一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法与流程

本发明涉及工程建设领域的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法。

背景技术：

地铁盾构隧道和其它地下建筑结构一样埋于地面以下，其隧道内部温度、湿度与地面不同并且随季节变化不大。地铁隧道正常运营期间，列车运行密度高，列车所引发的活塞风、振动都会对结构以及监测器械产生影响，再加上地铁盾构隧道管理的法律法规对隧道内部机械安装、线路布置都有严格的规定，这些都对地铁盾构隧道监测提出了独特要求。

对于地铁盾构隧道纵向沉降的监测，主要有以下方法：

静力水准监测能实现一定程度的自动化和数字化，在隧道结构沉降变形风险监测中经常使用，但其仪器体积较大，不便安装，不适用于高差变化较大区段；会受到温度、气压、重力异常等因素的影响。

人工水准测量应用广泛，方法成熟，仪器价格便宜。但是需要工作人员持仪器进入隧道，因此无法实现运营期隧道的全天候监测，只能用于非运营状态的隧道，并且人工水准测量费时费工，效率低下。

电水平尺是一种精度、分辨力极高而稳定性又好的传感器，安装方便，在地铁监护中使用，不仅能保证地铁的正常运行，而且能够不间断地提供实时监测数据和变化曲线。但其一次性投入高，重复利用率低。

目前可采用在运行下测斜管内的测量车进行隧道沉降的测量，但是为了保证测量的准确性，必须保证测量车在测斜管内恒速运行，但是如何保证测量车的恒速目前尚未见到上述报道。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法，可以保证测量车在测斜管内的恒速运动，保证数据采集的准确性。

实现上述目的的一种技术方案是：一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法，所述测量车在所述隧道沉降监测系统的测斜管中贴壁运行，该驱动方法通过压控振荡器、步进电机驱动器和步进电机驱动所述测量车的车轮；包括下列步骤：

s1：步进电机启动；

s2：通过压控振荡器的压控端接收一个幅值单调下降至恒定值的电压信号使所述压控振荡器的输出端输出一个频率随所述电压信号幅值的单调下降而同步单调递增至恒定值的斩波脉冲；

s3：通过所述压控振荡器输出的斩波脉冲使所述步进电机驱动器同步输出一个频率随所述斩波脉冲频率的单调递增而同步单调递增至恒定值的角位移信号，从而使所述步进电机的转子的转速达到恒定值，并通过所述步进电机驱动所述测量车的车轮的恒速转动。

进一步的，所述压控振荡器的压控端接收的电压信号的幅值以指数衰减的方式单调下降至恒定值。

进一步的，所述电压信号的单调下降至恒定值是通过rc积分器实现的，所述电压信号幅值单调下降的值为所述rc积分器所接收的阶跃信号ujy的幅值。

再进一步的，所述压控振荡器输出的斩波脉冲的频率f0的公式为：

其中vcc为所述压控振荡器的供电电压，vco为所述压控振荡器压控端所接收的电压信号的幅值，且0≤vco≤vcc；r10为所述压控振荡器dis引脚所接的接地电阻的电阻值，c19为所述压控振荡器rt引脚所接的接地电容的电容值。

再进一步的，所述电压信号输入所述压控振荡器的压控端前经过反相处理。

采用了本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法的技术方案，所述测量车在所述隧道沉降监测系统的测斜管中贴壁运行，该驱动方法通过压控振荡器、步进电机驱动器和步进电机驱动所述测量车的车轮；包括下列步骤：s1：步进电机启动；s2：通过压控振荡器的压控端接收一个幅值单调下降至恒定值的电压信号使所述压控振荡器的输出端输出一个频率随所述电压信号幅值的单调下降而同步单调递增至恒定值的斩波脉冲；s3：通过所述压控振荡器输出的斩波脉冲使所述步进电机驱动器同步输出一个频率随所述斩波脉冲频率的单调递增而同步单调递增至恒定值的角位移信号，从而使所述步进电机的转子的转速达到恒定值，并通过所述步进电机驱动所述测量车的车轮的恒速转动。其可技术效果是：可以保证测量车在测斜管内的恒速运动，保证数据采集的准确性。

附图说明

图1为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法所对应的隧道沉降监测系统中测斜管与测量车安装主视图。

图2为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法所对应的隧道沉降监测系统中测斜管与测量车安装左视图。

图3为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法所对应的隧道沉降监测系统中红外发射器和红外接收器的安装示意图。

图4为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法所对应的隧道沉降监测系统中第一倾角传感器和第二倾角传感器的安装示意图。

图5为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法所对应的隧道沉降监测系统的结构图。

图6为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法所对应的隧道沉降监测系统中第一基准源电路和第二基准源电路连接示意图。

图7为本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

隧道沉降监测系统包括沿着隧道的轴向在所述隧道内壁上依次连接的测斜管300，以及可在测斜管300内贴壁运行的测量车400。测量车400上布置有若干组呈十字排列的车轮401，使测量车400与测斜管300贴壁，减少测量车400的机械振动。车轮401通过预压紧装置402安装在测量车400上。

测量车400上设有第一基准源电路1a、第二基准源电路1b、第一倾角传感器2、第二倾角传感器3、差分放大器4、模数转换器5、zigbee发射装置6、红外发射器7、红外接收器8、施密特整形器9、单片机10、压控振荡器11、步进电机驱动器12和用于驱动车轮401恒速转动的步进电机13。

其中，第一基准源电路1a同时连接第一倾角传感器2、第二倾角传感器3的电源端，为第一倾角传感器2、第二倾角传感器3提供稳定的供电电源。第一基准源电路1a还连接模数转换器5以及步进电机驱动器12的参考电源端，为模数转换器5和步进电机驱动器12提供稳定的参考电压。

由于第一倾角传感器2和第二倾角传感器3的输出误差响应与供电电源的稳定性具有紧密的关联，因此采用第一基准源电路1a是极为必要的。

本实施例中第一基准源电路1a选用ref195基准源芯片，ref195基准源芯片可以提供高达30毫安、并且具有2ppm/℃温度漂移的优良性能。

第一倾角传感器2和第二倾角传感器3均采用sca100t型双高精度倾角传感器，其目的是为了获取差分倾角数据，这将有效地抑制由于测量车400的机械振动引起第一倾角传感器2和第二倾角传感器3产生的共模噪声。

其原理是：第一倾角传感器2和第二倾角传感器3对齐后上下层叠安装，使第一倾角传感器2和第二倾角传感器3各自的x轴和y轴构成的平面向背。第一倾角传感器2和第二倾角传感器3的x轴与测量车400的位移方向平行但方向相反，第一倾角传感器2和第二倾角传感器3的y轴与测量车400的振动方向平行且方向相同。第一倾角传感器2生成与测量车400在测斜管300内振动对应的第一振动信号，以及与测量车400在测斜管300内位移对应的第一位移信号。第二倾角传感器3生成与测量车400在测斜管300内振动对应的第二振动信号，以及与测量车400在测斜管300内位移对应的第二位移信号。

因此，第一振动信号和第二振动信号为一对共模信号，经差分放大器4放大后，该对共模信号被抵消。同样，由于第一位移信号和第二位移信号是一对差模信号，因此经差分放大器4的输出端最终输出的模拟信号为第一位移信号和第二位移信号的叠加。

差分放大器4的输出端设有一个接地的10μf的降噪电容cf，以期达到进一步抑制低频噪声的目的，因为测量车400机械振动的主要频谱是集中在低频段上。差分放大器4的输出的模拟信号经降噪电容cf滤波后被馈入模数转换器5的输入端。模数转换器5为16位的模数转换器。差分放大器4的输出的模拟信号经模数转换器5转换为数字信号后被送入zigbee发射装置6，本实施例中zigbee发射装置6为cc2530型zigbee传感器，完成倾角数据的采集。

本实施例不采用本实施例中zigbee发射装置6内置的12位模数转换模块的原因在于其精度不够。

令第一位移信号和第一振动信号对应为ux1信号和uy1信号，第一位移信号和第一振动信号对应从第一倾角传感器2的out1端口和out2输出。令第二位移信号和第二振动信号对应为ux2信号和uy2信号，第二位移信号和第二振动信号对应从第二倾角传感器3的out1端口和out2输出。ux1信号和ux2信号为一组差模信号，uy1信号和uy2信号为一组共模信号。首先通过对应的第一运算放大器19，对第一倾角传感器2的输出信号和第二倾角传感器3的输出信号施以比例系数为a的低噪声前置放大，得到aux1信号、auy1信号、aux2信号和auy2信号，aux1信号和auy1信号接入差分放大器4的ina+端口，aux2信号和auy2信号接入差分放大器4的ina-端口，通过差分放大器4的差分运算，得到a(ux1-ux2)信号及a(uy1-uy2)信号。由此实现了在与测量车400在测斜管300内位移方向平行的方向相对安置的第一倾角传感器2和第二倾角传感器3的x轴，完成对于测量车400振动信号和位移信号的修正。

a(ux1-ux2)信号经模数转换器5完成模数转换后，被采入zigbee发射装置6,zigbee发射装置6内置中央处理器对采入数据实行相关运算处理后被无线传送至邻近的zigbee中继接力器，供后台依照zigbee发射装置6传递过来的数据对隧道的沉降情况进行测定。

本实施例中的两个第一运算放大器19均为opa184运算放大器，其具有低噪声、单电源供电、轨到轨输入输出的功能，其目的是在单电源供电的情况下尽可能扩大第一位移信号、第一振动信号、第二振动信号和第二位移信号处理的动态范围。本实施例中a＝2，以保证差分放大器4输出的模拟信号的动态范围。本实施例中差分放大器4为高精度仪器放大器ad620。

差分放大器4采用单电源供电，因此其参考电源端端需要接入一个vcc/2低阻抗参考源。

第二基准源电路1b采用adr4550基准源芯片，其输出电压为5v，具有极其优良的低噪声、低温漂性能，为模数转换器5提供供电电压。

本实施例中模数转换器5为ad7988模数转换器，模数转换器5除了需要高精度的基准电压外，其供电电压需要vcc/2的供电电压，即2.5伏供电；并且差分放大器4也需要一个高稳定的2.5伏中点参考源。为了产生高稳定的2.5伏供电电源，本实施例中在第二基准源电路1b的输出端设置了第二运算放大器18，第二运算放大器18为op184运算放大器，第二运算放大器18同时连接模数转换器5的电源端和差分放大器4的参考电源端，第二运算放大器18跟随经分压的第二基准源电路1b产生基准源，得到的高精度2.5伏低阻抗电压源，分别为模数转换器5提供供电，为差分放大器4提供中点参考源。

通过红外发射器7和红外接收器8，可实现对测量车400在测斜管300中位置的感知，以及可能产生的卡死或堵转故障的监测。红外发射器7和红外接收器8均固定在与测量车400中任意一个车轮401对应的预紧装置402上。该车轮401上开有供红外发射器7和红外接收器8间歇进行通信的圆孔403。红外接收器8连接施密特整形器9，施密特整形器9连接单片机10，单片机10通过红外接收器8对运行在测斜管300中的测量车400的运动状态实施监测。其原理描述如下：在测量车400在测斜管300内运行时，车轮401每旋转一周；红外发射器7和红外接收器8进行一次通信，红外接收器8收到一次红外发射器7发射的电脉冲，该电脉冲经施密特整形器9整形后被馈入单片机10实行计数。由于车轮401的周长是个常量，因此计算电脉冲的计数值和车轮401的周长的乘积便可获得测量车400在测斜管300中运行的距离，由此得到测量车400在测斜管300中的位置。该电脉冲还被用于获知测量车400的运动状态，当测量车400的运动时间不断地累积但电脉冲的计数值保持不变时，即可得到测量车400在测斜管300内发生堵塞。电脉冲的计数值以及测量车400的运动时间也通过单片机10和zigbee发射装置6被发送给邻近的zigbee中继接力器。

采用红外发射器7和红外接收器8的优点在于：无须产生譬如使用光电管方式时需要的辅助光源，并有效地屏蔽了由于可见杂散光干扰产生的误操作。

本实施例中，红外发射器7为红外收发二极管se304、红外接收器8，为pic14043红外接收器。每当车轮401上的圆孔403转到与红外发射器7以及红外接收器8对应的位置时，红外发射器7产生一个电脉冲，该电脉冲被红外接收器8接收后，通过施密特整形器9整形，被读入单片机10，启动单片机10中的定时计数器，对送入电脉冲的进行计数，并定期采样该定时计数器中的电脉冲的计数值tcn1，运算电脉冲的计数值tcn1与车轮401周长lzc的乘积便可得到测量车400在测斜管300中的位置。单片机10的定时计数器还外接晶振101，晶振101为xcxo型晶振。晶振101经2¹⁵分频后获得的秒时钟实行计数操作，该秒时钟与红外发射器7、红外接收器8产生的车轮401转动圈数计数值，即电脉冲的计数值tcn1是一一对应的关系，当其一一对应的关系发生被破坏时，测量车400可能产生的卡死或堵转故障，单片机10报警，从而实现测量车400运动状态的监测。

单片机10连接压控振荡器11的压控端，压控振荡器11的输出端连接步进电机驱动器12的时钟端，步进电机驱动器12连接控制测量车400的车轮401恒速转动的步进电机13。设置压控振荡器11的目的是控制测量车400的驱动源，保证步进电机13的平稳启动和运行。一般来说，步进电机13的空载启动频率一般不宜低于40khz，否则会产生测量车400振动。步进电机13启动时控制频率由低到设定稳态；停止前，控制频率由稳态变低。步进电机13的控制频率的变化应遵循指数型变化，通常加减速的时间不宜小于300毫秒，否则会产生测量车400失步或抖动；采用细分控制可降低步进电机13运行时的测量车400抖动；测量车400高速运转需要维持一定的电压，否则会产生测量车400堵转。

本实施例中的压控振荡器11采用函数发生集成电路lm566。函数发生集成电路lm566是一种压控函数发生器，可产生从低频至1mhz的方波或三角波信号，压控振荡器11的输出信号的频率变化与压控端的电压的幅值关联，由此仅需在压控振荡器11的压控端与单片机10的输出端之间接入一个rc积分器17、并且对rc积分器17送入一个高电平，rc积分器17的电容c经历一个从零电平开始、并且按指数规律增长、最终为一恒定电平的信号过程，同样，步进电机驱动器12输出的角位移脉冲经历了从极低频率开始、按指数规律增长、最终达到稳态的过程。

反之，当rc积分器17的输入高电平被移开后，rc积分器17的电容上的电压将按指数规律下降，直至为零，从而步进电机驱动器12输出的角位移脉冲的频率由稳态按指数规律递减直至为零，由此极为简单可靠地实现了步进电机13的加减速斩波频率的控制。

本实施例中，测量车400沿测斜管300运动的位置与第一倾角传感器2、第二倾角传感器3的数据必须遵循严格一一对应的关系，由此，测量车400的运动速率必须是恒定的。通过使用由步进电机驱动器12控制的步进电机13驱动测量车400运动即可实现。步进电机13的转速是由步进电机驱动器12输出的角位移脉冲的频率决定的，并且，步进电机13转子的转角可以精确细分，只要角位移脉冲的频率稳定则步进电机13单位时间内转子的转过角度是一定的。角位移脉冲的频率是通过位于单片机10上的晶振101来控制的，假定步进电机13的细分率为32，角位移脉冲的频率为5.0khz，则步进电机13的转子转动一周需要11540个角位移脉冲。

本实施例中测量车400的车轮401直径为30mm，车轮401运转一周的距离为lzc，测量车400运动速率设计为0.3m/s，因此步进电机13的转子的转速为3.238r/s，则步进电机13的转子应加入一个频率为31.30khz的角位移脉冲。

本实施例中晶振101的振荡频率取40mhz，该晶振101的振荡输出作为单片机10的时钟，步进电机13所需的角位移脉冲的频率为31.30khz，通过单片机10内置的定时计数器获得。

本实施例中单片机10为stc12c5628ad单片机。

假定步进电机13启动前，rc积分器17上的电容c的压降uc为零，步进电机13启动后，单片机10向rc积分器17的电容c发出一个阶跃信号ujy，rc积分器17上的电容c的压降uc开始以指数方式递增，大约经过5-6个τ周期后，rc积分器17上的电容c压降变化为ujy，步进电机驱动器12进入稳态。其中τ＝1/rc，压控振荡器11可实现从极低到10mhz频率斩波脉冲的输出，斩波脉冲的频率受压控振荡器11压控端控制，且线性良好。在压控振荡器11压控端加入一个正向线性扫描电压时，压控振荡器11输出端输出的斩波脉冲的频率将发生由低到高的重复过程，同理，将rc积分器17上的电容的压降uc的从零起始、按指数规律递增直至达到稳态的电压uc，加到压控振荡器11压控端时，压控振荡器11的输出端输出的斩波脉冲的频率将经历一个由零开始，按指数规律增长并最终达到稳定频率的过程。调整rc积分器17的τ周期，可改变压控振荡器11输出的斩波脉冲的频率由零到达稳态所需的时间，从而可轻易地满足步进电机13对角位移脉冲的功能要求。因此,rc积分器17的电阻r为可变电阻。

单片机10向rc积分器17上的电容c发出一个5v的阶跃信号ujy，由于rc积分器17的电容c来不及充电，在rc积分器17和压控振荡器11的压控端之间串接一个反相器16，倒相后馈入压控振荡器11的压控端。同时压控振荡器11的关闭控制引脚，即dis引脚连接接地的电容c19，压控振荡器11的外接振荡频率定时电阻引脚，即rt引脚连接接地的电阻r10。

压控振荡器11的振荡频率为f0：

式中：vcc为压控振荡器11的供电电压，为5v。

vco为反相器16的输出信号的幅值，范围为0～5v。

压控振荡器11的输出的斩波脉冲由电阻r10、电容c19及反相器16的输出信号的幅值vco决定，压控振荡器11的输出的斩波脉冲的频率由零递增到40khz时，因为随着rc积分器17的电容c的不断被充电，压控振荡器11的压控端的电压按衰减指数规律下降，从而导致压控振荡器11的输出的斩波脉冲的频率按指数规律递增，直到压控振荡器11的压控端的电压为零，压控振荡器11的输出的斩波脉冲的频率达到稳态。压控振荡器11的输出端连接步进电机驱动器12的时钟端，本实施例中步进电机驱动器12为thb6128型步进电机驱动芯片。步进电机驱动器12的输出a1输出端和a2输出端，连接并用于驱动步进电机13的a绕组，步进电机驱动器12的输出b1输出端和b2输出端，连接并用于驱动步进电机13的b绕组。同时步进电机驱动器12连接电池组。

同时，所述电池组连接将电压从16v将为5.5v的高频直流/直流变换器，本实施例中，第一高频直流/直流变换器为lm22674高频直流/直流变换器，为保证第一基准源电路1a生成的是低噪声、低漂移的稳定直流5伏电源，该高频直流/直流变换器的输出端与第一基准源电路1a增加了线性低压差稳压器，本实施例中，线性低压差稳压器为tps735线性低压差稳压器。直流/直流降压器lm117-3.3直流/直流降压器，用以将5.5伏输入电压变化为3.3伏输出，供zigbee发射装置6使用。

本实施例中，通过单线集成温度传感电路连接单片机10，监视被测环境的温度，单线集成温度传感电路优选ds1820单线集成温度传感电路。

本发明的一种用于隧道沉降监测系统的测量车驱动方法，包括下列步骤：

s1：步进电机启动；

s2：通过单片机10向rc积分器17输出一个阶跃信号ujy，rc积分器17的压降uc从零开始单调递增至阶跃信号ujy的幅值。rc积分器17输出的电压信号经过反相器16的反相后，输入压控振荡器11的压控端。

压控振荡器11所接收的电压信号的幅值以指数衰减的方式单调下降至恒定值，使压控振荡器11的输出端同步输出一个频率同步以指数方式单调递增至恒定值的斩波脉冲。

压控振荡器11输出的斩波脉冲的频率f0的公式为：

其中vcc为压控振荡器11的供电电压，vco为压控振荡器11压控端所接收的电压信号的幅值，且0≤vco≤vcc；r10为压控振荡器11的dis引脚所接的接地电阻的电阻值，c19为压控振荡器11的rt引脚所接的接地电容的电容值。

s3：通过压控振荡器11输出的斩波脉冲使步进电机驱动器12同步输出一个频率随所述斩波脉冲频率的单调递增而同步单调递增至恒定值的角位移信号，从而使步进电机13的转子的转速达到恒定值，并通过步进电机13驱动所测量车400的车轮401的恒速转动。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。