一种用于盾构螺旋输送机的超声波压力测量装置的制作方法

本发明涉及一种压力测量装置，特别是一种用于盾构螺旋输送机的超声波压力测量装置。

背景技术：

螺旋输送机在输送形式上分为有轴螺旋输送机和无轴螺旋输送机两种，在外型上分为u型螺旋输送机和管式螺旋输送机。有轴螺旋输送机适用于无粘性的干粉物料和小颗粒物料；而无轴螺旋输送机适合有粘性的和易缠绕的物料。螺旋输送机一般由输送机主体、进出料口及驱动装置三大部分组成。螺旋输送机的螺旋轴在物料运动方向的终端有止推轴承以随物料给螺旋的轴向反力，在机长较长时，应加中间吊挂轴承。螺旋输送机与其它输送设备相比，具有整机截面尺寸小、密封性能好、运行平稳可靠、可中间多点装料和卸料及操作安全、维修简便等优点。盾构螺旋输送机一般用来传送渣土，传送渣土的管道内部压力是衡量盾构螺旋输送机工作状态的重要指标，根据管道内部压力对盾构螺旋输送机的工作进行调整，可以有效保证盾构螺旋输送机安全地工作，避免安全事故。但是目前没有合适的测量装置用来对盾构螺旋输送机的管道内部压力进行测量，使得盾构螺旋输送机管道内部压力的测量工作很难进行。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于盾构螺旋输送机的超声波压力测量装置。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：一种用于盾构螺旋输送机的超声波压力测量装置，包括放在盾构螺旋输送机圆管下表面的声导介质、用于发射超声波和接收回波的超声波换能器、用于处理回波的超声波接收器、rs232接口模块以及用于处理回波数据的计算机，超声波换能器一端与声导介质接触，超声波换能器另一端与超声波接收器连接，所述超声波接收器通过rs232接口模块与计算机连接。

进一步，所述超声波接收器包括放大电路、滤波电路、增益电路以及电压比较电路，所述放大电路的输入端与超声波换能器连接，放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与增益电路的输入端连接，增益电路的输出端与电压比较电路的输入端连接，电压比较电路的输出端通过rs232接口模块与计算机连接。本发明的超声波接收器先对回波进行初步处理，排除干扰，便于计算机对回波进行数据分析。

进一步，接触面刚度与超声回波的关系式为式中，cr为超声回波系数，即回波与发射超声波的比值，k为接触界面的刚度系数，ω为超声波脉冲的角频率，j为虚数单位，x1u、x2u为接触界面两种材料的超声波脉冲阻抗，材料的超声波脉冲阻抗为超声波脉冲在该材料中的传波速度与材料密度的乘积，其中接触面刚度式中，接触体在正压力pnorm作用下产生了u个单位变化量，此时接触面的刚度系数为k。本发明通过以上公式计算压力pnorm，十分便捷和快速。x1u为渣土的超声波脉冲阻抗，x2u盾构螺旋输送机圆管的超声波脉冲阻抗。

进一步，本发明还包括xyz扫描系统和多个声导介质，所述xyz扫描系统包括用于移动超声波换能器对多个声导介质所在测试点进行压力检测的xyz扫描支架和用于为xyz扫描支架提供动力的步进电机，所述步进电机与计算机连接，超声波换能器安装在xyz扫描支架上。本发明将超声波换能器安装在xyz扫描支架上，这样便于移动超声波换能器对不同的测试点进行压力检测。

本发明的有益效果是：本发明是一种用于盾构螺旋输送机的超声波压力测量装置，本发明通过放在盾构螺旋输送机圆管下表面的声导介质使用超声波进行压力检测，可以准确测出管道的内部压力，根据测得的压力数据对盾构螺旋输送机的工作进行调整，保证了盾构螺旋输送机的稳定运行。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的测量公式推导示意图。

具体实施方式

图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的测量公式推导示意图，如图1和图2所示，一种用于盾构螺旋输送机的超声波压力测量装置，包括放在盾构螺旋输送机圆管下表面的声导介质1、用于发射超声波和接收回波的超声波换能器2、用于处理回波的超声波接收器3、rs232接口模块4以及用于处理回波数据的计算机5，超声波换能器2一端与声导介质1接触，超声波换能器2另一端与超声波接收器3连接，所述超声波接收器3通过rs232接口模块4与计算机5连接。所述超声波接收器3包括放大电路、滤波电路、增益电路以及电压比较电路，所述放大电路的输入端与超声波换能器2连接，放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与增益电路的输入端连接，增益电路的输出端与电压比较电路的输入端连接，电压比较电路的输出端通过rs232接口模块4与计算机5连接。本发明的超声波接收器3先对回波进行初步处理，排除干扰，便于计算机5对回波进行数据分析。

优选的，本发明的接触面刚度与超声回波的关系式为式中，cr为超声回波系数，即回波与发射超声波的比值，k为接触界面的刚度系数，ω为超声波脉冲的角频率，j为虚数单位，x1u、x2u为接触界面两种材料的超声波脉冲阻抗，材料的超声波脉冲阻抗为超声波脉冲在该材料中的传波速度与材料密度的乘积，其中接触面刚度式中，接触体在正压力pnorm作用下产生了u个单位变化量，此时接触面的刚度系数为k。本发明通过以上公式计算压力pnorm，十分便捷和快速。x1u为渣土的超声波脉冲阻抗，x2u盾构螺旋输送机圆管的超声波脉冲阻抗。包括xyz扫描系统和多个声导介质1，所述xyz扫描系统包括用于移动超声波换能器2对多个声导介质1所在测试点进行压力检测的xyz扫描支架和用于为xyz扫描支架提供动力的步进电机，所述步进电机与计算机5连接，超声波换能器2安装在xyz扫描支架上。本发明将超声波换能器2安装在xyz扫描支架上，这样便于移动超声波换能器2对不同的测试点进行压力检测。

盾构螺旋输送机圆管内的渣土与圆管内壁的接触面就像一层弹簧垫。微接触区域状态如示意图2所示。a图中i为的入射超声波的幅度，r为回波的幅度，t为透射波的幅度。b图中在正压力作用下pnorm接触体产生了u个单位变化量。c图中用弹簧模拟了这种接触面的相互作用。因此，接触面刚度由公式如下所示。

由于盾构机工作环境一般在底下十几米至六十几米之间，平均土仓压力在0.3mpa左右。相当于3公斤每平方厘米的力。当盾构螺旋输送机圆管内压力较大时，螺旋管内的渣土与圆管内壁接触十分紧密，接触界面的刚度较大，接触面孔隙较小，为超声波脉冲的贯通传波创超了声导介质1条件，超声波脉冲几乎全部通过接触面；当盾构螺旋输送机圆管内压力较小时，接触界面的刚度较小，界面孔隙较大，超声波脉冲几乎全部被反射回来。通过超声回波，运用弹簧模型确定接触面刚度。接触面刚度与超声回波的关系如下所示：

式中，cr为超声回波系数，回波所占入射波的比例，k为接触界面的刚度系数，ω为超声波脉冲的角频率，ω＝2πf，j为虚数单位，x1u、x2u为接触界面两种材料的超声波脉冲阻抗，材料的超声波脉冲阻抗为超声波脉冲在该该材料中的传波速度与材料密度的乘积。接触面压力与接触面刚度之间的关系，经由多次加载、卸载标定实验拟合确定。

步进电机驱动扫描系统移动到预设定测试点后，单片机所输出方波脉冲经升压后激励压电晶片超声脉冲。该脉冲经声透镜聚焦后发射至接触面。同时超声波接收定时启动计时。延时时间到后同一个超声波换能器2接收回波。该回波信号经放大电路、滤波电路、增益电路以及电压比较电路后经rs232接口模块4送至计算机5处理，如此实现该点的测试工作。计算机5处理完该测试点数据后，控制步进电机将超声波换能器2移到下一个测试点，重复上述测试过程。如此动作完成所有测试点的测量工作。所述单片机设置于超声波换能器2内部。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。