專利名稱：一種盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程機械和自動檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)隧道掘進機，簡稱盾構(gòu)機，是一種隧道掘進的專用工程機械?；竟ぷ髟硎且粋€圓柱體的鋼組件沿隧道軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘，該圓柱體組件的殼體即護盾，它對挖掘出的還未襯砌的隧洞段起著臨時支撐的作用，承受周圍土層的壓力，有時還承受地下水壓以及將地下水擋在外面，挖掘、排土、襯砌等作業(yè)在護盾的掩護下進行。采用盾構(gòu)機進行隧道施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點，廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程?，F(xiàn)代盾構(gòu)機涉及地質(zhì)、土木、機械、力學、液壓、電氣、控制、測量等多門學科技術(shù)，集光、機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有開挖切削土體、輸送土碴、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能，而且要按照不同的地質(zhì)進行“量體裁衣”式的設(shè)計制造，自動控制精度和可靠性要求極高。為了保證按照施工方案高質(zhì)量施工，順利實現(xiàn)隧道貫通，在盾構(gòu)機掘進過程中，必須對其進行實時高精度姿態(tài)測量?，F(xiàn)在用于隧道工程施工的盾構(gòu)機都裝有盾構(gòu)自動導向測量系統(tǒng)，其作用主要是實時測出盾構(gòu)掘進的姿態(tài)，計算出盾構(gòu)與隧道設(shè)計中心線的偏差，從而指導盾構(gòu)司機控制盾構(gòu)掘進。目前，我國主要使用的盾構(gòu)自動導向測量系統(tǒng)主要有日本演算工坊的R0B0TEC系統(tǒng)、德國旭普林公司的TUMA系統(tǒng)和德國VMT公司的SLS-T系統(tǒng)。盾構(gòu)自動導向測量系統(tǒng)依靠在盾構(gòu)機上安裝的姿態(tài)測量裝置，如陀螺儀、TCA全站儀等，在盾構(gòu)機掘進中可以實時測量并顯示出盾構(gòu)機的姿態(tài)及其糾正參數(shù)。但是，由于測量裝置本身精度有限，加之施工干擾等因素的影響，其提供的測量結(jié)果往往精度不高、可靠性不聞。專利CN 101684731 A中公開了一種隧道盾構(gòu)機姿態(tài)測量方法，在拼裝好的管片上前后設(shè)置二個儀器平臺，在前儀器平臺上放置一經(jīng)緯儀，在后儀器平臺上放置一棱鏡，在盾構(gòu)機內(nèi)設(shè)置一前尺和一后尺。專利CN 101251367 A中公開了一種盾構(gòu)掘進姿態(tài)實時測量系統(tǒng)，在盾構(gòu)機后方設(shè)置具有自動目標識別功能的全站儀，在盾構(gòu)機內(nèi)沿盾構(gòu)機的縱向逐個設(shè)置多個目標棱鏡，在盾構(gòu)機內(nèi)的專用安裝基座上安裝雙軸角度傳感器。需要在盾構(gòu)機的多個位置上，放置多個測量元件，由于整個測量裝置比較分散，增加了安裝的難度和維護的成本，使用光學元件，易受通視條件影響，存在諸多使用不便。

發(fā)明內(nèi)容
1、本發(fā)明的目的。提供一種盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，能夠?qū)崟r測量盾構(gòu)機的三維姿態(tài)，元件比較集中，便于安裝在盾構(gòu)機的主體平臺上，不受通視條件影響，受外界磁場干擾較小，測量精度和可靠性較高。
2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案。采用三軸磁阻傳感器和雙軸加速度計以及數(shù)據(jù)處理器來構(gòu)成姿態(tài)測量裝置，利用三軸磁阻傳感器和兩軸加速度計同時檢測航向角、俯仰角和翻滾角，從而實時完成姿態(tài)測量。如

圖1所示，一種盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，包含三軸磁阻傳感器、置/復位電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、雙軸加速度計、通信接口、顯示接口。三軸磁阻傳感器用于檢測地球磁場在盾構(gòu)機坐標系的三個軸上的分量，然后經(jīng)過坐標變換，將測量值轉(zhuǎn)化為地理坐標系上的值，從而可求得盾構(gòu)機的方位角。三軸磁阻傳感器選用HMC1022和HMC1021Z，其輸出在ilOgaim'內(nèi)線性度很好，且測量帶寬達到5MHz。置/復位電路采用+ 12v電源供電，用開關(guān)連接電源與磁阻傳感器置/復位引腳。信號調(diào)理電路包含運算放大和信號濾波。運算放大部分由運算放大器AMP04和電阻、電容構(gòu)成，放大倍數(shù)由外接電阻調(diào)整。AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號?？紤]到系統(tǒng)精度等方面的要求，采用14位AD轉(zhuǎn)換器AD7865。雙軸加速度計用于檢測盾構(gòu)機的重力加速度，測量重力加速度在盾構(gòu)機平面內(nèi)的投影分量，從而利用三角公式求得盾構(gòu)機的俯仰角和翻滾角。雙軸加速度計采用ADXL202，它的脈寬調(diào)置信號輸出直接與數(shù)據(jù)處理器連接，而不需要AD轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)處理器可采用單片機(MCU)或數(shù)字信號處理器(DSP)等。通信接口輸出三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，并接受指令。顯示接口用于連接顯示器，以圖形化或數(shù)字化方式顯示盾構(gòu)機的三維姿態(tài)。如圖2所示，地理坐標系的原點取在運動物體在地球表面上的投影點O，ON指向北，OE指向東，O 與OE、ON成右手坐標系,沿當?shù)卮咕€方向并指向天頂。如圖3所示，盾構(gòu)機坐標系的原點在盾構(gòu)機重心X軸指向盾構(gòu)機縱軸方向，即盾構(gòu)機前進方向，而Γ軸指向盾構(gòu)機橫軸方向，Z軸指向盾構(gòu)機豎軸方向。地理坐標系與盾構(gòu)機坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下。
權(quán)利要求
1.一種盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，包含三軸磁阻傳感器、置/復位電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、雙軸加速度計、通信接口、顯示接口 ；三軸磁阻傳感器用于檢測地球磁場在盾構(gòu)機坐標系的三個軸上的分量，然后經(jīng)過坐標變換，將測量值轉(zhuǎn)化為地理坐標系上的值，從而可求得盾構(gòu)機的方位角；雙軸加速度計用于檢測盾構(gòu)機的重力加速度，測量重力加速度在盾構(gòu)機平面內(nèi)的投影分量，從而利用三角公式得盾構(gòu)機的俯仰角和翻滾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于置/復位電路采用+12v電源供電，用開關(guān)連接電源與磁阻傳感器置/復位引腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于信號調(diào)理電路包含運算放大和信號濾波，運算放大部分由ADI公司的運算放大器AMP04和電阻、電容構(gòu)成，放大倍數(shù)由外接電阻調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，采用14位AD轉(zhuǎn)換器AD7865。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于通信接口輸出三維姿態(tài)數(shù)據(jù)，并接受指令。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于顯示接口用于連接顯示器，以圖形化或數(shù)字化方式顯示三維姿態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于三軸磁阻傳感器選用HMC1022 和 HMC1021Z。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，其特征在于雙軸加速度計采用ADXL202，而且它的脈寬調(diào)置信號輸出直接與數(shù)據(jù)處理器連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于工程機械和自動檢測技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種盾構(gòu)機姿態(tài)測量裝置，包含三軸磁阻傳感器、置/復位電路、信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理器、雙軸加速度計、通信接口、顯示接口。三軸磁阻傳感器用于檢測地球磁場在盾構(gòu)機坐標系的三個軸上的分量，然后經(jīng)過坐標變換，將測量值轉(zhuǎn)化為地理坐標系上的值，從而可求得盾構(gòu)機的方位角；雙軸加速度計用于檢測盾構(gòu)機的重力加速度，測量重力加速度在盾構(gòu)機平面內(nèi)的投影分量，從而利用三角公式求得盾構(gòu)機的俯仰角和翻滾角。元件比較集中，便于安裝在盾構(gòu)機的主體平臺上，不受通視條件影響，測量精度較高。
文檔編號G01C1/00GK103063190SQ201210577288
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月27日
發(fā)明者葛龍, 黃志國 申請人:南京理工大學常熟研究院有限公司