專利名稱：一種盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于工程機(jī)械和自動檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)，簡稱盾構(gòu)機(jī)，是一種隧道掘進(jìn)的專用工程機(jī)械?；竟ぷ髟硎且粋€圓柱體的鋼組件沿隧道軸線邊向前推進(jìn)邊對土壤進(jìn)行挖掘，該圓柱體組件的殼體即護(hù)盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時(shí)支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時(shí)還承受地下水壓以及將地下水擋在外面，挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護(hù)盾的掩護(hù)下進(jìn)行。采用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時(shí)可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程?，F(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)涉及地質(zhì)、土木、機(jī)械、力學(xué)、液壓、電氣、控制、測量等多門學(xué)科技術(shù)，集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能，而且要按照不同的地質(zhì)進(jìn)行“量體裁衣”式的設(shè)計(jì)制造，自動控制精度和可靠性要求極高。為了保證按照施工方案高質(zhì)量施工，順利實(shí)現(xiàn)隧道貫通，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，必須對其進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度姿態(tài)測量?，F(xiàn)在用于隧道工程施工的盾構(gòu)機(jī)都裝有盾構(gòu)自動導(dǎo)向測量系統(tǒng)，其作用主要是實(shí)時(shí)測出盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)，計(jì)算出盾構(gòu)與隧道設(shè)計(jì)中心線的偏差，從而指導(dǎo)盾構(gòu)司機(jī)控制盾構(gòu)掘進(jìn)。目前，我國主要使用的盾構(gòu)自動導(dǎo)向測量系統(tǒng)主要有:日本演算工坊的R0B0TEC系統(tǒng)、德國旭普林公司的TUMA系統(tǒng)和德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)。盾構(gòu)自動導(dǎo)向測量系統(tǒng)依靠在盾構(gòu)機(jī)上安裝的姿態(tài)測量裝置，如陀螺儀、TCA全站儀等，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中可以實(shí)時(shí)測量并顯示出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)及其糾正參數(shù)。但是，由于測量裝置本身精度有限，加之施工干擾等因素的影響，其提供的測量結(jié)果往往精度不高、可靠性不聞。專利CN 101684731 A中公開了一種隧道盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量方法，在拼裝好的管片上前后設(shè)置二個儀器平臺，在前儀器平臺上放置一經(jīng)緯儀，在后儀器平臺上放置一棱鏡，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)置一前尺和一后尺。專利CN 101251367 A中公開了一種盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，在盾構(gòu)機(jī)后方設(shè)置具有自動目標(biāo)識別功能的全站儀，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)沿盾構(gòu)機(jī)的縱向逐個設(shè)置多個目標(biāo)棱鏡，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的專用安裝基座上安裝雙軸角度傳感器。需要在盾構(gòu)機(jī)的多個位置上，放置多個測量元件，由于整個測量裝置比較分散，增加了安裝的難度和維護(hù)的成本，使用光學(xué)元件，易受通視條件影響，存在諸多使用不便。

實(shí)用新型內(nèi)容1、本實(shí)用新型的目的。提供一種盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，能夠?qū)崟r(shí)測量盾構(gòu)機(jī)的三維姿態(tài)，元件比較集中，便于安裝在盾構(gòu)機(jī)的主體平臺上，不受通視條件影響，受外界磁場干擾較小，測量精度和可靠性較高。2、本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案。采用三軸磁阻傳感器和雙軸加速度計(jì)以及數(shù)據(jù)處理器來構(gòu)成姿態(tài)測量裝置，利用三軸磁阻傳感器和兩軸加速度計(jì)同時(shí)檢測航向角、俯仰角和翻滾角，從而實(shí)時(shí)完成姿態(tài)測量。如

圖1所示，一種盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，包含三軸磁阻傳感器、置/復(fù)位電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、雙軸加速度計(jì)、通信接口、顯示接口。三軸磁阻傳感器用于檢測地球磁場在盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系的三個軸上的分量，然后經(jīng)過坐標(biāo)變換，將測量值轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)系上的值，從而可求得盾構(gòu)機(jī)的方位角。三軸磁阻傳感器選用HMC1022和HMC1021Z，其輸出在±10gauss內(nèi)線性度很好，且測量帶寬達(dá)到5MHz。
置/復(fù)位電路采用+ 12v電源供電，用開關(guān)連接電源與磁阻傳感器置/復(fù)位引腳。信號調(diào)理電路包含運(yùn)算放大和信號濾波。運(yùn)算放大部分由運(yùn)算放大器AMP04和電阻、電容構(gòu)成，放大倍數(shù)由外接電阻調(diào)整。AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號?？紤]到系統(tǒng)精度等方面的要求，采用14位AD轉(zhuǎn)換器AD7865。雙軸加速度計(jì)用于檢測盾構(gòu)機(jī)的重力加速度，測量重力加速度在盾構(gòu)機(jī)平面內(nèi)的投影分量，從而利用三角公式求得盾構(gòu)機(jī)的俯仰角和翻滾角。雙軸加速度計(jì)采用ADXL202，它的脈寬調(diào)置信號輸出直接與數(shù)據(jù)處理器連接，而不需要AD轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)處理器可采用單片機(jī)(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)等。通信接口輸出三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，并接受指令。顯示接口用于連接顯示器，以圖形化或數(shù)字化方式顯示盾構(gòu)機(jī)的三維姿態(tài)。三軸磁阻傳感器將檢測地球磁場在盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系的三個軸上的分量信號傳遞到信號調(diào)理電路，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器處理，雙軸加速度計(jì)將檢測盾構(gòu)機(jī)的重力加速度在盾構(gòu)機(jī)平面內(nèi)的投影分量傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器處理。如圖2所示，地理坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在運(yùn)動物體在地球表面上的投影點(diǎn)0，ON指向北，OE指向東，0 5與0E、ON成右手坐標(biāo)系,沿當(dāng)?shù)卮咕€方向并指向天頂。如圖3所示，盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)重心，X軸指向盾構(gòu)機(jī)縱軸方向，即盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)方向，而r軸指向盾構(gòu)機(jī)橫軸方向，Z軸指向盾構(gòu)機(jī)豎軸方向。地理坐標(biāo)系與盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。
權(quán)利要求1.一種盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，包含三軸磁阻傳感器、置/復(fù)位電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、雙軸加速度計(jì)、通信接口、顯示接口 ；三軸磁阻傳感器將檢測地球磁場在盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系的三個軸上的分量信號傳遞到信號調(diào)理電路，再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器處理，雙軸加速度計(jì)將檢測盾構(gòu)機(jī)的重力加速度在盾構(gòu)機(jī)平面內(nèi)的投影分量傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，其特征在于:置/復(fù)位電路采用+12v電源供電，用開關(guān)連接電源與磁阻傳感器置/復(fù)位引腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，其特征在于:信號調(diào)理電路包含運(yùn)算放大和信號濾波，運(yùn)算放大部分由ADI公司的運(yùn)算放大器AMP04和電阻、電容構(gòu)成，放大倍數(shù)由外接電阻調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，其特征在于:顯示接口用于連接顯示器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，其特征在于:雙軸加速度計(jì)采用ADXL202，而且它的脈寬調(diào)置信號輸出直接與數(shù)據(jù)處理器連接。
專利摘要本實(shí)用新型屬于工程機(jī)械和自動檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測量裝置，包含三軸磁阻傳感器、置/復(fù)位電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、雙軸加速度計(jì)、通信接口、顯示接口。三軸磁阻傳感器用于檢測地球磁場在盾構(gòu)機(jī)坐標(biāo)系的三個軸上的分量；雙軸加速度計(jì)用于檢測盾構(gòu)機(jī)的重力加速度，測量重力加速度在盾構(gòu)機(jī)平面內(nèi)的投影分量。元件比較集中，便于安裝在盾構(gòu)機(jī)的主體平臺上，不受通視條件影響，測量精度較高。
文檔編號G01C1/00GK203024757SQ20122073142
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者葛龍, 黃志國 申請人:南京理工大學(xué)常熟研究院有限公司