专利名称：基于光电编码器的强夯深度检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及强夯机施工监理及施工质量控制技术领域，尤其是涉及一种基于
光电编码器的强夯深度检测系统。
背景技术：
强夯机是地基施工中不可缺少的大型设备之一，广泛应用在开山填淤、围海造田 等大型建筑地基处理施工过程中。实际使用过程中，强夯机一般是采用以8 40t重锤(最 重为200t)起吊到一定高度( 一般为8 30m)，令锤自由落下，对土体进行强力夯实，以提 高其强度、降低其压縮性的一种地基加固方法。目前，强夯机施工过程中夯锤的夯击次数和 夯击深度主要是依靠监理人员的实时计数和实际测量获得，特别是伴随着夯锤的下落，夯 锤四周的土地就会隆起，这给夯击是否到位的测量带来了很大的困难，以及对某次施工中 的历史数据不能详细记录给工程质量的优劣判断带来了很大的问题。比如说夯击强度已经 到位，但由于周围土地的隆起或下陷导致监理人员的错误测量使得夯击次数的增加，使得 机器的油耗增加，作业时间无谓延长，造成了很大的能源浪费。所以现有强夯监理造成了人 力和物力的很大浪费，特别是在这个强调效率和节能的时代开发出一个智能化的强夯监理 系统非常重要。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于 光电编码器的强夯深度检测系统，其设计合理、成本低且使用操作简便、使用效果好，完全 取代了现有夯击深度的人工测量方式，不仅减少了误差，而且大大减少了劳动强度，提高了 施工效率。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种基于光电编码器的强
夯深度检测系统，其特征在于包括为各用电单元进行供电的供电单元、微控制器、与微控
制器相接的夯击深度测试单元、夯击过程中对强夯机主臂臂架的变形量进行实时检测并相
应输出一个阶跃信号至微控制器且由微控制器根据所述阶跃信号相应控制夯击深度测试
单元进行深度测试的信号触发单元、由微控制器进行控制的报警单元以及分别与微控制器
相接的参数设置单元和显示器，所述信号触发单元和报警单元均与微控制器相接，所述供
电单元分别与夯击深度测试单元和微控制器相接；所述夯击深度测试单元包括实时对强夯
机巻筒旋转轴的转动角度进行检测的光电编码器且对夯锤位置进行实时检测的接近开关，
所述光电编码器和接近开关均与微控制器相接，所述接近开关为超声波接近开关。 所述信号触发单元包括实时对强夯机主臂臂架所受压力变化量进行实时检测的
压力传感器和与压力传感器相接的信号放大及整形电路，所述信号放大及整形电路与微控
制器相接。 所述压力传感器设置在强夯机主臂后部。 所述光电编码器通过齿轮传动机构安装在所述巻筒旋转轴上，所述齿轮传动机构包括同轴安装在所述巻筒旋转轴上且随所述巻筒旋转轴同步转动的主动齿轮和与主动齿
轮相啮合的从动齿轮，光电编码器安装在从动齿轮上。 所述接近开关设置在强夯机主臂上部。 所述参数设置单元和显示器集成设置为与微控制器相接的液晶触摸显示屏。 还包括分别与微控制器相接的串口扩展电路和存储器以及分别与串口扩展电路
相接的打印机和大容量存储设备接口芯片，所述大容量存储设备接口芯片与USB接口相
接，所述供电单元与打印机相接。 所述报警单元为声光报警装置。 所述微控制器为芯片MSP430F149。 还包括与微控制器相接的时钟芯片。 本实用新型与现有技术相比具有以下优点， 1、设计新颖合理、接线方便且成本低、使用操作简便，通过增量式旋转光电编码器 与微控制器相连，压力传感器将触发信号传给微控制器后，微控制器同步控制旋转光电编 码器发出开始计数，光电编码器输出的脉冲信号通过微控制器计数并转换成夯锤上升的位 移量，两次夯锤的位移量之差就是夯实深度。 2、使用效果好，实用价值高，实际使用过程中，首先将压力传感器作为测量控制信 号和计数信号给微控制器，当前次夯锤落下且本次起吊的瞬间，压力传感器给微控制器一 个触发信号，微控制器接到信号后开始对光电编码器输出的脉冲信号进行计数，从而确定 夯锤上升的高度。当接近开关检测到夯锤达到指定高度后接近开关发出停止计数信号，计 数结束。最后通过微控制器对计数结果进行处理和运算后，所测深度呈现近似双曲线形式 的收敛，再由微控制器判断被夯击基础是否达到预先设定的施工要求值，来决定是继续夯 击还是完成该次作业。而每次夯击后的数据将存入微处理器，由于所用处理器的容量较小， 所以在此设备中加入了大容量存储接口 CH376，使得大量数据可以长期保存。其次经传感器 测量的数据可以实时的显示在触摸屏上，通过屏幕还可以查看历史记录，其中通过触屏上 的按键根据施工要求设置夯击深度以及达到指定深度后自动报警使得夯击施工效率和精 度得到了很大的提高，最后夯击的历史数据通过打印机打印，为工程质量的评判提供了可 靠依据。 3、采用了先进的增量式旋转编码器，具有体积小、精度高、测量准且测量方便等优 点，大大降低劳动强度且保障了劳动者的人身安全，节省时间且提高了劳动生产率，同时对 施工质量也可以准确控制。驾驶员或监理人员可以通过屏幕实时显示施工情况和通过打印 机或显示器查看施工历史记录，并且存储的历史记录可以通过USB接口在电脑上查看，同 时还为强夯施工数据库的建立提供了重要的数据，可以避免对同类型的基础施工设计进行 重复的土质机理研究，从而使得强夯施工设计工作量大幅度减小，并且节约了更多的人力 和财力。 综上所述，本实用新型设计合理、接线方便、成本低且使用操作简便、使用效果好， 其利用光电编码器、接近开关与压力传感器以及微控制器来实现对夯锤夯击深度的实时测 量，完全取代了现有夯击深度的人工测量方式，不仅避免了误差，为确定地面是否达到强度 要求提供了准确依据，而且减少了劳动强度，通过自动化测控系统完全代替了重复且繁琐 的人力劳动，并且对施工质量的优劣程度进行了准确控制，最终达到了节约成本和提高效率的目的。 下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本实用新型的电路原理框图。
图2为本实用新型的夯击深度测试单元和信号触发单元的布设位置结构示意图, 附图标记说明
2_夯击深度测试单元；2-1-光电编码器；
1- 微控制器；
2- 2-接近开关；
3- 强夯机主臂；
4- 2-信号放大及整形 电路；
9-打印机；
12-USB接口 ； 15-
2-3-主动齿轮；
4-信号触发单元； 7-时钟芯片;
10-串口扩展电路
13-存储器；
16-巻筒。
2-4-从动齿轮； 4-1-压力传感器； 8-供电单元；
11-大容量存储设备接 口芯片；
14-液晶触摸显示屏；
具体实施方式如图1、图2所示，本实用新型包括为各用电单元进行供电的供电单元8、微控制器 1、与微控制器1相接的夯击深度测试单元2、夯击过程中对强夯机主臂3臂架的变形量进行 实时检测并相应输出一个阶跃信号至微控制器1且由微控制器1根据所述阶跃信号相应控 制夯击深度测试单元2进行深度测试的信号触发单元4、由微控制器1进行控制的报警单元 以及分别与微控制器1相接的参数设置单元和显示器，所述信号触发单元4和报警单元均 与微控制器1相接，所述供电单元8分别与夯击深度测试单元2和微控制器1相接。所述 夯击深度测试单元2包括实时对强夯机巻筒旋转轴的转动角度进行检测的光电编码器2-1 且对夯锤位置进行实时检测的接近开关2-2，所述光电编码器2-1和接近开关2-2均与微控 制器1相接，所述接近开关2-2为超声波接近开关。同时，本实用新型还包括与微控制器1 相接的时钟芯片7。所述光电编码器2-1为增量式旋转光电编码器。 本实施例中，所述信号触发单元4包括实时对强夯机主臂3臂架所受压力变化量 进行实时检测的压力传感器4-l和与压力传感器4-l相接的信号放大及整形电路4-2，所述 信号放大及整形电路4-2与微控制器1相接。所述压力传感器4-1设置在强夯机主臂3后 部。所述报警单元为声光报警装置15。所述参数设置单元和显示器集成设置为与微控制器 1相接的液晶触摸显示屏14。所述微控制器1为芯片MSP430F149。 所述光电编码器2-1通过齿轮传动机构安装在所述巻筒旋转轴上，所述齿轮传动 机构包括同轴安装在所述巻筒旋转轴上且随所述巻筒旋转轴同步转动的主动齿轮2-3和 与主动齿轮2-3相啮合的从动齿轮2-4，光电编码器2-1安装在从动齿轮2-4上。所述接近 开关2-2设置在强夯机主臂3上部。所述主动齿轮2-3为大齿轮，所述从动齿轮2-4为小 齿轮。 所选用的光电编码器2-1直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A和B两组脉冲相位差为90° ，正转时A相超前B相，反转时B相超前A相，从而可方便地判 断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位，这样就可以设定只在夯锤上升那 一刻进行测量，避免了测量误差。由于光电编码器2-l需要安装在强夯机的巻筒旋转轴上， 但是巻筒16的轴端都装有离合器，巻筒16和离合器轴的旋转有可能不同步，从而导致测量 误差很大，因而在巻筒16的端盖上安装一个大齿轮，它与巻筒16同轴旋转，通过所述大齿 轮带动一个小齿轮，光电编码器2-1安装在该小齿轮上，通过设定大小齿轮之间的传动比， 即可以准确测量巻筒16转过的角度，从而确定夯击深度。 另外，本实用新型还包括分别与微控制器1相接的串口扩展电路IO和存储器13 以及分别与串口扩展电路10相接的打印机9和大容量存储设备接口芯片11，所述大容量存 储设备接口芯片11与USB接口 12相接，所述供电单元8与打印机9相接。 本实用新型的工作过程是夯击工作开始之前，监理人员按施工要求将停夯时的 最后两次夯实深度平均值通过参数设置单元进行预先设定。夯击过程中，每次夯锤下落后 起吊的瞬间，由于土地吸附力作用，此时强夯机主臂3的臂架受力变形量最大，此时压力传 感器4-1将感应到的压力信号通过信号放大及整形电路4-2转化后产生一个触发(阶跃) 信号并上传至微控制器l，微控制器1检测到此阶跃信号后对光电编码器2-1发送控制指 令，由于涉及到风力和晃动对主臂3的影响，触发信号必须达到触发下限值后方可触发，微 控制器1检测到此触发信号时发出指令给光电编码器2-1 ;之后，光电编码器2-1开始输出 脉冲，输出的脉冲信号传送给微控制器1进行计数，当夯锤上升到接近开关2-2预先设定的 高度时，接近开关2-2向微控制器1反馈信号且微控制器1相应发出停止计数信号，此时微 控制器1按照一定的算法对测得的数据进行处理后并在显示器上进行同步显示。由于本实 用新型只需要检测夯击深度，所以用夯击深度测试单元2与微控制器1相结合所测得的后 一次测量值减去前一次测量值则得到各次的夯击深度，则可将悬挂滚筒的钢丝绳的变形量 相互抵消掉，因此可以准确测得夯击深度。当夯击深度到达预先设定值后，微控制器1控制 声光报警装置15开始报警，提示工作人员夯击动作完成。每次夯击后的实时数据均存储在 存储器13中，同时本实用新型还外接有USB接口 12，微控制器1通过USB接口 12可将夯击 过程中夯击深度测试单元2所测得的实时数据在PC机中进行查看，并且数据存储时间大约 为一个月。任何时候，驾驶员或监理人员想要查看施工数据都可以通过打印机9直接打印 或在液晶触摸显示屏14上查看强夯施工历史数据。综上，查看方式非常简单，当按下液晶 触摸显示屏14中参数设置单元上的查看键后，系统会提示输入时间段，当输入时间段后通 过上下翻页键即可显示施工记录，如果需要，可按下键盘上的打印键，并输入时间段，则想 要查看的数据就像超市购物的清单一样清晰的呈现给监理人员和业主，并可作为施工原始 记录资料保存。其中，打印机9和大容量存储均是通过串口扩展电路10进行的。另外，通 过液晶触摸显示屏14中的参数设置单元还可以设定系统时钟等，使得系统时钟准确易调， 即使在掉电状态下系统时钟仍能正确运行，并且键盘面板和实时显示面板均可在液晶触摸 显示屏14上进行显示。整个系统的时钟可以用时钟芯片7进行控制和设定，从而使得系统 时钟准确易调，即使在掉电状态下系统时钟仍能正确运行。 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根 据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。
权利要求一种基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于包括为各用电单元进行供电的供电单元(8)、微控制器(1)、与微控制器(1)相接的夯击深度测试单元(2)、夯击过程中对强夯机主臂(3)臂架的变形量进行实时检测并相应输出一个阶跃信号至微控制器(1)且由微控制器(1)根据所述阶跃信号相应控制夯击深度测试单元(2)进行深度测试的信号触发单元(4)、由微控制器(1)进行控制的报警单元以及分别与微控制器(1)相接的参数设置单元和显示器，所述信号触发单元(4)和报警单元均与微控制器(1)相接，所述供电单元(8)分别与夯击深度测试单元(2)和微控制器(1)相接；所述夯击深度测试单元(2)包括实时对强夯机卷筒旋转轴的转动角度进行检测的光电编码器(2-1)且对夯锤位置进行实时检测的接近开关(2-2)，所述光电编码器(2-1)和接近开关(2-2)均与微控制器(1)相接，所述接近开关(2-2)为超声波接近开关。
2. 按照权利要求1所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于所述信 号触发单元(4)包括实时对强夯机主臂(3)臂架所受压力变化量进行实时检测的压力传感 器(4-1)和与压力传感器(4-1)相接的信号放大及整形电路(4-2)，所述信号放大及整形电 路(4-2)与微控制器(1)相接。
3. 按照权利要求2所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于所述压 力传感器(4-1)设置在强夯机主臂(3)后部。
4. 按照权利要求1、2或3所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于 所述光电编码器(2-1)通过齿轮传动机构安装在所述巻筒旋转轴上，所述齿轮传动机构包 括同轴安装在所述巻筒旋转轴上且随所述巻筒旋转轴同步转动的主动齿轮(2-3)和与主 动齿轮(2-3)相啮合的从动齿轮(2-4)，光电编码器(2-1)安装在从动齿轮(2-4)上。
5. 按照权利要求4所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于所述接 近开关(2-2)设置在强夯机主臂(3)上部。
6. 按照权利要求1、2或3所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于 所述参数设置单元和显示器集成设置为与微控制器(1)相接的液晶触摸显示屏(14)。
7. 按照权利要求1、2或3所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于 还包括分别与微控制器(1)相接的串口扩展电路(10)和存储器(13)以及分别与串口扩展 电路(10)相接的打印机(9)和大容量存储设备接口芯片(ll)，所述大容量存储设备接口芯 片(11)与USB接口 (12)相接，所述供电单元(8)与打印机(9)相接。
8. 按照权利要求1、2或3所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于 所述报警单元为声光报警装置(15)。
9. 按照权利要求1、2或3所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于 所述微控制器(1)为芯片MSP430F149。
10. 按照权利要求1、2或3所述的基于光电编码器的强夯深度检测系统，其特征在于 还包括与微控制器(1)相接的时钟芯片(7)。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光电编码器的强夯深度检测系统，包括供电单元、微控制器、与微控制器相接的夯击深度测试单元、夯击过程中对强夯机主臂臂架变形量进行实时检测并相应输出一个阶跃信号至微控制器且由微控制器根据所述阶跃信号相应控制夯击深度测试单元进行深度测试的信号触发单元、报警单元以及参数设置单元和显示器；夯击深度测试单元包括实时对强夯机卷筒旋转轴的转动角度进行检测的光电编码器且对夯锤位置进行实时检测的接近开关，光电编码器和接近开关均与微控制器相接。本实用新型设计合理、成本低且使用操作简便、使用效果好，完全取代了现有夯击深度的人工测量方式，不仅减少了误差，而且大大减少了劳动强度，提高了施工效率。
文档编号E02D33/00GK201546244SQ20092024549
公开日2010年8月11日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者司癸卯, 孙恒, 宋建安, 张青兰, 段立立, 章伟达, 薛有民 申请人:长安大学