CN113063535B - 隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，包括底座，还包括检测机构，所述底座内部设置有与检测机构配合的升降机构，所述底座内升降机构的一侧设置有UPS机构，所述底座外侧设置有控制器机构，所述底座上部设置有显示机构，所述控制机构包括控制芯片、显示器驱动芯片、存储芯片和接口模块，所述检测机构包括调节机构和监测机构。本发明可以调节压力传感的位置，对不同位置的测量点进行测量，通过UPS机构为本系统通过不间断电源，从而保证了系统的续航时间，提高了系统监测的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及压力监测技术领域，具体为隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统及方法。
背景技术
隧道施工过程中，当遇到软弱破碎围岩时，其自支护能力是比较弱的，需要进行预支护，可在预支护壳体的保护下进行土方或岩石开挖，渣土装运等隧道施工，对预支护壳体的压力监测，可以及时了解支护壳体的受力情况。
例如申请公布号为CN 111485949 A的发明公开了一种隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，包括若干组监测元器件组，沿隧道预支护壳体间隔布设，且位于同一隧道横断面内；信号采集与传输装置，与多组监测元器件组数据连接；数据汇聚装置，通过无线网络与信号采集与传输装置连接；及数据处理及控制终端，与数据汇聚装置连接；本发明通过在隧道横断面内设置有若干组监测元器件组，并通过测线连接至信号采集与传输装置，再通过无线网络实现信号的汇聚和处理，进而可以实时监测隧道预支护壳体内里及其背后土压力，掌控预支护结构的受力状态。需要将监测组件沿整个壳体进行分布，施工难度大，材料使用量大，并且检测点无法随时调整，若干对整个隧道面进行监测，需要在壳体上安装数量较多的监测组件，施工时间长，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统及方法，根据不同的监测点进行位置调整，适应性强，无需在壳体上施工，安装难度低，通过多个系统的组合可以对壳体进行全面监测，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，包括底座，还包括检测机构，所述底座内部设置有与检测机构配合的升降机构，所述底座内升降机构的一侧设置有UPS机构，所述底座外侧设置有控制器机构，所述底座上部设置有显示机构。
优选的，所述控制机构包括控制芯片、显示器驱动芯片、存储芯片和接口模块，所述控制芯片分别与显示器驱动芯片、存储芯片和接口模块电性连接。
优选的，所述升降机构包括升降电机、升降柱、齿条、与齿条配合的升降齿轮、滑动限位杆和滑动板，所述升降电机与底座内壁连接，所述升降齿轮与升降电机的输出轴连接，所述齿条设置在升降柱的底部，所述升降柱的顶端贯穿出底座，所述滑动限位杆竖直设置在底座上部，所述滑动板套设在滑动限位柱上，所述滑动板与升降柱一侧连接，所述齿条和升降齿轮啮合，所述升降电机与接口模块电性连接。
优选的，所述检测机构包括调节机构和监测机构，所述调节机构包括角度调节机构和水平调节机构，所述角度调节机构包括转动电机、主动齿轮、从动齿轮、转动轴、转动板、限位圈、限位柱和与转动轴配合的限位槽，所述转动电机设置在升降柱的顶端一侧，所述转动电机的输出轴贯穿出升降柱与主动齿轮连接，所述转动板通过转动轴与升降柱转动连接，所述从动齿轮套设在转动轴上升降柱和转动板之间，所述从动齿轮和主动齿轮啮合，所述限位圈设置在转动板底部，所述限位槽开设在限位圈内，所述限位柱滑动设置在限位槽内，所述限位柱的一端与升降柱固定连接，所述转动电机与接口模块电性连接，所述转动板上开设有与水平调节机构配合的调节滑槽。
优选的，所述水平调节机构包括若干调节电机、螺杆、连接片、弧形框、滑柱、导向框和滑动设置在导向框内的滑块，所述弧形框设置在转动板上部，所述调节电机设置在弧形框下侧，且其底部与转动板连接，所述调节电机的输出轴与螺杆连接，所述连接片与螺杆螺纹连接，所述连接片与滑柱的底部连接，所述滑柱滑动设置在调节滑槽内，所述滑柱的顶部与滑块的底部连接，所述调节电机与接口模块电性连接。
优选的，所述监测机构包括若干支撑筒、设置在支撑筒内的弹簧、测量块和设置在测量块上部的压力传感器，所述支撑筒底部与滑块连接，所述弹簧的底部与滑块连接，所述弹簧的顶部与测量块连接，所述压力传感器与接口模块电性连接。
优选的，所述UPS机构包括逆变器、控制开关、蓄电池和充放电模块，所述蓄电池分别与控制开关和充放电模块电性连接，所述逆变器分别与控制开和蓄电池电性连接，所述充放电模块分别与升降电机、转动电机、调节电机和压力传感器电性连接。
优选的，所述显示机构为液晶显示器和警报机构，所述显示机构通过接口模块与显示器驱动模块电性连接，所述警报机构包括报警灯和蜂鸣器。
隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测的方法，具体步骤如下：
1、将本发明装置移动到预支护壳体下部；
2、通过控制器启动升降电机，带动升降柱升起；
3、通过控制器控制转动电机转动和调节电机，使压力传感器与预支护壳体表面相应的测量点贴合，对相应的测量点进行压力的实时监测；
4、压力传感器检测到的压力信息传递给控制机构，控制机构将信息显示在显示器上。
5、如果压力信息超出设定的阈值，控制器控制报警灯闪烁并启动蜂鸣器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过控制器可以控制转动电机转动，转动电机转动后带动主动齿轮转动，主动齿轮转动带动从动齿轮转动，从动齿轮转动带动转动轴转动，转动轴带动转动板转动，转动板带动弧形框转动，弧形框带动导向框转动，导向框带动滑块转动，滑块带动支撑筒转动，支撑筒带动弹簧转动，弹簧带动测量块及其上部的压力传感器转动，以此来调节转动板的角度，由于预支护壳体为弧形结构，通过调节转动板的角度，可以测量预支护壳体周向的不同位置；
2、本发明同时通过调节电机转动带动螺杆转动，螺杆通过连接片带动滑柱在调节槽内滑动，通过滑柱带动滑块沿调节槽滑动，滑块带动支撑筒运动，以此调节压力传感器在预支护壳体轴向的位置；通过升降电机带动升降齿轮转动，升降齿轮带动齿条运动，齿条带动升降柱运动，升降柱带动转动板运动，以此可以调节压力传感器的高度；
3、本发明设置有UPS机构可以保证系统的正常工作，通过显示机构显示压力值，当压力值异常时，通过蜂鸣器和报警灯以声光的方式提醒使用者处理。
附图说明
图1为本发明隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统主视整体结构剖视图；
图2为本发明隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统俯视结构示意图；
图3为本发明隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统侧面结构示意图；
图4为本发明本发明图1中A处结构放大示意图；
图5为本发明UPS机构连接框图；
图6为本发明系统模块连接框图。
图中：100、底座；101、检测机构；1011、调节机构；10111、角度调节机构；101111、转动电机；101112、主动齿轮；101113、从动齿轮；101114、转动轴；101115、转动板；101116、限位圈；101117、限位柱；101118、限位槽；10112、水平调节机构；101121、调节电机；101122、螺杆；101123、连接片；101124、弧形框；101125、滑柱；101126、导向框；101127、滑块；1012、监测机构；10121、支撑筒；10122、弹簧；10123、测量块；10124、压力传感器；102、升降机构；1021、升降电机；1022、升降柱；1023、齿条；1024、升降齿轮；1025、滑动限位杆；1026、滑动板；103、UPS机构；1031、逆变器；1032、控制开关；1033、蓄电池；1034、充放电模块；104、控制机构；1041、控制芯片；1042、显示器驱动芯片；1043、存储芯片；1044、接口模块；105、显示机构；1051、液晶显示器；1052、警报机构。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，包括底座100，还包括检测机构101，底座100内部安装有与检测机构101配合的升降机构102，底座100内升降机构102的一侧安装有UPS机构103，底座100外侧安装有控制机构104，底座100上部安装有显示机构105。
控制机构104包括控制芯片1041、显示器驱动芯片1042、存储芯片1043和接口模块1044，控制芯片1041分别与显示器驱动芯片1042、存储芯片1043和接口模块1044电性连接。
升降机构102包括升降电机1021、升降柱1022、齿条1023、与齿条1023配合的升降齿轮1024、滑动限位杆1025和滑动板1026，升降电机1021与底座100内壁连接，升降齿轮1024与升降电机1021的输出轴连接，齿条1023安装在升降柱1022的底部，升降柱1022的顶端贯穿出底座100，滑动限位杆1025竖直安装在底座100上部，滑动板1026套设在滑动限位柱101117上，滑动板1026与升降柱1022一侧连接，齿条1023和升降齿轮1024啮合，升降电机1021与接口模块1044电性连接。
检测机构101包括调节机构1011和监测机构1012，调节机构1011包括角度调节机构10111和水平调节机构10112，角度调节机构10111包括转动电机101111、主动齿轮101112、从动齿轮101113、转动轴101114、转动板101115、限位圈101116、限位柱101117和与转动轴101114配合的限位槽101118，转动电机101111安装在升降柱1022的顶端一侧，转动电机101111的输出轴贯穿出升降柱1022与主动齿轮101112连接，转动板101115通过转动轴101114与升降柱1022转动连接，从动齿轮101113套设在转动轴101114上升降柱1022和转动板101115之间，从动齿轮101113和主动齿轮101112啮合，限位圈101116安装在转动板101115底部，限位槽101118开设在限位圈101116内，限位柱101117滑动安装在限位槽101118内，限位柱101117的一端与升降柱1022固定连接，转动电机101111与接口模块1044电性连接，转动板101115上开设有与水平调节机构10112配合的调节滑槽106。
水平调节机构10112包括若干调节电机101121、螺杆101122、连接片101123、弧形框101124、滑柱101125、导向框101126和滑动安装在导向框101126内的滑块101127，弧形框101124安装在转动板101115上部，调节电机101121安装在弧形框101124下侧，且其底部与转动板101115连接，调节电机101121的输出轴与螺杆101122连接，连接片101123与螺杆101122螺纹连接，连接片101123与滑柱101125的底部连接，滑柱101125滑动安装在调节滑槽106内，滑柱101125的顶部与滑块101127的底部连接，调节电机101121与接口模块1044电性连接。
监测机构1012包括若干支撑筒10121、安装在支撑筒10121内的弹簧10122、测量块10123和安装在测量块10123上部的压力传感器10124，支撑筒10121底部与滑块101127连接，弹簧10122的底部与滑块101127连接，弹簧10122的顶部与测量块10123连接，压力传感器10124与接口模块1044电性连接。
UPS机构103包括逆变器1031、控制开关1032、蓄电池1033和充放电模块1034，蓄电池1033分别与控制开关1032和充放电模块1034电性连接，逆变器1031分别与控制开和蓄电池1033电性连接，充放电模块1034分别与升降电机1021、转动电机101111、调节电机101121和压力传感器10124电性连接。
显示机构105为液晶显示器1051和警报机构1052，显示机构105通过接口模块1044与显示器驱动芯片1042电性连接，警报机构1052包括报警灯和蜂鸣器。
隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测的方法，具体步骤如下：
1、将本发明装置移动到预支护壳体下部；
2、通过控制器启动升降电机1021，带动升降柱1022升起；
3、通过控制器控制转动电机101111转动和调节电机101121，使压力传感器10124与预支护壳体表面相应的测量点贴合，对相应的测量点进行压力的实时监测；
4、压力传感器10124检测到的压力信息传递给控制机构104，控制机构104将信息显示在显示器上。
5、如果压力信息超出设定的阈值，控制器控制报警灯闪烁并启动蜂鸣器。
工作原理：使用时，通过控制器可以控制转动电机101111转动，转动电机101111转动后带动主动齿轮101112转动，主动齿轮101112转动带动从动齿轮101113转动，从动齿轮101113转动带动转动轴101114转动，转动轴101114带动转动板101115转动，转动板101115带动弧形框101124转动，弧形框101124带动导向框101126转动，导向框101126带动滑块101127转动，滑块101127带动支撑筒10121转动，支撑筒10121带动弹簧10122转动，弹簧10122带动测量块10123及其上部的压力传感器10124转动，以此来调节转动板101115的角度，由于预支护壳体为弧形结构，通过调节转动板101115的角度，可以测量预支护壳体周向的不同位置；
通过控制器可以控制调节电机101121转动，调节电机101121转动带动螺杆101122转动，螺杆101122通过连接片101123带动滑柱101125在调节槽内滑动，通过滑柱101125带动滑块101127沿调节槽滑动，滑块101127带动支撑筒10121运动，以此调节压力传感器10124在预支护壳体轴向的位置；
通过控制器控制升降电机1021转动，升降电机1021带动升降齿轮1024转动，升降齿轮1024带动齿条1023运动，齿条1023带动升降柱1022运动，升降柱1022带动转动板101115运动，以此可以调节压力传感器10124的高度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，包括底座(100)，其特征在于：还包括检测机构(101)，所述底座(100)内部设置有与检测机构(101)配合的升降机构(102)，所述底座(100)内升降机构(102)的一侧设置有UPS机构(103)，所述底座(100)外侧设置有控制机构(104)，所述底座(100)上部设置有显示机构(105)；
所述检测机构(101)包括调节机构(1011)和监测机构(1012)，所述调节机构(1011)包括角度调节机构(10111)和水平调节机构(10112)，所述角度调节机构(10111)包括转动电机(101111)、主动齿轮(101112)、从动齿轮(101113)、转动轴(101114)、转动板(101115)、限位圈(101116)、限位柱(101117)和与转动轴(101114)配合的限位槽(101118)，所述转动电机(101111)设置在升降柱(1022)的顶端一侧，所述转动电机(101111)的输出轴贯穿出升降柱(1022)与主动齿轮(101112)连接，所述转动板(101115)通过转动轴(101114)与升降柱(1022)转动连接，所述从动齿轮(101113)套设在转动轴(101114)上升降柱(1022)和转动板(101115)之间，所述从动齿轮(101113)和主动齿轮(101112)啮合，所述限位圈(101116)设置在转动板(101115)底部，所述限位槽(101118)开设在限位圈(101116)内，所述限位柱(101117)滑动设置在限位槽(101118)内，所述限位柱(101117)的一端与升降柱(1022)固定连接，所述转动电机(101111)与接口模块(1044)电性连接，所述转动板(101115)上开设有与水平调节机构(10112)配合的调节滑槽(106)；
所述水平调节机构(10112)包括若干调节电机(101121)、螺杆(101122)、连接片(101123)、弧形框(101124)、滑柱(101125)、导向框(101126)和滑动设置在导向框(101126)内的滑块(10117)，所述弧形框(101124)设置在转动板(101115)上部，所述调节电机(101121)设置在弧形框(101124)下侧，且其底部与转动板(101115)连接，所述调节电机(101121)的输出轴与螺杆(101122)连接，所述连接片(101123)与螺杆(101122)螺纹连接，所述连接片(101123)与滑柱(101125)的底部连接，所述滑柱(101125)滑动设置在调节滑槽(106)内，所述滑柱(101125)的顶部与滑块(10117)的底部连接，所述调节电机(101121)与接口模块(1044)电性连接。
2.根据权利要求1所述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，其特征在于：所述控制机构(104)包括控制芯片(1041)、显示器驱动芯片(1042)、存储芯片(1043)和接口模块(1044)，所述控制芯片(1041)分别与显示器驱动芯片(1042)、存储芯片(1043)和接口模块(1044)电性连接。
3.根据权利要求1所述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，其特征在于：所述升降机构(102)包括升降电机(1021)、升降柱(1022)、齿条(1023)、与齿条(1023)配合的升降齿轮(1024)、滑动限位杆(1025)和滑动板(1026)，所述升降电机(1021)与底座(100)内壁连接，所述升降齿轮(1024)与升降电机(1021)的输出轴连接，所述齿条(1023)设置在升降柱(1022)的底部，所述升降柱(1022)的顶端贯穿出底座(100)，所述滑动限位杆(1025)竖直设置在底座(100)上部，所述滑动板(1026)套设在滑动限位柱(101117)上，所述滑动板(1026)与升降柱(1022)一侧连接，所述齿条(1023)和升降齿轮(1024)啮合，所述升降电机(1021)与接口模块(1044)电性连接。
4.根据权利要求3所述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，其特征在于：所述监测机构(1012)包括若干支撑筒(10121)、设置在支撑筒(10121)内的弹簧(10122)、测量块(10123)和设置在测量块(10123)上部的压力传感器(10124)，所述支撑筒(10121)底部与滑块(10117)连接，所述弹簧(10122)的底部与滑块(10117)连接，所述弹簧(10122)的顶部与测量块(10123)连接，所述压力传感器(10124)与接口模块(1044)电性连接。
5.根据权利要求4所述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，其特征在于：所述UPS机构(103)包括逆变器(1031)、控制开关(1032)、蓄电池(1033)和充放电模块(1034)，所述蓄电池(1033)分别与控制开关(1032)和充放电模块(1034)电性连接，所述逆变器(1031)分别与控制开和蓄电池(1033)电性连接，所述充放电模块(1034)分别与升降电机(1021)、转动电机(101111)、调节电机(101121)和压力传感器(10124)电性连接。
6.根据权利要求1所述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统，其特征在于：所述显示机构(105)为液晶显示器(1051)和警报机构(1052)，所述显示机构(105)通过接口模块(1044)与显示器驱动芯片(1042)电性连接，所述警报机构(1052) 包括报警灯和蜂鸣器。
7.一种根据权利要求5所述的隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统的使用方法，其特征在于：具体步骤如下：
( 1) 、将隧道预支护壳体内力及其背后土压力实时监测系统移动到预支护壳体下部；
( 2) 、通过控制器启动升降电机(1021)，带动升降柱(1022)升起；
( 3) 、通过控制器控制转动电机(101111)转动和调节电机(101121)，使压力传感器(10124)与预支护壳体表面相应的测量点贴合，对相应的测量点进行压力的实时监测；
( 4) 、压力传感器(10124)检测到的压力信息传递给控制机构(104)，控制机构(104)将信息显示在显示器上；
( 5) 、如果压力信息超出设定的阈值，控制器控制报警灯闪烁并启动蜂鸣器。
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