CN106382914A - 一种基于psd传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置及其监测方法，包括：PSD光电位置传感器、激光发射器、传送平台、轨道、2个电动轨道车、伸缩装置、调平装置、激光测量盒、PSD读数盒、锁头、旋转锁扣。本发明还公布了一种基于上述装置的监测方法，监测过程全程通过电脑控制并无线传输和处理数据。本发明装置轻便、安装简单，该监测方法提升监测效率，加快监测反馈效率，节省人力。

Description

一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置及其监 测方法

【技术领域】

本发明涉及拱顶沉降监测领域，特别涉及一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置及其监测方法。

【背景技术】

随着我国经济建设的突飞猛进和城市化程度的不断提高，地下空间的开发和利用已大力开展，地铁运行所带来的危害日益凸显。地铁振动的长期作用可能引起土体发生沉降并具有累积效应，引起隧道沉降和地表变形，直接威胁地铁隧道结构和行车安全，间接引起建筑物地基不均匀下沉，对沿线建筑物造成损害，促使有裂缝的砌体加速开裂或倒塌、造成巨大的经济损失和社会影响。因此，地铁运营过程中长期微幅振动下所导致的土体沉降累积是不容忽视的问题。如何预测并采取有效对策以控制和减小土体沉降成为地下交通建设中亟待解决的技术难题。因此本发明专利应运而生，实现隧道拱顶沉降监测的机械化与自动化，极大减少人力付出和减少监测器材携带难度，为评估隧道安全性和土层微幅振动下累积沉降问题提供有力技术支撑。

【发明内容】

针对上述背景技术存在的不足和缺陷，本发明专利提供一种隧道拱顶沉降自动化监测的PSD装置及其监测方法。更具体的涉及机械制造与自动化、无线数据传输领域，同时还涉及一种与之对应的沉降监测方法，特别适用于对地铁隧道长期运营微幅振动导致的隧道拱顶沉降领域，适合于对监控量测精度、自动化程度要求高的监测领域。

本发明目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，包括：传送平台，所述的传送平台通过三角钢支架固定在隧道拱顶上，传送平台上布置有轨道，轨道上安装有两个伸缩式的电动轨道车，两个电动轨道车上分别安装激光测量盒和PSD读数盒用于对隧道拱顶的进行沉降监测；传送平台及轨道在每一个监测断面的附近还设置有分岔口，分岔口的终端在监测断面拱顶的正下方；激光测量盒和PSD读数盒上均固定有锁头，隧道拱顶的监测断面处安装与锁头匹配的旋转锁扣。

所述的传送平台是由镀锌钢板铺设在三角钢支架上并通过螺栓连接形成；传送平台的主体部分沿隧道轴线变化，分岔口的终端设置有挡板。

所述的轨道的设置方式与传送平台相同。

所述的电动轨道车包含一个平板车床，车床下包含控制电路、单片机、和车轮，控制电路接受到指令后通过内置的单片机控制电动轨道车的行进与停止。

所述的在电动轨道车上设置伸缩装置，伸缩装置上安装调平装置，激光测量盒和PSD读数盒安装在调平装置上。

所述的伸缩装置采用折叠式伸缩结构，伸缩精度为0～0.01mm。

所述的调平装置下端通过螺栓固定在伸缩装置上，调平装置包含初调平机构和微调平机构。

所述的激光测量盒上表面固定旋转锁扣的第一锁头，激光测量盒前后两侧面上各设置一组第一对开闸门，测量盒内包含激光发射器、第一旋转平台和第一控制盒；所述的第一控制盒包括第一控制电路和第一伺服马达；激光发射器固定在第一旋转平台上，第一伺服马达通过自带转轴与第一旋转平台相连，第一旋转平台能够调整激光发射器发出的光束的方向，使激光束对准PSD读数盒，第一控制电路集成无线传输模块，用于接收和执行指令，以打开闸门或控制第一伺服马达转动第一旋转平台；

所述的PSD读数盒上表面固定旋转锁扣的第二锁头，前后两侧面上各设置一组第二对开闸门，PSD读数盒内设置有PSD光电位置传感器和数据采集器；数据采集器内置信号解码模块。

所述的旋转锁扣内置触控模块；当锁头伸到锁扣的锁孔内并触碰底部时，旋转锁扣启动旋转锁住锁头，使激光测量盒或者PSD读数盒固定在隧道拱顶处。

一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测方法，包括以下步骤：

首先安装PSD读数盒的电动轨道车B车接收启动信号后沿轨道运行，当电动轨道车B运行至第一监测断面附近时进入对应的第一分岔口，并使电动轨道车B停在第一监测断面拱顶的正下方，电动轨道车B停稳后，打开伸缩装置，带动调平装置及其上面固定的PSD读数盒上升，直到PSD读数盒上的锁头伸入旋转锁扣的锁孔内，当锁头触碰到锁孔底部时旋转锁扣自动开启锁住并固定锁头，将PSD读数盒固定在第一监测断面下；

同样操作，驱动安装激光测量盒的电动轨道车A将激光测量盒固定在第二测量断面下；控制激光测量盒和PSD读数盒打开其两侧的闸门，位于第二测量断面处激光发射器发出激光束照射到第一监测断面处的PSD光电传感器上，PSD光电传感器接收到光信号并进行转化，采集到第一监测断面的沉降数据；

之后隧道拱顶处的旋转锁扣打开，电动轨道车上的伸缩装置关闭，激光测量盒和PSD读数盒重新回到轨道车上，控制电动轨道车回到主传送平台；

重复上述操作，电动轨道车A载着激光测量盒进入第三测量断面，电动轨道车B载着PSD读数盒进入第二测量断面，进行第二测量断面的沉降数据监测，如此循环下去，完成全程每个测量断面的沉降测量。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明基于PSD光电位置传感器进行地铁长期沉降监测，能够很好的满足测量精度的要求。该装置的轨道上安装有两个伸缩式的电动轨道车，激光测量盒和PSD读数盒上均固定有锁头，隧道拱顶的监测断面处安装与锁头匹配的旋转锁扣。通过电动轨道车的位置实现锁头与旋转锁扣固定进而固定激光测量盒和PSD读数盒的位置，进行监测断面处的沉降数据采集。该装置能够实现自动化监测，避免对地铁的正常行驶造成干扰，极大的提高了监测效率。在隧道上部铺设轨道，让激光发射器和PSD传感器沿轨道进行自动化监测，避免了在每个监测断面都布置激光发射器、PSD传感器和数据采集器，极大的减小了监测成本投入。轨道的位置和固定合理的利用隧道内部空间位置，尽可能的减少对隧道衬砌的破坏。整套设备拆卸灵活、安装方便，大大节约了人力操作的费用和人为可能导致的误差。同时，本发明专利能够大大提高监测的自动化水平，提高监控量测效率及时反馈监测数据反映隧道运营状态，大大降低人力成本，节约资金。

进一步，在分岔口的终端设置挡板，避免轨道车由于惯性或制动不灵而掉落。

进一步，伸缩装置采用折叠式伸缩架，伸缩架上部固定有安装平台，该伸缩装置属于高精密仪器，稳定性好、精度高。

进一步，调平装置包含初调平机构和微调平机构。首先采用支座上的大旋钮进行初调，使其工作面处于水平位置，固定好激光发射器之后，再通过其平台下的三个小转钮进行微调，以确保每次的激光束都是平行射向PSD位置传感器。

本发明一种基于上述装置的监测方法，监测过程全程通过电脑控制并无线传输和处理数据。检测过程轻便、安装简单，该监测方法提升监测效率，加快监测反馈效率，节省人力。

【附图说明】

图1是监测系统整体示意图；

图2电动轨道车A及激光测量盒的示意图；

图3电动轨道车B及PSD读数盒示意图；

图4旋转锁扣示意图；图4(a)为旋转锁扣主视图；图4(b)为旋转锁扣左视图；

图中：1.传送平台、2.三角钢支架、3.轨道、4.电动轨道车、5.伸缩装置、6.调平装置7.激光测量盒、8.PSD读数盒、9.激光发射器、10.PSD光电传感器、11.第一锁头、11’.第二锁头、12.旋转锁扣、13.数据采集器、14.第一对开闸门、14’.第二对开闸门、15.旋转平台、16控制盒、17控制电路、18伺服马达、19控制电路、20单片机。

【具体实施方式】

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述，但本发明不限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选施例中详细说明具体的细节。

如图1所示，一种隧道拱顶沉降自动化监测的PSD装置，包括传送平台1，用于使传送平台1固定在隧道拱顶上的三角钢支架2，在传送平台1上布置轨道3，沿轨道3运行的电动轨道车4，在电动轨道车4上安装伸缩装置5，在伸缩装置5上安装调平装置6，在调平装置6上安装激光测量盒7或者PSD读数盒8，激光测量盒7和PSD读数盒8上均固定有旋转锁扣的锁头11，在监测断面的拱顶处安装旋转锁扣12，用于固定激光测量盒盒PSD读数盒。

其中，传送平台1采用镀锌钢板，镀锌钢板铺设在三角钢支架2上，并通过螺栓连接。传送平台1的主体部分沿隧道轴线变化，大部分为直线段，同时也包含转弯段和分岔口。分岔口设置在每一个监测断面的附近，分岔口的终端都停留在监测断面拱顶的正下方。在分岔口的终端设置挡板，避免轨道车由于惯性或制动不灵而掉落。

三角钢支架2采用镀锌三角钢焊接成U型的支撑架，并在其上端焊接端头。通过螺栓连接将端头固定在隧道右拱肩处，从而实现对传送平台的支撑作用。

轨道3类似于火车轨道，其固定在传送平台上。在传送平台的分岔口处设置道岔，方便电动轨道车能够顺利的运行到隧道拱顶正下方。

电动轨道车4包含一个平板车床，其车床下包含控制电路19、单片机20和4个车轮。控制电路19接受到指令后通过内置单片机20执行电动轨道车的行进与停止。

伸缩装置5采用折叠式伸缩架，伸缩架上部固定有安装平台，该伸缩装置属于高精密仪器，稳定性好、精度高，其精度可控制在0.01mm。伸缩装置5通过螺栓固定在轨道车上。

调平装置6下端通过螺栓固定在伸缩装置5上，调平装置6包含两次调平，首先采用支座上的大旋钮进行初调，使其工作面处于水平位置，固定好激光发射器之后，再通过其平台下的三个小转钮进行微调，以确保每次的激光束都是平行射向PSD位置传感器。

如图2所示，激光测量盒7上表面固定旋转锁扣的锁头11，前后两侧面上各设置一组对开闸门14，测量盒内包含激光发射器9、旋转平台15、控制盒16。所述的控制盒16包括控制电路17、伺服马达18。激光发射器9通过螺栓固定在旋转平台15上，伺服马达18通过自带转轴与旋转平台15相连，控制电路17集成无线传输模块，可以接收和执行指令，指挥打开闸门或转动旋转平台。

如图3所示，PSD读数盒8与激光测量盒7构造相似，其上表面也固定旋转锁扣的锁头11’，前后两侧面上各设置一组对开闸门14’，读数盒内包含PSD光电位置传感器10、数据采集器13。PSD位置传感器固定在其卡座里，其卡座牢固粘结在读数盒的上部。数据采集器13固定在读数盒的下部，内置信号解码模块，从而将光信号转换成沉降数据。

如图4所示，旋转锁扣有两部分组成，即锁头和锁扣12，锁头固定在激光测量盒7或PSD读数盒8的上部，锁扣12外形为四方形盒子，锁孔位于盒子的中心位置。盒子四角留有螺栓孔，通过螺栓将锁扣12固定在每个监测断面的拱顶处。旋转锁扣12内置触控模块，当锁头11伸到锁孔内并触碰到锁孔底部时，旋转锁扣12自动开启，旋转锁住，从而将激光测量盒7或者PSD读数盒8牢固的固定在隧道拱顶处。

一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测方法，包括以下步骤：

本装置需要两个电动轨道车，电动轨道车A用于载激光测量盒7、电动轨道车B用于载PSD读数盒8。进行测量前首先完成所有部件的安装和调平工作。测量时，电动轨道车B车床下的控制电路19接收到信号后，通过其内置单片机20启动电动轨道车B沿轨道运行，当电动轨道车B运行至监测断面1附近时进入分岔口1，并使电动轨道车B准确的停在断面1拱顶的正下方。电动轨道车B停稳后，其控制电路19发出命令，打开伸缩装置5，带动调平装置6及其上面固定的PSD读数盒8上升，直到PSD读数盒8上的锁头伸入旋转锁扣的锁孔内，当锁头触碰到锁孔底部时旋转锁扣自动开启，锁住并固定锁头，从而将PSD读数盒8固定在测量断面1下。同样操作，驱动电动轨道车A将激光测量盒7固定在测量断面2下。激光测量盒7和PSD读数盒8内的控制电路17根据接收的信号打开其两侧的闸门14，位于断面2处激光发射器9发出激光束照射到断面1处的PSD传感器上，PSD传感器接收到光信号并进行转化，数据采集器收集到断面1的沉降数据，并通过无线传输设备将监测数据传送出来。之后隧道拱顶处的锁扣打开，轨道车上的伸缩装置关闭，激光测量盒7和PSD读数盒8重新回到轨道车4上。轨道车4车床下的控制电路19通过单片机20将轨道车回到主传送平台2。重复上述操作，电动轨道车A载着激光测量盒7进入断面3，电动轨道车B载着PSD读数盒8进入断面2，进行断面2的沉降监测，如此循环下去，完成全程每个断面一个测回的拱顶沉降测量。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于，包括：传送平台(1)，所述的传送平台(1)通过三角钢支架(2)固定在隧道拱顶上，传送平台(1)上布置有轨道(3)，轨道(3)上安装有两个伸缩式的电动轨道车(4)，两个电动轨道车(4)上分别安装激光测量盒(7)和PSD读数盒(8)用于对隧道拱顶沉降进行监测；传送平台(1)及轨道(3)在每一个监测断面的附近还设置有分岔口，分岔口的终端在监测断面拱顶的正下方；激光测量盒(7)和PSD读数盒(8)上均固定有锁头，隧道拱顶的监测断面处安装与锁头匹配的旋转锁扣(12)。

2.根据权利要求1所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的传送平台(1)是由镀锌钢板铺设在三角钢支架(2)上并通过螺栓连接形成；传送平台(1)的主体部分沿隧道轴线变化；分岔口的终端设置有挡板。

3.根据权利要求1所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的电动轨道车(4)包含一个平板车床，车床下包含控制电路(19)、单片机(20)、和车轮，控制电路(19)接受到指令后通过内置的单片机(20)控制电动轨道车(4)的行进与停止。

4.根据权利要求1所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的在电动轨道车(4)上设置伸缩装置(5)，伸缩装置(5)上安装调平装置(6)，激光测量盒(7)和PSD读数盒(8)安装在调平装置(6)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的伸缩装置(5)采用折叠式伸缩结构，伸缩精度为0～0.01mm。

6.根据权利要求4所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的调平装置(6)下端通过螺栓固定在伸缩装置(5)上，调平装置(6)包含初调平机构和微调平机构。

7.根据权利要求1所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的激光测量盒(7)上表面固定旋转锁扣的第一锁头(11)，激光测量盒(7)前后两侧面上各设置一组第一对开闸门(14)，测量盒内包含激光发射器(9)、第一旋转平台(15)和第一控制盒(16)；所述的第一控制盒(16)包括第一控制电路(17)和第一伺服马达(18)；激光发射器(9)固定在第一旋转平台(15)上，第一伺服马达(18)通过自带转轴与第一旋转平台(15)相连，第一旋转平台(15)能够调整激光发射器(9)发出的光束的方向，使激光束对准PSD读数盒(8)，第一控制电路(17)集成无线传输模块，用于接收和执行指令，以打开闸门或控制第一伺服马达(18)转动第一旋转平台(15)。

8.根据权利要求7所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的PSD读数盒(8)上表面固定旋转锁扣的第二锁头(11’)，前后两侧面上各设置一组第二对开闸门(14’)，PSD读数盒(8)内设置有PSD光电位置传感器(10)和数据采集器(13)；数据采集器(13)内置信号解码模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测装置，其特征在于：所述的旋转锁扣(12)内置触控模块；当锁头伸到锁扣的锁孔内并触碰底部时，旋转锁扣(12)启动旋转锁住锁头，使激光测量盒(7)或者PSD读数盒(8)固定在隧道拱顶处。

10.一种基于PSD传感器隧道拱顶沉降的自动化监测方法，包括以下步骤：

首先安装PSD读数盒(8)的电动轨道车B车接收启动信号后沿轨道(3)运行，当电动轨道车B运行至第一监测断面附近时进入对应的第一分岔口，并使电动轨道车B停在第一监测断面拱顶的正下方，电动轨道车B停稳后，打开伸缩装置(5)，带动调平装置(6)及其上面固定的PSD读数盒(8)上升，直到PSD读数盒(8)上的锁头伸入旋转锁扣(12)的锁孔内，当锁头触碰到锁孔底部时旋转锁扣(12)自动开启锁住并固定锁头，将PSD读数盒(8)固定在第一监测断面下；

同样操作，驱动安装激光测量盒(7)的电动轨道车A将激光测量盒(7)固定在第二测量断面下；控制激光测量盒(7)和PSD读数盒(8)打开其两侧的闸门，位于第二测量断面处激光发射器(9)发出激光束照射到第一监测断面处的PSD光电传感器(11)上，PSD光电传感器(11)接收到光信号并进行转化，采集到第一监测断面的沉降数据；

之后隧道拱顶处的旋转锁扣(12)打开，电动轨道车上的伸缩装置关闭，激光测量盒(7)和PSD读数盒(8)重新回到轨道车(4)上，控制电动轨道车回到主传送平台(2)；

重复上述操作，电动轨道车A载着激光测量盒(7)进入第三测量断面，电动轨道车B载着PSD读数盒(8)进入第二测量断面，进行第二测量断面的沉降数据监测，如此循环下去，完成全程每个测量断面的沉降测量。