CN110529125B - 一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器 - Google Patents
一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，包括底座，底座上部与盖板相连接，底座内设有一安装槽，所述安装槽内设置有陶瓷压力传感器，陶瓷压力传感器与盖板相配合，安装槽一侧设有定位槽，定位槽内设置有控制电路板，底座底部设有探测组件，陶瓷压力传感器和探测组件均与控制电路板相连接；所述控制电路板分别与电源电路和通讯电路相连接且通讯电路和电源电路均与通讯总线串联连接，通讯总线与上位机相连接。本发明通过将各传感器集成在一起，整体结构紧凑小巧，并且通过一总线将各传感器串联起来，方便安装，同时避免了对盾尾表面大面积开孔，对盾尾结构改动小，有利于推广。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机盾尾密封系统监测的技术领域，尤其涉及一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器。
背景技术
盾构法隧道成型技术是利用集开挖、支护、推进、衬砌等多种工程作业于一体的大型隧道掘进机来完成隧道开挖的现代成型技术。盾构机盾尾支护结构与隧道衬砌结构之间会产生一定间隙（一般为200mm以内），盾尾末端设有盾尾密封装置，以防止泥水和注浆材料从盾尾与衬砌之间的间隙流入盾体中。目前，普遍采用的盾尾密封装置为钢丝刷涂抹盾尾密封油脂，来隔绝盾体内安全空间与盾体外隧道土层。当盾尾密封失效时，盾尾密封油脂从失效点泄露到地层中，地层中的渣土、泥浆等由盾尾进入盾尾，可能造成隧道坍塌，对人员安全造成极大威胁。
盾尾密封油脂的压力是检测盾尾密封的重要参数。盾尾密封失效时，盾尾密封油脂的压力发生急剧变化。检测盾尾密封油脂的压力值，可以有效判断盾尾密封的效果，在盾尾密封油脂腔压力监测时需采用压力传感器进行监测，但是传统工业上常用的压力变送器体积较大，难以安装，且压力变送器信号多为4-20mA信号，每个传感器都需要接一根线，在安装数量较多时对盾尾结构改动大，不方便安装，也不利于后期维护。而盾尾密封油脂为粘稠的流体，检测面较小的压力传感器无法准确检测到压力变化。光纤压力传感器可以有效检测到压力值，且传感器之间可以串联，只需要在盾尾开一个孔引出信号即可，但光纤压力传感器价格昂贵，一致性差，温漂严重，信号解调困难，难以大规模应用。在专利申请号为“CN201410534828.5”、专利名称为“用于盾构机的监测盾尾油脂腔压力的盾尾密封刷和盾构机”中公开了一种探测油脂腔内压力的压力传感器，但是该压力传感器通过无线通讯方式进行传输数据，整体造价高，并且信号传输不稳定。
发明内容
针对目前盾尾密封油参数采集困难、传感器体积巨大、安装困难、4-20mA传感器接线多，对盾构机盾尾结构改动大的技术问题，本发明提出一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，包括底座，底座上部与盖板相连接，底座内设有一安装槽，所述安装槽内设置有陶瓷压力传感器，陶瓷压力传感器与盖板相配合，安装槽一侧设有定位槽，定位槽内设置有控制电路板，底座底部设有探测组件，陶瓷压力传感器和探测组件均与控制电路板相连接；所述控制电路板分别与电源电路和通讯电路相连接且通讯电路和电源电路均与通讯总线串联连接，通讯总线与上位机相连接。
优选地，所述底座分布在盾构机盾尾圆周上且底座安装在尾刷定位块和尾盾末端端面上。
优选地，所述盖板上设有一预留孔，陶瓷压力传感器的感应面上套设有密封圈，密封圈与预留孔相配合；所述底座上环设一密封垫且密封垫设置在安装槽和定位槽的外侧，密封垫与盖板相配合。
优选地，所述探测组件包括湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器均与控制电路板相连接。
优选地，所述底座底部开设有安装孔且定位槽与安装孔相连通，湿度传感器从安装孔穿出后固定在底座底部，温度传感器设置在定位槽内且温度传感器的探头穿过安装孔；所述定位槽一侧设有穿线孔，穿线孔与通讯总线相配合。
优选地，所述控制电路板包括控制电路和模数转换电路，控制电路分别与模数转换电路、电源电路和通讯电路相连接，模数转换电路分别与陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，电源电路分别与陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，电源电路和通讯电路分别通过通讯总线与上位机相连接。
优选地，所述控制电路包括单片机控制电路，模数转换电路包括模数转换芯片电路，单片机控制电路的输入端与模数转换芯片电路的输出端相连接，模数转换芯片电路的输入端分别与陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接；所述通讯电路包括通讯芯片，通讯芯片的数据端口与单片机控制电路的数据端口相连接，电源电路包括电源芯片电路，电源芯片电路的输入端和通讯芯片的输入端均通过整流桥电路与通讯总线相连接，电源芯片电路的输出端分别与陶瓷压力传感器、湿度传感器、温度传感器、单片机控制电路的电源输入端、模数转换芯片电路的电源输入端和通讯芯片的电源输入端相连接。
优选地，所述通讯总线为powerbus通讯总线。
本发明的有益效果：本发明通过将各传感器集成在底座上，通过内置的陶瓷压力传感器、温度传感器、湿度传感器来检测盾尾密封油脂的压力、温度、湿度，通过单片机将数据处理、整合以后，经过powerbus总线发送至上位机，整体结构紧凑小巧，成本低廉，并且信号传输稳定，通讯频率高，可提供大量数据，为盾尾密封安全预警系统提供重要参数，为盾构施工多加一道安全保障，并且通过一总线将各传感器串联起来，方便安装，同时避免了对盾尾表面大面积开孔，对盾尾结构改动小，有利于推广。
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为本发明中底座的使用状态示意图。
图2为图1中底座的内部结构示意图。
图3为本发明整体信号传输原理图。
图4为本发明中ADS1115芯片电路图及各传感器电路原理图。
图5为本发明中STC15W204S单片机控制电路图及外围电路图。
图6为本发明中PB331通讯芯片图及外围电路图。
图7为本发明中LM2842电源芯片电路图。
图中，1为底座，2为盖板，3为密封垫，4为密封圈，5为陶瓷压力传感器，6为控制电路板。
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和图2所示，一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，包括底座1，底座1分布在盾构机盾尾圆周上且底座1安装在尾刷定位块和尾盾末端端面上，尾刷定位块和尾盾末端端面上均开设有安装孔用于安装底座，底座通过点焊的形式焊接在安装孔内，并且在尾刷定位块内壁和尾盾端面上开设有线缆槽用于将通讯线缆嵌入在线缆槽内，随后将通讯线缆从一个开孔中引出即可，整体只需在盾尾上开设一线缆引出孔，对盾尾的改动较小；底座1上部与盖板2相连接，底座1内设有一安装槽，盾尾密封油脂的压力一般为30bar以下，考虑到余量，选取量程为50bar的陶瓷压力传感器，因此在所述安装槽内设置有陶瓷压力传感器5，陶瓷压力传感器5通过陶瓷膜片的微小变形来检测压力，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片背面，连接成一个惠斯通电桥，由于压敏电阻的压租效应，当有压力作用于陶瓷膜片时，传感器将产生一个与压力成正比，与激励电压也成正比的差分电压信号，一般灵敏度为2~5mV/V，本发明中采用胜拓公司的OC18-505压力传感器，其在50bar时产生的差分信号为2.4-4.8mV/V，采用5V激励电源则差分信号为12-24mV，此信号直接采用单片机内置模数转换会导致分辨率不足，因此需采用能采集差分信号的模数转换芯片。温度传感器和湿度传感器均为电阻，由定值电阻与其串联分压，输出变化的电压信号，也可以使用模数转换芯片进行采集。相比于其他类型压力传感器，陶瓷压力传感器尺寸适中，检测面大，信号处理简单，一致性好，适合应用于检测盾尾密封油脂压力。
陶瓷压力传感器5与盖板2相配合，盖板2上设有一预留孔用于陶瓷压力传感器的感应面穿出，陶瓷压力传感器5的感应面上套设有密封圈3，密封圈3用于对陶瓷压力传感器的感应面做密封，防止水、油脂经压力检测的开孔处进入陶瓷压力传感器内部，并且利用密封圈3与预留孔相配合即将密封圈扣在预留孔内，大大提高密封圈安装的稳定性，并且在一定程度上提高陶瓷压力传感器的感应面保护能力；所述底座1上环设一密封垫4且密封垫4设置在安装槽和定位槽的外侧即密封垫将安装槽和定位槽围起来，密封垫4与盖板2相配合用于增强盖板与底座之间连接密封性，同时提高底座与盖板之间连接的稳定性，底座和盖板通过M2螺栓连接，且底座整体大小为80mm*40mm*20mm，安装槽一侧设有定位槽，定位槽内设置有控制电路板6，控制电路板四个角均通过螺栓安装在定位槽内，保证控制电路板安装的稳定性。
底座1底部设有探测组件，探测组件包括湿度传感器和温度传感器，湿度传感器用于监测盾尾油脂的含水量，温度传感器用于探测油脂层温度情况，利用温度参数对压力数据、湿度数据等做补偿，保证测量的精确，且温度传感器可采用NTC热敏电阻或温度传感器芯片检测温度，陶瓷压力传感器5和探测组件均与控制电路板6相连接，湿度传感器和温度传感器均与控制电路板6相连接；所述控制电路板6通过通讯总线与上位机串联连接，通讯总线为powerbus通讯总线。
所述底座1底部开设有安装孔且定位槽与安装孔相连通，湿度传感器从安装孔穿出后固定在底座1底部表面，温度传感器设置在定位槽内且温度传感器贴近金属结构表面，温度传感器的探头穿过安装孔，保证检测数据的准确性；所述定位槽一侧设有穿线孔，穿线孔与通讯总线相配合，通讯总线穿过穿线孔后通过线缆槽后从开孔内穿出用于连接上位机。
如图3所示，所述控制电路板包括控制电路，控制电路分别与模数转换电路、电源电路和通讯电路相连接，模数转换电路分别与陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，电源电路分别与陶瓷压力传感器、温度传感器、湿度传感器、模数转换电路和通讯电路相连接，电源电路和通讯电路均通过通讯总线与上位机相连接。
如图4所示，所述控制电路包括单片机控制电路，单片机控制电路为STC15W204S单片机控制电路，该单片机没有内置模数转换器，只通过I2C读取ADS1115芯片采集到的数据，进行处理后发出。STC15W204S单片机一共有6个IO口，其中P3.0、P3.1为数据端口，用于连接总线，进行通讯；P3.2、P3.3为I2C端口，用于连接ADS1115芯片，读取采集数据；P5.4为指示灯控制端口，指示灯控制端口通过串接电阻R1后与发光二极管D1的一端相连接，发光二极管D1的另一端接地，串接用于查看传感器状态；P5.5悬空；电压输入端即VCC端分别串接电源电路的输出端和电容C1，电容C1接地用于对输入电源滤波处理，STC15W204S的接地端接地。
如图4所示，模数转换电路包括模数转换芯片电路，模数转换芯片电路为ADS1115芯片电路，ADS1115芯片中AIN0引脚、AIN1引脚配置为采集差分信号，用于采集压力传感器的信号，AIN2引脚、AIN3引脚配置为采集模拟电压信号，用于采集温度传感器和湿度传感器的信号，采集好的信号进行模数转换后通过I2C端口发送给单片机，ADS1115芯片中SCL引脚、SDA引脚、ADDR引脚和ALERT引脚均与排阻PR1串联，排阻PR1接5V电压，因为I2C总线驱动器是开漏的，因此SCL引脚、SDA引脚、ADDR引脚和ALERT引脚均需上拉电阻，ADS1115芯片中VDD端接电源电路输出端5V电压。STC15W204S单片机控制电路的输入端与ADS1115芯片电路的输出端相连接，ADS1115芯片电路的输入端分别与OC18-505陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，陶瓷压力传感器由四组压敏电阻形成一惠斯通电桥，惠斯通电桥的信号输出端分别接入AIN0引脚、AIN1引脚，惠斯通电桥的低电平端接地，惠斯通电桥的高电平端接入5V电压，温度传感器和湿度传感器分别串接一电阻R2和电阻R3后接入AIN2引脚、AIN3引脚，各传感器信号经ADS1115芯片电路采集转换后，经过I2C总线传输至STC15W204S单片机控制电路，经过STC15W204S单片机控制电路处理后整理成TTL信号。
如图6所示，所述通讯电路包括通讯芯片，通讯芯片为PB331通讯芯片，powerbus总线属于属于低压直流载波供电总线，通讯信号沿供电线传输，PB331通讯芯片的数据端口与STC15W204S单片机控制电路的数据端口相连接，TTL信号由PB331powerbus通讯芯片转化为powerbus信号，powerbus信号依次经信号放大电路的输入端和整流桥电路接入通讯总线，信号放大电路包括电阻R11，电阻R11的一端与PB331通讯芯片的信号输出口相连接，电阻R11的另一端与三极管MMBT25的基极相连接，三极管MMBT25的集电极分别与整流桥电路的输出端和电阻R8串联连接，电阻R8分别与电阻R9和PB331通讯芯片的信号输入口串联连接，电阻R9接地，三极管MMBT25的发射极与电阻R10串接后接地，通讯总线将powerbus信号传输至上位机。
如图7所示，电源电路包括电源芯片电路用于向各设备提供电源，电源芯片电路为LM2842芯片电源电路，LM2842芯片中VIN引脚分别串接MB6S整流桥的输出端和电容C2，电容C2和GND引脚接地，CB引脚串接一电容C3，电容C3分别串接SW引脚、电感L1和二极管D2，电感L1分别串接电阻R4和电容C4，电阻R4串接电阻R5后接地且电阻R5一端接FB引脚，C4接地，二极管D2接地，SHDN引脚串接MB6S整流桥的输出端，MB6S整流桥的低电平端接地，MB6S整流桥的输入端接powerbus总线；LM2842电源芯片电路将12V电压降低为5V输出电压，并且最大可带600mA负载，LM2842电源芯片电路的输入端和PB331通讯芯片的输入端均通过整流桥电路与通讯总线相连接，整流桥电路为MB6S整流桥，加入MB6S整流桥，可使整体底座进线不分极性，方便现场操作，由于采用powerbus总线，输入电源会有一定波动，因此在整流桥电路输出端串接一加大电容C2接入LM2842电源电路，进行滤波；LM2842电源芯片电路的输出端分别与陶瓷压力传感器、湿度传感器、温度传感器、STC15W204S单片机控制电路的电源输入端、ADS1115芯片电路的电源输入端和PB331通讯芯片的电源输入端相连接。整体通过将各传感器集成在底座上，通过内置的陶瓷压力传感器、温度传感器、湿度传感器来检测盾尾密封油脂的压力、温度、湿度，通过单片机将数据处理、整合以后，经过powerbus总线发送至上位机，整体结构紧凑小巧，成本低廉，并且信号传输稳定，通讯频率高，可提供大量数据，为盾尾密封安全预警系统提供重要参数，为盾构施工多加一道安全保障，并且通过一总线将各传感器串联起来，方便安装，同时避免了对盾尾表面大面积开孔，对盾尾结构改动小，有利于推广。
以上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 (6)
1.一种应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，包括底座（1），底座（1）上部与盖板（2）相连接，底座（1）内设有一安装槽，其特征在于，所述安装槽内设置有陶瓷压力传感器（5），陶瓷压力传感器（5）与盖板（2）相配合，安装槽一侧设有定位槽，定位槽内设置有控制电路板（6），底座（1）底部设有探测组件，陶瓷压力传感器（5）和探测组件均与控制电路板（6）相连接；所述控制电路板（6）通过通讯总线与上位机串联连接；所述底座（1）分布在盾构机盾尾圆周上且底座（1）安装在尾刷定位块和尾盾末端端面上，在尾刷定位块内壁和尾盾端面上开设有线缆槽用于将通讯线缆嵌入在线缆槽内，随后将通讯线缆从一个开孔中引出，整体只需在盾尾开设一线缆出孔；
所述通讯总线为powerbus通讯总线。
2.根据权利要求1所述的应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，其特征在于，所述盖板（2）上设有一预留孔，陶瓷压力传感器（5）的感应面上套设有密封圈（4），密封圈（4）与预留孔相配合；所述底座（1）上环设一密封垫（3）且密封垫（3）设置在安装槽和定位槽的外侧，密封垫（3）与盖板（2）相配合。
3.根据权利要求1所述的应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，其特征在于，所述探测组件包括湿度传感器和温度传感器，湿度传感器和温度传感器均与控制电路板（6）相连接。
4.根据权利要求3所述的应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，其特征在于，所述底座（1）底部开设有安装孔且定位槽与安装孔相连通，湿度传感器从安装孔穿出后固定在底座（1）底部，温度传感器设置在定位槽内且温度传感器的探头穿过安装孔；所述定位槽一侧设有穿线孔，穿线孔与通讯总线相配合。
5.根据权利要求1或3所述的应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，其特征在于，所述控制电路板包括控制电路，控制电路分别与模数转换电路、电源电路和通讯电路相连接，模数转换电路分别与陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接，电源电路分别与陶瓷压力传感器、温度传感器、湿度传感器、模数转换电路和通讯电路相连接，电源电路和通讯电路均通过通讯总线与上位机相连接。
6.根据权利要求4所述的应用于盾构机盾尾密封系统的串联压力传感器，其特征在于，所述控制电路包括单片机控制电路，模数转换电路包括模数转换芯片电路，单片机控制电路的输入端与模数转换芯片电路的输出端相连接，模数转换芯片电路的输入端分别与陶瓷压力传感器、温度传感器和湿度传感器相连接；通讯电路包括通讯芯片，通讯芯片的数据端口与单片机控制电路的数据端口相连接，电源电路包括电源芯片电路，电源芯片电路的输入端和通讯芯片的输入端均通过整流桥电路与通讯总线相连接，电源芯片电路的输出端分别与陶瓷压力传感器、湿度传感器、温度传感器、单片机控制电路的电源输入端、模数转换芯片电路的电源输入端和通讯芯片的电源输入端相连接。
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