CN110261889A - 一种可编程控制震源 - Google Patents

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刘飞香
郑大桥
廖金军
肖正航
陈猛
王肖
易达云
蒋海华
徐震
祝爽
曹龙飞
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    • G05B19/05—Programmable logic controllers, e.g. simulating logic interconnections of signals according to ladder diagrams or function charts
    • G05B19/054—Input/output

Abstract

本发明公开了一种可编程控制震源，包括：用于对岩体撞击以产生震动信号的钎杆、用于带动钎杆移动的动力装置、以及用于控制动力装置动作以控制钎杆撞击岩体的频率、并收集、处理震动信号以形成闭环控制的控制装置；控制装置与动力装置连接，动力装置与钎杆连接。相比于现有技术，本发明提供的可编程控制震源可以对钎杆撞击岩体所产生的震动信号进行实时测量，并能够根据信号处理结果调节对动力装置的控制，形成闭环控制，以使震源的冲击频率可控，提高震动信号的信噪比，从而增大预报距离和精度。另外，相比于现有技术，本发明中的设备结构简单、体积较小，因此可以实现在较小的空间内作业。

Description

一种可编程控制震源
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，更具体地说，涉及一种可编程控制震源。
背景技术
现有技术中，隧道施工通常采用钻爆法和掘进机法，在遭遇不良地质段时常常发生突水突泥、塌方等地质灾害，易引发卡机甚至机毁人亡等重大事故。在工程应用中，最为有效的解决办法就是采用地震法超前地质探测技术提前探明掌子面前方的地质情况，尤其是断层和破碎带等的位置，从而预先制定合理的处理措施和应对方案。
目前隧道施工中的地震波超前探测系统，多使用炸药、大锤或超磁致伸缩震源作为震源激发地震波信号，炸药震源具有很高安全风险，不适用于隧道掘进机施工；大锤震源不利于在狭小的施工隧道中操作，单次冲击能量低，采集信号的信噪比差，预报距离短、预报精度差；超磁致伸缩震源结构复杂且成本高，同时也存在冲击能量低的问题，在实际工程应用中十分有限。
综上所述，如何避免现有技术中地震波超前探测系统的预报距离短、预报精度差的问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可编程控制震源，结构简单，可以在狭小的空间内工作，并且可以通过编程控制震源的震动频率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种可编程控制震源，包括：用于对岩体撞击以产生震动信号的钎杆、用于带动所述钎杆移动的动力装置、以及用于控制所述动力装置动作以控制所述钎杆撞击所述岩体的频率、并收集、处理所述震动信号以形成闭环控制的控制装置；
所述控制装置与所述动力装置连接，所述动力装置与所述钎杆连接。
优选的，所述动力装置包括用于为所述钎杆的移动提供动力的电动机以及与所述电动机传动连接的传动机构；
所述传动机构与所述钎杆连接，所述电动机与所述控制装置连接。
优选的，所述传动机构包括与所述电动机的输出轴传动连接的齿轮传动机构以及与所述齿轮传动机构传动连接的曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括用于推动所述钎杆移动的滑块。
优选的，所述钎杆的外周部设置有壳体结构，且所述钎杆相对于所述壳体结构可移动设置，所述壳体结构包括用于限制所述滑块移动方向的导向槽。
优选的，所述滑块与所述钎杆之间设置有用于撞击所述钎杆的冲击活塞，且所述冲击活塞通过缓冲装置与所述滑块连接。
优选的，所述钎杆远离所述岩体的一端设置有用于使其恢复原位的第二弹簧，所述第二弹簧套装于所述钎杆的外周部。
优选的，所述钎杆靠近所述岩体的一端设置有用于与所述岩体发生碰撞的耦合冲击头，所述耦合冲击头设置有与所述岩体的钻孔相配合的配合部。
优选的，所述控制装置包括用于获取所述钎杆撞击所述岩体所产生的震动信号的传感器、以及用于对所述传感器传递的震动信号进行处理的信号处理系统，所述信号处理系统与所述传感器连接。
优选的，所述信号处理系统包括用于放大所述传感器所接收的震动信号的信号放大器、对所述信号放大器放大之后的震动信号进行处理的信号处理器、以及对所述数字信号处理器处理之后的震动信号进行反馈调节并控制所述电动机转速的可编程控制器；
所述信号放大器与所述传感器连接，所述数字信号处理器与所述信号放大器连接，所述可编程控制器与所述数字信号处理器连接。
优选的，所述可编程控制器通过可控硅调节所述电动机的转速，所述可控硅与所述电动机、所述可编程控制器均连接。
本发明提供的可编程控制震源，包括：用于对岩体撞击以产生震动信号的钎杆、用于带动钎杆移动的动力装置、以及用于控制动力装置动作以控制钎杆撞击岩体的频率、且收集并处理震动信号以形成闭环控制的控制装置；控制装置与动力装置连接，动力装置与钎杆连接。
在使用的过程中，控制装置控制动力装置的动作，以便对钎杆撞击岩体的频率进行控制，钎杆撞击岩体产生震动信号，控制装置收集并处理钎杆撞击岩体所产生的控制信号，并根据震动信号的情况调节动力装置的动作，形成闭环控制。
相比于现有技术，本发明提供的可编程控制震源可以对钎杆撞击岩体所产生的震动信号进行实时测量，并能够根据信号处理结果调节对动力装置的控制，形成闭环控制，以使震源的冲击频率可控，提高震动信号的信噪比，从而增大预报距离和精度。
另外，相比于现有技术，本发明中的设备结构简单、体积较小，因此可以实现在较小的空间内作业。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的可编程控制震源的具体实施例一的结构示意图；
图2为耦合冲击头的正视图；
图3为耦合冲击头的侧视图；
图4为耦合冲击头的轴测图；
图5为可编程控制器输出的控制信号的示意图；
图6为数字信号处理器输出信号的示意图。
图1-6中：
1为电动机、2为第一联轴器、3为齿轮传动机构、4为轴承、5为主动齿轮、6为从动齿轮、7为第二联轴器、8为曲柄滑块机构、9为曲柄、10为连杆、11为滑块、12为第一弹簧、13为冲击活塞、14为钎尾、15为第二弹簧、16为壳体结构、17为钎杆、18为耦合冲击头、19为传感器、20为信号放大器、21为数字信号处理器、22为可编程控制器、23为可控硅、24为上位机。
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做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。
本发明的核心是提供一种可编程控制震源，结构简单，可以在狭小的空间内工作，并且可以通过编程控制震源的震动频率，并实现反馈控制，以提高预报精度。
请参考图1-6，图1为本发明所提供的可编程控制震源的具体实施例一的结构示意图；图2为耦合冲击头的正视图；图3为耦合冲击头的侧视图；图4为耦合冲击头的轴测图；图5为可编程控制器输出的控制信号的示意图；图6为数字信号处理器输出信号的示意图。
本具体实施例提供的可编程控制震源，包括：用于对岩体撞击以产生震动信号的钎杆17、用于带动钎杆17移动的动力装置、以及用于控制动力装置动作以控制钎杆17撞击岩体的频率、且收集并处理震动信号以形成闭环控制的控制装置；控制装置与动力装置连接，动力装置与钎杆17连接。
在使用的过程中，控制装置控制动力装置的动作，动力装置带动钎杆17撞击岩体，以便对钎杆17撞击岩体的频率进行控制，钎杆17撞击岩体产生震动信号，控制装置收集并处理钎杆17撞击岩体所产生的控制信号，并根据震动信号的情况调节动力装置的动作，形成闭环控制。
需要进行说明的是，带动钎杆17撞击岩体的动力装置可以是电动机1，也可以是气缸，具体根据实际情况确定。
相比于现有技术，本发明提供的可编程控制震源可以对钎杆17撞击岩体所产生的震动信号进行实时测量，并能够根据信号处理结果调节对动力装置的控制，以调节钎杆17撞击岩体所产生的震动信号的频率，形成闭环控制，使震源的冲击频率可控，提高震动信号的信噪比，从而增大预报距离和精度。
另外，相比于现有技术，本发明中的设备结构简单、体积较小，因此可以实现在较小的空间内作业，适合隧道施工，或者TBM搭载；并且本实施例所提供的可编程控制震源，冲击产生的地震信号频宽较宽，达到了50Hz至2000Hz以上。
在上述实施例的基础上，为了便于对动力装置进行控制，可以使动力装置包括用于为钎杆17的移动提供动力的电动机1以及与电动机1传动连接的传动机构；传动机构与钎杆17连接，电动机1与控制装置连接。
需要进行说明的是，电动机1可以采用单相串激励磁电机，但不限于单相串激励磁电机，具体根据实际情况确定。
在使用的过程中，控制装置可以对电动机1的转速进行控制，电动机1转速的改变会通过传动机构改变钎杆17撞击岩体的频率，从而改变钎杆17撞击岩体所产生的震动信号的频率。
具体的，可以使传动机构包括与电动机1的输出轴传动连接的齿轮传动机构3以及与齿轮传动机构3传动连接的曲柄滑块机构8，曲柄滑块机构8包括用于推动钎杆17移动的滑块11。
优选的，如图1所示，齿轮传动机构3包括主动齿轮5和从动齿轮6，且电动机1的输出轴通过第一联轴器2与主动齿轮5连接，主动齿轮5绕轴承4转动，主动齿轮5与从动齿轮6传动连接，从动齿轮6通过第二联轴器7与曲柄滑块机构8连接，曲柄9的转动带动连杆10的移动，连杆10的一端与滑块11连接，从而带动滑块11的移动；且滑块11在移动的过程中可以推动钎杆17移动，以使钎杆17撞击岩体产生震动信号。
当然，传动机构也可以是皮带轮、链轮等传动形式，只需能够带动钎杆17撞击岩体，具体根据实际情况确定。
在上述实施例的基础上，为了限制滑块11的移动方向，可以在钎杆17的外周部设置壳体结构16，钎杆17相对于壳体结构16可移动设置，壳体结构16包括用于限制滑块11移动方向的导向槽。
优选的，滑块11为圆柱状结构，导向槽为尺寸与滑块11相配合的圆柱状内腔，以使滑块11可沿圆柱状内腔的长度方向移动；钎杆17为尾部具有台阶状结构的圆柱状结构，滑块11设置于钎杆17远离岩体的一端，滑块11向靠近岩体的方向移动时，会推动钎杆17向靠近岩体的方向移动，直至钎杆17与岩体相撞。
在上述实施例的基础上，为了避免滑块11与钎杆17之间的撞击力对两者造成破坏，可以在滑块11与钎杆17之间设置撞击钎杆17的冲击活塞13，且冲击活塞13通过缓冲装置与滑块11连接。
如图1所示，滑块11沿导向槽向右移动的过程中，首先滑块11会压缩缓冲装置，缓冲装置储存能量，并将能量传递给冲击活塞13，使冲击活塞13向右撞击钎杆17，推动钎杆17撞击岩体，产生震动信号。
优选的，缓冲装置可以是第一弹簧12，第一弹簧12的两端分别与滑块11、冲击活塞13连接，也可以是其它缓冲材料，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。
在上述实施例的基础上，为了使钎杆17撞击岩体之后能够自动复位，可以在钎杆17远离岩体的一端设置有用于使其恢复原位的第二弹簧15，第二弹簧15套装于钎杆17的外周部。
优选的，可以在钎杆17远离岩体的端部设置凸出的台阶结构，且壳体结构16设置有用于避免第二弹簧15弹出的凸台，第二弹簧15套装于钎杆17的外周部，钎杆17撞击岩体时，第二弹簧15处于压缩状态，冲击活塞13在滑块11的带动下复位时，第二弹簧15的弹性恢复力会推动钎杆17向远离岩体的方向移动，直至到达初始位置。
在上述实施例的基础上，为了提高钎杆17撞击岩体的过程中所产生的震动信号的质量，可以在钎杆17靠近岩体的一端设置有用于与岩体发生碰撞的耦合冲击头18，耦合冲击头18设置有与岩体的钻孔相配合的配合部。
如图2-4所示，耦合冲击头18的形状与岩体中钻孔的形状相吻合，钻孔为钎杆17带动耦合冲击头18撞击岩体时与岩体接触的位置，一般事先钻好孔；耦合冲击头18中配合部的形状与岩体中钻孔的形状相吻合可以使撞击过程中产生的隧道面波减少，以提高震动信号的质量。
优选的，耦合冲击头18为圆台与圆柱的组合结构，且靠近岩体一端为圆台结构的配合部，圆台靠近岩体的端面面积大于远离岩体的端面面积，且靠近岩体的端面设置有用于钻孔孔底匹配的凹槽和凸起，凹槽和凸起的具体形状及尺寸根据钻孔的形状尺寸确定，在此不做赘述。
优选的，钎杆17靠近岩体的一端设置有外螺纹，耦合冲击头18设置有与外螺纹匹配和的内螺纹，以使钎杆17与耦合冲击头18连接；当然耦合冲击头18与钎杆17之间还可以是其它连接方式，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。
在上述实施例的基础上，为了能够获取钎杆17撞击岩体所产生的震动信号，可以使控制装置包括用于获取钎杆17撞击岩体所产生的震动信号的传感器19、以及用于对传感器19传递的震动信号进行处理的信号处理系统，信号处理系统与传感器19连接。
传感器19可以是应变式传感器，也可以是压电式瞬态力传感器，或微电传感器等其它传感器，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。
传感器19用于接收震动信号，并将接收到的震动信号传递给信号处理系统，信号处理系统对震动信号进行处理。
在上述实施例的基础上，可以使信号处理系统包括用于放大传感器19所接收的震动信号的信号放大器20、对信号放大器20放大之后的震动信号进行处理的信号处理器、以及对数字信号处理器21处理之后的震动信号进行反馈调节并控制电动机1转速的可编程控制器22；信号放大器20与传感器19连接，数字信号处理器21与信号放大器20连接，可编程控制器22与数字信号处理器21连接。
优选的，如图1所示，PC上位机24将调制信号输出至可编程控制器22，可编程控制器22调节电动机1转速，电动机1产生驱动力，并带动齿轮传动机构3转动，主动齿轮5带动从动齿轮6转动，从动齿轮6带动与其连接的曲柄9转动，曲柄9转动带动连杆10运动，连杆10带动滑块11做直线运动，滑块11通过缓冲装置带动冲击活塞13移动，冲击活塞13带动钎杆17撞击岩体，曲柄9每转一周，冲击活塞13撞击钎尾14一次，如此往复运动，钎尾14为钎杆17远离岩体的一端；冲击活塞13撞击钎尾14，耦合冲击头18与岩体紧密耦合，将产生的应力波传导至岩体。钎杆17在弹簧作用下，往回运动，以方便下一次冲击活塞13撞击。传感器19将采集到的震动信号传递给信号放大器20，信号放大器20对震动信号进行放大处理，并将放大之后的震动信号传递给数字信号处理器21，数字信号处理器21对耦合冲击头18的冲击频率进行提取，将耦合冲击头18的冲击频率实时反馈到可编程控制器22，可编程控制器22通过反馈回来的冲击频率进行反馈调节，形成闭环控制，以使耦合冲击头18的冲击频率和输出能量满足要求。
如图5所示为可编程控制器22输出的控制信号，图示为正弦信号，该信号可以为上位机24生成的任意时间序列，包括扫频、伪随机等信号。
如图6所示为传感器19采集到的信号经信号放大器20和数字信号处理器21输出的信号示意图，图6为图5所示正弦信号在实际工作中附带一定误差的结果，该信号也可以为扫频、伪随机等任意编程输出的信号。
优选的，可编程控制器22可以通过调节可控硅23以调节电动机1的转速，可控硅23与电动机1、可编程控制器22均连接。
具体的，通过调节可控硅23可以调节电动机1的电压，从而使电动机1的转速发生变化。
优选的，数字信号处理器21采用带通滤波和离散傅里叶变换提取冲击信号频率，也可以采用其他信号处理方式，例如：小波变换、希尔伯特变换等。
需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一联轴器2和第二联轴器7、第一弹簧12和第二弹簧15中的第一和第二只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。
以上对本发明所提供的可编程控制震源进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可编程控制震源，其特征在于，包括：用于对岩体撞击以产生震动信号的钎杆(17)、用于带动所述钎杆(17)移动的动力装置、以及用于控制所述动力装置动作以控制所述钎杆(17)撞击所述岩体的频率、并收集、处理所述震动信号以形成闭环控制的控制装置；
所述控制装置与所述动力装置连接，所述动力装置与所述钎杆(17)连接。
2.根据权利要求1所述的可编程控制震源，其特征在于，所述动力装置包括用于为所述钎杆(17)的移动提供动力的电动机(1)以及与所述电动机(1)传动连接的传动机构；
所述传动机构与所述钎杆(17)连接，所述电动机(1)与所述控制装置连接。
3.根据权利要求2所述的可编程控制震源，其特征在于，所述传动机构包括与所述电动机(1)的输出轴传动连接的齿轮传动机构(3)以及与所述齿轮传动机构(3)传动连接的曲柄滑块机构(8)，所述曲柄滑块机构(8)包括用于推动所述钎杆(17)移动的滑块(11)。
4.根据权利要求3所述的可编程控制震源，其特征在于，所述钎杆(17)的外周部设置有壳体结构(16)，且所述钎杆(17)相对于所述壳体结构(16)可移动设置，所述壳体结构(16)包括用于限制所述滑块(11)移动方向的导向槽。
5.根据权利要求4所述的可编程控制震源，其特征在于，所述滑块(11)与所述钎杆(17)之间设置有用于撞击所述钎杆(17)的冲击活塞(13)，且所述冲击活塞(13)通过缓冲装置与所述滑块(11)连接。
6.根据权利要求5所述的可编程控制震源，其特征在于，所述钎杆(17)远离所述岩体的一端设置有用于使其恢复原位的第二弹簧(15)，所述第二弹簧(15)套装于所述钎杆(17)的外周部。
7.根据权利要求1-6任一项所述的可编程控制震源，其特征在于，所述钎杆(17)靠近所述岩体的一端设置有用于与所述岩体发生碰撞的耦合冲击头(18)，所述耦合冲击头(18)设置有与所述岩体的钻孔相配合的配合部。
8.根据权利要求7任一项所述的可编程控制震源，其特征在于，所述控制装置包括用于获取所述钎杆(17)撞击所述岩体所产生的震动信号的传感器(19)、以及用于对所述传感器(19)传递的震动信号进行处理的信号处理系统，所述信号处理系统与所述传感器(19)连接。
9.根据权利要求8所述的可编程控制震源，其特征在于，所述信号处理系统包括用于放大所述传感器(19)所接收的震动信号的信号放大器(20)、对所述信号放大器(20)放大之后的震动信号进行处理的信号处理器、以及对所述数字信号处理器(21)处理之后的震动信号进行反馈调节并控制所述电动机(1)转速的可编程控制器(22)；
所述信号放大器(20)与所述传感器(19)连接，所述数字信号处理器(21)与所述信号放大器(20)连接，所述可编程控制器(22)与所述数字信号处理器(21)连接。
10.根据权利要求9所述的可编程控制震源，其特征在于，所述可编程控制器(22)通过可控硅(23)调节所述电动机(1)的转速，所述可控硅(23)与所述电动机(1)、所述可编程控制器(22)均连接。
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