CN102706279A - 基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置 - Google Patents

Abstract

基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置，涉及盾构施工测量领域。在皮带输送机的两边安装“门字形”的垂直支架，支架与皮带输送机输送方向垂直，将3个二维激光扫描仪安装在该支架上，3个二维激光扫描仪的安装中心在一条水平线上；摩擦轮通过联轴器与旋转编码器相联，摩擦轮安装在皮带输送机的下表面，摩擦轮与皮带输送机的下表面之间紧紧贴合；尼龙托板安装在皮带输送机的测量段输送带下表面；主控单元对扫描得到的横截轮廓进行处理，采用数值积分的方法计算出当前横截面积，由摩擦轮测得皮带输送机的速度，再进行积分得到当前土体体积，上位机则进行实时显示。本发明实现在皮带输送机输送渣土的过程中能在线精确测量盾构施工的出土量。

Description

基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置

技术领域

本发明为应用于盾构施工的工程测量装置，具体为一种基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置。

背景技术

在日本有一家公司“株式会社演算工房”生产了一种土体解析器的产品，是用于测量皮带输送机上的土体体积。这项产品采用一个二维激光扫描仪扫描土体横截面积，再与输送机的速度积分得到体积。该技术方案应用到盾构施工，由于地铁施工环境恶劣，土体粘性不定，时常可能被拉断，断面很不规则，测量结果精度达不到预期效果。

利用超声波测量的方案：在定速运动的皮带输送机上设置较多的超声波测定点，测量排土截面，通过积分得到排土体积。该种方法的缺陷是皮带输送机的速度并不一直是恒定的，可能会受振动或者其他环境因素的影响，测量结果也就不准确。（参考文献：陈建.盾构掘进排土量管理技术）。

激光式的测量方案：采用激光测距的原理在定速运动的皮带输送机上设置激光测定点，连续测量排土截面，可读取断面形状，再通过积分得到体积。该种测量方案与超声波的方案类似，仅针对定速的皮带输送机。（参考文献：陈建.盾构掘进排土量管理技术）。

一种散料体积的测量装置：采用两个激光二维扫描仪连续扫描散料堆的截面轮廓，行程测量单元测量行程，再通过曲线拟合与积分运算得到扫描过的散料堆体积。该测量方案的局限包括两个激光扫描仪并不能覆盖整个皮带输送机，会出现扫描不到的漏区，另外它采用行程开关，精度低。（专利号：ZL200820231957.7）。

基于图像的体积测量装置：利用3个摄像头拍摄物体，利用图像重构三维形状，计算体积。地铁盾构施工环境恶劣，摄像头镜片容易损坏。（专利号：ZL200810017906.9）。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置，在皮带输送机输送渣土的过程中能在线精确测量盾构施工的出土量。

本发明通过以下技术方案实现，一种基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置，结构为：

该装置包括3个二维激光扫描仪、垂直支架，在皮带输送机的两边挡板上安装“门字形”的垂直支架，支架与皮带输送机输送方向垂直，并将3个二维激光扫描仪安装在该垂直支架上，即皮带输送机垂直上方，3个二维激光扫描仪传感器的安装中心在一条水平线上，垂直支架两侧安装阻尼弹簧减振器，该减振器有上下安装固定螺栓或螺孔，安装方便，从而削弱振动对测量精度的影响；

该测量装置还包括摩擦轮、旋转编码器，摩擦轮通过联轴器与旋转编码器相联，所述摩擦轮具有足够大的摩擦力以防止打滑，摩擦轮安装在皮带输送机的下表面，摩擦轮与皮带输送机的下表面之间紧紧贴合，从而保证摩擦轮旋转与输送带同步，有效精确测量输送带速度；

该测量装置还包括尼龙托板，由于现有皮带输送机大多采用'V'型托辊或者偏移型托辊，使渣土处于输送带的凹槽处，在皮带输送机的测量段输送带下表面安装具有减磨作用的尼龙托板将输送带托平，由此保证系统的测量精度；

该测量装置还包括信号输入输出处理单元、主控单元和上位机，三个二维激光扫描仪以及旋转编码器、信号输入输出接口单元、控制单元、上位机四层之间依次均是通过串行通信线路连接，

在皮带输送机输送渣土的过程中3个二维激光扫描仪呈阵列布置连续扫描土体的截面轮廓数据，供上一层的信号输入输出接口单元采集；

信号输入输出接口单元分别与三个二维激光扫描仪以及旋转编码器串行连接，实时采集二维断面扫描仪与旋转编码器的数据，并传给主控单元进行后续处理；

控制单元采用的是嵌入式计算机，包括嵌入式控制器、系统电源和串行通信接口电路，串行通信接口电路与上位机通信的接口连接，控制单元对3个二维激光扫描仪传感器采集的原始数据进行曲线拟合与积分得到当前渣土横截面积，再利用现场旋转编码器采集到的皮带输送机的速度数据进行合并积分运算计算出扫描到的土体体积；

上位机进行实时显示、参数设定。

本发明与现有的出土体积测量技术相比的优点主要表现为以下几个方面：

1. 三个二维扫描传感器阵列，测量的渣土范围很广，不会出现测量盲区，弥补了以往测量范围不足造成的测量误差，并实现扫描同步；

2. 皮带输送机的转速不一定是定速的，会由于某些原因发生变化，超声波测量与激光测量都是直接利用设定转速与横截面积进行积分计算体积，这样势必会造成测量精度的削弱，而本发明装置利用摩擦轮测量皮带输送机实时的速度，提高准确性；

3. 地下盾构施工环境恶劣，如果采用图像传感器的摄像头容易受到环境的影响，产生损坏，影响测量，而本发明装置中激光二维扫描仪能够适应恶劣的地下环境。

附图说明

图1为本发明整体测量结构示意图。

图2为垂直支架上安装的阻尼弹簧减震器示意图。

图3为横截面方向测量结构示意图。

图4是本发明控制部分原理示意图。

图5是现有技术市售的二维激光扫描传感器原理图。

标记说明：螺旋机出土口1，螺旋机出口处渣土2，摩擦轮3，垂直支架4，二维激光扫描仪5，半导体激光发生器51，透镜52，平面光幕53，镜片54，二维CMOS阵列55，信号处理器56，尼龙托平板6，渣土被测段7，电子皮带秤8，皮带输送机9，输送机皮带91，挡板92，阻尼弹簧减震器10。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案作进一步介绍。

在渣土横截面获取方面，本发明采用市售的二维激光扫描仪传感器，该二维激光扫描仪传感器本身不是本发明对现有技术的贡献。如图5所示，该由厂家为ZHENSHANGYOU GROUP LTD.生产的型号为ZLDS200的二维激光扫描仪传感器，其工作原理是：工作时，半导体激光发生器1发出激光光束，经过透镜2形成一个平面光幕3照射在被测物体表面形成反射，镜片4收集被物体反射回来的光投影在一个二维CMOS阵列5上，从而获得被测物的轮廓线。二维激光扫描传感器采样频率高、精度高的优点，能适应系统获得精确测量结果的要求。

在渣土测速方面，摩擦轮与运送渣土的皮带输送机下表面紧紧接触，通过联轴器将摩擦轮的转动传递给旋转编码器，从而获得渣土的瞬时速度。摩擦轮结构简单可靠，极适用在盾构施工的恶劣条件下，是测速装置的理想选择。

现有盾构施工中采用的皮带输送机带宽大多为600mm，而所述二维激光扫描传感器在宽度方向上最大量程为220mm，现有市面上也没有任何一款传感器能有如此大的量程。由此，本发明采用传感器阵列技术来解决此问题，即在宽度方向上并排使用三个传感器，要求在安装位置上这些传感器位于垂直速度方向的同一条直线，确保准确的获得渣土的截面形状；保证相邻传感器彼此的测量范围有一定交集，避免测量间断情况的出现；保证传感器量程接连在一起可以完全覆盖整个传送带宽度，没有测量的盲区。

在皮带输送机设计中为了防止运输过程中货物滑出皮带，大多采用'V'型托辊或者偏移型托辊。运输时，渣土处于皮带中间的凹槽中，下表面形成一条不规则的曲线。由于激光扫描传感器只能获得渣土上表面的轮廓，对于被渣土挡住的下表面轮廓无法测量，直接将上表面测量形状带入计算将带来非常大的原理误差。本发明通过采用在测量段皮带的下表面安装尼龙托平板（如图3所示）的技术措施，由此使测量段渣土获得一个形状规则、高度位置已知的下表面。选用的具有减磨作用的尼龙托板，轻巧耐用、简单方便。

如图1、图2、图3、图4所示：

在皮带输送机的两边挡板上安装“门字形”的垂直支架，支架与皮带输送机输送方向垂直，并将3个二维激光扫描仪安装在该垂直支架上，即皮带输送机垂直上方，3个二维激光扫描仪传感器的安装中心在一条水平线上，垂直支架两侧安装阻尼弹簧减振器，该减振器有上下安装固定螺栓或螺孔，安装方便，从而削弱振动对测量精度的影响。

摩擦轮通过联轴器与旋转编码器相联，所述摩擦轮具有足够大的摩擦力以防止打滑，摩擦轮安装在皮带输送机的下表面，摩擦轮与皮带输送机的下表面之间紧紧贴合，从而保证摩擦轮旋转与输送带同步，有效精确测量输送带速度。

由于现有皮带输送机大多采用'V'型托辊或者偏移型托辊，使渣土处于输送带的凹槽处，在皮带输送机的测量段输送带下表面安装具有减磨作用的尼龙托板将输送带托平，由此保证系统的测量精度。

现场的三个二维激光扫描仪以及旋转编码器、信号输入输出接口单元、控制单元、上位机四层之间依次均是通过串行通信线路进行数据交换。

在扫描横截面积时是利用三个传感器，扫描器的扇形有交叉部分，如图2所示二维激光扫描仪传感器阵列，可准确扫描出土体的截面积。

在皮带输送机输送渣土的过程中3个二维激光扫描仪呈阵列布置连续扫描土体的截面轮廓，根据测量结果进行曲线拟合与积分运算，计算出渣土的横截面积。

信号输入输出接口单元分别与三个二维激光扫描仪以及旋转编码器串行连接，实时采集二维断面扫描仪与旋转编码器的数据，并传给主控单元进行后续处理。输入输出接口单元是控制单元与工业控制现场3个二维断面扫描仪传感器及旋转编码器传感器信号连接的枢纽，其输入口用来接受现场过程中各传感器的各种参数，其输出口用来送出给控制单元运算后得出的土体体积。

本实施例信号输入输出接口单元采用市售产品PCM-3610模块，产品PCM-3610是具有双端口RS-232和RS-422/RS-485的接口模块，它支持串行通信协议和提供长距离高速度可靠的通信。信号输入输出接口单元PCM-3610的COM1、COM2、COM3、COM4以RS422电缆分别与3只二维扫描仪以及旋转编码器的通信接口连接。

本实施例控制单元采用的是嵌入式计算机，主要由以单片机作为处理器的嵌入式控制器、系统电源、在处理器核心的基础上扩展出的存储器、总线及串行通信接口电路等外围电路、嵌入式操作系统、应用程序构成的嵌入式计算机系统，该嵌入式计算机系统的嵌入式控制器、串行通信接口电路、系统电源、外围电路都集成在一个主板上。通过控制单元应用程序实时完成对现场二维激光扫描仪传感器提供的当前原始数据进行曲线拟合与积分运算计算出渣土的横截面积，再利用现场旋转编码器实时采集到的皮带输送机的速度数据进行合并积分运算计算出扫描到的土体体积，可以还原出土体的轮廓线。同时控制单元的串行通信接口电路与上位机通信的接口连接。

本实施例控制单元具体采用市售产品PCM-3341板。信号输入输出接口单元PCM-3610与控制单元PCM-3341采用PC104总线进行连接；PCM-3341的COM1与上位机以RS232电缆连接。

上位机进行实时显示、参数设定、测量结果下载等操作。

Claims (1)

1. 一种基于断面扫描的盾构施工排土体积在线测量装置，其特征在于，该装置包括3个二维激光扫描仪、垂直支架，在皮带输送机的两边挡板上安装“门字形”的垂直支架，支架与皮带输送机输送方向垂直，并将3个二维激光扫描仪安装在该支架上，3个二维激光扫描仪的安装中心在一条水平线上，垂直支架两侧安装阻尼弹簧减振器；

该测量装置还包括摩擦轮、旋转编码器，摩擦轮通过联轴器与旋转编码器相联，摩擦轮安装在皮带输送机的下表面，摩擦轮与皮带输送机的下表面之间紧紧贴合；

该测量装置还包括尼龙托板，安装在皮带输送机的测量段输送带下表面；

该测量装置还包括信号输入输出接口单元、主控单元和上位机，三个二维激光扫描仪以及旋转编码器、信号输入输出接口单元、控制单元、上位机四层之间依次均是通过串行通信线路连接，

在皮带输送机输送渣土的过程中3个二维激光扫描仪呈阵列布置连续扫描土体的截面轮廓，根据测量结果进行曲线拟合与积分运算，计算出渣土的横截面积，供上一层的信号输入输出接口单元采集；

信号输入输出接口单元分别与三个二维激光扫描仪以及旋转编码器串行连接，实时采集二维断面扫描仪与旋转编码器的数据，并传给主控单元进行后续处理；

控制单元采用的是嵌入式计算机，包括嵌入式控制器、系统电源和串行通信接口电路，串行通信接口电路与上位机通信的接口连接，控制单元对二维激光扫描仪传感器提供的当前扫描数据进行曲线拟合与积分运算计算出渣土的横截面积，再利用旋转编码器采集到的皮带输送机的速度数据进行合并积分运算计算出扫描到的土体体积；

上位机进行实时显示、参数设定。

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