CN105096563B - 一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，包括分布式采集模块、磁耦合谐振传输模块和电磁波无线传输模块，其中，测量电极设置在刀盘上，分布式采集模块前端的集线端子连接测量电极，采集测量电极测得的数据，分布式采集模块连接耦磁合谐振传输模块，磁耦合谐振传输模块与刀盘连接的同时，还与电磁波无线传输模块之间通过光纤连接，将信号传输到主控室的电磁波无线接收模块。本发明使得超前地质预报仪器经刀盘上测量电极采集到的数据传输到主控室的主机中，实现对掘进面前方不良地质情况的预报，确保掘进机的安全施工。

Description

一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置

技术领域

本发明涉及一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置。

背景技术

随着我国国民经济的迅速发展，水利水电工程、铁路公路交通工程、市政地铁工程等重大基础工程陆续提上建设日程，极大的促进了隧道工程的建设。进入21世纪，由于盾构掘进机具有掘进速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点，越来越受到施工方的重视，现在大部分的隧道、地铁等地下工程使用盾构掘进机进行施工，因此隧道工程施工逐渐从钻爆法施工向机械化(盾构掘进机)施工过度。

然而在盾构掘进机施工过程中，掘进前方不免会遇到软硬交替、孤石、破碎带、溶洞、含水体等不良地质情况，因此在盾构机上搭载超前地质探测装置进行超前地质预报。在钻爆法隧道施工中，安装在掌子面上的测量电极可以通过电缆将其与主机相连，实现对数据的采集，而在盾构机施工中，测量电极安装在刀盘上，随着掘进机的掘进刀盘不停的匀速旋转，因此简单的电缆连接容易发生电缆扭断，无法满足掘进机施工的要求。

随着无线通讯的迅速发展，无线通讯在桥梁、水利等工程建设中逐渐被使用，信号的传输摆脱了繁杂的电缆连接传输，但是无线通讯受导体影响很大，尤其是密闭的导体空间，使得信号无法从内向外传输。然而盾构掘进机刀盘是一个相对密闭的金属导体空间，阻隔了刀盘与护盾之间的信号传输，因此简单的无线传输也无法满足掘进机施工的要求。

针对于盾构掘进机的施工与刀盘相对密闭的特点，传统的电缆传输与简单的无线传输，无法满足盾构掘进机刀盘上的测量电极与主机之间的信号传输，因此本发明设计了一种分布式无线通讯测量装置，以满足盾构掘进施工的特殊要求。

对于本发明而言，实现掘进机刀盘测量电极与主控室主机之间的信号传输上难题具体如下：

(1)实现测量电极采集到的电压信号经刀盘相对密封的导体空间传输到刀盘外；

(2)刀盘随着掘进匀速旋转，在刀盘与护盾接壤处，实现信号正常的传输；

(3)在掘进机复杂的机械结构中，尽量不影响施工的情况下实现主控室对信号的接收；

(4)测量电极采集到的信号混有不同的干扰信号及噪声，实现对有用信号的提取。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，该装置能够将超前地质预报仪器经刀盘上测量电极采集到的数据传输到主控室的主机中，实现对掘进面前方不良地质情况的预报，确保掘进机的安全施工，本发明的最主要的特点是通过分布式采集模块、磁耦合谐振传输模块与电磁波无线传输模块实现了刀盘到主机的信号传输。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，包括分布式采集模块、磁耦合谐振传输模块和电磁波无线传输模块，其中，测量电极设置在刀盘上，分布式采集模块前端的集线端子连接测量电极，采集测量电极测得的数据，分布式采集模块连接耦磁合谐振传输模块，磁耦合谐振传输模块与刀盘连接的同时，还与电磁波无线传输模块之间通过光纤连接，将信号传输到主控室的电磁波无线接收模块。

所述分布式采集模块包括采集模块与集线模块，其中，采集模块包括与测量电极连接的采集端子与传输线，采集端子与测量电极一一对应。

所述采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行滤波，传输线将信号向后传输。

进一步的，隔离与滤波模块，对采集的信号进行简单滤波的处理，有效去噪。测量电极采集到的信号经过隔离与滤波后经集线模块传输到磁耦合谐振传输模块，实现了信号从相对封闭的刀盘内传输到刀盘外部。

所述传输线沿着刀盘内壁布设。

所述磁耦合谐振传输模块设置于刀盘外侧，与刀盘轴心水平的位置上。

所述磁耦合谐振传输模块包括两个相同谐振频率的线圈，两个线圈相耦合。

所述线圈中一个与刀盘相连接，且该线圈随着刀盘的转动而转动，不因刀盘的转动而使得分布式采集模块的传输线扭断，另一个线圈连接电磁波无线传输模块。

所述分布式采集装置的传输线连接到磁耦合谐振传输模块的线圈上，实现各传输线与对应的线圈一一对应。

所述磁耦合谐振传输模块的线圈分别缠绕在不同的线圈板上，每个线圈板的两端分别通过一个固定装置固定在与刀盘的轴心水平的位置，线圈板端部卡套在固定装置内，与其活动连接。

所述电磁波无线传输模块包括发射端和接收端，接收端设置于主控室，发射端和接收端均包括滤波电路、信号处理传输电路和天线，其中，滤波电路连接有信号处理传输模块，信 号处理传输模块连接天线。

所述滤波电路为8阶巴特沃斯滤波电路，对采集的信号进行进一步的去噪处理。

此处，电磁波的传播减少的因铺设繁杂电缆而带来的诸多麻烦，使得信号在盾构机内传输而不影响正常的施工作业。

信号传输到主机中，并通过软件进行小波阈值滤波与滚动光滑滤波，实现对有用信号的提取，这也为准确探测掘进面前方不良地质情况提供保障。

基于上述装置的安装方法，包括以下步骤：

(1)将采集端子连接到测量电极上并安装到刀盘上，将采集端子的传输线沿着刀盘内壁布设，传输线设置在刀盘内壁上，将所有的采集端子的传输线接到集线模块上，最后通过集线模块集成的传输线缆与固定在刀盘外侧的磁耦合谐振传输模块连接；

(2)在护盾上安装一个与刀盘轴心水平的金属壳体，将磁耦合谐振传输模块放入其中，并通过固定在金属壳体上的固定装置，将磁耦合传输模块固定在与刀盘轴心水平的位置上，最后将分布式采集模块的传输线缆插到磁耦合传输模块的线圈板上；

(3)将电磁波无线传输模块放置到不影响施工的位置并固定，用传输线将电磁波无线发射端与磁耦合谐振传输模块连接，最后在主控室上安装电磁波无线传输接收端，并与主机连接，实现通讯。

本发明的有益效果为：

(1)、通过分布式采集模块，实现了对测量电极信号的采集与传输，尤其是解决了信号从近似金属密封的刀盘内传输到刀盘外侧，并且通过集线端子前端简单的滤波电路实现信号的初步处理；

(2)通过磁耦合谐振传输模块，实现了在刀盘转动的情况下，信号依然能够正常的传输，不因刀盘的转动而出现分布式采集模块传输线的扭断；

(3)通过电磁波无线传输模块，实现了盾构机内测量装置与主机间的信号传输，并且减少了传统电缆传输中因安装、铺设等复杂的环节，节约时间且不影响施工；

(4)通过分布式采集端子的初次滤波，经电磁波无线传输模块的第二次滤波，最后经过软件的小波阈值去噪与滚动平滑滤波处理，能够采集到准确的信号，为精确预报前方不良地质体提供保障。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2(a)是本发明的分布式采集模块整体连接示意图；

图2(b)是本发明的分布式采集模块的采集端子示意图；

图2(c)是本发明的分布式采集模块的集线模块示意图；

图3(a)是本发明的磁耦合谐振传输模块示意图；

图3(b)是本发明的磁耦合谐振传输模块的局部图；

图3(c)是本发明的磁耦合谐振传输模块电路示意图；

图4是本发明电磁波无线传输模块示意图。

其中，1.刀盘，2.护盾，3.测量电极，4.分布式采集模块，5.磁耦合谐振传输模块，6.电磁波无线传输模块，7.隔离模块，8.滤波模块，9.集线盘，10.橡胶管套，11.固定装置，12.线圈板，13.线圈，14.8阶巴特沃斯滤波模块，15.信号处理传输模块，16.天线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明的一种可用于盾构掘进分布式无线通讯装置结构示意图，其中分布式无线通讯装置又由3部分组成，包括分布式采集模块4、磁耦合谐振传输模块5、电磁波无线传输模块6。其中各部分之间的链接阐述如下：分布式采集模块4前端的集线端子分别与各测量电极3连接，后端经集线模块将各集线端子的传输线通过集线盘9集成到一根电缆中并且通过该集成电缆与磁耦合谐振传输模块5连接，磁耦合谐振传输模块5与电磁波无线传输模块6之间通过光纤连接，实现信号传输，最后信号通过电磁波无线发射模块传输到主控室的电磁波无线接收模块，最后传输到主机中。

测量电极按一定顺序布置在刀盘1上，采用了分布式采集模块4对各个电极进行信号采集与传输，其中与测量电极3相接的采集端子上集成了隔离与滤波模块，对采集的信号进行简单滤波的处理。并经集线装置将各采集端子的传输线缆集成在一起，再与磁耦合谐振传输模块5连接。

采用磁耦合谐振传输模块5，通过两个具有相同谐振频率的线圈13进行信号的传输，其中线圈13在固定装置11的夹持下，固定于指定位置，并且可以随着刀盘1的转动而转动，从而实现了刀盘1内的信号向刀盘1外部的传输。

基于盾构机的复杂机械结构，信号经分布式采集模块4与磁耦合谐振传输模块5传输到电磁波无线传输模块6，经电磁波无线发射端将信号传输到主控室的电磁波无线接收端，实现信号在掘进机内的传输，避免了在掘进机上铺设、安装电缆的麻烦，且不影响施工。

由于采集到的信号混有不同的噪声，首先在测量电极3处的分布式采集模块4中进行简单的滤波，其次在电磁波无线传输模块6中嵌入8阶巴特沃斯滤波，最后在主机采集到信号后，软件中进行小波阈值滤波与滚动平滑滤波处理，实现对有用信号的采集。

分布式采集模块4包括采集模块与集线模块。其中采集模块是与测量电极3连接的采集端子与传输线。其中在每个采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行初步的处理，通过传输线将信号向后传输。

磁耦合谐振传输模块5包括两个相同谐振频率的线圈13，其中与刀盘1相连接的线圈13可以随着刀盘1的转动而转动，不因刀盘1的转动而使得分布式采集模块4的传输线扭断。

电磁波无线传输模块6实现了信号与主机间的传输，在模块硬件中嵌入了8阶巴特沃斯滤波电路，对采集的信号进行进一步的去噪处理，并且电磁波的传播减少的因铺设繁杂电缆而带来的诸多麻烦，使得信号在盾构机内传输而不影响正常的施工作业。

如图2所示，为本发明分布式采集模块4示意图，图2(a)为分布式采集模块4整体连接示意图，首先分布式采集模块4的采集端子与测量电极3连接，各采集端子的传输线经过集线装置汇成一条电缆与后续装置连接；图2(b)为采集端子示意图，采集端子与测量电极3的连接，其中采集端子内部有隔离与滤波模块，实现了对信号的初步处理；图2(c)为集线模块示意图，集线模块通过带有多接线端子的插头与采集端子的传输线相连，并通过后端的橡胶管套10将传输线束缚成紧密的传输电缆。

如图3所示，为本发明磁耦合谐振传输模块5示意图，图3(a)为磁耦合谐振传输模块5正视图，首先分布式采集装置的传输电缆经航空插头连接到磁耦合谐振传输模块5的线圈板12上，实现各传输线与对应的线圈13一一对应；首先是测量电极与传输线连接实现一一对应，即一根传输线连接一个测量电极，然后传输线经集线模块与磁耦合谐振传输模块连接，集线模块内部结构(图2c)相当于一个多芯航空插头，当集线模块连接到磁耦合谐振模块后，相当于一个插头插到插座上，这样集线模块上的的传输线就会与磁耦合谐振模块上的线圈一一对应连接，因为线圈数量与传输线数量相等，线圈是从与集线模块与磁耦合谐振模块连接处直接引出来的，形象一点就是插头插到插座，再从插座中对应的插孔中引出导线。其次通过四个固定装置11分别将两个连接在一起的线圈板12固定在与刀盘1的轴心水平的位置，但固定装置11仅起到固定作用，线圈板12与固定装置11可以相对滚动，因此在刀盘1转动时，线圈板12会随着刀盘1的转动而转动，但是其位置保持不变；最后通过右线圈板12经传输线连接到电磁波无线传输模块6上，实现信号传输。图3(b)为磁耦合谐振传输模块5 的局部图，其中在线圈板12上布设了一定数量的线圈13，通过固定装置11将线圈板12固定；图3(c)为磁耦合谐振传输模块5电路示意图，磁耦合谐振传输模块5的传输正是由于左右两个线圈13依赖于内部的电感和电容达到谐振，因此左右两个线圈13具有相同的谐振频率，在磁场的作用下，两个线圈13通过耦合实现信号传输。其中谐振频率ω＝1/√LC。

如图4所示，为电磁波无线传输模块6示意图。电磁波无线传输模块6分为发射端与接收端两个部分，在传输模块内嵌入了8阶巴特沃斯滤波模块14，对信号进一步处理，实现测量装置与主机间的信号传输。

安装及操作步骤：

(1)、将采集端子连接到测量电极3上并安装到刀盘1上，将采集端子的传输线沿着刀盘1内壁布设，用玻璃胶将传输线胶装在刀盘1内壁上，将所有的采集端子的传输线接到集线模块上，最后通过集线模块集成的传输线缆与固定在刀盘1外侧的磁耦合谐振传输模块5连接。

(2)、首先在护盾2上安装一个与刀盘1轴心水平的金属壳体，将磁耦合谐振传输模块5放入其中，并通过固定在金属壳体上的固定装置11，将磁耦合传输模块固定在与刀盘1轴心水平的位置上，最后将分布式采集模块4传输线缆插到磁耦合传输模块的线圈板12上。

(3)、将电磁波无线传输模块6放置到不影响施工的位置并固定，用传输线将电磁波无线发射端与磁耦合谐振传输模块5连接，最后在主控室上安装电磁波无线传输接收端，并与主机连接，实现通讯。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：包括分布式采集模块、磁耦合谐振传输模块和电磁波无线传输模块，其中，测量电极设置在刀盘上，分布式采集模块前端的集线端子连接测量电极，采集测量电极测得的数据，分布式采集模块连接耦磁合谐振传输模块，磁耦合谐振传输模块与刀盘连接的同时，还与电磁波无线传输模块之间通过光纤连接，将信号传输到主控室的电磁波无线传输模块的接收端；

所述磁耦合谐振传输模块包括两个相同谐振频率的线圈，两个线圈相耦合；所述线圈中一个与刀盘相连接，且该线圈随着刀盘的转动而转动，不因刀盘的转动而使得分布式采集模块的传输线扭断，另一个线圈连接电磁波无线传输模块；

所述磁耦合谐振传输模块的线圈分别缠绕在不同的线圈板上，每个线圈板的两端分别通过一个固定装置固定在与刀盘的轴心水平的位置，线圈板端部卡套在固定装置内，与其活动连接。

2.如权利要求1所述的一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：所述分布式采集模块包括采集模块与集线模块，其中，采集模块包括与测量电极连接的采集端子与传输线，采集端子与测量电极一一对应。

3.如权利要求2所述的一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：所述采集端子上安装有隔离与滤波模块，对采集到的信号进行滤波，传输线将信号向后传输。

4.如权利要求2所述的一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：所述传输线沿着刀盘内壁布设。

5.如权利要求1所述的一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：所述磁耦合谐振传输模块设置于刀盘外侧，与刀盘轴心水平的位置上。

6.如权利要求1所述的一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：所述电磁波无线传输模块包括发射端和接收端，接收端设置于主控室，发射端和接收端均包括滤波电路、信号处理传输模块和天线，其中，滤波电路连接有信号处理传输模块，信号处理传输模块连接天线。

7.如权利要求6所述的一种可用于盾构掘进机分布式无线通讯测量装置，其特征是：所述滤波电路为8阶巴特沃斯滤波电路，对采集的信号进行进一步的去噪处理。

8.基于权利要求1-7中任一项所述装置的安装方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将采集端子连接到测量电极上并安装到刀盘上，将采集端子的传输线沿着刀盘内壁布设，传输线设置在刀盘内壁上，将所有的采集端子的传输线接到集线模块上，最后通过集线模块集成的传输线缆与固定在刀盘外侧的磁耦合谐振传输模块连接；

(2)在护盾上安装一个与刀盘轴心水平的金属壳体，将磁耦合谐振传输模块放入其中，并通过固定在金属壳体上的固定装置，将磁耦合传输模块固定在与刀盘轴心水平的位置上，最后将分布式采集模块的传输线缆插到磁耦合传输模块的线圈板上；

(3)将电磁波无线传输模块放置到不影响施工的位置并固定，用传输线将电磁波无线发射端与磁耦合谐振传输模块连接，最后在主控室上安装电磁波无线传输接收端，并与主机连接，实现通讯。