专利名称：基于激光测速的盾构施工出土体积在线测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于盾构施工的工程机械，具体为一种基于激光测速的盾构施工出土体积在线测量装置。
背景技术：
弃渣称重系统在皮带输送机下面安装两套测定碴土重量的称，称之间用一个实时累加开挖碴土重量的带速传感器联结，操作人员观察监视屏上显示的该循环排土重量，并与上一循环校准理论重量比较。在香港KCRC项目DB320隧道施工的中8. 75mEPB上就使用了该种系统。螺旋旋转计数式在设定时间内对螺旋输送机螺旋转速进行计数，测定体积。 测流量法在螺旋输送机排土口设置电磁流量计，测定流量。利用超声波测量的方案在定速运动的皮带输送机上设置较多的超声波测定点，测量排土截面，通过积分得到排土体积。激光式的测量方案采用激光测距的原理在定速运动的皮带输送机上设置激光测定点，连续测量排土截面，可读取断面形状，再通过积分得到体积。目前盾构施工中对渣土体积的测量方式主要是以下三种
1)后方电瓶车称重得到渣土重量，再除以密度得到体积。这种方法滞后，自动化程度也低，而且施工中开挖土体的性状、密度并不一致，往往差别很大，这样得到的出土体积误差较大；
2)在皮带输送机上方安装一个二维扫描传感器扫描输送机上渣土的横截面积，再与输送机的速度积分得到渣土体积。这种方法也存在很多问题，例如由于螺旋输送机出土口处皮带前进的速度很快，出土的速度相对较慢，导致渣土经常被拉断，出现非常不规则的断面、并且存在大量空隙，激光扫描得到的横截面积会出现严重失实的现象，另外由于地铁盾构施工中环境恶劣、空间狭小，很容易弄脏传感器镜头，一方面可能损坏价格昂贵的激光传感器；另一方面，也会对整个测量系统的长期可靠使用带来问题；
3)在螺旋输送机排土口设置电磁流量计，测定流量。这种方法达到的精度比较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，弥补当前盾构施工过程中在线、精确地测量排土体积方法的空白，本发明提供一种基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置，实现在螺旋输送机渣土排出的过程中能在线精确测量盾构施工中的出土体积。本发明通过以下技术方案实现，一种基于激光测速的盾构施工出土体积在线测量装置，它包括激光测速仪、安装激光测速仪传感器的支架、电源、DB25接口和控制单元和上位机组成，其中
所述激光测速仪安装在紧靠螺旋输送机出土口渣土排出的位置，且激光测速仪的安装位置必须与土体表面垂直，激光测速仪自带显示器实时显示出土的速度；所述支架一端固定的螺旋机出土管上，另一端固定激光测速仪；
所述电源通过DB25连接器与激光测速仪相连，从而给激光测速仪供电。所述控制单元为嵌入式计算系统，主要由单片机和外围串行通信接口电路组成的主板，主板与激光测速仪、上位机都是通过串行通信接口连接。单片机采集激光测速仪的速度数据，并将速度数据进行简单的处理后保存在数据存储器中，然后将存储的数据传给上位机，上位机根据预设的出口横截面进行积分计算，得到体积。由于螺旋机的出土管口横截面积是固定的，所以可以将激光测速仪测得的速度与面积积分就可以得到体积。本发明测量装置有益效果
1)激光测速仪自带显示器功能，实时显示螺旋机出土口的速度，自动化程度高；
2)激光测速仪是安装在螺旋机出土口处，不会出现由于渣土被拉断而导致的测量精度削弱的问题；· 3)激光测速仪抗振性能较好，能够适应恶劣的盾构施工环境，测量精度高；
4)该装置的适用范围很广，不止局限在盾构施工中，可以适用于很多在线测量不规则粉状物体的场合，只要具备一定的粘性，能充满出土口，较为密实均可达到较高的测量精度。
以下结合附图
对本发明技术方案作进一步介绍。图I测量原理图。图2激光测速仪安装示意图。图3现有技术单片机基本组成。图4单片机系统结构图。图5系统软件流程示意图。标记说明1-为渣土，2-螺旋机出土口，3-支架，4-激光测速仪，5-螺旋管道，6-皮带输送机。
具体实施例方式本发明装置主要由激光测速仪、安装传感器的支架、电源、DB25接口组成。由于螺旋机出土口 2处的环境比较差，空间很狭窄，出土口离皮带输送机6的距离很小，本发明装置在安装时采取的重要技术措施有
(I)如图I所示，将激光测速仪4安装在紧靠螺旋输送机出土口渣土 I排出的位置，此处受重力影响较小，能测出出土口的准确速度。且，激光测速仪的安装位置必须与土体表面垂直。(2)如图2所示，支架3 —端焊接在螺旋管道5，支架3另一端钻有螺纹孔，而激光测速仪底板有自带的螺纹孔，于是可以通过螺栓联接将测速仪安装固定在支架3上，保证激光测速仪固定牢固、准确，防止使用一段时间后因为振动和重力等原因导致的位置偏差。(3)假设渣土土体移动方向为X方向，竖直为z方向，另一个垂直的方向为y方向。激光测速仪不能绕X轴转动，但允许存在绕y、Z轴的微小角度偏差。如图2所示。技术方案中激光测速仪本身为现有技术，不是本发明对现有技术做出的贡献。在此发明中选用的激光测速仪型号为InteliSENSL1525，厂家为博腾电子产品有限公司。该激光测速仪测量出土速度的原理为激光测速仪对准移动的土体发出两束激光，激光束交叉成一定角度并形成均匀分布和明暗相间的条纹(条纹间距由激光波长和光束角度决定)。运动表面反射回的激光通过条纹图案时呈散射状，这样就可以通过一个和运动表面的速度成正比的频率(即所谓的多普勒频率)来调节激光强度。不需要在运动物表面做任何标记。激光探头会收集反射光并将其转换成电信号。复杂的运算法则，加上高性能DSP (数字信号处理器)的计算可确保实际速度的精确度可达O. 05%甚至更好。激光测速仪自带显示器，所以测量的速度可以从显示器上读出。激光测速仪采用市电作为电源，100疒240V AC的市电通过市电适配器转换成19VDC的直流电源通过DB25接口连接器为激光测速仪提供电源。所述控制单元为嵌入式计算系统，主要由单片机和外围串行通信接口电路组成的主板，主板与激光测速仪、上位机都是通过串行通信接口连接。单片机采集激光测速仪的速度数据，并将速度数据进行简单的处理后保存在数据存储器中，然后将存储的数据传给上 位机，上位机根据预设的出口横截面进行积分计算，得到体积。单片机在设计时选用了 8051，它作为控制单元的核心部件，完成数据的采集，并对采集数据进行简单的预处理后存在存储器RAM中。8051是INTEL公司生产的单片机，熟知，它主要有8个部件组成，如图4、图5所示
I个8位的中央处理器，片内数据存储器(RAM)与片内程序存储器(ROM);
32条并行输入输出口线(4个8位口 P0，P1，P2，P3)；
两个定时/计数器；
一个串行端口，用于数据串行通信；
中断控制系统；
特殊功能寄存器(SFR)；
以及一个片内震荡和时钟电路。激光测速仪输出的是数字信号，通过RS422传输，而上位机具有RS232接口，于是需要在控制单元主板上设计RS422串口，然后通过RS422/RS232的转换实现了上下位机的通讯。传感器激光测速仪测得的数据利用收发器MAX483E发送到串口 RS422总线，单片机通过串口引脚Pl. 6、Pl. 7接收完传来的全部数据后将串口引脚从Pl. 6和Pl. 7切换至P3. O和P3. I引脚，再通过MAX232电平转换芯片将数据传送到PC机的RS232串口上去，使PC机接收从单片机传来的数据，并根据预设的出口横截面进行积分计算，得到体积。如图5所示，计算机软件数据处理流程。激光测速仪安装在出土口处实时测量出土速度，由于出土口的横截面积是已知的，横截面积对速度积分就能得到一段时间内的排土量。
权利要求
1.一种基于激光测速的盾构施工出土体积在线测量装置，其特征在于，包括激光测速仪、安装所述激光测速仪传感器的支架、电源、DB25接口和控制单元和上位机，其中所述激光测速仪安装在紧靠螺旋输送机出土口渣土排出的位置，且激光测速仪的安装位置必须与土体表面垂直；所述支架一端固定的螺旋机出土管上，另一端固定激光测速仪；所述电源通过DB25连接器与激光测速仪相连，从而给激光测速仪供电；所述控制单元为嵌入式计算系统，是由单片机和外围串行通信接口电路组成的主板， 主板与激光测速仪、上位机都是通过串行通信接口连接。
2.单片机采集激光测速仪的速度数据，并将速度数据进行简单的处理后保存在数据存储器中，然后将存储的数据传给上位机，上位机根据预设的出口横截面进行积分计算，得到体积。
全文摘要
一种基于激光测速的盾构施工出土体积在线测量装置，属于盾构施工技术领域。激光测速仪安装在紧靠螺旋输送机出土口渣土排出的位置，且安装位置必须与土体表面垂直；控制单元为嵌入式计算系统，是由单片机和外围串行通信接口电路组成的主板，主板与激光测速仪、上位机都是通过串行通信接口连接。单片机采集激光测速仪的速度数据，并将速度数据进行简单的处理后保存在数据存储器中，然后将存储的数据传给上位机，上位机根据预设的出口横截面进行积分计算，得到体积。本发明弥补当前盾构施工过程中在线、精确地测量排土体积方法的空白，实现在螺旋输送机渣土排出的过程中能在线精确测量盾构施工中的出土体积。
文档编号G01P3/36GK102707081SQ20121020089
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者周奇才, 徐小芳, 沈小飞, 赵炯, 陈传林 申请人:上海地铁盾构设备工程有限公司