用于盾构机刀具磨损检测的传感器及装置、盾构机刀具系统的制作方法

本实用新型涉及盾构机刀具技术领域，具体地说，涉及用于盾构机刀具磨损检测的传感器及盾构机刀具磨损检测装置、盾构机刀具系统。

背景技术：

盾构掘进机(简称盾构机)是用于隧道、地铁建设的大型装备。在盾构机的施工中，刀具是掘进过程中最重要的工具之一，在刀具到达磨损极限之前，必须更换刀具，否则可能造成灾难性的工程事故。因此能否准确检查盾构机刀具磨损的情况直接关系到隧道施工能否正常进行。

目前对盾构机刀具磨损量的检测方法主要有：停机检查法、阈值检测法、掘进参数估计法和在线检测法等。

停机检查法是在停机状态下由施工人员进入刀盘部位进行检查以及实施操作，该方式的检查方式虽然直观，但频繁停机可能造成因周边土体失稳引发重大事故。

阈值检测法主要利用添加在刀具内的金属探头或液体等判断刀具磨损状态，但是这种方法只有在磨损量达到磨损极限时才能有效，不能实现对刀具磨损的实时检测。

掘进参数估计法，其主要是由理想地质条件是掘进参数的经验曲线或由半经验公式得到估算值，预测滚刀的磨损量。但一般的经验公式只适用于特定单一的地质条件，缺乏普适性，试图从理论上精确计算盾构机刀具的磨损量有很大难度。

在线检测法主要分为厚度检测式、摄像头观察式、断电感应式和电容传感器检测式等。其中，厚度检测式主要包括压力传感器感知式和超声波探头探测式等。其中，压力传感器感知式主要采用的设备包括电磁压力传感器、接收器以及发射器，电磁压力传感器设置在刀头内，这种方式能够通过压力传感器感知磨损过程中外界的压力变化来监控刀具磨损状态。超声波探头探测式主要通过安装在周边刮刀内的超声波探头测量金属厚度，将数据由铺设在刀头里的信号线传送至蓝牙 发射装置，再由蓝牙接收装置收集刮刀厚度信息，达到检测目的。然而，受到安装方式的影响，现有的在线检测法所检测到的刀具磨损量存在较大的误差。

基于上述情况，针对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行的行业需求，研究开发满足要求的刀具磨损状态安全检测装置，已成为掘进设备中亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感器，所述传感器包括梯形电容网络，其中，所述梯形电容网络包括：

若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的第一端形成所述梯形电容网络的第一外接端口；

若干第二电容，所述第一电容网络的两端以及第一电容网络中相邻第一电容的交点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所述梯形电容网络的第二外接端口。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预设比值，所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一电容网络的形状呈直线状。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一电容网络中相邻第一电容之间的间距相等。

根据本实用新型的一个实施例，相邻第一电容之间的间距的取值范围包括[1mm，3mm]。

根据本实用新型的一个实施例，所述传感器还包括：

电容网络套，所述梯形电容网络设置在所述电容网络套内；

和/或，第一外接线和第二外接线，所述第一外接线和第二外接线分别与所述梯形电容网络的第一外接端口和第二外接端口连接。

本实用新型还提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，所述装置包括如上任一项所述的传感器。

根据本实用新型的一个实施例，所述装置还包括：

信号调理电路，其与所述传感器连接，用于对所述传感器输出的表征所述传感器中梯形电容网络的当前电容值的第一电信号进行调理，得到第二电信号；

数据处理电路，其与所述信号调理电路连接，用于根据所述第二电信号确定所述盾构机刀具的磨损量数据。

根据本实用新型的一个实施例，所述信号调理电路包括串联的运算放大电路和整形滤波电路。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据处理电路包括模数转换电路和处理器，所述模数转换电路连接在所述信号调理电路和处理器之间。

根据本实用新型的一个实施例，所述装置还包括：

信号发射电路，其与所述信号处理电路连接，用于将所述磨损量数据转换为无线信号向外发射；

信号接收电路，其用于接收所述无线信号，并根据所述无线信号生成对应的第三电信号。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据处理电路配置为根据所述第二电信号计算所述传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据所述当前电容值计算所述梯形电容网络的当前阶数，进而根据所述当前阶数确定所述盾构机刀具的磨损量数据。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据处理电路根据如下表达式计算所述梯形电容网络的当前阶数：

$C\left(i\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}A(i,k)\×n^{i-k+1}}{\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}B(i,k)\×n^{i-k}}\×C_1$

其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容值，C₁表示第一电 容的电容值，n表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i,k)和B(i,k)分别表示分子系数矩阵A和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。

本实用新型还提供了一种盾构机刀具系统，所述盾构机刀具系统包括：

盾构机刀具；

如上任一项所述的盾构机刀具磨损检测装置，其传感器设置在所述盾构机刀具中并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。

根据本实用新型的一个实施例，所述盾构机刀具中形成有导孔，所述传感器设置在所述导孔中，所述导孔的端口处形成有螺纹孔。

本实用新型首先提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感器，该传感器采用梯形电容网络来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易于实现。同时，为了更加准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本实施例中将传感器中梯形电容网络配置为整个网络的电容值随阶数的减小而近似线性减小。

本实用新型还提供了一种利用上述传感器对盾构机刀具磨损量进行检测的装置和系统，相较于现有的盾构机磨损量检测装置，本实用新型所提供的装置能够更加准确地确定出盾构机刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可以确定出盾构机刀具的磨损形状。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本实用新型一个实施例的传感器中梯形电容网络的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的传感器的结构示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的盾构机刀具磨损检测装置的结构示意图；

图4是根据本实用新型一个实施例的盾构机刀具与传感器的配置关系示意图；

图5是根据本实用新型一个实施例的盾构机刀具中多个传感器的排布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

为了克服现有盾构机刀具磨损检测装置所存在的问题，本实施例首先提供了一种新的用于盾构机磨损检测的传感器，该传感器包括梯形电容网络，图1示出了该传感器中梯形电容网络的结构示意图。

如图1所示，传感器中的梯形电容网络包括若干第一电容C₁和若干第二电容C₂。这些第一电容C₁串联形成第一电容网络101，其中，第一电容网络101的第一端A形成整个梯形电容网络的第一外接端口。同时，第一电容网络101的两端(包括第一端A和第二端B)以及第一电容网络中相邻第一电容C₁的交点均与一第二电容C₂的第一端连接，各个第二电容C₂的第二端通过导线连接并形成整个梯形电容网络的第二外接端口。

从上述描述可以看出，图1所示的梯形电容网络可以根据所包含的第二电容C₂的数量而视为具有对应的阶数。例如，假设梯形电容网络包含有i个第二电容C₂，那么该梯形电容网络的阶数则为i。

需要指出的是，在本实用新型的不同实施例中，梯形电容网络的总阶数可以根据实际需要进行配置，本实用新型不限于此。例如，在保证检测结果具有相同准确性和精确性时，如果所要检测的盾构机刀具的厚度较厚，那么所选择的梯形电容网络的总阶数则需要较高，这样梯形电容网络的总长度也就较长；而如果所需要检测的盾构机刀具的厚度较薄时，那么所选择的梯形电容网络的总阶数则可以较低，这样梯形电容网络的总长度也就较短。

为了保证检测结果的准确性，本实施例中，梯形电容网络中第一电容网络101呈直线状，同时，第一电容网络101中相邻第一电容C₁之间的间距相等。具体地，本实施例中，第一电容网络101中相邻第一电容C₁之间的间距优选地设置为2mm。需要指出的是，在本实用新型的其他实施例中，根据检测需要，梯形电容网络中第一电容网络的形状还可以为其他合理形状(例如波浪状等)，本实用新型不限于此。

同时，在本实用新型的其他实施例中，第一网络101中相邻第一电容C₁之间的间距也可以不相等，并且第一网络101中相邻第一电容C₁之间的间距还可以为其他合理值(例如[1mm,3mm]中的其他合理值等)，本实用新型同样不限于此。

对于现有的采用电阻来进行盾构机刀具磨损量在线检测的装置来说，由于随着电阻磨损量的增加，装置的阻值变化并未是线性增长的，而这也就导致了检测到的磨损量存在较大误差。

为了保证传感器所检测到的刀具磨损量更加准确，本实施例中将梯形电容网络配置为容值随刀具磨损量的增加而近似线性减小。为此，本实施例将梯形电容网络中的第一电容C₁的容值与第二电容C₂容值之比配置为大于预设比值，具体地，该预设比值优选地设置为1000。这样，梯形电容网络的容值将会随电容网络阶数的增加而近似呈线性增长，当梯形电容网络的阶数随盾构机刀具磨损量的增大而减小时，梯形电容网络的容值将随其阶数的减小而近似线性减小，从而有助于提高最终检测结果的准确性。

需要指出的是，为了保证梯形电容网络的总容值将随电容网络阶数的增加近似呈线性增长，在本实用新型的其他实施例中，上述预设比值还可以配置为其他合理值(例如预设比值的取值还可以为[800，1200]中的其他合理值)，本实用新型不限于此。

当梯形电容网络中的第一电容C₁的容值与第二电容C₂容值之比大于预设比值时，整个梯形电容网络的容值可以根据如下表达式求得：

$C\left(i\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}A(i,k)\×n^{i-k+1}}{\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}B(i,k)\×n^{i-k}}\×C_1---\left(1\right)$

其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容，C₁表示第一电容 的电容值，n表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i,k)和B(i,k)分别表示分子系数矩阵A和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。

本实施例中，A(i,k)和B(i,k)可以分别分别根据如下表达式确定得到：

这样，通过计算整个梯形电容网络的当前容值便可以得到该梯形电容网络所对应的当前阶数，而根据梯形电容网络所对应的当前阶数则可以确定出该梯形电容网络的当前长度，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位置，可以由该梯形电容网络的当前长度确定出盾构机刀具的当前厚度。而盾构机刀具的原始厚度是已知的，因此由盾构机刀具的当前厚度也就可以确定出盾构机刀具的磨损量，从而实现对盾构机刀具的磨损检测。

当然，当确定出梯形电容网络的当前长度后，结合梯形电容网络的原始长度便可以确定出梯形电容网络的长度变化值，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位置，根据该长度变化值便可以确定出盾构机刀具的磨损量。例如，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位置，盾构机刀具的磨损量的长度变化值也即盾构机刀具的磨损量。

图2示出了本实施例所提供的用于盾构机刀具磨损检测的传感器的结构示意图。

如图2所示，除梯形电容网络之外，本实施例所提供的传感器还包括：电容网络套201、螺纹套202、第一外接线203和第二外接线204。其中，梯形电容网络设置在电容网络套201内，螺纹套202与电容网络套201连接。本实施例中，螺纹套202的外壁形成有螺纹，这样梯形梯形电容网络便可以通过螺纹套202可靠地固定在盾构机刀具内部。第一外接线203和第二外接线204分别与梯形电容网络的第一外接端口和第二外接端口连接，用以将梯形电容网络的输出的信号传 输到外部。为了保证梯形电容网络的安装效果，本实施例中，螺纹套203的外径优选地大于或等于电容网络套的外径。

需要指出的是，在本实用新型的其他实施例中，梯形电容网络还可以通过其他合理的方式来固定在盾构机刀具内部，本实用新型不限于此。例如在实用新型的一个实施例中，还可以通过灌注胶体的方式来将梯形电容网络固定在盾构机刀具内部。

本实施例还提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，该装置采用了如上所述的传感器。此外，为了确定出盾构单据的磨损量，该装置还包括了相关的外围电路。具体地，如图3所示，本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置包括：传感器301、信号调理电路302以及数据处理电路303。

如图4所示盾构机刀具系统，本实施例中，传感器301通过形成在盾构机刀具401中的导孔402安装在盾构机刀具内部。该导孔的端口处(即尾部)形成有与传感器的螺纹套配合的螺纹孔403，这样传感器便可以可靠地安装固定在盾构机内部。传感器产生的信号便可以通过信号线404(包括第一外接线和第二外接线)传导出盾构机刀具401。为了准确确定出盾构机刀具的磨损量，本实施例中，传感器中梯形电容网络远离螺纹套的一段优选地延伸至靠近盾构机刀具的刀面405位置处。

需要指出的是，在本实用新型的不同实施例中，传感器与盾构机刀具本体所呈的角度根据实际需要还可以配置为不同的角度值，本实用新型不限于此。例如，对于同一传感器，在满足刀具配置要求的情况下，其与盾构机刀具的刀面所呈的角度越小，其对于盾构机刀具磨损量的检测也就越精确。

再次如图3所示，本实施例中，信号调理电路302与传感器301连接，其用于对传感器301输出的表征该传感器中梯形电容网络的当前电容值的第一电信号进行调理，得到第二电信号。本实施例中，信号调理电路302优选地包括运算放大电路和滤波整形电路。当然，在本实用新型的其他实施例中，信号调理电路302也可以包含其他合理的电路结构，用以实现其他合理的功能，本实用新型不限于此。

数据处理电路303与信号调理电路302连接，其用于根据信号调理电路302输出的第二电信号确定出盾构机刀具的磨损量。具体地，本实施例中，数据处理电路303优选地包括模数转换电路和处理器。该处理器为微处理器，其中，模数 转换电路连接在信号调理电路302与微处理器之间，其用于对第二电信号进行模数转换，并将得到的数字信号传输给微处理器。

本实施例中，处理器首先根据模数转换电路传来的数字信号计算得传感器301中梯形电容网络的当前电容值C(i)，随后根据计算得到的当前电容值C(i)利用表达式(1)计算得到梯形电容网络当前阶数i。由于对于某一传感器来说，其梯形电容网络的结构是固定的，因此梯形电容网络的阶数与梯形网络的长度(即传感器的长度)之间的对应关系也是固定的，这样处理器也就可以根据梯形电容网络的当前阶数i确定出梯形电容网络的当前长度。而根据梯形电容网络当前的长度以及梯形电容网络的原始长度也就可以确定出梯形电容网络的长度变化量，进而根据梯形电容网络的长度变化量确定出盾构机刀具的磨损量。

本实施例中，传感器采用了电容构成的梯形网络结构形式，其中第一电容C₁的容值优选地设置为10nF，第二电容C₂的容值优选地设置为10pF，这样第一电容C₁与第二电容C₂的比值为则1000，即第二电容C₂与第一电容C₁的比值n为0.001。相邻的第一电容C₁的间距优选地设置为2mm。

此时，当切削类刀具每磨损2mm，相当于梯形电容网络的阶数减少1阶。根据实际需要，如果切削类刀具的最大磨损量为40mm，那么则采用20阶梯形电容网络的传感器。

表1示出了本实施例中1～20阶梯形电容网络的电容值与磨损量的具体对应关系：

表1

从表1所示的数据可以看出，在本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置中，随着刀具磨损量的增加，传感器的梯形电容网络的总容值是近似线性减小的，这样也就使得该检测装置所检测到的刀具磨损量更加准确。

对于某一传感器来说，其只能够通过自身电容的变化反映出该传感器自身位置处的刀具磨损量，却无法准确、全面地的反映出整个刀具不同位置处的磨损量以及磨损形状。

为了更加准确、全面的获取盾构机刀具的磨损状态，在本实用新型的一个实施例中，盾构机刀具磨损检测装置中还可以配备多个传感器，这些传感器可以根据需要安装在盾构机刀具的不同位置处。具体地，如图5所示，在该实施例中，同一盾构机刀具中的传感器优选地采用等间距且相互平行的方式进行配置。当然，在本实用新型的其他实施例中，同一盾构机刀具中传感器的配置方式还可以采用其他合理方式(例如不等间距且/或彼此存在一定角度差)，本实用新型不限于此。

对应于上述多个传感器，盾构机刀具磨损检测装置中还可以配备多个信号调理电路以及数据处理电路。当然，盾构机刀具磨损检测装置还可以采用同一套具有多通道的信号调理电路和数据处理电路来根据上述多个传感器输出的第一电信号确定出这些传感器各自位置处的磨损量数据。同时，根据所得到的这些传感器各自位置处的磨损量数据，数据处理电路还可以确定出盾构机刀具的磨损形状 数据等。

本实施例中，为了使得盾构机的操作人员能够方便的获取到数据处理电路所确定出的盾构机刀具磨损量数据，本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置还包括信号发射电路304和信号接收电路305。其中，信号发射电路304与数据处理电路303连接，用于将数据处理电路303所生成的磨损量数据和磨损形状数据转换为无线信号向外发送。其中，信号发射电路304优选地设置在盾构机刀具的刀盘背面。

信号接收电路305优选地设置在隧道掘进机的前盾位置处，其能够接收信号发射电路304所发出的无线信号，并将该无线信号转换为对应的电信号(即第三电信号)传输给隧道掘进机的盾构主控室。这样也就将盾构机刀具的磨损数据传输给了盾构主控室，从而方便处于盾构主控室内的操作人员进行观察分析。

本实用新型还提供了一种盾构机刀具磨损检测系统，该系统包括盾构机刀具以及如上所述的盾构机刀具磨损检测装置。

从上述描述中可以看出，本实用新型首先提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感器，该传感器采用梯形电容网络来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易于实现。同时，为了更加准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本实用新型中将传感器中梯形电容网络配置为整个网络的电容值随阶数的减小而近似线性减小。

本实用新型还提供了一种利用上述传感器对盾构机刀具磨损量进行检测的装置和系统，相较于现有的盾构机磨损量检测装置，本实用新型所提供的装置能够更加准确地确定出盾构机刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可以确定出盾构机刀具的磨损形状。

应该理解的是，本实用新型所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领 域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。