一种用于盾构机出土密度的实时检测仪器及方法与流程

1.本发明涉及盾构机出土密度测量技术领域，特别涉及一种用于盾构机出土密度的实时检测仪器及方法。


背景技术：

2.针对盾构机出土的密度进行实时监测，对隧道开掘作业安全等方面进行有效保障具有十分重要的意义。出土量与开挖面压力呈反比关系，直接影响掘进处地面的隆起与塌陷，对施工安全及效率起着决定性作用。掌握渣土密度可以有效估测盾构机掘进施工的出土量，对于盾构机掘进参数调整、掘进效率、安全具有重要的指导作用。
3.目前现有技术中对渣土密度测量的方式主要有静态式和动态式两大类。
4.其中结构较为简单的方式是静态式密度测量。主要的技术方案如下：
5.申请号为202022345950，名为一种密度测量仪的中国实用新型专利申请，其技术方案主要是提高了利用质量和体积测量密度的精度，其核心技术方案依然是利用质量与标准体积的比值得到密度。
6.申请号为202022389862，名为一种粉料密度测量工具的中国实用新型专利，其技术方案为利用李氏比重瓶对体积进行精确快速测量，从而精确得到密度。但是其核心依然是利用质量与标准体积的比值得到密度。
7.申请号为201711390575，名为一种盾构机出土量测量及预警系统的中国发明专利，其技术方案中才用了重量传感器、速度传感器和红外线面积扫描传感器等设备，提高了测量出土量的速度，但是其实质依然是利用出土的质量与体积的比确定出土的密度。
8.基于质量与标准体积的比值得到密度的方法具有一些缺陷：1.要求被测物分布均匀并具有标准体积；2.体积与质量测量的误差较大且不易减小；3.由于要求静态读数因此无法快速实时得到密度的值。
9.为了实现工业上要求的快速检测，目前市场上的基于动态密度测量方法的方法主要有以下三类：振动型密度计、同位素型密度计和超声波型密度计。但是这三类产品具有以下缺陷：振动型密度计需要依赖振动频率的改变量和密度变化的平方根成正比这一原理进行测量，因此当密度变化很小时，振动频率的改变量也很小，不利于精密检测要求。
10.放射性同位素型检测仪主要包含一个放射性源，有可能会对人体造成伤害。
11.超声波型检测仪携带有一定的能量，有可能对测量物的形状造成改变，所测量的结果会失真。
12.因此，基于以上现有技术中出现的各种问题，工业作业中亟需一种快速、准确、精度较高、对人安全且非接触测量物、不改变测量物性状的密度检测技术。


技术实现要素：

13.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于盾构机出土密度的实时检测仪器及方法，所述技术方案如下：
14.一方面，本发明提供了一种用于盾构机出土密度的实时检测仪器，包括第一太赫兹源、第二太赫兹源和相干探测系统，
15.所述相干探测系统设有参考路入口和探测路入口，所述参考路入口与所述第一太赫兹源的发射端通过金属管连通，所述第一太赫兹源发射的太赫兹波通过所述金属管进入所述参考路入口；所述探测路入口与所述第二太赫兹源的发射端相对，渣土样品放置在所述探测路入口与所述第二太赫兹源之间，所述第二太赫兹源发射的太赫兹波穿过所述渣土样品进入所述探测路入口；
16.所述第一太赫兹源和第二太赫兹源发出的太赫兹波在所述相干探测系统内发生干涉并显示出相应的电平变化情况。
17.进一步地，所述的用于盾构机出土密度的实时检测仪器还包括第一频率转换装置和第二频率转换装置，所述第一频率转换装置和第二频率转换装置分别设置在所述第一太赫兹源和第二太赫兹源的发射端，所述第一频率转换装置用于调整所述第一太赫兹源发射端的输出频率，所述第二频率转换装置用于调整所述第二太赫兹源发射端的输出频率，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源发出的太赫兹波的频率相同。
18.进一步地，所述相干探测系统包括反射镜、半透半反镜、探测器和示波器，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源发出的太赫兹波分别经过不同的反射镜反射后到达所述半透半反镜发生干涉，发生干涉后的太赫兹波射入所述探测器中，使得所述探测器相应输出电信号至所述示波器显示。
19.进一步地，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源发出的太赫兹波从各自的发射端到所述半透半反镜之间的路径距离相同。
20.进一步地，所述参考路入口与所述第一太赫兹源的发射端相正对，所述探测路入口与所述第二太赫兹源的发射端相正对。
21.进一步地，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源均为高于50mw的单一频率电子源。
22.另一方面，本发明提供了一种用于盾构机出土密度的实时检测方法，包括以下步骤：
23.s1、第一太赫兹源发射第一太赫兹波，其通过金属管进入相干探测系统，第二太赫兹源发射第二太赫兹波，其穿过渣土样品进入所述相干探测系统；
24.s2、两个太赫兹波在所述相干探测系统内部发生干涉，并探测到发生干涉后的太赫兹波信号相应电平变化的时间间隔，作为时间延时；
25.s3、更换不同已知密度的渣土样品，分别进行步骤s1-s2，以得到渣土样品的密度与相应时间延时的函数关系；
26.s4、更换到待测的渣土样品，进行步骤s1-s2，得到待测的渣土样品对应的时间延时，并通过步骤s3中标定的函数关系，得到待测的渣土样品的密度。
27.进一步地，在步骤s1中，通过调节所述第二太赫兹源发射的第二太赫兹波的频率，以保证所述相干探测系统能够接收到所述第二太赫兹波，并调整所述第一太赫兹源发射的第一太赫兹波的频率与所述第二太赫兹波相同。
28.进一步地，在步骤s2中，记录发生干涉后的太赫兹波在所述相干探测系统上输出信号的高低电平间隔时间，取预设时间段内相应输出信号的高低电平的间隔时间的平均值作为时间延时。
29.进一步地，在步骤s4中，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源位于渣土传送带的一侧，所述相干探测系统位于所述传送带的另一侧，所述第二太赫兹波穿过所述渣土传送带上的渣土样品进入所述相干探测系统。
30.本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：
31.a.测量速度快且准确，操作简单；
32.b.不涉及有害及放射性射线，对操作人员安全。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明实施例提供的用于盾构机出土密度的实时检测仪器结构示意图；
35.图2是本发明实施例提供的用于盾构机出土密度的实时检测仪器中频率转换装置安置位置结构示意图；
36.图3是本发明实施例提供的用于盾构机出土密度的实时检测仪器中频率转换装置中金属栅极层截面示意图；
37.图4是本发明实施例提供的用于盾构机出土密度的实时检测仪器中相干探测系统结构示意图；
38.图5是本发明实施例提供的用于盾构机出土密度的实时检测仪器中相干探测系统的半透半反镜结构示意图。
39.其中，附图标记分别为：1-第一太赫兹源，2-第一频率转换装置，21-第一高阻硅透镜，22-外尔半金属层，23-金属栅极层，24-第二高阻硅透镜，3-第二太赫兹源，4-第二频率转换装置，5-金属管，6-相干探测系统，61-参考路入口，62
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探测路入口，63-反射镜，64-半透半反镜，641-ito膜，642-基底，65-探测器。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
41.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
42.在本发明的一个实施例中，提供了一种用于盾构机出土密度的实时检测仪器，参见图1，包括第一太赫兹源1、第二太赫兹源3和相干探测系统6，所述第一太赫兹源1和第二太赫兹源3为单频高功率太赫兹源，两者型号相同，均为高于50mw的单一频率电子源，如雪崩二极管，返波管等；所述相干探测系统6设有参考路入口61和探测路入口62，所述参考路入口61与所述第一太赫兹源1的发射端通过金属管连通，所述第一太赫兹源1发射的太赫兹波通过所述金属管进入所述参考路入口61；所述探测路入口62与所述第二太赫兹源3的发射端相对，渣土样品放置在所述探测路入口62与所述第二太赫兹源3之间，所述第二太赫兹源3发射的太赫兹波穿过所述渣土样品进入所述探测路入口62；所述第一太赫兹源1和第二太赫兹源3发出的太赫兹波在所述相干探测系统6 内发生干涉并显示出相应的电平变化情况。
43.其中，两个太赫兹源与相干探测系统6之间的距离根据使用场景决定，可以设置在传送带的左右两侧也可以设置在装在车的车厢中。所述参考路入口61 与所述第一太赫兹源1形成参考路，所述探测路入口62与所述第二太赫兹源3 形成探测路。其中，参考路需要用一个金属管封闭，也就是说从参考路的太赫兹源出来的太赫兹波经过金属管5传播到探测器上，金属管5为金属中空管，其起到隔绝探测物的作用。探测路和参考路的太赫兹源必须设置在同一个平面上，即底端对齐。相干探测系统6的两个入口决定了两个源之间的距离，根据实际使用场景决定其距离，两个源与对应的入口必须正对，倾斜方位角须小于 5
°
。
44.为了提高测量的准确性，所述实时检测仪器还包括第一频率转换装置2和第二频率转换装置4，所述第一频率转换装置2和第二频率转换装置4分别设置在所述第一太赫兹源1和第二太赫兹源3的发射端出口处，所述第一频率转换装置2能够调整所述第一太赫兹源1发射端的输出频率，所述第二频率转换装置4能够调整所述第二太赫兹源3发射端的输出频率，所述第一太赫兹源1和第二太赫兹源3发出的太赫兹波的频率相同。
45.参见图2，第一频率转换装置包括第一高阻硅透镜21、外尔半金属层22、金属栅极层23和第二高阻硅透镜24。从第一太赫兹源1出射的太赫兹波经过第一高阻硅透镜21之后汇聚发散角减小，然后入射到外尔半金属层薄膜上，所述外尔半金属层可以为wte2、mote2等，其制备方法为磁控溅射或者化学气相沉积、物理气相沉积等，其厚度为100μm
±
10μm，然后进入金属栅极层23 中，金属栅极层23用真空蒸镀或者磁控溅射制备，厚度为10μm，参见图3，栅极之间间隔为100μm，其金属宽度为50μm。然后经过第二高阻硅透镜24 准直，两个高阻硅透镜的焦距均为1mm，金属栅极层23可以通过外加电压来改变其倍频的效果，转换不同的输出频率，第二频率转换装置4与第一频率转换装置2的结构设置相同，以实现对于不同类型样品的最佳透过率，此外，在调节频率转换装置时要同步改变其电压，保证二者的输出频率相同。
46.在本发明的一个实施例中，所述相干探测系统6包括反射镜63、半透半反镜64、探测器65和示波器，参见图4，所述第一太赫兹源1和第二太赫兹源3 发出的太赫兹波分别经过不同的反射镜63反射后到达所述半透半反镜64发生干涉，发生干涉后的太赫兹波射入所述探测器65中，使得所述探测器65相应输出电信号至所述示波器显示。所述第一太赫兹源1和第二太赫兹源3发出的太赫兹波从各自的发射端到所述半透半反镜64之间的路径距离相同。
47.具体地，两路太赫兹波分别经过参考路入口61和探测路入口62进入相干探测系
统，分别经过反射镜63到达半透半反镜64，在半透半反镜64上发生干涉后入射到探测器65上并将产生的电信号在示波器上显示出来。其中，所述反射镜1为金、银或者铝镜，直径为3英寸，所述半透半反镜的制备方法如下：参见图5，首先选择1mm厚的直径3英寸金刚石或者高阻硅作为基底642，然后在其上利用磁控溅射法制备一层20μm厚的ito(氧化铟锡)层，即ito膜641，直径为1.5英寸。所述探测器为长波长光电探测器，所述示波器为可显示高低电平的示波器，其带宽为100ghz。所述相干探测系统探测时测量探测路和参考路相干涉得到的高低电平之间的时间间隔即可。
48.参考路入口61和探测路入口62之间距离要根据具体使用场景确定，要求必须和相应的太赫兹源正对，斜方位角须小于5
°
。其中，参见图4，参考路的光程i1+i2+i3须等于探测路光程i4+i5。
49.在本发明的一个实施例中，提供了一种用于盾构机出土密度的实时检测方法，包括以下步骤：
50.s1、第一太赫兹源发射第一太赫兹波，其通过金属管进入相干探测系统，第二太赫兹源发射第二太赫兹波，其穿过渣土样品进入所述相干探测系统；
51.其中，通过调节所述第二太赫兹源发射的第二太赫兹波的频率，以保证所述相干探测系统能够接收到所述第二太赫兹波，并调整所述第一太赫兹源发射的第一太赫兹波的频率与所述第二太赫兹波相同。
52.s2、两个太赫兹波在所述相干探测系统内部发生干涉，并探测到发生干涉后的太赫兹波信号相应电平变化的时间间隔，作为时间延时；
53.其中，记录发生干涉后的太赫兹波在所述相干探测系统上输出信号的高低电平间隔时间，取预设时间段内相应输出信号的高低电平的间隔时间的平均值作为时间延时。
54.s3、更换不同已知密度的渣土样品，分别进行步骤s1-s2，以得到渣土样品的密度与相应时间延时的函数关系；
55.其中，渣土样品可采用已知密度的几种沙土，如石英砂，砂土，粉质砂土，粘土等单一成分的土，以便标定关系。
56.s4、更换到待测的渣土样品，进行步骤s1-s2，得到待测的渣土样品对应的时间延时，并通过步骤s3中标定的函数关系，得到待测的渣土样品的密度。
57.其中，所述第一太赫兹源和第二太赫兹源位于渣土传送带的一侧，所述相干探测系统位于所述传送带的另一侧，所述第二太赫兹波穿过所述渣土传送带上的渣土样品进入所述相干探测系统。
58.本实施例利用两个太赫兹波源配合频率转换器，其中一个通过渣土，另一个利用一个金属管直接入射到相干探测系统中，测量出通过渣土的时间延时，该时间延时与渣土密度呈正相关，通过对于几种已知成分及密度的渣土样品进行定标，然后可以得到测量的样品与定标的渣土之间的密度关系，从而得到待测渣土的密度。这种方法可以实现对渣土密度是实时监测。方便快捷不收现场施工环境限制，测量误差低。
59.具体地，找到已知密度的几种沙土如石英砂，砂土，粉质砂土，粘土等单一成分的土；将上述不同类别的土分别放入探测器的源和接收器之间，厚度超过10cm即可；测量电平信号，如果信号较弱，可以改变频率转换装置的电压，以找到合适的输出频率透过样品；分别记录下输出信号的高低电平的间隔时间δt，并与各自密度ρ进行定标，得到间隔时间与
密度之间的对应结果；将探测器安装到需要使用的机械装置上，太赫兹源和相干探测系统要正对应安装，角度偏差小于5
°
；在探测路上放入待测渣土，渣土高度高于10cm，并取30秒内的输出信号的高低电平的间隔时间的平均值，记作δτ
avg
，并与标准土样进行比对得到待测渣土的密度ρ
x
＝ρ
×
δτ
avg
/δt。
60.本发明提供的用于盾构机出土密度的实时检测仪器及方法可做到实时监测，由于本技术取一段时间内的时间间隔平均值，所以可以降低测量误差，提高探测精度，本技术方案无需特殊的封装保护，可根据使用场景灵活拆卸，组装简单，其可变频率的设计可以针对不同类型的样品时都可以提升其测量精度。此外本技术方案不涉及有害及放射性射线，因此对操作人员安全。
61.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。