CN101539396A - 一种监测隧道应力形变的应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了隧道安全监测技术领域中的一种监测隧道应力形变的应用系统。技术方案是，所述应用系统由涡流传感器形变采集单元阵列、现场信号采集与传输单元、数据采集与处理服务器和数据查询与显示终端组成；涡流传感器形变采集单元阵列由涡流传感器形变采集单元组成，每个涡流传感器形变采集单元通过普通电线与现场信号采集与传输单元连接；现场信号采集与传输单元通过CAN总线或以太网与数据采集与处理服务器相连；数据采集与处理服务器通过以太网与数据查询与显示终端相连。本发明提供的应用系统，测试精度高并且可以实现隧道的整体应力形变的监测，从而为隧道的安全运行提供了有效的保障。

Description

一种监测隧道应力形变的应用系统

技术领域

本发明属于隧道安全监测技术领域，尤其涉及一种监测隧道应力形变的应用系统。

背景技术

随着高速铁路、地铁、隧道公路等隧道交通的不断发展，隧道安全监测已经成为保障隧道安全运行不可或缺的因素。特别是在高速铁路运行系统中，隧道安全监测系统已经融入到信号系统的控车信号等信号集成系统中。对于隧道安全的决定性指标是隧道受到应力后的形变状态，特别是隧道受到的由上而下的压力使隧道产生的形变是对隧道安全的最大威胁。对于穿越岩层的隧道，主要应力是受到的岩层压力的作用而产生的形变，而对于土质结构或水底隧道，主要应力是来自于上方的压力造成隧道在纵向的形变。这种形变变化量很小，不容易被查觉，但是很可能存在巨大的危险。

目前常用的隧道应力形变监测手段，是通过置入式应变传感器测量隧道形变变化，这些传感器在修建隧道时，被置入隧道构件中，不能灵活安装，并且只能感应隧道某个局部的形变，无法从整体测量整个隧道的形变。另一种测量隧道应力形变的方法，是采用光学方法，如光栅技术进行测量，但由于光学技术对于环境要求较高，且价格昂贵，在实际应用上不具有可实施性。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种监测隧道应力形变的应用系统，解决目前隧道应力形变的监测过程中，无法整体监测隧道应力形变和设备安装复杂的问题。

本发明的技术方案是，一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述应用系统由涡流传感器形变采集单元阵列、现场信号采集与传输单元、数据采集与处理服务器和数据查询与显示终端组成；

所述涡流传感器形变采集单元阵列由涡流传感器形变采集单元组成，每个涡流传感器形变采集单元通过普通电线和现场信号采集与传输单元连接；

所述现场信号采集与传输单元通过CAN总线或以太网和所述数据采集与处理服务器相连；

所述数据采集与处理服务器通过以太网和数据查询与显示终端相连；

所述涡流传感器形变采集单元由涡流传感器、底面固定支架、卡具、金属丝或可调金属杆、测试吊锤组成；其中，

所述涡流传感器通过卡具固定安装在底面固定支架上；所述测试吊锤通过金属丝或可调金属杆固定在隧道顶面，且所述测试吊锤下表面与涡流传感器的探头之间的距间小于涡流传感器的有效测试量程；

所述现场信号采集与传输单元由电流电压转换模块、电子开关阵列与A/D转换单元、CPU、通信单元以及电源模块组成；其中，

所述电流电压转换模块和电子开关阵列与A/D转换单元相连，用于将涡流传感器输出的电流信号转换为电压信号；

所述电子开关阵列与A/D转换单元和CPU相连，用于将模拟的电压信号转换为数字信号并传输给CPU处理；

所述CPU与通信单元相连，实现与外部网络接口的连接功能；

所述通信单元为外部提供CAN总线输出端或者以太网接口；

所述电源模块为现场信号采集与传输单元供电；

所述数据采集与处理服务器包括数据采集模块、数据处理模块、数据保存模块、数据库管理模块、隧道形变实时柱状图产生模块、数据查询模块、现场采集前端管理模块；其中，

数据采集模块将现场信号采集与传输单元采集的应力形变数字信号采集到服务器；数据处理模块负责将采集的应力形变数字信号中的随机抖动干扰滤去；数据保存模块负责将处理后的应力形变数字信号存入数据库；数据库管理模块实现对访问数据库的人员信息和IP地址的管理；隧道形变实时柱状图产生模块负责不同测试点当前情况下应力形变变化柱状图的生成；数据查询模块负责处理数据查询与显示终端提出的查询请求，并将结果显示在数据查询与显示终端的显示器上；现场采集前端管理模块，实现对现场信号采集与传输单元的管理及维护。

所述底面固定支架由水泥台制成。

所述涡流传感器的输出电流为4-20毫安的恒流，有效测试量程大于5毫米，测试精度高于5微米。

所述涡流传感器使用直流24V电源供电，并采用双路冗余供电模式。

所述电流电压转化模块实现0-20毫安范围电流到0-5伏特范围电压的转换。

所述CAN总线采用光耦隔离方式。

所述电源模块采用两路24V电源，并通过保护二极管进行共阴极并连，实现电源互备。

本发明提供的一种监测隧道应力形变的应用系统，安装实施简便，测试过程不受环境因素的影响，测试精度高，并且可以实现隧道的整体应力形变的监测，从而为隧道的安全运行提供了有效的保障。

附图说明

图1是涡流传感器形变采集单元在隧道内的安装示意图。

图2是本发明提供的一种监测隧道应力形变的应用系统的结构示意图。

图3是现场信号采集与传输单元组成结构示意图。

图4是数据采集与处理服务器组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

由于铁路、地铁、公路等的隧道内环境复杂、情况多变，并且隧道往往距离比较长，因此采用选取个别点安装测试传感器的方式不能准确监测隧道的整体变化情况。而由于涡流传感器的电流输出为4-20毫安的恒流型标准信号，可以实现在一定距离内的远程传输；同时，涡流传感器电流输出变化与应力形变值是线性关系，因此通过涡流传感器来测量电流变化的大小就可以得到应力形变变化的大小。本发明基于这一思想，在设定的距离间隔内布设涡流传感器形变采集单元，形成涡流传感器形变采集单元阵列，通过阵列监测隧道的整体应力形变状态，从而提高了监测的准确性。

图1是涡流传感器形变采集单元在隧道内的安装示意图。图1中，隧道101中的每个涡流传感器形变采集单元由涡流传感器104、底面固定支架102、卡具103、金属丝或可调金属杆106、测试吊锤105组成。其安装方式如下：涡流传感器104通过卡具103固定安装在底面固定支架102上，测试吊锤105通过金属丝或可调金属杆106采用膨胀螺栓107或其他方式固定在隧道顶面，且测试吊锤104的下表面与涡流传感器105的探头之间的距间小于涡流传感器的有效测试量程。涡流传感器采用输出电流为4-20毫安的恒流、有效测试量程大于5毫米，测试精度高于5微米的涡流传感器。这样安装之后，当隧道顶面因为受到压力过大而变形时，测试吊锤与涡流传感器之间的距离会发生变化，从而导致涡流传感器的输出电流发生变化，通过测量涡流传感器输出的电流值，就可以测量隧道各点的形变情况。涡流传感器采用布设在隧道中的24V电源母线为涡流传感器提供电源。所有的涡流传感器共用24V电源母线，同时，电源采用双路冗余供电模式，保证一路电源出现问题时，另一路电源可以接替进行工作，保证监测不会中断。

图2是本发明提供的一种监测隧道应力形变的应用系统的结构示意图。图2中，本发明提供的一种监测隧道应力形变的应用系统由涡流传感器形变采集单元阵列206、现场信号采集与传输单元202、数据采集与处理服务器203和数据查询与显示终端204组成。其中，涡流传感器形变采集单元阵列206由涡流传感器形变采集单元201组成，每个涡流传感器形变采集单元通过普通电线207与现场信号采集与传输单元202连接，所有的涡流传感器共用24V电源母线205。普通电线207将涡流传感器形变采集单元201采集的电流传输到现场信号采集与传输单元202中。现场信号采集与传输单元202通过CAN总线或以太网208与数据采集与处理服务器203相连，其主要功能是将每一个涡流传感器形变采集单元201输出的标准模拟信号转换为数字量，同时通过上传数据通道传输到数据采集与处理服务器203。CAN总线采用光耦隔离方式。数据采集与处理服务器203通过以太网209与数据查询与显示终端204相连。数据采集与处理服务器203实现对现场信号采集与传输单元202的数据采集与管理，同时将采集的数据存入数据库。数据库可以采用SQL SERVER等。数据采集与处理服务器203运行服务器应用程序，实现对所有数据的实时采集、存储，同时下发采集命令。

图3是现场信号采集与传输单元组成结构示意图。图3中，现场信号采集与传输单元由电流电压转换模块、电子开关阵列与A/D转换单元、CPU、通信单元以及电源模块组成。电流电压转换模块与涡流传感器形变采集单元对应，每个涡流传感器形变采集单元都有一个电流电压转换模块用于接收和处理涡流传感器形变采集单元传送过来的电流信号。每个电流电压转换模块都与电子开关阵列与A/D转换单元相连，用于将涡流传感器输出的电流信号转换为电压信号。电流电压转化模块实现0-20毫安范围电流到0-5伏特范围电压的转换。电子开关阵列与A/D转换单元与CPU相连，用于将模拟的电压信号转换为数字信号并传输给CPU处理。CPU与通信单元相连，实现与外部网络接口连接功能，CPU可采用通用的PIC18FJ60带以太网模块的CPU。通信单元为外部提供CAN总线输出端或者以太网接口。如果外部网络使用的是CAN总线，则通信单元要提供CAN总线输出端，保证处理后的数字信号通过CAN总线传输给数据采集与处理服务器。如果外部网络使用的是以太网，则需要一台以太网交换机，通信单元通过以太网接口将处理后的数字信号发送到以太网，再从以太网进入以太网交换机，最后从以太网交换机输出到具有CAN总线接口的数据采集与处理服务器。电源模块采用两路24V电源，并通过保护二极管进行共阴极并连，实现电源互备。

图4是数据采集与处理服务器组成结构示意图。图4中，数据采集与处理服务器包括数据采集模块、数据处理模块、数据保存模块、数据库管理模块、隧道形变实时柱状图产生模块、数据查询模块以及现场采集前端管理模块。数据采集模块主要是通过CAN网或以太网，将现场信号采集与传输单元采集的应力形变数字信号采集到服务器；数据处理模块是对这些数据进行分析，由于形变是缓变过程，因此对于列车通过所引起的抖动要进行大时间常数据的数字平滑滤波，将随机抖动干扰滤去，同时保证信号的安全可靠，并且对原始状态的形变数据进行比较，存入实际形变值。在系统上电时，同一时间，所有涡流传感器的值不是一定的，该系统基于系统上电后的涡流传感器测量信号的相对变化作为分析数据。数据库管理模块实现对访问数据库的人员信息和IP地址的管理。隧道形变实时柱状图产生模块负责不同测试点当前情况下应力形变变化柱状图的生成与显示。数据查询模块负责处理数据查询与显示终端提出的查询请求，并将结果显示在终端的显示器上。如通过对某一点形变历史数据的查询可以了解该点在一个历史时期形变走向，通过显示形变时间曲线，可以为隧道专家提供良好而丰富的分析数据。通过隧道多点以时间、形变三维数据分析隧道中的整体形变走向，从而得到隧道所受应力情况。现场采集前端管理模块，实现对现场信号采集与传输单元的管理及维护，包括单元编号、CAN地址、IP地址等的管理和维护。

数据采集与处理服务器中安装有数据库，数据库在设计上由原始形变数据表、数据采集模块地址表、形变实时数据表、控制人员表、设备状态表等五个表组成。原始形变数据表主要是用于存储原始涡流形变数据，后来采集数据都与对应该点的数据进行比较得到上电到数据采集这段时间内的形变变化；数据采集模块地址表存储现场数据采集与传输单元的网络地址如CAN网地址或IP地址；形变实时数据表存入采集各点的实时形变数据，该表是数据库系统的数据主体；控制人员表用于存储操作人员的个人信息以及相应的数据权限；设备状态表存入系统各设备的相关信息与工作状态。

数据查询与显示终端通过以太网与数据服务器数据库相连，对多种数据查询与显示进行处理，不具有数据修改能力，只能查询数据。查询内容有测试前端单点的历史数据以及形变曲线；隧道整体在某一时间点的形变数据及曲线；实现显示整个隧道形变柱状图等功能。

由于现有技术很难实现隧道应力的实时监测与数据采集，而且也无法通过定量的方法实现对隧道安全的诊断，这样长时间的积累容易造成不可挽回的损失。同时隧道事故往往是一个长期积累的结果，如果不能在一个历史时期内得到隧道形变的变化趋势数据，很难对隧道的安全运行进行准确的判断。本发明提供的一种监测隧道应力形变的应用系统，较之现有技术，前端测试设备安装实施简便，测试过程不易受外界环境因素的影响，测试精度高，并且可以实现隧道的整体应力形变的监测，从而为隧道的安全运行提供了有效的保障。本发明不仅可以应用于交通隧道，还可应用于矿山、地下施工等多种隧道形式的安全保障领域中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述应用系统由涡流传感器形变采集单元阵列、现场信号采集与传输单元、数据采集与处理服务器和数据查询与显示终端组成；

所述涡流传感器形变采集单元阵列由涡流传感器形变采集单元组成，每个涡流传感器形变采集单元通过普通电线和现场信号采集与传输单元连接；

所述现场信号采集与传输单元通过CAN总线或以太网和所述数据采集与处理服务器相连；

所述数据采集与处理服务器通过以太网和数据查询与显示终端相连；

所述涡流传感器形变采集单元由涡流传感器、底面固定支架、卡具、金属丝或可调金属杆、测试吊锤组成；其中，

所述涡流传感器通过卡具固定安装在底面固定支架上；所述测试吊锤通过金属丝或可调金属杆固定在隧道顶面，且所述测试吊锤下表面与涡流传感器的探头之间的距间小于涡流传感器的有效测试量程；

所述现场信号采集与传输单元由电流电压转换模块、电子开关阵列与A/D转换单元、CPU、通信单元以及电源模块组成；其中，

所述电流电压转换模块和电子开关阵列与A/D转换单元相连，用于将涡流传感器输出的电流信号转换为电压信号；

所述电子开关阵列与A/D转换单元和CPU相连，用于将模拟的电压信号转换为数字信号并传输给CPU处理；

所述CPU与通信单元相连，实现与外部网络接口的连接功能；

所述通信单元为外部提供CAN总线输出端或者以太网接口；

所述电源模块为现场信号采集与传输单元供电；

所述数据采集与处理服务器包括数据采集模块、数据处理模块、数据保存模块、数据库管理模块、隧道形变实时柱状图产生模块、数据查询模块、现场采集前端管理模块；其中，

数据采集模块将现场信号采集与传输单元采集的应力形变数字信号采集到服务器；数据处理模块负责将采集的应力形变数字信号中的随机抖动干扰滤去；数据保存模块负责将处理后的应力形变数字信号存入数据库；数据库管理模块实现对访问数据库的人员信息和IP地址的管理；隧道形变实时柱状图产生模块负责不同测试点当前情况下应力形变变化柱状图的生成；数据查询模块负责处理数据查询与显示终端提出的查询请求，并将结果显示在数据查询与显示终端的显示器上；现场采集前端管理模块，实现对现场信号采集与传输单元的管理及维护。

2.根据权利要求1所述的一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述底面固定支架由水泥台制成。

3.根据权利要求1所述的一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述涡流传感器的输出电流为4-20毫安的恒流，有效测试量程大于5毫米，测试精度高于5微米。

4.根据权利要求1所述的一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述涡流传感器使用直流24V电源供电，并采用双路冗余供电模式。

5.根据权利要求1所述的一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述电流电压转化模块实现0-20毫安范围电流到0-5伏特范围电压的转换。

6.根据权利要求1所述的一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述CAN总线采用光耦隔离方式。

7.根据权利要求1所述的一种监测隧道应力形变的应用系统，其特征是所述电源模块采用两路24V电源，并通过保护二极管进行共阴极并连，实现电源互备。

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