CN111610529B - 一种声波探测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声波探测系统及其工作方法，包括设置在刀盘上的声波发射器和声波接收器，声波发射器通过第一信号转接放大装置与控制系统电连接，声波发射器与第一信号转接放大装置相连通，且第一信号转接放大装置与压力调节系统相连通；声波接收器通过第二信号转接放大装置与控制系统电连接，声波接收器与第二信号转接放大装置相连通，且第二信号转接放大装置与压力调节系统相连通。本发明中声波发射器和声波接收器均集成在刀盘上，无需现场安装，且不用现场钻孔布置，实现了盾构机掘进过程中的实时探测，显著提高施工效率；压力调节系统可以自动对振动膜后的压力进行调节，对振动膜起到保护作用。

Description

一种声波探测系统及其工作方法

技术领域

本发明属于隧道地质探测技术领域，具体涉及一种声波探测系统及其工作方法。

背景技术

隧道掘进过程中，对于掌子面前方地质的探测非常重要，现有的隧道超前地质探测方法主要有地质钻探、物探、超声检测、TRT技术等方法。地质钻探需要在洞内向前方钻孔，直接取岩芯进行观察，这种方法可以直观的判定隧道前方地质情况，但所需钻孔数量多、施工成本高、工期长，且存在“一孔之见”的局限；常用的物探方法主要在地表施工，有地震波发射法、二维波动剖面法、跨孔电阻率CT、跨孔地震CT等，但由于是在地表施工，因此其布置困难，探测过程繁琐，且成本较高；超声检测方法是通过盾构机刀盘上布设的钻孔通道钻取多个探测孔，利用超声波检测仪在孔中前后移动进行前方地质探测，该方法需要在掌子面上打多个钻孔，且受到盾构机内空间的限制，操作复杂。

TRT技术是利用地震波反射原理来实现对前方地质结构的探测，该技术需要在隧道壁以及隧道顶部布设大量接收器，利用采集到的地震波信号，首先截取直达波，获得直达波速度，根据众多离散的直达波速信息设定一个背景速度场，而后以该背景波速场对未知地质体进行扫描分析，同时结合反射波信息，计算地质异常区位置，以及其与背景波速的差异程度，因此背景波速的选择对预报结果的正确性有着十分重要的作用，然而，该技术对于直达波速的计算不准确，导致背景波速的选取经常不合理，因此使得预报结果通常有很大误差。

发明内容

针对现有的地质检测方法复杂、设置困难以及探测结果误差大的问题，本发明提出了一种声波探测系统及其工作方法，解决了探测成本高、操作复杂的问题。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种声波探测系统，包括设置在刀盘上的声波发射器和声波接收器，所述声波发射器通过第一信号转接放大装置与控制系统电连接，声波发射器与第一信号转接放大装置相连通，且第一信号转接放大装置与压力调节系统相连通；所述声波接收器通过第二信号转接放大装置与控制系统电连接，声波接收器与第二信号转接放大装置相连通，且第二信号转接放大装置与压力调节系统相连通。

所述压力调节系统包括旋转连通件，旋转连通件的一端与气泵相连通，旋转连通件的另一端分别与第一信号转接放大装置和第二信号转接放大装置相连通；所述气泵与气源相连通，且气泵与控制系统电连接。

所述气泵上设有用于控制气泵与旋转连通件之间气路的单向电磁阀，且单向电磁阀与控制系统电连接。

所述旋转连通件上设有气路连接头，气路连接头通过第一气路与第一信号转接放大装置相连通，且气路连接头通过第二气路与第二信号转接放大装置相连通；所述第一气路上设有第一压力传感器和第一泄压阀，且第一压力传感器与控制系统电连接。

所述第二气路上设有第二压力传感器和第二泄压阀，且第二压力传感器与控制系统电连接。

所述第一泄压阀为第一电磁泄压阀，第二泄压阀为第二电磁泄压阀，第一电磁泄压阀通过第一控制器与控制系统相连接，第二电磁泄压阀通过第二控制器与控制系统相连接，且第一控制器与第一压力传感器相连接，第二控制器与第二压力传感器相连接。

所述控制系统包括与盾构机相连接的PLC，PLC与上位机相连接，上位机通过扫频仪与功率放大器相连接，且功率放大器与第一信号转接放大装置相连接，第二信号转接放大装置与上位机相连接。

以上所述声波探测系统的工作方法，包括如下步骤：

S1，通过上位机设定声波接收器的振动膜后的系统气压值和声波发射器的声波信号频率；

S2，上位机、压力调节系统的第一控制器和压力调节系统的第二控制器根据第一压力传感器所检测的气压和第二压力传感器所检测的气压调节第一气路和第二气路上的气压；

S3，上位机通过PLC检测盾构机的掘进状态，若盾构机处于正常掘进状态，通过上位机输入声波发射指令，控制系统的扫频仪根据声波发射指令提供频率编码电压信号，产生扫频信号；

S4，扫频信号经由控制系统的功率放大器的高保真增幅后，经旋转连通件和第一信号转接放大装置发送至声波发射器；

S5，声波发射器发射声波信号，声波信号经前方地质反射后，声波接收器的振动膜接收到反射波的振动，声波接收器将振动膜的机械振动转换为模拟信号，模拟信号经第二信号转接放大装置传输；

S6，上位机接收步骤S5中第二信号转接放大装置所传输的信号，并对信号进行处理。

本发明的有益效果：

声波发射器和声波接收器均集成在刀盘上，无需现场安装，且不用现场另行钻孔布置，不占用隧道空间，结构简单，可以实现盾构机掘进过程中的实时探测，显著提高施工效率；压力调节系统可以自动对声波发射器和声波接收器的振动膜后的压力进行调节，对振动膜起到保护的作用，确保了声波信号的精度；功率放大器对发射信号进行放大，提高了发射能量，使得发射信号能够有效穿透掌子面前方土层，提高了接收信噪比；控制系统可以对声波发射器的发射信号进行调整，并对声波接收器的信号进行处理，实现方便，上位机对接收信号进行处理，实现了人机的交互，方便实时成像显示掌子面前方的地质信息。

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为本发明的结构示意图。

图中，1为声波发射器，2为声波接收器，3为第一信号转接放大装置，4为第二信号转接放大装置，5为数据转换器，6为旋转连通件，7为压力调节系统。

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。

实施例1：一种声波探测系统，如图1所示，包括固定设置在刀盘上的声波发射器1和声波接收器2，声波发射器1发射的声波信号经前方地质反射后由声波接收器2接收；所述声波发射器1与第一信号转接放大装置3电连接，声波接收器2与第二信号转接放大装置4电连接，本实施例中，第一信号转接放大装置3和第二信号转接放大装置4均为集线器，集线器固定设置在刀盘上，并随刀盘一起旋转，集线器可以对转接信号进行整形放大，以扩大传输距离；第一信号转接放大装置3和第二信号转接放大装置4均通过数据转换器5与控制系统电连接，数据转换器5固定设置在刀盘上，并随刀盘一起旋转，数据转换器5用于对所传输的电信号进行模拟信号和数字信号之间的转换，便于接收；另一方面，数据转换器5还可以对声波发射器1和声波接收器2的传输信号进行整理，减少了传输电缆的数量；控制系统可以对声波发射器1所发射信号的频率和振幅进行设定，控制系统发出信号，信号依次经数据转换器5和第一信号转接放大装置3发射到声波发射器1，以控制声波发射器1发射信号，声波接收器2接收信号后，经第二信号转接放大装置4和数据转换器5后再传输到控制系统，控制系统对接收到的信号进行处理进而对前方地质进行成像显示。

所述声波发射器1和声波接收器2的前部均设有振动膜，声波发射器1和声波接收器2的后部分别设有第一通气孔和第二通气孔，第一通气孔与声波发射器1的振动膜相对应，第二通气孔与声波接收器2的振动膜相对应，以便于分别通过第一通气孔和第二通气孔对两个振动膜后部的气压进行调整，避免声波发射器1和声波接收器2工作过程中振动膜两侧的气压差过大，导致振动膜损坏，影响测量精度；第一信号转接放大装置3中设有第一通孔，第二信号转接放大装置4中设有第二通孔，第一通气孔通过气管与第一通孔相连接，第二通气孔通过气管与第二通孔相连接，且第一通孔和第二通孔均与压力调节系统7相连通，进而通过压力调节系统7对第一通气孔和第二通气孔后的气压进行调整，保护振动膜。

所述压力调节系统7包括旋转连通件6，本实施例中，所述旋转连通件6为电滑环，电滑环为现有技术，由转动部和固定部组成，转动部和固定部中设有相连通的过孔；固定部一端的过孔通过气管与气泵相连通，转动部一端的过孔上固定设有气路连接头，气路连接头的一个输出端通过第一气路与第一通孔相连通，气路连接头的另一个输出端通过第二气路与第二通孔相连通；所述气泵与气源相连通，气泵与控制系统电连接，通过控制系统可以控制气泵的开启。启动气泵，气源中的气体传输到过孔后被分开为两条气路，第一气路中的气体从第一通孔进入第一通气孔，第二气路中的气体从第二通孔进入第二通气孔，这样即可同时对声波发射器1和声波接收器2进行压力调节。控制系统与固定部的电线相连接，转动部的电线通过数据转换器5分别与第一信号转接放大装置3和第二信号转接放大装置4电连接，电滑环设置在刀盘上，通过电滑环实现了动与静的切换。

所述气泵上设有用于控制气泵与电滑环之间气路的单向电磁阀，且单向电磁阀与控制系统电连接，控制系统用于控制单向电磁阀的启闭。所述第一气路上设有第一压力传感器和第一泄压阀，且第一压力传感器与控制系统电连接；所述第二气路上设有第二压力传感器和第二泄压阀，且第二压力传感器与控制系统电连接。优选地，可以在第一信号转接放大装置3上开设第三通孔，第三通孔与第一通孔相连通，将第一泄压阀安装在第三通孔上，第一泄压阀可以对过孔与第一通气孔之间的气路进行泄压，进而调节声波发射器1的振动膜后部的气压；另外，可以在第二信号转接放大装置4上开设第四通孔，第四通孔与第二通孔相连通，将第二泄压阀安装在第四通孔上，第二泄压阀可以对过孔与第二通气孔之间的气路进行泄压，进而调节声波接收器2的振动膜后部的气压。第一压力传感器用于测量第一气路上的气压，并将气压信号传送给到控制系统；第二压力传感器用于测量第二气路上的气压，并将气压信号传送给到控制系统；通过控制系统可以设定系统气压值，当第一压力传感器或第二压力传感器所测的气压信号低于系统气压值时，控制系统即开启单向电磁阀对气压进行调节，通过第一泄压阀和第二泄压阀可以分别设置第一气路和第二气路的最高气压，当第一气路中的气压超过设定值时，第一泄压阀会自动打开进行泄压，若第二气路中的气压超过设定值，第二泄压阀会自动打开进行泄压。

优选地，可以将第一泄压阀设置为第一电磁泄压阀，第二泄压阀设置为第二电磁泄压阀，且第一电磁泄压阀通过第一控制器与控制系统相连接，第一控制器用于控制第一电磁泄压阀的启闭，第二电磁泄压阀通过第二控制器与控制系统相连接，第二控制器用于控制第二电磁泄压阀的启闭，且第一控制器与第一压力传感器相连接，第二控制器与第二压力传感器相连接；第一控制器和第二控制器中均设定有气压微变动最大值和气压微变动最小值，气压微变动最大值和气压微变动最小值相结合组成了气压微变动范围，当第一气路和第二气路上的气压在所述气压微变动范围内变动时，第一电磁泄压阀、第二电磁泄压阀和单向电磁阀均无动作；当第一控制器或第二控制器检测到对应气路上的气压大于气压微变动范围的最大值时，第一控制器或第二控制器自动打开对应的电磁泄压阀对相应气路进行泄压，直至气路上的气压小于气压微变动范围的最大值；当第一控制器或第二控制器检测到对应气路上的气压小于气压微变动范围的最小值时，第一控制器或第二控制器向控制系统发送信号，控制系统打开单向电磁阀和气泵开始充气调压。

所述控制系统包括与盾构机相连接的PLC， PLC与上位机相连接，上位机设置在盾构机的车架上，通过上位机可以连接至PLC，以获取刀盘的掘进数据和刀盘的转动状态，上位机还可以发送指令以对声波发射器1进行控制，接收声波接收器2所接收的信号并对信号进行处理，实现人机交互，进而通过上位机实现掘进地质的成像显示。上位机与第一压力传感器、第二压力传感器、单向电磁阀和气泵相连接，且上位机通过扫频仪与功率放大器相连接，且功率放大器通过电滑环与第一信号转接放大装置3相连接，扫频仪设置在车架上的配电箱内，可以提供频率编码的电压信号，再由功率放大器对电压信号进行放大，进而高效地经第一信号转接放大装置3传输给声波发射器1；第二信号转接放大装置4通过电滑环与上位机相连接，以便声波接收器2的接收信号经第二信号转接放大装置4放大后发送给上位机。

本实施例中，声波发射器1的数量为M个，声波接收器2的数量为N个，且M和N均大于等于一；第一气路和第二气路均为气管；第一控制器和第二控制器可以采用单片机或者CPU。

实施例3：一种声波探测系统的工作方法，包括如下步骤：

S1，通过上位机设定振动膜后的系统气压值和声波发射器的声波信号频率；

S2，上位机、第一控制器和第二控制器根据第一压力传感器所检测的气压和第二压力传感器所检测的气压调节第一气路和第二气路上的气压，使两个气压均控制在气压微变动范围内；

S3，上位机通过PLC检测盾构机的掘进状态，若盾构机处于正常掘进状态，通过上位机输入声波发射指令，扫频仪根据声波发射指令提供频率编码电压信号，以产生扫频信号；

S4，扫频信号经由功率放大器的高保真增幅后，经电滑环传输至数据转换器，数据转换器对信号进行转换，并经第一信号转接放大装置3发送至声波发射器1；

S5，声波发射器1发射声波信号，声波信号经前方地质反射后，声波接收器2的振动膜接收到反射波的振动，声波接收器2将该机械振动转换为模拟信号，模拟信号经第二信号转接放大装置4传输至数据转换器5，数据转化器5将模拟信号转换为数字信号；

S6，上位机接收步骤S5中转换后的数字信号，对数字信号进行处理并成像显示前方地质信息。

本实施例中，声波探测系统的结构与实施例1相同。

实施例3：一种声波探测系统，本实施例与实施例1的区别在于，将实施例1中的气泵更换为液压泵，且液压泵与油箱相连接，因此实施例1为采用气体对振动膜后的气压进行调节，而本实施例是采用液压油对振动膜后的压力进行调节。

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 (8)

1.一种声波探测系统，包括设置在刀盘上的声波发射器（1）和声波接收器（2），其特征在于，所述声波发射器（1）通过第一信号转接放大装置（3）与控制系统电连接，声波发射器（1）与第一信号转接放大装置（3）相连通，且第一信号转接放大装置（3）与压力调节系统（7）相连通；所述声波接收器（2）通过第二信号转接放大装置（4）与控制系统电连接，声波接收器（2）与第二信号转接放大装置（4）相连通，且第二信号转接放大装置（4）与压力调节系统（7）相连通；

所述第一信号转接放大装置（3）和第二信号转接放大装置（4）均为集线器，集线器固定设置在刀盘上，并随刀盘一起旋转；

第一信号转接放大装置（3）和第二信号转接放大装置（4）均通过数据转换器（5）与控制系统电连接，数据转换器（5）固定设置在刀盘上，并随刀盘一起旋转；

所述声波发射器（1）和声波接收器（2）的前部均设有振动膜，声波发射器（1）和声波接收器（2）的后部分别设有第一通气孔和第二通气孔，第一通气孔与声波发射器（1）的振动膜相对应，第二通气孔与声波接收器（2）的振动膜相对应；第一信号转接放大装置（3）中设有第一通孔，第二信号转接放大装置（4）中设有第二通孔，第一通气孔通过气管与第一通孔相连接，第二通气孔通过气管与第二通孔相连接，且第一通孔和第二通孔均与压力调节系统（7）相连通；

其工作方法，包括如下步骤：

S1，通过上位机设定声波接收器（2）的振动膜后的系统气压值和声波发射器（1）的声波信号频率；

S2，上位机、压力调节系统（7）的第一控制器和压力调节系统（7）的第二控制器根据第一压力传感器所检测的气压和第二压力传感器所检测的气压分别调节第一气路和第二气路上的气压；

S3，上位机通过PLC检测盾构机的掘进状态，若盾构机处于正常掘进状态，通过上位机输入声波发射指令，控制系统的扫频仪根据声波发射指令提供频率编码电压信号，产生扫频信号；

S4，扫频信号经由控制系统的功率放大器的高保真增幅后，经旋转连通件（6）和第一信号转接放大装置（3）发送至声波发射器（1）；

S5，声波发射器（1）发射声波信号，声波信号经前方地质反射后，声波接收器（2）的振动膜接收到反射波的振动，声波接收器（2）将振动膜的机械振动转换为模拟信号，模拟信号经第二信号转接放大装置（4）传输；

S6，上位机接收步骤S5中第二信号转接放大装置（4）所传输的信号，并对信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的声波探测系统，其特征在于，所述压力调节系统（7）包括旋转连通件（6），旋转连通件（6）的一端与液压泵相连通，旋转连通件（6）的另一端分别与第一信号转接放大装置（3）和第二信号转接放大装置（4）相连通；所述液压泵与油箱相连通，且液压泵与控制系统电连接。

3.根据权利要求1所述的声波探测系统，其特征在于，所述压力调节系统（7）包括旋转连通件（6），旋转连通件（6）的一端与气泵相连通，旋转连通件（6）的另一端分别与第一信号转接放大装置（3）和第二信号转接放大装置（4）相连通；所述气泵与气源相连通，且气泵与控制系统电连接。

4.根据权利要求3所述的声波探测系统，其特征在于，所述气泵上设有用于控制气泵与旋转连通件（6）之间气路的单向电磁阀，且单向电磁阀与控制系统电连接。

5.根据权利要求3或4所述的声波探测系统，其特征在于，所述旋转连通件（6）上设有气路连接头，气路连接头通过第一气路与第一信号转接放大装置（3）相连通，且气路连接头通过第二气路与第二信号转接放大装置（4）相连通；所述第一气路上设有第一压力传感器和第一泄压阀，且第一压力传感器与控制系统电连接。

6.根据权利要求5所述的声波探测系统，其特征在于，所述第二气路上设有第二压力传感器和第二泄压阀，且第二压力传感器与控制系统电连接。

7.根据权利要求6所述的声波探测系统，其特征在于，所述第一泄压阀为第一电磁泄压阀，第二泄压阀为第二电磁泄压阀，第一电磁泄压阀通过第一控制器与控制系统相连接，第二电磁泄压阀通过第二控制器与控制系统相连接，且第一控制器与第一压力传感器相连接，第二控制器与第二压力传感器相连接。

8.根据权利要求1或7所述的声波探测系统，其特征在于，所述控制系统包括PLC，PLC与上位机相连接，上位机通过扫频仪与功率放大器相连接，且功率放大器与第一信号转接放大装置（3）相连接，第二信号转接放大装置（4）与上位机相连接。

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