)線及電源線，保存好焊縫掃描儀;也可以將焊縫掃描儀放到下一個掃描的起點繼續(xù) 進行掃描工作。此時可利用客戶端程序?qū)Υ舜螔呙柽^程中的數(shù)據(jù)進行保存，以便于后續(xù)的 對比分析。
【主權(quán)項】
1. 一種實橋焊縫掃描儀，包括安裝在掃描儀機箱上的行走部分和掃描部分，其特征在 于:所述掃描儀機箱首端和尾端均設(shè)有激光測距儀，所述掃描儀機箱的底部設(shè)有磁鐵，所述 掃描部分與行走部分之間聯(lián)接有滑槽。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實橋焊縫掃描儀，其特征在于:所述磁鐵是人造永磁體。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實橋焊縫掃描儀及其掃描方法，其特征在于:所述掃描儀機箱 內(nèi)部設(shè)有電源與控制裝置。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的實橋焊縫掃描儀，其特征在于:所述控制裝置與無線收發(fā)裝置 相連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實橋焊縫掃描儀，其特征在于:所述掃描部分包括依連接的探 頭滑塊、可折彎金屬管和探頭，所述探頭滑塊上具有齒輪，所述齒輪與滑槽內(nèi)部的齒條相嚙 合。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的實橋焊縫掃描儀，其特征在于:所述探頭包括固定套筒、磁鐵、 磁致阻傳感器和攝像頭，所述磁鐵安裝在固定套筒內(nèi)，所述磁致阻傳感器安裝在磁鐵的端， 所述攝像頭固定安裝在套筒外壁上。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實橋焊縫掃描儀，其特征在于:所述行走部分的車輪包裹有橡 膠墊，所述掃描儀機箱壁設(shè)有一個導(dǎo)線通過孔，所述掃描儀機箱與探頭滑塊上具有USB接 口，掃描儀機箱滑槽端部設(shè)有可拆卸的固定擋板。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實橋焊縫掃描儀的掃描方法，其特征在于： 焊縫掃描儀沿焊縫方向進行掃描，并將各部件的信號匯集到控制裝置； 控制裝置對行走部分及掃描部分進行控制，并將信號發(fā)送到客戶端； 客戶端對信號進行分析處理，根據(jù)初始設(shè)定的坐標位置可進一步獲得疑似缺陷位置的 坐標、宏觀圖像，且通過對焊縫掃描儀變頻器的控制實現(xiàn)對焊縫掃描儀前進速度的控制，使 焊縫掃描儀在檢測到磁場變化時可對疑似缺陷位置進行更加細致的掃描。
【文檔編號】G01N27/83GK106053592SQ201610412408
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】傅中秋, 吉伯海, 王秋東, 袁周致遠
【申請人】河海大學