CN112595361A - 隧道施工环境检测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及施工环境检测系统，包括噪声检测电路和粉尘检测电路，其特征在于：所述噪声检测电路包括声音传感器、场效应晶体管、比较器和电位器，调节电位器的阻值可以改变所检测的声音上限；所述粉尘检测电路与所述噪声检测电路的输出端同时连接到或门的输入端，两种检测量有一种超过设定值时即驱动后续负载报警。整个电路从噪声和粉尘污染两个方面来设计检测系统，充分保障了施工的安全性，保护了工作人员的人生安全。为检测到传感器微小的变化，引入了信号放大电路，提高了电路的灵敏度和精确性。其中放大电路采用双极性晶体管，能够随着传感元件接收的模拟信号做模拟的放大。采用分立器件构建，成本低、可靠性高，适用于隧道施工等恶劣环境。
Description
技术领域
本申请涉及土木工程及地下工程装备技术领域，具体涉及一种隧道施工环境检测系统。
背景技术
我国地域广阔，资源丰富，但地貌特征复杂多样，限制了交通、建筑、矿业等重要领域的发展，因此将地上费时费力的工程转移到地下是最直接，也是最经济有效的方法。此外，隧道是地下工业的发展的重要依托和基础建设，是地上建设向地下转移的主要途径。目前，地下隧道的建设和开采依旧需要大量的工作人员参与协作，然而地下环境充满着不确定性和未知性，因此为了降低工程推进的艰难程度以及保证工作人员的人生安全，建立完善的隧道环境检测系统是必不可少的一环。
发明内容
(一)技术问题
1.针对地下工程施工过程中可能危害工人健康及生命安全的环境因素进行检测；
2.改进检测系统的灵敏度和准确性同时增加可靠性。
(二)技术方案
针对现有技术的不足，本申请提供一种施工环境检测系统，包括噪声检测电路和粉尘检测电路，其特征在于：所述噪声检测电路包括声音传感器、场效应晶体管、比较器和电位器，调节电位器的阻值可以改变所检测的声音上限；所述粉尘检测电路与所述噪声检测电路的输出端同时连接到或门的输入端，两种检测量有一种超过设定值时即驱动后续负载报警。
(三)有益效果
1.整个电路从噪声和粉尘污染两个方面来设计检测系统，充分保障了施工的安全性，保护了工作人员的人生安全。
2.采取声音传感器和激光传感器作为信号输入的媒介，保证了检测结果的连续性和真实性。利用激光作为粉尘采集手段，提高了粉尘检测的速率和准确性。
3.为检测到传感器微小的变化，引入了信号放大电路，提高了电路的灵敏度和精确性。其中放大电路采用双极性晶体管，能够随着传感元件接收的模拟信号做模拟的放大。
4.采用分立器件构建，成本低、可靠性高，维护简便，可以适用于隧道施工等恶劣环境。
附图说明
图1为根据本申请的施工环境检测系统模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，根据本申请的施工环境检测系统，包括噪声检测电路和粉尘检测电路，其特征在于：所述噪声检测电路包括声音传感器、场效应晶体管、比较器和电位器，调节电位器的阻值可以改变所检测的声音上限；所述粉尘检测电路与所述噪声检测电路的输出端同时连接到或门的输入端，两种检测量有一种超过设定值时即驱动后续负载报警。
如图1所示，噪声检测电路的核心部分分为声音传感器V1、NMOS场效应晶体管Q1以及比较器OP1三部分。当隧道中声音的振幅和频率发生变化时，V1内部嵌入的感声薄膜会随之产生相应的振动变化，这种振动变化能够使感声传感器整体的电容发生变化，最终变现为感声传感器的压降改变，从而完成了声音信号向电信号的转化，此外，V1的一端与电容C4相连接，当V1两端压降发生变化时，C4会感知这种变化，并向V1充放电，最总表现为高电平或低电平信号，并通过电感L5连接到Q1的源端，当声音的电信号为低电平时，Q1导通，OP1输入负端为低电平，OP1的输入正端连接了一个电位器R2，改变R2的阻值就可以设定电路的声音上限，比较器OP1通过声音的电信号和声音上限信号的电压大小来完成输出端高低电平的转换，实现对后续报警负载的启停。
具体而言，所述噪声检测电路包括声音传感器V1，所述声音传感器V1的两端并联连接有电容C4、电阻R6、电容C2，所述声音传感器V1的一端还连接有电阻R1、电感L1、电感L2，所述电感L1、电感L2的另一端通过电容C1相连接；所述声音传感器V1的另一端通过串联的电阻R5和电容C5与所述电感L2的另一端连接；声音传感器V1的另一端还连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接场效应晶体管Q1的源端、电感L4的一端及比较器Q1的V-端，场效应晶体管Q1的漏端与电感L4的另一端及比较器OP1的输入负端连接；比较器OP1的输入正端连接有电位器R2，电位器R2的另一端、电容C1的另一端、电感L1的另一端、场效应晶体管Q1的栅极和漏极、比较器Q1的V+端、电阻R3的一端及电阻R4的一端连接电源端口，电阻R3的另一端与比较器Q1的输出端、电容C3的一端、电感L3的一端连接。
粉尘检测电路：粉尘检测电路的核心是利用激光在空气等介质中传播时会受到粉尘颗粒的影响发生散射，在米氏光散射理论的背景下，可以通过收集激光的散射光来计算得出空气中粉尘颗粒的直径和浓度。如图所示，在变压器L7左端的IN端口接入了激光检测器，激光检测器检测到的粉尘信号通过变压器L7进行电磁耦合放大，传递到电阻R8，其中L7与R8之间的电容C6、C7、C8、C9、C12、C14以及可变电容C13等，他们通过串联和并联的方式存在于L7与R8的信号同路中，这样可以过滤掉空气中除粉尘颗粒之外的电磁场等其他信号的干扰，然后粉尘信号经、R8传递到NPN型双极型晶体管Q2的基极，并在Q2的发射极输出，这样就形成了一个Q2的共集电极放大电路，这样的共集电极放大电路确保了粉尘信号的相位不变，同时其输入电阻非常大，使流过激光信号源的电流大大降低，大幅度的减轻了激光信号源的负担，相反，其输出电阻非常小，又能够实现很强的驱动能力，此外，该放大电路还能够放大电路的功率，因此将Q2为核心的共集电极放大电路作为粉尘信号放大电路的输入级，粉尘信号从Q2发射极流出后，继续流入NPN双极型晶体管Q3的基极，而Q3和Q4串联，将信号放大倍数翻倍，并将粉尘信号从Q4的集电极输出，从而形成了以Q3、Q4为核心的高放大倍数的共发射极放大电路，从而实现了粉尘信号的电压放大，值得分析的是，粉尘信号经放大之后从与Q4集电极相连的电阻R13和R9的连接处输出，并流入了两个反向并联的二极管D1、D2组成的回路中，使得只有在粉尘放大信号峰峰值的绝对值高于二极管的正向导通电压时，粉尘信号才能通过二极管，最后流入下一级，这样就实现了对粉尘信号的检测与放大。除此之外，为了提高电路的驱动能力，分别在Q3和Q4的集电极处引入了Q5、Q6和Q8、Q7两个复合三极管电路，这样设计不仅提高了整体的放大倍数和功率，还提高了电路的响应速度。
具体而言，所述粉尘检测电路包括激光检测器，所述激光检测器输入的信号线路与变压器L7的原线圈相连接，变压器L7的次级线圈连接电容C7的一端，电容C7的另一端连接电容C12的一端及可变电容C13、电容C6、电容C8的一端，电容C6及电容C8的另一端连接电容C9的一端和电阻R7及电阻R8的一端，电容C9的另一端连接电容C14的一端及电感L9的一端，所述电阻R8的另一端连接NPN型双极型晶体管Q2的基极，晶体管Q2的发射极连接电容C10、电容C11、电阻R12的一端及晶体管Q3的基极，晶体管Q3的发射极连接晶体管Q4的基极，晶体管Q4的集电极分别连接晶体管Q8的发射极、电阻R13的一端，电阻R13的另一端连接电阻R9的一端、晶体管R8的基极和两个反向并联的二极管D1、D2的并联连接点，晶体管R8的集电极与晶体管Q7的基极连接，晶体管Q7的集电极与电阻R9的另一端连接；晶体管Q7的发射极通过串联的电阻R10及电阻R14与晶体管Q5的发射极及晶体管Q6的集电极连接，所述反射并联的二极管D1、D2的另一并联连接点为信号输出端口。
或门输出电路：如图1右下部分所示，噪声检测电路和粉尘检测电路的输出端同时连接到或门元件U1的两个输入端，当隧道内的噪声信号和粉尘信号其中至少有一个超过施工中所承受的上限时，U1进行数字逻辑或的输出，最后驱动后续负载报警。
具体而言，所述电感L3的另一端连接或门U1的一个输入端口；所述信号输出端口连接或门U1的另一输入端口。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (4)
1.施工环境检测系统，包括噪声检测电路和粉尘检测电路，其特征在于：所述噪声检测电路包括声音传感器、场效应晶体管、比较器和电位器，调节电位器的阻值可以改变所检测的声音上限；所述粉尘检测电路与所述噪声检测电路的输出端同时连接到或门的输入端，两种检测量有一种超过设定值时即驱动后续负载报警。
2.根据权利要求1所述的施工环境检测系统，其特征在于：所述噪声检测电路包括声音传感器V1，所述声音传感器V1的两端并联连接有电容C4、电阻R6、电容C2，所述声音传感器V1的一端还连接有电阻R1、电感L1、电感L2，所述电感L1、电感L2的另一端通过电容C1相连接；所述声音传感器V1的另一端通过串联的电阻R5和电容C5与所述电感L2的另一端连接；声音传感器V1的另一端还连接电感L5的一端，电感L5的另一端连接场效应晶体管Q1的源端、电感L4的一端及比较器Q1的V-端，场效应晶体管Q1的漏端与电感L4的另一端及比较器OP1的输入负端连接；比较器OP1的输入正端连接有电位器R2，电位器R2的另一端、电容C1的另一端、电感L1的另一端、场效应晶体管Q1的栅极和漏极、比较器Q1的V+端、电阻R3的一端及电阻R4的一端连接电源端口，电阻R3的另一端与比较器Q1的输出端、电容C3的一端、电感L3的一端连接。
3.根据权利要求1所述的施工环境检测系统，其特征在于：所述粉尘检测电路包括激光检测器，所述激光检测器输入的信号线路与变压器L7的原线圈相连接，变压器L7的次级线圈连接电容C7的一端，电容C7的另一端连接电容C12的一端及可变电容C13、电容C6、电容C8的一端，电容C6及电容C8的另一端连接电容C9的一端和电阻R7及电阻R8的一端，电容C9的另一端连接电容C14的一端及电感L9的一端，所述电阻R8的另一端连接NPN型双极型晶体管Q2的基极，晶体管Q2的发射极连接电容C10、电容C11、电阻R12的一端及晶体管Q3的基极，晶体管Q3的发射极连接晶体管Q4的基极，晶体管Q4的集电极分别连接晶体管Q8的发射极、电阻R13的一端，电阻R13的另一端连接电阻R9的一端、晶体管R8的基极和两个反向并联的二极管D1、D2的并联连接点，晶体管R8的集电极与晶体管Q7的基极连接，晶体管Q7的集电极与电阻R9的另一端连接；晶体管Q7的发射极通过串联的电阻R10及电阻R14与晶体管Q5的发射极及晶体管Q6的集电极连接，所述反射并联的二极管D1、D2的另一并联连接点为信号输出端口。
4.根据权利要求1所述的施工环境检测系统，其特征在于：或门输出电路：如图1右下部分所示，噪声检测电路和粉尘检测电路的输出端同时连接到或门元件U1的两个输入端，当隧道内的噪声信号和粉尘信号其中至少有一个超过施工中所承受的上限时，U1进行数字逻辑或的输出，最后驱动后续负载报警。
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