CN107257592B - 隧道无线照明自动调节装置及其无线照明自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道无线照明自动调节装置及其无线照明自动调节方法。无线照明自动调节装置包括电能接收模块阵列和可移动电能发射车；可移动电能发射车包括车身、扶手、电能发射模块、升降台、升降旋转电机、平移台、控制柜、光强度传感器和辅助支撑装置。电能发射模块与电能接收模块之间无线传递能量，使与电能接收模块相连的照明灯获得电能，升降台和平移台控制电能发射模块的水平与垂直运动，光强度传感器检测光强度信号，以配合控制柜实现自动调节；辅助支撑装置用于保证车身的稳定。本发明能够实现对隧道的区域性无线照明，并自动调节照明亮度，满足施工人员照明需求的同时，提升了观测及检修的效率，也符合按需照明的节能环保要求。

Description

隧道无线照明自动调节装置及其无线照明自动调节方法

技术领域

本发明涉及一种隧道无线照明自动调节装置及其无线照明自动调节方法，属于机械工程和电气工程技术领域。

背景技术

隧道作为拓展地下利用空间和缓解地面交通拥挤的工程建筑物，正在我国的经济建设中发挥着重要作用。在隧道的修建过程中，特别是在使用盾构机或其它方法打通隧道后，施工人员便需要在合适的照明条件下进入洞中开展进一步的修建工作。

在现有的照明技术中，电缆供电照明和隧道内壁喷涂发光材料是在隧道建设过程中比较常见的两种照明措施。其中，前者要求在施工人员进入隧道作业前，根据可利用电源的输出电压、供电量、供电时间、接电地点等因素设计和铺设照明电缆，由此会降低施工效率；此外，在施工人员作业过程中电缆照明往往是对整个隧道的，而不是有针对性地在作业区域进行照明，这就会造成资源的浪费；对于隧道洞内复杂的施工环境，照明电缆一旦破损漏电，则会危及施工人员。后者利用手持照明灯和隧道内壁的发光涂料来满足隧道洞内的照明要求，而现有的发光涂料往往含有对人体有害的成分，施工人员长时间在涂有这种发光材料的隧道洞中作业，不可避免地会接触这些有毒物质，危害身体健康，同时手持照明设备又会对施工人员作业造成不方便。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种隧道无线照明自动调节装置及其无线照明自动调节方法，能实现对隧道的区域性无线照明及自动调节，满足施工人员照明需求的同时，提升了观测及检修的效率。

本发明首先公开了一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于包括电能接收模块阵列和可移动电能发射车；所述的电能接收模块阵列包括若干安装在隧道内壁上的电能接收模块，所述的可移动电能发射车包括车身、扶手、电能发射模块、升降台、升降旋转电机、平移台、控制柜、光强度传感器和辅助支撑装置；

所述的扶手安装于车身后端；控制柜安装于车身上靠近扶手的一侧，隔板将控制柜分为上下两层，上层设置有DSP控制模块、手动调节升降开关、手动调节开关按钮，下层设置有直流电源、逆变电路、PWM信号发生器；所述的DSP 控制模块与直流电源电连接；所述的手动调节升降按钮与DSP控制模块电连接；所述的手动调节升降开关与DSP控制模块电连接，手动调节升降开关有零位、升、降三个挡位；

所述的平移台安装在车身上，平移台的轨道垂直于车身行进方向，平移台安装有手轮，所述的手轮控制平台相对于车身的移动；所述的升降台和升降旋转电机安装于平移台的水平移动平台上，且用螺栓固定；升降旋转电机通过丝杆与升降台连接，并控制升降平台的升降；升降旋转电机安装有旋转电机电动开关，所述的旋转电机电动开关与DSP控制模块电连接；

所述的光强度传感器通过连接杆安装在车身的前端，光强度传感器与DSP 控制模块电连接；

所述的辅助支撑装置包括固定支架和支腿，所述的固定支架与车身的侧面电焊连接，所述的支腿与固定支架通过螺纹连接；

所述的电能接收模块包括接收线圈、谐振电容和照明灯，所述的接收线圈、所述的谐振电容和所述的照明灯电连接构成回路。

所述的电能发射模块包括直流电源、逆变电路、PWM信号发生器、谐振电容和发射线圈，所述的发射线圈和谐振电容安装在升降平台上；所述的直流电源、逆变电路和PWM信号发生器安装在控制柜内；直流电源、逆变电路、谐振电容和发射线圈之间电连接；PWM信号发生器和逆变电路电连接，并由PWM信号发生器对逆变电路发出控制波形。

优选的，所述的电能接收模块包括环形磁芯，接收线圈绕制在磁芯的外侧。

优选的，所述的电能发射模块包括W型磁芯，线圈交错绕制，以适应隧道顶部的弧形内壁。

优选的，电能发射回路与电能接收回路的谐振频率相同，其中所述的电能发射回路包括发射线圈和谐振电容，所述的电能接收回路包括接收线圈和谐振电容。

优选的，所述照明灯为LED灯。

优选的，所述电能接收模块黏着在隧道壁上，可拆卸。

优选的，所述的发射线圈半径为接收线圈半径的2.5‐3倍。

优选的，所述的接收线圈分若干列平行安装在隧道顶部；任意两个接收线圈之间的距离相等，两个接收线圈的圆心间距为2.5‐3倍的接收线圈半径。

本发明还公开了一种隧道无线照明自动调节方法：

电能发射模块中的直流电源输出直流，PWM信号发生器输出控制波形控制逆变电路中的开关器件，将直流变换成高频交流，电能发射回路通以高频交流后发生谐振，并在空间中产生同频率的交变磁场，高频交变磁场和接收线圈交链产生感应电势，接收回路发生谐振，谐振感应电流驱动照明灯，实现对隧道内部的区域照明；

当施工人员将小车移到下一观测区域时，电能发射线圈和前一观测区中的接收线圈之间距离增大，而和下一观测区中的接收线圈之间距离减小，导致前一观测区电能接收回路的感应电流减小，前一观测区的照明灯熄灭，而下一观测区接收回路电流增大，下一观测区的照明灯点亮，施工人员可进入下一观测区进行作业；

当光照强度低于作业照明要求时，采用自动调节方法或手动调节方法调整发射线圈的水平位置和垂直位置；

所述的自动调节方法为：

a.确认控制柜的手动调节开关按钮处于弹出状态，即此时为自动调节模式，光强度传感器检测当前区域的光照强度，当低于预先设定的阈值时，向DSP控制模块发出信号，DSP控制模块收到信号后按照事先储存的指令对旋转电机电动开关发出控制指令，控制升降旋转电机工作固定步长的时间，由此发射线圈上升一定距离，此时，接收线圈和发射线圈间的距离减小，接收回路感应电流增大，照明灯亮度增强；

b.光强度传感器继续检测光照强度，若还是低于预先设定的阈值，则重复步骤a；若光照强度高于阈值，则光强度传感器停止向DSP控制模块发信号，发射线圈固定在某一高度；

所述的手动调节方法：

当施工人员需要改变水平方向的照明亮度时，转动手轮，使水平移动平台带动升降台和发射线圈发生水平移动，此时，处于原来发射线圈磁场区域的接收回路电流减小，该区域照明灯亮度下降，移动后发射线圈磁场区域内的接收回路电流增大，该区域照明灯亮度提高；

当施工人员需要手动调节发射线圈的垂直位置时，先按下控制柜上的手动调节开关按钮，DSP控制模块根据按钮信号关闭光强度传感器，再选择手动调节升降开关的升/降挡，DSP控制模块根据开关信号，向旋转电机电动开关发出升/降指令，控制升降旋转电机的正转或反转，从而调节发射线圈的垂直位置；当发射线圈的垂直位置调整好后，将手动调节升降开关打到零位挡，即完成了手动调节。

本发明能够实现对隧道的区域性无线照明，并自动调节照明亮度，满足施工人员照明需求的同时，提升了观测及检修的效率，也符合按需照明的节能环保要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是电能接收模块的结构示意图；

图3是电能发射模块的结构示意图；

图4是接收线圈和磁芯的正视和俯视图；

图5是发射线圈和磁芯的正视和俯视图；

图6是接收线圈在隧道顶部内壁上的安装排列位置示意图；

图7是本发明的工作原理图。

图中：1、电能接收模块，2、电能发射模块，3、升降台，4、平移台，5、光强度传感器，6、控制柜，7、车身，8、固定支架，9、扶手，10、升降旋转电机， 11、DSP控制模块，12、手动调节开关按钮，13、手动调节升降开关，14、隔板， 15、手轮，16、水平移动平台，17、升降平台，18、旋转电机电动开关，19、连接杆，20、支腿，1‐1、接收线圈，1‐2、谐振电容，1‐3、照明灯，1‐4、接收线圈磁芯，2‐1、直流电源，2‐2、逆变电路，2‐3、谐振电容，2‐4、发射线圈，2‐5、 PWM信号发生器，2‐6、发射线圈磁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的一种隧道无线照明自动调节装置包括电能接收模块阵列和可移动电能发射车；所述的电能接收模块阵列包括若干安装在隧道内壁上的电能接收模块1，所述的可移动电能发射车包括车身7、扶手9、电能发射模块2、升降台3、升降旋转电机10、平移台4、控制柜6、光强度传感器5和辅助支撑装置；

所述的扶手9安装于车身后端；控制柜6安装于车身7上靠近扶手9的一侧，隔板14将控制柜6分为上下两层，上层设置有DSP控制模块11、手动调节升降开关13、手动调节开关按钮12，下层设置有直流电源2-1、逆变电路2-2、PWM 信号发生器2-5；所述的DSP控制模块11与直流电源2-1电连接；所述的手动调节升降按钮12与DSP控制模块11电连接；所述的手动调节升降开关13与 DSP控制模块11电连接，手动调节升降开关13有零位、升、降三个挡位；

所述的平移台4安装在车身10上，平移台4的轨道垂直于车身行进方向，平移台4安装有手轮15，所述的手轮15控制平台相对于车身的移动；所述的升降台3和升降旋转电机10安装于平移台4的水平移动平台16上，且用螺栓固定；升降旋转电机10通过丝杆与升降台3连接，并控制升降平台17的升降；升降旋转电机10安装有旋转电机电动开关18，所述的旋转电机电动开关18与DSP控制模块11电连接；

所述的光强度传感器5通过连接杆19安装在车身7的前端，光强度传感器 5与DSP控制模块11电连接；

所述的辅助支撑装置包括固定支架8和支腿20，所述的固定支架8与车身7 的侧面电焊连接，所述的支腿20与固定支架8通过螺纹连接；

如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的电能接收模块1包括接收线圈1-1、谐振电容1-2和照明灯1-3，所述的接收线圈1-1、所述的谐振电容 1-2和所述的照明灯1-3电连接构成回路；

如图3所示，所述的电能发射模块2包括直流电源2-1、逆变电路2-2、PWM 信号发生器2-5、谐振电容2-3和发射线圈2-4，所述的发射线圈2-4和谐振电容 2-3安装在升降平台17上；所述的直流电源2-1、逆变电路2-2和PWM信号发生器2-5安装在控制柜6内；直流电源2-1、逆变电路2-2、谐振电容2-3和发射线圈2-4之间电连接；PWM信号发生器2-5和逆变电路2-2电连接，并由PWM 信号发生器2-5对逆变电路2-2发出控制波形。

作为本发明进一步的改进，如图4所示，所述的电能接收模块1包括环形磁芯1‐4，接收线圈1‐1绕制在磁芯1‐4的外侧。

作为本发明进一步的改进，如图5所示，所述的电能发射模块2包括W型磁芯2‐6，线圈交错绕制，以适应隧道顶部的弧形内壁。

作为本发明进一步的改进，电能发射回路与电能接收回路的谐振频率相同，其中所述的电能发射回路包括发射线圈2‐4和谐振电容2‐3，所述的电能接收回路包括接收线圈1‐1和谐振电容1‐2。

作为本发明进一步的改进，当光照强度低于作业照明要求时，发射线圈2‐4 可自动上升至合适位置，同时也可手动调节发射线圈2‐4的水平位置和垂直位置。

作为本发明进一步的改进，照明灯1‐3为LED灯。

作为本发明进一步的改进，电能接收模块1黏着在隧道壁上，可拆卸。

作为本发明进一步的改进，发射线圈2‐4半径为接收线圈1‐1半径的2.5‐3 倍。

作为本发明进一步的改进，如图6所示，分若干列平行安装在隧道顶部；任意两个接收线圈1‐1之间的距离相等，两个接收线圈1‐1的圆心间距为2.5‐3倍的接收线圈半径。。

作为本发明进一步的改进，辅助支撑装置中的支腿20可伸缩，在发射线圈 2‐4水平移动和垂直移动过程中，可保持车身的稳定。

结合图7所示，本发明的无线照明与调节方法如下：

(1)装置定位

施工人员将装置移动到待观测区后，先将装置两侧的4个支腿20伸长至地面，保证装置的稳定性。

(2)自动照明调节

控制柜6中的直流电源2‐1向电能发射回路注入直流，PWM信号发生器2‐5 输出控制波形控制逆变电路2‐4中的开关器件，将直流电流变换成高频交流加载于谐振电容2‐3和发射线圈2‐4上，谐振电容2‐3和发射线圈2‐4发生谐振，并在空间产生同频率的交变磁场，从而使待观测区内的电能接收线圈1‐1与高频磁场交链产生感应电动势，电能接收回路发生谐振，接收回路电流驱动LED照明灯 1‐3点亮。

当控制柜6的手动调节开关按钮12处于弹出状态时，即为照明自动调节模式，此时光强度传感器5会检测当前区域的光照强度，若低于预先设定的阈值，光强度传感器5向DSP控制模块11发出信号，DSP控制模块11收到信号后按事先存储的指令对旋转电机电动开关18发出控制指令，控制升降旋转电机10工作固定步长的时间，使发射线圈2‐4上升一定距离。此时，接收线圈1‐1和发射线圈2‐4间的距离减小，接收回路电流增大，照明灯1‐3亮度增强。随后，光强度传感器5再次检测光照强度，若还是低于预先设定的阈值，则再次向DSP控制模块11发出信号，重复上述控制；若光照强度高于阈值，则光强度传感器5停止向DSP控制模块11发信号，发射线圈2‐4固定在某一高度。

(3)手动照明调节

如果施工人员需要在不移动装置位置的同时改变水平方向的照明亮度，则可以进行手动调节手轮15，从而使水平移动平台16带动升降台3和发射线圈2‐4 发生水平移动。此时，处于原来发射线圈磁场区域的接收回路电流减小，该区域照明灯亮度下降，处于移动后发射线圈磁场区域的接收回路电流增大，该区域照明灯1‐3亮度提高。

如果施工人员需要手动调节发射线圈的垂直位置，则先按下控制柜6上的手动调节开关按钮12，DSP控制模块11根据按钮信号关闭光强度传感器5，再选择手动调节升降开关13的升/降挡，DSP控制模块11根据开关的升/降信号向旋转电机电动开关18发出升/降指令，控制升降旋转电机10的正转或反转，从而调节发射线圈2‐4的垂直位置。当发射线圈2‐4的垂直位置调整好后，施工人员将手动调节升降开关13打到零位挡，即完成了手动调节。

(4)移动照明

施工人员完成当前区域的观测后，先将装置两侧的4个支腿20收缩，然后将装置移动到下一个观测区，此时发射线圈2‐4和前一观测区中的接收线圈1‐1 间距增大，而和下一观测区中的接收线圈1‐1的间距减小，导致前一观测区电能接收回路中的感应电流减小，LED照明灯1‐3熄灭，而下一观测区接收回路电流增大，照明灯1‐3点亮，施工人员可进入下一观测区进行作业。

综上所述，本发明能够实现对隧道的区域性无线照明，并自动调节照明亮度，满足施工人员照明需求的同时，提升了观测及检修的效率，也符合按需照明的节能环保要求。

Claims (9)

1.一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于包括电能接收模块阵列和可移动电能发射车；所述的电能接收模块阵列包括若干安装在隧道内壁上的电能接收模块(1)，所述的可移动电能发射车包括车身(7)、扶手(9)、电能发射模块(2)、升降台(3)、升降旋转电机(10)、平移台(4)、控制柜(6)、光强度传感器(5)和辅助支撑装置；

所述的扶手(9)安装于车身后端；控制柜(6)安装于车身(7)上靠近扶手(9)的一侧，隔板(14)将控制柜(6)分为上下两层，上层设置有DSP控制模块(11)、手动调节升降开关(13)、手动调节开关按钮(12)，下层设置有直流电源(2-1)、逆变电路(2-2)、PWM信号发生器(2-5)；所述的DSP控制模块(11)与直流电源(2-1)电连接；所述的手动调节升降按钮(12)与DSP控制模块(11)电连接；所述的手动调节升降开关(13)与DSP控制模块(11)电连接，手动调节升降开关(13)有零位、升、降三个挡位；

所述的平移台(4)安装在车身(10)上，平移台(4)的轨道垂直于车身行进方向，平移台(4)安装有手轮(15)，所述的手轮(15)控制平台相对于车身的移动；所述的升降台(3)和升降旋转电机(10)安装于平移台(4)的水平移动平台(16)上，且用螺栓固定；升降旋转电机(10)通过丝杆与升降台(3)连接，并控制升降平台(17)的升降；升降旋转电机(10)安装有旋转电机电动开关(18)，所述的旋转电机电动开关(18)与DSP控制模块(11)电连接；

所述的光强度传感器(5)通过连接杆(19)安装在车身(7)的前端，光强度传感器(5)与DSP控制模块(11)电连接；

所述的辅助支撑装置包括固定支架(8)和支腿(20)，所述的固定支架(8)与车身(7)的侧面电焊连接，所述的支腿(20)与固定支架(8)通过螺纹连接；

所述的电能接收模块(1)包括接收线圈(1-1)、谐振电容(1-2)和照明灯(1-3)，所述的接收线圈(1-1)、所述的谐振电容(1-2)和所述的照明灯(1-3)电连接构成回路；

所述的电能发射模块(2)包括直流电源(2-1)、逆变电路(2-2)、PWM信号发生器(2-5)、谐振电容(2-3)和发射线圈(2-4)，所述的发射线圈(2-4)和谐振电容(2-3)安装在升降平台(17)上；所述的直流电源(2-1)、逆变电路(2-2)和PWM信号发生器(2-5)安装在控制柜(6)内；直流电源(2-1)、逆变电路(2-2)、谐振电容(2-3)和发射线圈(2-4)之间电连接；PWM信号发生器(2-5)和逆变电路(2-2)电连接，并由PWM信号发生器(2-5)对逆变电路(2-2)发出控制波形。

2.根据权利要求1所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：所述的电能接收模块(1)包括环形磁芯(1‐4)，接收线圈(1‐1)绕制在磁芯(1‐4)的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：所述的电能发射模块(2)包括W型磁芯(2‐6)，线圈交错绕制，以适应隧道顶部的弧形内壁。

4.根据权利要求1或3所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：电能发射回路与电能接收回路的谐振频率相同，其中所述的电能发射回路包括发射线圈(2‐4)和谐振电容(2‐3)，所述的电能接收回路包括接收线圈(1‐1)和谐振电容(1‐2)。

5.根据权利要求1所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：所述照明灯(1‐3)为LED灯。

6.根据权利要求1所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：所述电能接收模块(1)黏着在隧道壁上，可拆卸。

7.根据权利要求1所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：所述的发射线圈(2‐4)半径为接收线圈(1‐1)半径的2.5‐3倍。

8.根据权利要求1所述的一种隧道无线照明自动调节装置，其特征在于：所述的接收线圈(1‐1)分若干列平行安装在隧道顶部；任意两个接收线圈(1‐1)之间的距离相等，两个接收线圈(1‐1)的圆心间距为2.5‐3倍的接收线圈半径。

9.根据权利要求1所述装置的隧道无线照明自动调节方法，其特征在于：

电能发射模块(2)中的直流电源(2‐1)输出直流，PWM信号发生器(2‐5)输出控制波形控制逆变电路(2‐2)中的开关器件，将直流变换成高频交流，电能发射回路通以高频交流后发生谐振，并在空间中产生同频率的交变磁场，高频交变磁场和接收线圈(1‐1)交链产生感应电势，接收回路发生谐振，谐振感应电流驱动照明灯(1‐3)，实现对隧道内部的区域照明；

当施工人员将小车移到下一观测区域时，电能发射线圈(2-4)和前一观测区中的接收线圈(1-1)之间距离增大，而和下一观测区中的接收线圈(1-1)之间距离减小，导致前一观测区电能接收回路的感应电流减小，前一观测区的照明灯(1-3)熄灭，而下一观测区接收回路电流增大，下一观测区的照明灯(1-3)点亮，施工人员可进入下一观测区进行作业；

当光照强度低于作业照明要求时，采用自动调节方法或手动调节方法调整发射线圈(2‐4)的水平位置和垂直位置；

所述的自动调节方法为：

a.确认控制柜(6)的手动调节开关按钮(12)处于弹出状态，即此时为自动调节模式，光强度传感器(5)检测当前区域的光照强度，当低于预先设定的阈值时，向DSP控制模块(11)发出信号，DSP控制模块(11)收到信号后按照事先储存的指令对旋转电机电动开关(18)发出控制指令，控制升降旋转电机(10)工作固定步长的时间，由此发射线圈(2‐4)上升一定距离，此时，接收线圈(1‐1)和发射线圈(2‐4)间的距离减小，接收回路感应电流增大，照明灯亮度增强；

b.光强度传感器(5)继续检测光照强度，若还是低于预先设定的阈值，则重复步骤a；若光照强度高于阈值，则光强度传感器停止向DSP控制模块(11)发信号，发射线圈(2‐4)固定在某一高度；

所述的手动调节方法：

当施工人员需要改变水平方向的照明亮度时，转动手轮(15)，使水平移动平台(16)带动升降台(3)和发射线圈(2‐4)发生水平移动，此时，处于原来发射线圈磁场区域的接收回路电流减小，该区域照明灯亮度下降，移动后发射线圈磁场区域内的接收回路电流增大，该区域照明灯亮度提高；

当施工人员需要手动调节发射线圈的垂直位置时，先按下控制柜(6)上的手动调节开关按钮(12)，DSP控制模块(11)根据按钮信号关闭光强度传感器(5)，再选择手动调节升降开关(13)的升/降挡，DSP控制模块(11)根据开关信号，向旋转电机电动开关(18)发出升/降指令，控制升降旋转电机(10)的正转或反转，从而调节发射线圈的垂直位置；当发射线圈的垂直位置调整好后，将手动调节升降开关(13)打到零位挡，即完成了手动调节。

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