CN108267250A - 一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，包括滚刀刀轴轴端支撑结构，用于监测滚刀受力的传感器，信号处理模块，无线通讯模块，信号接收模块，上位机，软件系统。所述滚刀刀轴轴端支撑结构包括C型块，锁紧楔块。本发明通过测量支撑结构的弹性变形，并通过相应监测方法，得到最终的滚刀受力结果。本发明能精确测量滚刀受力情况，根据受力结果可以分析出前方地质情况，并对刀具状态有一定的评价作用。
Description
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅传感器的滚刀受力在线监测装置。
背景技术
滚刀在实际工作过程中，受到三个方向的力的影响，以滚刀与岩石的接触点为基础，其中包括滚刀径向的法向力，垂直径向的滚动力，轴向方向的侧向力。滚刀受力过大易发生刀具损坏，受力过小降低切削效率，目前对滚刀受力状态没有完善的监测手段，天津大学侯振德发明的在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，用基础的应变片进行测量，但其测量的精确度和寿命都不高，无法满足当前工程需要。
发明内容
针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，通过滚刀受力状态的实时监测，可以更好的控制机器推力，已达到减少滚刀损耗，进而提高工作效率的作用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，包括滚刀受力检测组件、信号传输组件和上位机，滚刀受力检测组件和信号传输组件分别安装在滚刀刀座上，且所述滚刀受力检测组件，包括滚刀刀轴支撑构件、光纤光栅应变传感器和光纤线缆，光纤光栅应变传感器安装在滚刀刀轴支撑构件的C型块内，并通过光纤线缆将检测信号传输到信号传输组件的信号处理模块内，信号处理模块处理后通过无线通讯模块传输给上位机，上位机对接收的数据进行处理。
所述滚刀刀轴支撑构件，包括C型块和锁紧楔块，C型块安装在滚刀刀座上，且C型块包括受力面Ⅰ、受力面Ⅱ和检测面，受力面Ⅰ和受力面Ⅱ垂直设置并与滚刀刀轴轴端的端面接触，检测面上设置传感凹槽Ⅰ和传感凹槽Ⅱ，在传感凹槽Ⅰ和传感凹槽Ⅱ内分别安装有一个光纤光栅应变传感器，且两个光纤光栅应变传感器之间通过光纤串联连接，该处的光纤是通过光纤熔断方法实现的，在检测面上设置有线槽，线槽与传感凹槽Ⅱ相通，传感凹槽Ⅱ内的光纤光栅应变传感器经设置在线槽内的光纤线缆与信号处理模块连接；
锁紧楔块安装在滚刀刀座上且锁紧楔块的受力面与与滚刀刀轴轴端的斜端面接触并与受力面Ⅰ和受力面Ⅱ相配合将滚刀刀轴固定。
传感凹槽Ⅰ和传感凹槽Ⅱ上均设置有用于保护光纤光栅应变传感器的刚性耐磨板，使用刚性耐磨板对传感器进行保护，并做防水防油处理。
所述信号传输组件，包括信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块和供电电源，光纤光栅应变传感器经光纤线缆和信号接收模块将检测信号传输给信号处理模块内，信号处理模块处理后经无线通讯模块上传至上位机内，上位机将接收到信号进行处理并显示，供电电源给信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块供电。
一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测方法，步骤如下：
S1，搭建光纤光栅应变监测系统；
所述监测系统包括信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块、光纤光栅应变传感器、上位机；
S2，建立C型块应力载荷数学模型，并对C型块模型进行全域应力计算，寻找C型块外载荷应力集中区；
S3，在找到的C型块外载荷应力集中区布置所述光纤光栅应变监测系统；
S4，对所述C型块持续施加外载荷，光纤光栅监测系统通过信号接收模块采集光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量数据，并在上位机内绘制外载荷大小与所述光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量数据的关系曲线；
S5，将安装有光纤光栅应变传感器的C型块安装到滚刀刀座上，C型块与滚刀刀轴接触，光纤光栅应变传感器将检测到的信号传输到上位机内，上位机结合步骤S4得到的曲线对C型块受力过程中实时荷载进行监控。
本发明的结合光纤光栅的稳定性和精确性，提高了测量滚刀受力的准确度，并能长期在线监测。通过监测软件，使工程人员随时精确掌握前方地质情况，可根据此情况进行操作修改，对TBM刀具及刀盘的寿命大大延长，也提高了掘进效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明光纤光栅传感器工作结构。
图2为本发明 C型块传感器贴合图。
图3 为本发明传感器工作原理图。
图4 为本发明基于光纤光栅传感器组的C型块外载荷实时监测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、3所示，一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，包括滚刀受力检测组件1、信号传输组件2和上位机，滚刀受力检测组件1和信号传输组件2分别安装在滚刀刀座4上，且所述滚刀受力检测组件1，包括滚刀刀轴支撑构件1-1、光纤光栅应变传感器1-2和光纤线缆1-3，光纤光栅应变传感器1-2安装在滚刀刀轴支撑构件1-1的C型块内，并通过光纤线缆1-3将检测信号传输到信号传输组件2的信号处理模块2-1内，信号处理模块2-1处理后通过无线通讯模块2-2传输给上位机，上位机对接收的数据进行处理。
具体地，所述滚刀刀轴支撑构件1-1，如图2所示，包括C型块1-1-1和锁紧楔块1-1-2，C型块1-1-1安装在滚刀刀座上，且C型块1-1-1包括受力面Ⅰ1-1-1-1、受力面Ⅱ1-1-1-2和检测面1-1-1-3，受力面Ⅰ1-1-1-1和受力面Ⅱ1-1-1-2垂直设置并与滚刀刀轴轴端的端面接触，检测面1-1-1-3上设置传感凹槽Ⅰ1-1-1-4和传感凹槽Ⅱ1-1-1-5，在传感凹槽Ⅰ1-1-1-4和传感凹槽Ⅱ1-1-1-5内分别安装有一个光纤光栅应变传感器1-2，且两个光纤光栅应变传感器1-2之间通过光纤串联连接，该处的光纤是通过光纤熔断方法实现的，在检测面1-1-1-3上设置有线槽1-1-1-6，线槽1-1-1-6与传感凹槽Ⅱ1-1-1-5相通，传感凹槽Ⅱ1-1-1-5内的光纤光栅应变传感器1-2经设置在线槽1-1-1-6内的光纤线缆1-3与信号处理模块2-1连接；
锁紧楔块1-1-2安装在滚刀刀座上且锁紧楔块1-1-2的受力面与与滚刀刀轴轴端的斜端面接触并与受力面Ⅰ1-1-1-1和受力面Ⅱ1-1-1-2相配合将滚刀刀轴固定。
传感凹槽Ⅰ1-1-1-4和传感凹槽Ⅱ1-1-1-5上均设置有用于保护光纤光栅应变传感器的刚性耐磨板，使用刚性耐磨板对传感器进行保护，并做防水防油处理。
所述信号传输组件2，包括信号处理模块2-1、无线通讯模块2-2、信号接收模块2-3和供电电源2-4，光纤光栅应变传感器1-2经光纤线缆1-3和信号接收模块2-3将检测信号传输给信号处理模块2-1内，信号处理模块2-1处理后经无线通讯模块2-2上传至上位机3内，上位机3将接收到信号进行处理并显示，供电电源2-4给信号处理模块2-1、无线通讯模块2-2、信号接收模块2-3供电。
一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测方法，如图4所示，步骤如下：
S1，搭建光纤光栅应变监测系统；
所述监测系统包括信号处理模块2-1、无线通讯模块2-2、信号接收模块2-3、光纤光栅应变传感器、上位机；
S2，建立C型块应力载荷数学模型，并对C型块模型进行全域应力计算，寻找C型块外载荷应力集中区；
S3，在找到的C型块外载荷应力集中区布置所述光纤光栅应变监测系统；
S4，对所述C型块持续施加外载荷，光纤光栅监测系统通过信号接收模块采集光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量数据，并在上位机内绘制外载荷大小与所述光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量数据的关系曲线；
S5，将安装有光纤光栅应变传感器的C型块安装到滚刀刀座上，C型块与滚刀刀轴接触，光纤光栅应变传感器将检测到的信号传输到上位机内，上位机结合步骤S4得到的曲线对C型块受力过程中实时荷载进行监控。
上面所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，其特征在于：包括滚刀受力检测组件（1）、信号传输组件（2）和上位机（3），滚刀受力检测组件（1）和信号传输组件（2）分别安装在滚刀刀座上，且所述滚刀受力检测组件（1），包括滚刀刀轴支撑构件（1-1）、光纤光栅应变传感器（1-2）和光纤线缆（1-3），光纤光栅应变传感器（1-2）安装在滚刀刀轴支撑构件（1-1）的C型块内，并通过光纤线缆（1-3）将检测信号传输到信号传输组件（2）的信号处理模块（2-1）内，信号处理模块（2-1）处理后通过无线通讯模块（2-2）传输给上位机（3），上位机（3）对接收的数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，其特征在于：所述滚刀刀轴支撑构件（1-1），包括C型块（1-1-1）和锁紧楔块（1-1-2），C型块（1-1-1）安装在滚刀刀座上，且C型块（1-1-1）包括受力面Ⅰ（1-1-1-1）、受力面Ⅱ（1-1-1-2）和检测面（1-1-1-3），受力面Ⅰ（1-1-1-1）和受力面Ⅱ（1-1-1-2）垂直设置并与滚刀刀轴轴端的端面接触，检测面（1-1-1-3）上设置传感凹槽Ⅰ（1-1-1-4）和传感凹槽Ⅱ（1-1-1-5），在传感凹槽Ⅰ（1-1-1-4）和传感凹槽Ⅱ（1-1-1-5）内分别安装有一个光纤光栅应变传感器（1-2），且两个光纤光栅应变传感器（1-2）之间通过光纤串联连接，在检测面（1-1-1-3）上设置有线槽（1-1-1-6），线槽（1-1-1-6）与传感凹槽Ⅱ（1-1-1-5）相通，传感凹槽Ⅱ（1-1-1-5）内的光纤光栅应变传感器（1-2）经设置在线槽（1-1-1-6）内的光纤线缆（1-3）与信号处理模块（2-1）连接；
锁紧楔块（1-1-2）安装在滚刀刀座上且锁紧楔块（1-1-2）的受力面与与滚刀刀轴轴端的斜端面接触并与受力面Ⅰ（1-1-1-1）和受力面Ⅱ（1-1-1-2）相配合将滚刀刀轴固定。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，其特征在于：传感凹槽Ⅰ（1-1-1-4）和传感凹槽Ⅱ（1-1-1-5）上均设置有用于保护光纤光栅应变传感器的刚性耐磨板。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，其特征在于：所述信号传输组件（2），包括信号处理模块（2-1）、无线通讯模块（2-2）、信号接收模块（2-3）和供电电源（2-4），光纤光栅应变传感器（1-2）经光纤线缆（1-3）和信号接收模块（2-3）将检测信号传输给信号处理模块（2-1）内，信号处理模块（2-1）处理后经无线通讯模块（2-2）上传至上位机（3）内，上位机（3）将接收到信号进行处理并显示，供电电源（2-4）给信号处理模块（2-1）、无线通讯模块（2-2）、信号接收模块（2-3）供电。
5.一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测方法，其特征在于，步骤如下：
S1，搭建光纤光栅应变监测系统；
所述监测系统包括信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块、光纤光栅应变传感器、上位机；
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