抗铁磁干扰式钻孔电视技术研发及其在基桩检测中的运用

薛金昌

摘要：本文通过工程实例介绍了抗铁磁式钻孔电视在基桩检测中的应用，通过配合三轴陀螺仪和三维电子罗盘，进行误差校正，解决现有工程中钻孔电视探头在地下工作时受到钢筋等铁磁物质时干扰时产生图像错位的问题，使得钻孔电视设备能突破现有设备的应用场景局限，能广泛用于混凝土建筑建设、基桩检测等众多领域。

关键词：钻孔电视 抗铁磁干扰 基桩检测

1研究背景

在实际工程应用过程中，尤其是在基桩检测的过程中，钻孔成像设备的探头在靠近有铁磁性物质的（如地下钢筋）地下环境时，铁磁性物质产生的被探头下放过程激发的反向磁场会干扰探头内部的三维电子罗盘，从而使得三轴电子罗盘测量的角度失真，使得图像错位，降低图像拼接的质量，大大局限了钻孔成像技术的应用范围，成为了困扰业界的一个难题。

2抗铁磁干扰式钻孔电视的检测原理及特点

通过长期的探索，我们提出了一种方案，可以进行方位矫正，该方案采用倾角补偿式三维电子罗盘与三轴陀螺仪共同配合，并辅以算法处理的方法，可有效校正偏移量至小于0.01°。该技术解决了地下钢筋干扰电子罗盘的难题，大大提高了钻孔成像技术的图像拼接质量，突破了现有设备的应用领域局限，拓宽了产品应用范围。

抗铁磁干扰式钻孔电视主要由地面部分和地下部分组成，如图1所示。地下部分包括探头和传输电缆，探头主要由CCD摄像机、LED灯、玻璃罩、三维电子罗盘、三轴陀螺仪组成，地面部分包括绞车、三脚架、高度编码器、井口滑轮、主机控制箱、平板电脑或笔记本电脑等移动终端，其基本原理是将探头放入钻孔之中，然后将探头按照一定的速率放入地质检测孔内之中，探头中的摄像机在匀速下降或上升过程中， 对钻孔四周孔壁进行拍摄，同时通过电缆将全景图像实时传回到地面主机控制箱中， 主机控制箱然后通过局域网将实时的数据传输到移动终端上，交由移动终端进行图像处理和数据分析，同时工作人员的命令可以通过局域网传输到地下，从而可以进行实时的监测、控制和分析。

3.关键技术研究

3.1硬件方案

我们选择DCM250B 倾角补偿式三维电子罗盘（单板）和L3GD20三轴陀螺仪来实现这一功能。DCM250B 倾角补偿式三维电子罗盘集成的三轴磁通门传感器可通过中央处理器实时解算航向，以及使用三轴加速度计对大范围内的倾斜角进行航向补偿，保证罗盘在倾斜角度高达±85°也能提供高精度的航向数据。

L3GD20是一款基于微机械原理三轴陀螺仪（角速度传感器），产品内部的硅素超微精密环型传感技术使其具有高性能、防水、抗振动、质量轻、防电磁干扰等特性，不间断机内自检技术、滤波算法并在国内首次采用消除共振技术，解决了普通陀螺仪由于周围噪声或震动干扰源对其数据造成影响的问题；L3GD20引进国际温度传感补偿技术，解决了温漂问题，具有超温稳定和使用寿命长等特点。

该三轴陀螺仪具有性价比高，体积小、功耗低、具有高抗震性、高可靠性等优点。经测试，该三轴陀螺仪可在极其恶劣的环境下正常工作，因而选用该器件，与DCM250B三维电子罗盘配合，解决探头下放过程中受地下铁磁性物质产生的反向磁场干扰罗盘的问题。电子罗盘集成了高精度MCU 控制，输出方式多元化，其中标准接口就包括RS232/RS485/TTL 等接口。 L3GD20是一款基于微机械原理三轴陀螺仪（角速度传感器），是主要用于测量运动物体角速度的微型惯性器件。利用的是一块微机械敏感元件，根据哥氏效应，由元件输入轴的转动产生一个正比于转动角速率的电压。探头抗干扰功能模块示意图如图1所示：

3.2软件方案

三维电子罗盘与三轴陀螺仪共同配合解决反向磁场干扰的技术方法如下：在没有铁磁性物质干扰的环境下，三维电子罗盘可正常工作。当探头经过附近有地下铁磁性物质的区域时，三维电子罗盘会受其干扰，产生与上一时刻较大程度的偏转，当偏转量超过一定的阀值时，主控芯片将控制关闭三维电子罗盘，获得三轴陀螺仪的运动状态的相对变化量，由于陀螺仪不受铁磁性物质的干扰，它所测量的角度不受鐵磁物质影响。三轴陀螺仪将记录的角度的偏移量传送给主控芯片，主控芯片通过程序算法将偏移量与初始量进行叠加，从而对电子罗盘因铁磁性物质干扰所产生的测量误差进行校正。具体步骤如下：

（1）利用三维电子罗盘测量三轴旋转角度，判断三轴旋转角度是否超过设定的正向阈值，如果未超过，则将三维电子罗盘测量的角度作为方位角，如果超过阈值，则进行步骤（2）；其中判断方法是否超过正向阈值的方法如下：

当三维电子罗盘受到铁磁物质影响时，此时铁磁物质对三维电子罗盘的影响远大于地磁对它的影响，所以它所测量的三轴角度值会产生较大的变化，对三维电子罗盘的三轴旋转角速率进行判断，当三维电子罗盘的三轴旋转角速率>，>，>时，认为三维电子罗盘已经受到了铁磁物质的影响，其中、、为已经设定好的三轴旋转角速率的正向阈值。

（2）获得三轴陀螺仪测量的三轴旋转角速率，并利用测得的三轴旋转角速率进行积分计算得到三轴旋转角的变化值；其三轴旋转角的变化值计算方法如下：

（3）根据三维电子罗盘与三轴陀螺仪之间的坐标转换关系，为了尽量减少测量误差，在安装三维电子罗盘和三轴陀螺仪时尽量保证两者的坐标系三轴重合，利用三轴陀螺仪的三轴旋转角变化值及三轴陀螺仪三轴旋转角度计算初值求得当前时刻的在三维电子罗盘坐标系下的矫正方位角，其中三轴陀螺仪三轴旋转角度计算初值是三维电子罗盘方位角超过设定阈值时的三轴角度值，假设其值为、、，则

（4）继续判断，利用三维电子罗盘测量三轴旋转角度，判断三轴旋转角度是否低于设定的负向阈值，判断方法同步骤（1）的判断方法，如果未超过，说明三维电子罗盘还未脱离铁磁物质的干扰，则继续步骤（3），将矫正方位角作为使用的方位角，如果超过负向阈值，说明三维电子罗盘已经脱离铁磁物质的干扰，将则三维电子罗盘测量三轴旋转角度作为使用的方位角。

4工程概况

该工程所检测的桩基钻芯孔为某市发电站扩建项目中A10-2钻孔，该工程桩基础为钻孔灌注桩，设计桩径为1000mm。钻孔孔深为25m左右，孔径为101mm。受该单位的委托，我方对该工程A10-2钻孔进行了检测，目的在于了解芯样方位和钻孔是否合格。A10-2钻孔为灌注桩取芯钻孔，取芯状况为：无法取出理想状态岩芯，钻孔无法取到底部，并且发生与钢筋摩擦现象。A10-2钻孔地理分布情况如下图：

5.基桩检测情况

6.校正效果对比

将三维电子罗盘和三轴陀螺仪进行配合，在三维电子罗盘受到钢筋等铁磁物质干扰时，用不受铁磁干扰的三轴陀螺仪测量角度的变化量，进而通过算法折算到电子罗盘的坐标系下的角度，进行图像校正，拼接图片效果如下：

7.结论

（1） 通过抗铁磁干扰式钻孔电视可以很好地解决钢筋等铁磁物质对电子罗盘角度测量干扰的问题，使得图片的拼接效果得以校正，使得钻孔电视的应用领域得到进一步拓宽，扩展到混凝土建筑建设、基桩检测等众多领域。

（2） 抗铁磁干扰式钻孔电视不仅能够改善图片的拼接效果，还能通过图像判别钢筋的走向，为后面进一步选择取孔位置具有极高的指导意义。

参考文献：.

[1]罗俊，蔡网锁. 工程探测中钻孔电视成像技术的应用探讨[J]. 企业技术开发，2014

[2]吕大勇. 钻孔电视在基桩检测中的应用[J]. 天津建设科技，2014

[3]梁栋，夏晓勇，胡先进. 数字式全景钻孔电视在基桩检测中的应用[J]. 浙江交通职业技术学院学报，2013