CN111163545B - 一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，包括万向移动平台车，微波电源，微波发生器，连接波导，喇叭口天线，金属透镜天线，屏蔽箱，激光位移传感器，红外热成像仪等。所述微波电源通过电源连接线与微波发生器连接，所述微波发生器通过连接波导以及法兰盘与喇叭口天线连接，所述激光位移传感器和红外热成像仪固定于屏蔽箱上，所述喇叭口天线、金属透镜天线以及屏蔽箱固定在万向移动平台车上，微波发生器产生的微波通过金属透镜天线在掌子面聚焦，通过调节万向移动平台车的位置和高度，从而使金属透镜天线微波辐射装置作用于隧道掌子面上预先设定的加热点，实现硬岩隧道高效、经济的开挖。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置。
背景技术
随着西部大开发战略的深入开展与实施，我国计划修建一大批深埋、特长的隧道。在隧道工程中，岩石破碎技术研究是最重要的课题之一，目前主流的破岩方法主要有爆破法和机械破岩方法。爆破法在施工的过程中对原岩的扰动性大,易造成周边岩石破坏,存在施工精度低、破碎块度不均匀、围岩支护困难等缺点；机械破岩法在面对抗压强度较高的硬岩时，机械切削破碎极为困难，侵入率极低，刀具磨损严重，使得项目工期延长、成本增加。
微波技术由于具备选择加热性、体积加热性、即时性、安全无污染等特点，为硬岩隧道开挖提供了一个新的思路和研究方向。既有研究已发现，微波照射能够有效降低岩石的强度，提高机械破岩效率，具有较好工程的应用前景。
例如，公开号为107035316A的中国专利申请，提出了一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器。但是，该方案中所提出的微波聚焦装置，随着出口与岩石之间的距离增加，微波功率密度急剧下降。除此之外，由于隧道在开挖的过程中，掌子面凹凸不平，该方案中的辐射器很难紧贴这隧道的掌子面，从而导致微波辐射效果不佳。所以上述方案中提出的装置很难适应实际工程中的需求。
因此，为了适应工程实际的需要，同时满足微波聚焦并应用与隧道开挖的需求，亟需设计一种能够在天线前方一定的距离实现微波聚焦并满足微波破岩所需功率的微波辐射器。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，在实现微波聚焦的同时，保证天线与掌子面之间存在一定的距离，适应工程实际的需要，能够有效地致裂岩石，实现硬岩隧道高效、经济的开挖。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，包括微波电源、微波发生器，连接波导、喇叭口天线、金属透镜天线、屏蔽箱、激光位移传感器、红外热成像仪、万向移动平台车，所述微波电源通过电源连接线与微波发生器连接，所述微波发生器通过连接波导以及法兰盘与喇叭口天线连接，所述喇叭口天线、金属透镜天线以及屏蔽箱固定在万向移动平台车上，且处于同一轴线上，所述激光位移传感器和红外热成像仪固定于屏蔽箱上。
作为本发明的一种改进，所述微波电源位于移动平台车后端，远离隧道掌子面位置。
作为本发明的一种改进，所述微波电源的功率为15kW。
所述微波发生器包括磁控管、环形器、水负载、调谐器等，所述微波发生器产生的微波通过连接波导以及法兰盘输入到喇叭口天线，喇叭口天线的喇叭口对准金属透镜天线上。
作为本发明的一种改进，所述微波的频率为2.45GHz，连接波导为BJ26或BJ22标准矩形波导，矩形截面尺寸为86mm×43mm或者109mm×54mm，法兰盘的型号为FDP26或FDP22。
作为本发明的一种改进，所述万向移动平台车为市面上购买的可升降移动的可推车，其台面上固定有喇叭口天线、金属透镜天线以及屏蔽箱，且万向移动平台车可上下左右移动，保证金属透镜天线微波辐射装置可以按照预先设定的加热点加热整个掌子面。
作为本发明的一种改进，所述的喇叭口天线的功能是将微波功率聚集到金属透镜天线上。
作为本发明的一种改进，所述金属透镜天线由若干组平行金属板构成，形状为双凹曲面，中间薄，四周厚，金属透镜天线采用镀铜铝合金材料，可以实现微波的聚焦。
作为本发明的一种改进，所述金属透镜的外径为微波波长的10倍以上。
作为本发明的一种改进，所述喇叭天线和金属透镜组成的微波系统的驻波比小于1.5。
作为本发明的一种改进，所述屏蔽箱包裹于喇叭口天线与金属透镜天线外部，形状为圆柱筒，作用主要是防止微波沿着侧向方向泄露。
作为本发明的一种改进，所述屏蔽箱采用镀铜铝合金材料。
作为本发明的一种改进，所述激光位移传感器能够实时测量透镜天线与掌子面距离，红外热成像仪测量掌子面的实时温度，根据距离数据和温度数据自动调节台车的位置，保证微波聚焦点位于掌子面上。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，在实现微波聚焦的同时，能够保证天线与掌子面之间存在一定的距离，适应工程实际的需要，能够有效地致裂岩石，实现硬岩隧道高效、经济的开挖。
附图说明
图1是本装置剖视图；
图2是本装置右视图；
附图标记列表：
1、微波电源，2、电源连接线，3、微波发生器，4法兰盘，5、连接波导，6、喇叭口天线，7、金属透镜天线，8、屏蔽箱，9、激光位移传感器，10、红外热成像仪，11、万向移动平台车，12、隧道掌子面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图所示，本发明所述的一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，包括微波电源1，电源连接线2，微波发生器3，法兰盘4，连接波导5，喇叭口天线6，金属透镜天线7，屏蔽箱8，激光位移传感器9，红外热成像仪10，万向移动平台车11等。
微波电源1通过电源连接线2与微波发生器3连接，微波发生器3通过连接波导5以及法兰盘4与喇叭口天线6连接，激光位移传感器9和红外热成像仪10固定于屏蔽箱8上，喇叭口天线6、金属透镜天线7以及屏蔽箱8固定在万向移动平台车11上，且处于同一轴线上。
微波电源1通过电源连接线2向微波发生器3供电，微波发生器3中的磁控管会产生微波，微波通过法兰盘4和连接波导5的传递，到达了喇叭口天线6，经过金属透镜天线7的聚焦以及屏蔽罩8的屏蔽，最终在隧道掌子面12上聚焦，得到高微波功率密度的焦斑。激光位移传感器9能够实时测量透镜天线与掌子面距离，红外热成像仪10测量掌子面的实时温度，根据距离数据和温度数据自动调节台车11的位置，保证微波聚焦点位于掌子面上。通过调节万向移动平台11的位置和高度，从而使金属透镜天线微波辐射装置作用于隧道掌子面不同的位置，从而到达破碎岩石、开挖硬岩隧道的目的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，其特征在于：包括微波电源、微波发生器，连接波导、喇叭口天线、金属透镜天线、屏蔽箱、激光位移传感器、红外热成像仪、万向移动平台车，所述微波电源通过电源连接线与微波发生器连接，所述微波发生器通过连接波导以及法兰盘与喇叭口天线连接，所述喇叭口天线、金属透镜天线以及屏蔽箱固定在万向移动平台车上，且处于同一轴线上，所述激光位移传感器和红外热成像仪固定于屏蔽箱上；所述金属透镜天线由若干组平行金属板构成，形状为双凹曲面，中间薄，四周厚，金属透镜天线采用的是镀铜铝合金材料；所述平行金属板包括竖向平行金属板和横向平行金属板，所述竖向平行金属板和所述横向平行金属板相互垂直设置；所述竖向平行金属板和所述横向平行金属板的方向与微波传播方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，其特征在于：所述屏蔽箱包裹于喇叭口天线与金属透镜天线外部，形状为圆柱筒。
3.根据权利要求2所述的一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置，其特征在于：所述屏蔽箱采用镀铜铝合金材料。
4.根据权利要求书1中所述的一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置的使用方法，其特征在于：微波电源通过电源连接线向微波发生器供电，微波发生器中的磁控管在交变电流的作用下会产生微波，微波通过法兰盘和连接波导的传递，到达了喇叭口天线，经过金属透镜天线的聚焦以及屏蔽罩的屏蔽，最终在隧道掌子面上聚焦，得到高微波功率密度的焦斑；通过激光位移传感器测量透镜天线与掌子面的实时距离，通过红外热成像仪测量掌子面的实时温度，保证焦点位于掌子面上，通过调节万向移动平台的位置和高度，从而使金属透镜天线微波辐射装置作用于隧道掌子面不同的位置，到达破碎岩石、开挖硬岩隧道的目的。
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