CN203024757U - 一种盾构机姿态测量装置 - Google Patents

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葛龙
黄志国
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Abstract

本实用新型属于工程机械和自动检测技术领域，公开了一种盾构机姿态测量装置，包含三轴磁阻传感器、置/复位电路、信号调理电路、AD转换器、数据处理器、双轴加速度计、通信接口、显示接口。三轴磁阻传感器用于检测地球磁场在盾构机坐标系的三个轴上的分量；双轴加速度计用于检测盾构机的重力加速度，测量重力加速度在盾构机平面内的投影分量。元件比较集中，便于安装在盾构机的主体平台上，不受通视条件影响，测量精度较高。

Description

一种盾构机姿态测量装置
技术领域
本实用新型属于工程机械和自动检测技术领域，具体涉及一种盾构机姿态测量装置。
背景技术
盾构隧道掘进机，简称盾构机，是一种隧道掘进的专用工程机械。基本工作原理是一个圆柱体的钢组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面，挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
采用盾构机进行隧道施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。现代盾构机涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，自动控制精度和可靠性要求极高。
为了保证按照施工方案高质量施工，顺利实现隧道贯通，在盾构机掘进过程中，必须对其进行实时高精度姿态测量。现在用于隧道工程施工的盾构机都装有盾构自动导向测量***，其作用主要是实时测出盾构掘进的姿态，计算出盾构与隧道设计中心线的偏差，从而指导盾构司机控制盾构掘进。目前，我国主要使用的盾构自动导向测量***主要有：日本演算工坊的ROBOTEC***、德国旭普林公司的TUMA***和德国VMT公司的SLS-T***。
盾构自动导向测量***依靠在盾构机上安装的姿态测量装置，如陀螺仪、TCA全站仪等，在盾构机掘进中可以实时测量并显示出盾构机的姿态及其纠正参数。但是，由于测量装置本身精度有限，加之施工干扰等因素的影响，其提供的测量结果往往精度不高、可靠性不高。
专利CN 101684731 A中公开了一种隧道盾构机姿态测量方法，在拼装好的管片上前后设置二个仪器平台，在前仪器平台上放置一经纬仪，在后仪器平台上放置一棱镜，在盾构机内设置一前尺和一后尺。专利CN 101251367 A中公开了一种盾构掘进姿态实时测量***，在盾构机后方设置具有自动目标识别功能的全站仪，在盾构机内沿盾构机的纵向逐个设置多个目标棱镜，在盾构机内的专用安装基座上安装双轴角度传感器。需要在盾构机的多个位置上，放置多个测量元件，由于整个测量装置比较分散，增加了安装的难度和维护的成本，使用光学元件，易受通视条件影响，存在诸多使用不便。
实用新型内容
1、本实用新型的目的。
提供一种盾构机姿态测量装置，能够实时测量盾构机的三维姿态，元件比较集中，便于安装在盾构机的主体平台上，不受通视条件影响，受外界磁场干扰较小，测量精度和可靠性较高。
2、本实用新型所采用的技术方案。
采用三轴磁阻传感器和双轴加速度计以及数据处理器来构成姿态测量装置，利用三轴磁阻传感器和两轴加速度计同时检测航向角、俯仰角和翻滚角，从而实时完成姿态测量。
如图1所示，一种盾构机姿态测量装置，包含三轴磁阻传感器、置/复位电路、信号调理电路、AD转换器、数据处理器、双轴加速度计、通信接口、显示接口。
三轴磁阻传感器用于检测地球磁场在盾构机坐标系的三个轴上的分量，然后经过坐标变换，将测量值转化为地理坐标系上的值，从而可求得盾构机的方位角。三轴磁阻传感器选用HMC1022和HMC1021Z，其输出在                                                
Figure 194990DEST_PATH_IMAGE001
内线性度很好，且测量带宽达到5MHz。
置/复位电路采用＋12v电源供电，用开关连接电源与磁阻传感器置/复位引脚。
信号调理电路包含运算放大和信号滤波。运算放大部分由运算放大器AMP04和电阻、电容构成，放大倍数由外接电阻调整。
AD转换器将模拟信号转化为数字信号。考虑到***精度等方面的要求，采用14位AD转换器AD7865。
双轴加速度计用于检测盾构机的重力加速度，测量重力加速度在盾构机平面内的投影分量，从而利用三角公式求得盾构机的俯仰角和翻滚角。双轴加速度计采用ADXL202，它的脉宽调置信号输出直接与数据处理器连接，而不需要AD转换器。
数据处理器可采用单片机（MCU）或数字信号处理器（DSP）等。
通信接口输出三维姿态数据，并接受指令。
显示接口用于连接显示器，以图形化或数字化方式显示盾构机的三维姿态。
三轴磁阻传感器将检测地球磁场在盾构机坐标系的三个轴上的分量信号传递到信号调理电路，再经过AD转换器信号转换，传输到数据处理器处理，双轴加速度计将检测盾构机的重力加速度在盾构机平面内的投影分量传输到数据处理器处理。
如图2所示，地理坐标系的原点取在运动物体在地球表面上的投影点O，ON指向北，OE指向东，O
Figure 438890DEST_PATH_IMAGE002
与OE、ON成右手坐标系，沿当地垂线方向并指向天顶。
如图3所示，盾构机坐标系的原点在盾构机重心，
Figure 254661DEST_PATH_IMAGE003
轴指向盾构机纵轴方向，即盾构机前进方向，而
Figure 216801DEST_PATH_IMAGE004
轴指向盾构机横轴方向，
Figure 845229DEST_PATH_IMAGE005
轴指向盾构机竖轴方向。
地理坐标系与盾构机坐标系的转换关系如下。
Figure 209214DEST_PATH_IMAGE006
如图4所示，三维空间中的盾构机姿态表示为，方位角
Figure 130640DEST_PATH_IMAGE007
、俯仰角
Figure 580076DEST_PATH_IMAGE008
和翻滚角
Figure 12194DEST_PATH_IMAGE009
。
Figure 902790DEST_PATH_IMAGE010
Figure 762162DEST_PATH_IMAGE011
Figure 934779DEST_PATH_IMAGE012
为了使tan( )函数有意义，在各坐标轴和不同的象限内
Figure 232905DEST_PATH_IMAGE007
的值。
当
Figure 617488DEST_PATH_IMAGE013
时，
Figure 585444DEST_PATH_IMAGE007
＝180°－
Figure 743893DEST_PATH_IMAGE014
；
当
Figure 517814DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 445319DEST_PATH_IMAGE016
时，
Figure 145028DEST_PATH_IMAGE007
＝－；
当
Figure 102806DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 88079DEST_PATH_IMAGE017
时，
Figure 460155DEST_PATH_IMAGE007
＝360°－
Figure 94661DEST_PATH_IMAGE014
；
当
Figure 210384DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 50164DEST_PATH_IMAGE016
时，
Figure 593141DEST_PATH_IMAGE007
＝90°；
当
Figure 947899DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 389286DEST_PATH_IMAGE017
时，
Figure 145889DEST_PATH_IMAGE007
＝270°。
3、本实用新型的有益效果。
本实用新型一种盾构机姿态测量装置，元件比较集中，便于安装在盾构机的主体平台上，采用三轴磁阻传感器和双轴加速度计，不包含光学测量元件，不受通视条件影响。
三轴磁阻传感器HMC1022和HMC1021Z内部有一个铝制环状电流带，在此电流带上施加一个时间极短暂的置位电流脉冲，磁阻内部磁畴极化方向达到最大的统一，避免外界其他磁场的干扰，测量精度较高。
附图说明
图1为装置的原理图。
图2为地理坐标系。
图3为盾构机坐标系。
图4为三维空间中的盾构机姿态。
具体实施方式
实施例
为了清楚地介绍本实用新型的具体实施过程，对本实用新型做出以下具体描述。
一种盾构机姿态测量装置，包含三轴磁阻传感器、置/复位电路、信号调理电路、AD转换器、数据处理器、双轴加速度计、通信接口、显示接口。
三轴磁阻传感器用于检测地球磁场在盾构机坐标系的三个轴上的分量，然后经过坐标变换，将测量值转化为地理坐标系上的值，从而可求得盾构机的方位角。三轴磁阻传感器选用HMC1022和HMC1021Z，其输出在
Figure 797451DEST_PATH_IMAGE001
内线性度很好，且测量带宽达到5MHz。
置/复位电路采用＋12v电源供电，用开关连接电源与磁阻传感器置/复位引脚。
信号调理电路包含运算放大和信号滤波。运算放大部分由运算放大器AMP04和电阻、电容构成，放大倍数由外接电阻调整。
AD转换器将模拟信号转化为数字信号。考虑到***精度等方面的要求，采用14位AD转换器AD7865。
双轴加速度计用于检测盾构机的重力加速度，测量重力加速度在盾构机平面内的投影分量，从而利用三角公式求得盾构机的俯仰角和翻滚角。双轴加速度计采用ADXL202，它的脉宽调置信号输出直接与数据处理器连接，而不需要AD转换器。
数据处理器可采用单片机MSP430F149，为16位RISC结构，CPU中有16个寄存器和常数发生器，可使得代码效率达到最高，集成了JTAG接口，可直接对其中的Flash存储器进行编程。
通信接口输出三维姿态数据，并接受指令。通信接口采用单片机的UART接口，通过RS-232总线和其他计算机进行通信。
显示接口用于连接显示器，以图形化或数字化方式显示盾构机的三维姿态。
数据处理器对误差做分析和补偿，以提高***的精度。包括磁阻传感器、加速度计产生的误差，运算放大器及AD转换器的误差。
上述实施例不以任何方式限制本实用新型，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种盾构机姿态测量装置，包含三轴磁阻传感器、置/复位电路、信号调理电路、AD转换器、数据处理器、双轴加速度计、通信接口、显示接口；三轴磁阻传感器将检测地球磁场在盾构机坐标系的三个轴上的分量信号传递到信号调理电路，再经过AD转换器信号转换，传输到数据处理器处理，双轴加速度计将检测盾构机的重力加速度在盾构机平面内的投影分量传输到数据处理器处理。
2.根据权利要求1所述的盾构机姿态测量装置，其特征在于：置/复位电路采用＋12v电源供电，用开关连接电源与磁阻传感器置/复位引脚。
3.根据权利要求1所述的盾构机姿态测量装置，其特征在于：信号调理电路包含运算放大和信号滤波，运算放大部分由ADI公司的运算放大器AMP04和电阻、电容构成，放大倍数由外接电阻调整。
4.根据权利要求1所述的盾构机姿态测量装置，其特征在于：显示接口用于连接显示器。
5.根据权利要求1所述的盾构机姿态测量装置，其特征在于：双轴加速度计采用ADXL202，而且它的脉宽调置信号输出直接与数据处理器连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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