CN104019857A - 一种测量盾构机出料体积的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量盾构机出料体积的系统，包括：超声波测距仪、测速齿盘、单片机、显示装置、键盘、数据存储器、电源模块，超声波测距仪包括超声波发射器和超声波接收器，超声波探头接I/O口实现超声波的发射和接收，多个超声波测距仪安装在由两个竖直支柱和横梁组成的支架的横梁上，测速齿盘安装在带动皮带转动的轮轴上，用于测量运输皮带的移动速度。通过测量盾构机出料运输皮带上物料各点位的高度和测量出料运输皮带的移动速度实时计算盾构机的出料体积，本发明克服了现有技术中称重法受出料含水量干扰而造成测量误差的缺陷，能够高精度的实时测算出盾构机出料的出料体积。

Description

一种测量盾构机出料体积的系统及其方法

技术领域

本发明涉及 一种盾构机出料体积的测量系统及其方法， 特别涉及 一种利用超声测距仪对出料的各处高度、出料运输皮带移动速度和超声波测距仪工作空间温度进行测量，经过计算最终达到实时测算出盾构机出料体积的系统及其方法。

背景技术

盾构法广泛应用于城乡地下空间的开发利用过程中。盾构法施工中的出料体积关系到施工成本问题、施工期限问题、施工管理问题以及相关地表沉降计算问题。因此，盾构法施工出料体积的测量是盾构法实施过程中需要关注的重要因素。

盾构施工对土体的扰动表现为盾构对土的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等，这些扰动导致盾构施工中实际处理的出料土体体积不等于设计方案中地下空间的体积。所以施工中实际处理的出料土体体积需要进行实际测量，现有的盾构施工出料体积测量方法是称重法，但是称重法在实施工程中会受到土体含水量的巨大干扰从而出现较大的偏差。由于盾构法施工出料的不规则性，体积没有现成的计算公式可以利用，因此，盾构法施工出料体积的实时检测没有成形的方法可用。

本发明通过深入研究与大量现场测试，首次提出通过测量盾构机出料运输皮带上物料各处高度和出料运输皮带移动速度，经过计算最终实时给出出料的体积值。并且已经在施工现场进行了测试，测试结果表明本发明具有操作简单、适应性强、高可靠、无污染、易维护的优点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够实时获得盾构机出料体积的测量系统及其方法。本发明可以测算出盾构机出料的真实体积，为工程施工和施工诱发的地表沉降灾害的预防提供准确的数据基础。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种盾构机出料体积测量系统，其特征在于，包括：超声波测距仪、测速齿盘、单片机、显示装置、键盘、数据存储器、电源模块，超声波测距仪包括超声波发射器和超声波接收器，超声波探头接I/O口实现超声波的发射和接收，多个超声波测距仪安装在由两个竖直支柱和横梁组成的支架的横梁上，测速齿盘安装在带动皮带转动的轮轴上，用于测量运输皮带的移动速度。

所述单片机为AT89C52单片机，包括40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，数据存储包括256字节的内部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字节的片内EEPROM和可扩展至64K的外部数据存储器。

所述测量系统的电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、单片机电路、显示电路、键盘电路、数据存储电路、数据传输电路与电源电路；单片机电路采用单一+5V电源供电，封装具有逻辑操作位寻址功能、采用双列直插40PinDIP封装，CPU由运算和控制逻辑组成、同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器，RAM用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据，ROM用以存放程序、一些原始数据和表格，I/O口具有四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出，单片机电路还包括2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个），外部数据存储器寻址空间为64kB，外部程序存储器寻址空间为64kB，一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信，片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接，最佳振荡频率为6M—12M。

一种利用所述的盾构机出料体积测量系统的盾构机出料体积的测算方法，包括：测量盾构机出料皮带上物料的各点的高度h_i，测量各点位之间距离d_i，测量盾构机出料运输皮带的移动速度v，使用计算公式计算在时刻T_i和T_j之间的时间段内盾构机的出料体积V。公式为：V=（h₁*d₁+h₂*d₂+…+h_n*d_n）*v_ij*（T_j-T_i），式中n为共测量的物料上表面的测点数目。

所述盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面各点位高度之前，设置刮板对物料进行简单的整平和轻微的压实，从而达到所测各点位的高度数据稳定，便于发现测量粗差的目的，并且此道工序的作用还在于简单压实后的出料体积更加符合物料装入转运车辆内的体积，从而为施工统筹和费用估算提供高精度的决策数据。

所述盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面高度时可使用超声波测距仪进行测量，在刮板后安装一个支架，如图10所示的1，支架由两个竖直的支柱和一个横梁组成，横梁上安置多个超声波测距仪2，所有超声波测距仪发射超声波的方向为垂直向下，首先测出空载时测距仪对应的各点和超声波测距仪之间的距离H_i0，然后测量出料时运输皮带上物料的上表面各点位和超声波测距仪之间的距离Hi，经过大量测试发现，为了避免测量盲区的出现且多组超声波之间不会产生较大的干扰，设置超声波测距仪的发射口距离刮板最下端的垂直距离为60cm~80cm，相邻两个超声波测距仪中心点间距为10cm~20cm，所有超声波测距仪所发射的超声波频率各不相同，测试发现用于土石类物料测量的超声波频率设置在40kHz~80kHz的区间内能够取得最好的反射和接收效果。超声波在空气中的传播速度与温度有关，所以在支架上安置温度测量装置进行超声波测距仪工作环境温度的实时测量，并根据修正模型对超声波在空气中的传播速度进行实时修正，模型为：v_{声 i}=331.4+0.607t_i，其中v_声为超声波在空气中的传播速度，t为超声波测距仪工作环境的温度。进行运输皮带移动速度的测量时，在轴上安装一个有一个指针的测速齿盘如图11所示，通过测量单位时间内测速齿盘的旋转周数计算运输皮带的移动速度，公式为v=n2πr/M，其中v是皮带移动速度；r是带动皮带转动的轮轴半径；n是测速时间段内测速齿盘旋转的周数；M是测速时间。按照公式计算盾构机在时刻Tj和Ti时间内的出料体积，公式为：V=（（H₁-H₁₀）*d₁+（H₂-H₂₀）*d₂+…+（H_n-H_n0）*d_n）*v*（T_j-T_i） ； H=0.5* v_{声 ij} *∆t ； v_{声 ij}=0.5*（331.4+0.607t_i+331.4+0.607t_j） ； v=n2πr/M 。

本发明提供了实时测量盾构机出料体积的方法，该方法客服了现有技术中称重法受出料含水量干扰而造成测量误差的缺陷，能够高精度的实时测算出盾构机出料的出料体积。

附图说明

图1超声波测距框图。

图2单片机电路。

图3(a)显示驱动电路，图3(b) 数码管。

图4键盘电路。

图5 数据存储电路。

图6 数据传输电路。

图7 40khz超声波发射电路。

图8 40khz超声波发射控制电路。

图9 40KHz超声波接收电路。

图10 构机出料测量方法中超声波测距仪与出料运输皮带的布局示意图。

图11 测量盾构机出料运输皮带测速齿盘示意图。

图12 刮板示意图。

图13 CPU与存储器之间数据传输示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明的盾构机出料体积测量系统，包括：超声波测距仪、测速齿盘、单片机、显示装置、键盘、数据存储器、电源模块，超声波测距仪包括超声波发射器和超声波接收器，超声波探头接I/O口实现超声波的发射和接收，多个超声波测距仪安装在由两个竖直支柱和横梁组成的支架的横梁上，测速齿盘安装在带动皮带转动的轮轴上，用于测量运输皮带的移动速度。

所述单片机为AT89C52单片机，包括40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，数据存储包括256字节的内部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字节的片内EEPROM和可扩展至64K的外部数据存储器。

所述测量系统的电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、单片机电路、显示电路、键盘电路、数据存储电路、数据传输电路与电源电路；单片机电路采用单一+5V电源供电，封装具有逻辑操作位寻址功能、采用双列直插40PinDIP封装，CPU由运算和控制逻辑组成、同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器，RAM用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据，ROM用以存放程序、一些原始数据和表格，I/O口具有四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出，单片机电路还包括2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个），外部数据存储器寻址空间为64kB，外部程序存储器寻址空间为64kB，一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信，片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接，最佳振荡频率为6M—12M。

关于显示电路，单片机AT80C52并行的数据I／O口接入显示模块ICM7218数据输入I／O口，ICM721 8系列通用LED显示驱动器是INTEP-SIL公司专为微处理器和数字系统中LED显示需要而设计的通用集成电路，内含8X8位静态RAM；两种7段译码器；多位扫描电路和大电流位、段驱动器等，其引脚配置如图3(a)所示。电路的工作分两步进行：首先，根据显示要求输入正确的控制字，然后，输入跟控制字要求相一致的数据信息，电路按照控制字的要求。将输入的数据信息转换成正确的显示信号送入LED显示 ICM 7218BIJ具有两根控制线(WP-ATE和MODE).在它们的共同作用下，将4比特的控制信息或显示数据(8位，每位8比特)写入片中RAM，这些数据可直接显示也可H码或B码译码方式显示。数码管选择共阴极的数码管，数码管管脚接到高电平发亮，如图3(b)所示。

图4是普通键盘的电路图，是用AT892单片机实现的。图中按键接到AT892引脚P1的一部分，流过的是高低变换的电平，判断键状态，用以人工控制达到人机交互。

数据存储器的主要功能是存储各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成数据的存取。存储器是具有“记忆”功能，采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。

微处理器通过数据总线、地址总线及控制总线与存储器连接。

地址总线为地址信号，用来指明选中的存储单元地址。

数据总线为数据信号，它是微处理器送往存储器的信息或存储器送往微处理器的信息。它包括指令和数据。

控制总线发出存储器读写信号，以便从存储器中读出数据或写入数据，数据传输方式如图13所示。

使用的是40Z08。40Z08为8K╳8位的静态RAM，如图5。数据传输电路如图6所示。

其中A0～12为13根地址线，I/O的0～7为8根数据线，CS1 、CS2为两个片选端，OE为数据输出选通端，WR为写信号端。其工作方式见下表：

控制信号	CS1	CS2	OE	WR	数据线
						读	L	H	L	H	输出
写	L	H	╳	L	输入
						非选	H	╳	╳	╳	高阻态
非选	╳	L	╳	╳	高阻态
						输出禁止	L	H	H	H	高阻态

40Z08的地址线（A0～A12）接总线上的地址线A0～A12。

40Z08的数据线（D0～D7）接总线上的数据线D0～D7。

40Z08的OE接总线上的RD。

40Z08的WE接总线上的WR。

40Z08的CS2接总线上的+5V。

40Z08的CS1接选片地址AD1（地址高位译码10000H）。

对于数据传输电路，采用MAXIM公司的MAX232芯片，作为电平转换电路，该芯片与TTL／COMS电平兼容，片内有2个发送器，2个接收器，且使用+5V单电源供电，使用非常方便。

超声波发射电路，要求功率尽量大些，发射距离大于1.5米，电路力求简单实用。AT89C52单片机通过I/O扩展口74HC573控制4011发射路选TS0，AT89C52单片机INT0发射40kHZ方波电信号， TS0和INT0与运算经晶体管9013驱动超声探头发射出一串40kHZ超声波信号, 同时启动计数器TO计数。超声波电路中，通过I/O扩展口74HC573控制，进行八路顺序发射，电路工作电压24V，工作电流约25mA。发射超声波信号大于3m。电路不需调试即可工作。这样电路很简单与实用，如图7、8。

超声波接收电路，要求灵敏度尽量高，电路力求简单实用。AT89C52单片机通过I/O扩展口74HC573控制4011接收路选RS0，超声探头信号S0经过R41、C40和D40-41限幅后信号与RS0与运算输出DE1信号，通过带通滤波电路、波形整形电路输出的信号接入AT89C52单片机INT1接收40kHZ方波电信号，外部中断计数器TO计数，计数器TO计数换算超声走时t0，实现接收超声波的功能。如图9所示。

本发明的利用所述的盾构机出料体积测量系统实时测算盾构机出料体积的方法，它包括：测量盾构机出料皮带上物料的各点的高度h_i，测量各点位之间距离d_i，测量盾构机出料运输皮带的移动速度v，使用计算公式计算在时刻T_i和T_j之间的时间段内盾构机的出料体积V。公式为：V=（h₁*d₁+h₂*d₂+…+h_n*d_n）*v_ij*（T_j-T_i），式中n为共测量的物料上表面的测点数目。

所述盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面各点位高度之前，设置刮板对物料进行简单的整平和轻微的压实，从而达到所测各点位的高度数据稳定，便于发现测量粗差的目的，并且此道工序的作用还在于简单压实后的出料体积更加符合物料装入转运车辆内的体积，从而为施工统筹和费用估算提供高精度的决策数据。

所述盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面高度时可使用超声波测距仪进行测量，在刮板后安装一个支架，如图10所示的1，支架由两个竖直的支柱和一个横梁组成，横梁上安置多个超声波测距仪2，所有超声波测距仪发射超声波的方向为垂直向下，首先测出空载时测距仪对应的各点和超声波测距仪之间的距离H_i0，然后测量出料时运输皮带上物料的上表面各点位和超声波测距仪之间的距离Hi，经过大量测试发现，为了避免测量盲区的出现且多组超声波之间不会产生较大的干扰，设置超声波测距仪的发射口距离刮板最下端的垂直距离为60cm~80cm，相邻两个超声波测距仪中心点间距为10cm~20cm，所有超声波测距仪所发射的超声波频率各不相同，测试发现用于土石类物料测量的超声波频率设置在40kHz~80kHz的区间内能够取得最好的反射和接收效果。超声波在空气中的传播速度与温度有关，所以在支架上安置温度测量装置进行超声波测距仪工作环境温度的实时测量，并根据修正模型对超声波在空气中的传播速度进行实时修正，模型为：v_{声 i}=331.4+0.607t_i，其中v_声为超声波在空气中的传播速度，t为超声波测距仪工作环境的温度。进行运输皮带移动速度的测量时，在轴上安装一个有一个指针的测速齿盘如图11所示，通过测量单位时间内测速齿盘的旋转周数计算运输皮带的移动速度，公式为v=n2πr/M，其中v是皮带移动速度；r是带动皮带转动的轮轴半径；n是测速时间段内测速齿盘旋转的周数；M是测速时间。按照公式计算盾构机在时刻Tj和Ti时间内的出料体积，公式为：V=（（H₁-H_{1 ， 0}）*d₁+（H₂-H_{2 ， 0}）*d₂+…+（H_n-H_{n ， 0}）*d_n）*v*（T_j-T_i） ； H=0.5* v_{声 ij} *∆t ； v_{声 ij}=0.5*（331.4+0.607t_i+331.4+0.607t_j） ； v=n2πr/M 。

体积测量主要误差有以下因素影响：第一，由于传感器间有间隔，测量的高度并不能反映实际高度连续曲面，公式是简化的，因而带来简化公式系统误差，采用三点拟合高度误差可以减少此误差，误差为1mm，物料宽度1000mm，皮带走时长度100mm体积误差小于100cm³。第二，物料疏密误差1mm，体积误差小于100cm³。第三，波形整形延时误差取1/10个波长，1/40k×1/10×331.4=0.9mm，体积误差小于100cm³。第四，皮带打滑误差，打滑0.5mm，体积误差小于100cm³。所以总误差小于500cm³。

本发明现场测试实验中包括针对南京地铁三号线TA17标盾构区间现场测试。在出料运输皮带上安装一个刮板，目的是在测量之前将出料做简单的铺平和轻微压实且不会将出料刮出皮带，如图12所示，在刮板后安装一个支架如图10所示的1，支架由两个竖直的支柱和一个横梁组成，横梁安置在位于距离刮板最下端60cm的位置，为了防止测量盲区的出现且能避免多组超声波的相互干扰，本次实施在横梁上安装8个超声波测距仪用于发射和接收超声波，每个超声波测距仪发射的超声波频率间隔设置为2kHz，每相邻两个超声波测距仪的中心间距为10cm，如图10所示的2。首先测出空载时测距仪对应的各点的高度，然后开定时器定时, 检测回波输入端有回波信号时, 读该时刻定时器的定时值, 即能求出从发出超声波至收到回波之间的时间∆t，测出空载时超声测距仪对应的皮带上各点到测距仪的距离H_i0，当出料皮带将出料运出时，超声波测距仪对经刮板整平后出料的高度进行测量，同时进行出料运输皮带的移动速度测量，然后按照公式进行出料体积的计算，公式如下V=（（H₁-H_{1 ， 0}）*d₁+（H₂-H_{2 ， 0}）*d₂+…+（H₈-H_{8 ， 0}）*d₈）*v*（T_j-T_i） ； H=0.5* v_{声 ij} *∆t ； v_{声 ij}=0.5*（331.4+0.607t_i+331.4+0.607t_j） ； v=n2πr/M。

Claims (6)

1.一种盾构机出料体积测量系统，其特征在于，包括：超声波测距仪、测速齿盘、单片机、显示装置、键盘、数据存储器、电源模块，超声波测距仪包括超声波发射器和超声波接收器，超声波探头接I/O口实现超声波的发射和接收，多个超声波测距仪安装在由两个竖直支柱和横梁组成的支架的横梁上，测速齿盘安装在带动皮带转动的轮轴上，用于测量运输皮带的移动速度。

2.根据权利要求1所述的盾构机出料体积测量系统，所述单片机为AT89C52单片机，包括40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，数据存储包括256字节的内部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字节的片内EEPROM和可扩展至64K的外部数据存储器。

3.根据权利要求2所述的盾构机出料体积测量系统，所述测量系统的电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、单片机电路、显示电路、键盘电路、数据存储电路、数据传输电路与电源电路；单片机电路采用单一+5V电源供电，封装具有逻辑操作位寻址功能、采用双列直插40PinDIP封装，CPU由运算和控制逻辑组成、同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器，RAM用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据，ROM用以存放程序、一些原始数据和表格，I/O口具有四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出，单片机电路还包括2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个），外部数据存储器寻址空间为64kB，外部程序存储器寻址空间为64kB，一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信，片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接，最佳振荡频率为6M—12M。

4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的盾构机出料体积测量系统的盾构机出料体积的测算方法，包括：测量盾构机出料皮带上物料的各点的高度h_i，测量各点位之间距离d_i，测量盾构机出料运输皮带的移动速度v，使用计算公式计算在时刻T_i和T_j之间的时间段内盾构机的出料体积V，公式为：V=（h₁*d₁+h₂*d₂+…+h_n*d_n）*v_ij*（T_j-T_i），式中n为共测量的物料上表面的测点数目。

5.根据权利要求4所述的盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面各点位高度之前，设置刮板对物料进行简单的整平和轻微的压实，从而达到所测各点位的高度数据稳定，便于发现测量粗差的目的，并且此道工序的作用还在于简单压实后的出料体积更加符合物料装入转运车辆内的体积，从而为施工统筹和费用估算提供高精度的决策数据。

6.根据权利要求5所述的盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面高度时可使用超声波测距仪进行测量，在刮板后安装一个支架1，支架由两个竖直的支柱和一个横梁组成，横梁上安置多个超声波测距仪2，所有超声波测距仪发射超声波的方向为垂直向下，首先测出空载时测距仪对应的各点和超声波测距仪之间的距离H_i0，然后测量出料时运输皮带上物料的上表面各点位和超声波测距仪之间的距离Hi，经过大量测试发现，为了避免测量盲区的出现且多组超声波之间不会产生较大的干扰，设置超声波测距仪的发射口距离刮板最下端的垂直距离为60cm~80cm，相邻两个超声波测距仪中心点间距为10cm~20cm，所有超声波测距仪所发射的超声波频率各不相同，测试发现用于土石类物料测量的超声波频率设置在40kHz~80kHz的区间内能够取得最好的反射和接收效果，超声波在空气中的传播速度与温度有关，所以在支架上安置温度测量装置进行超声波测距仪工作环境温度的实时测量，并根据修正模型对超声波在空气中的传播速度进行实时修正，模型为：v_声i=331.4+0.607t_i，其中v_声为超声波在空气中的传播速度，t为超声波测距仪工作环境的温度，进行运输皮带移动速度的测量时，在轴上安装一个有一个指针的测速齿盘如图11所示，通过测量单位时间内测速齿盘的旋转周数计算运输皮带的移动速度，公式为v=n2πr/M，其中v是皮带移动速度；r是带动皮带转动的轮轴半径；n是测速时间段内测速齿盘旋转的周数；M是测速时间，按照公式计算盾构机在时刻Tj和Ti时间内的出料体积，公式为：V=（（H₁-H₁₀）*d₁+（H₂-H₂₀）*d₂+…+（H_n-H_n0）*d_n）*v*（T_j-T_i） ； H=0.5* v_声ij *∆t ； v_声ij=0.5*（331.4+0.607t_i+331.4+0.607t_j） ； v=n2πr/M。