CN113295098B - 基于荧光峰位传感器的盾构机刀头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头，包括：设置于刀刃的荧光峰位传感器、激光发射器、光纤耦合器、光电滑环、以及光电探测器；其中，所述荧光峰位传感器固定于所述盾构机刀头，所述荧光峰位传感器的横切面与所述所述盾构机刀头的刀刃相切，所述荧光峰位传感器靠近所述刀刃的荧光混合物与所述刀刃齐平；所述激光发射器用于向与所述齐平的所述荧光混合物发射激光；所述光纤耦合器以及所述光电滑环用于将所述激光发射器发射的激光传递到所述与所述齐平的所述荧光混合物；所述光电探测器用于接收经所述与所述齐平的所述荧光混合物反射的反射激光。这样，基于反射激光可以确定盾构机刀头的磨损量，提高了确定盾构机刀头的磨损量的精确度和便捷性。

Description

基于荧光峰位传感器的盾构机刀头

技术领域

本发明涉及特种传感技术领域，具体地，涉及一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头。

背景技术

随着国家基础建设步伐的加快，隧道掘进工程的大规模落地，项目施工对盾构机的需求日渐增加。盾构机的掘进主要依靠刀盘工作面，在盾构机的刀盘上安装有数十到几百把刀具，刀具通过挤压、切削地下障碍物开辟地下通道。盾构机上的刀具种类很多，比如滚刀、刮刀、超前刀等。当盾构机的刀盘转动时直接接触各种岩石等地质，施工时刀具的磨损不可避免。因而需要确定刀具刀刃的磨损量，以在磨损量达到要求时更换刀具，保证掘进工作的顺利进行。

针对不同的作业环境，比如岩石、土壤等作业介质，不同作业介质对刀具的磨损会有较大的差别。并且磨损速度不止和作业介质有关，还和盾构机刀盘转速、刀具自身条件等因素相关。尤其是处于复杂地况下或者长时间施工中磨损更为严重，更换刀具更为频繁。而且更换刀具又是盾构施工中非常关键和危险的操作。

目前，刀具磨损检测方法普遍以预测为主，主要分为直接检测方法和间接检测方法。直接检测方法即通过直接测量刀具磨损面大小或刀具磨损时刀具磨损形状的方法，比如接触检测法、放射线检测法以及光学检测法等。这类方法虽然直观、检测精度高，但是需要停机检测，无法在线实时监测刀具工作全过程。而间接检测方法即通过监测刀具切削过程中切削力、声发射、振动、切削温度或者电流信号等，然后通过神经网络、最大熵与交叉熵理论、无线数据传输技术、经验模态分解法、隐马尔科夫模型、小波分解系数统计等方法分析信号的变化，间接推测切削刀具的磨损情况。这种方式计算过程复杂，便捷性较低，且涉及神经网络模型等成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头，以解决盾构机刀头磨损量确定精确度和便捷性较低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头，所述盾构机刀头包括设置于刀刃的荧光峰位传感器、激光发射器、光纤耦合器、光电滑环、以及光电探测器；

其中，所述荧光峰位传感器固定于所述盾构机刀头，所述荧光峰位传感器的横切面与所述所述盾构机刀头的刀刃相切，所述荧光峰位传感器靠近所述刀刃的荧光混合物与所述刀刃齐平；

所述激光发射器用于向与所述齐平的所述荧光混合物发射激光；

所述光纤耦合器以及所述光电滑环用于将所述激光发射器发射的激光传递到所述与所述齐平的所述荧光混合物；

所述光电探测器用于接收经所述与所述齐平的所述荧光混合物反射的反射激光。

可选地，所述盾构机刀头还包括与所述光电探测器连接的光质谱仪；

所述光质谱仪用于根据所述光电探测器接收的所述反射激光，确定所述反射激光的波长，并根据所述波长确定以及所述荧光峰位传感器中所述荧光混合物的注入顺序确定所述盾构机刀头的磨损量。

可选地，所述光质谱仪具体用于，根据所述波长确定所述荧光混合物的反射峰；

根据所述荧光混合物的反射峰确定所述荧光混合物的颜色；

根据所述荧光混合物的颜色以及所述荧光峰位传感器中所述荧光混合物的注入顺序确定所述盾构机刀头的磨损量。

可选地，所述荧光峰位传感器是通过以下制作方法制作得到的：

取至少两种颜色的荧光粉分别与聚二甲基硅氧烷混合，得到对应颜色的荧光混合物；

将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，其中，在每一种荧光混合物注入所述空心光纤后，脱气预设时长，并在脱气所述预设时长后注入下一种荧光混合物；

将注入所述荧光混合物后的所述空心光纤插入陶瓷插芯内，并使用光线胶将所述空心光纤与所述陶瓷插芯粘接固定；

将粘接固定后的所述空心光纤与所述陶瓷插芯在预设温度的恒温器中固化预设固化时长，并安装至传感器本体得到所述荧光峰位传感器。

可选地，所述至少两种颜色的荧光粉为三种颜色的荧光粉；

所述将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，其中，在每一种荧光混合物注入所述空心光纤后，脱气预设时长，并在脱气所述预设时长后注入下一种荧光混合物，包括：

将第一荧光混合物注入所述空心光纤，并将注入第一荧光混合物后的所述空心光纤脱气所述预设时长；

在脱气所述预设时长后，将与所述第一荧光混合物等量的第二荧光混合物注入所述空心光纤，并将注入第二荧光混合物后的所述空心光纤脱气所述预设时长；

在再次脱气所述预设时长后，将与所述第一荧光混合物等量的第三荧光混合物注入所述空心光纤，并将注入第三荧光混合物后的所述空心光纤脱气所述预设时长；

其中，所述第一荧光混合物、所述第二荧光混合物和所述第三荧光混合物为不同颜色荧光粉与所述聚二甲基硅氧烷混合得到的。

可选地，所述将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，包括：

确定磨损检测精度，并根据所述磨损检测精度以及所述空心光纤的截面积确定每一所述荧光混合物的注入量；

所述将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，包括：

根据所述注入量将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤。

可选地，所述光线胶为353ND光线胶。

通过上述技术方案，至少可以达到以下技术效果：

通过荧光峰位传感器固定于所述盾构机刀头，所述荧光峰位传感器的横切面与所述所述盾构机刀头的刀刃相切，所述荧光峰位传感器靠近所述刀刃的荧光混合物与所述刀刃齐平；所述激光发射器用于向与所述齐平的所述荧光混合物发射激光；所述光纤耦合器以及所述光电滑环用于将所述激光发射器发射的激光传递到所述与所述齐平的所述荧光混合物；所述光电探测器用于接收经所述与所述齐平的所述荧光混合物反射的反射激光。这样，基于反射激光可以确定盾构机刀头的磨损量。提高了确定盾构机刀头的磨损量的精确度和便捷性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据一示例性示出的一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头的示意图。

图2是根据一示例性示出的一种荧光峰位传感器的制作方法的流程图。

图3是根据一示例性示出的一种实现图2中步骤S202的流程图。

图4是根据一示例性示出的一种荧光峰位传感器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据一示例性示出的一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头的示意图。所述盾构机刀头100包括设置于刀刃的荧光峰位传感器110、激光发射器120、光纤耦合器130、光电滑环140、以及光电探测器150；

其中，所述荧光峰位传感器110固定于所述盾构机刀头，所述荧光峰位传感器的横切面与所述所述盾构机刀头的刀刃相切，所述荧光峰位传感器靠近所述刀刃的荧光混合物与所述刀刃齐平；

所述激光发射器120用于向与所述齐平的所述荧光混合物发射激光；

所述光纤耦合器130以及所述光电滑环140用于将所述激光发射器发射的激光传递到所述与所述齐平的所述荧光混合物；

所述光电探测器150用于接收经所述与所述齐平的所述荧光混合物反射的反射激光。

可选地，盾构机刀头100包括光开关，用于在开启状态下允许所述激光和反射激光通过，在关闭状态下阻止激光和反射激光通过。

在具体实施时，盾构机刀头100可以包括多个荧光峰位传感器，在盾构机刀头的不同位置分别安装荧光峰位传感器，这样多个荧光峰位传感器可以分别确定不同位置的磨损量。

上述技术方案，通过荧光峰位传感器固定于所述盾构机刀头，所述荧光峰位传感器的横切面与所述所述盾构机刀头的刀刃相切，所述荧光峰位传感器靠近所述刀刃的荧光混合物与所述刀刃齐平；所述激光发射器用于向与所述齐平的所述荧光混合物发射激光；所述光纤耦合器以及所述光电滑环用于将所述激光发射器发射的激光传递到所述与所述齐平的所述荧光混合物；所述光电探测器用于接收经所述与所述齐平的所述荧光混合物反射的反射激光。这样，基于反射激光可以确定盾构机刀头的磨损量。提高了确定盾构机刀头的磨损量的精确度和便捷性。

可选地，所述盾构机刀头100还包括与所述光电探测器连接的光质谱仪160；

所述光质谱仪160用于根据所述光电探测器接收的所述反射激光，确定所述反射激光的波长，并根据所述波长确定以及所述荧光峰位传感器中所述荧光混合物的注入顺序确定所述盾构机刀头的磨损量。

可选地，所述光质谱仪160具体用于，根据所述波长确定所述荧光混合物的反射峰；

根据所述荧光混合物的反射峰确定所述荧光混合物的颜色；

根据所述荧光混合物的颜色以及所述荧光峰位传感器中所述荧光混合物的注入顺序确定所述盾构机刀头的磨损量。

在上述实施例的基础上，图2是根据一示例性示出的一种荧光峰位传感器的制作方法的流程图。实施方法包括以下步骤：

在步骤S201中，取至少两种颜色的荧光粉分别与聚二甲基硅氧烷混合，得到对应颜色的荧光混合物；

在步骤S202中，将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，其中，在每一种荧光混合物注入所述空心光纤后，脱气预设时长，并在脱气所述预设时长后注入下一种荧光混合物；

在步骤S203中，将注入所述荧光混合物后的所述空心光纤插入陶瓷插芯内，并使用光线胶将所述空心光纤与所述陶瓷插芯粘接固定；

在步骤S204中，将粘接固定后的所述空心光纤与所述陶瓷插芯在预设温度的恒温器中固化预设固化时长，并安装至传感器本体得到所述荧光峰位传感器。

可选地，所述至少两种颜色的荧光粉为三种颜色的荧光粉；

图3是根据一示例性示出的一种实现图2中步骤S202的流程图，在步骤S202中，所述将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，其中，在每一种荧光混合物注入所述空心光纤后，脱气预设时长，并在脱气所述预设时长后注入下一种荧光混合物，包括：

在步骤S2021中，将第一荧光混合物注入所述空心光纤，并将注入第一荧光混合物后的所述空心光纤脱气所述预设时长；

在步骤S2022中，在脱气所述预设时长后，将与所述第一荧光混合物等量的第二荧光混合物注入所述空心光纤，并将注入第二荧光混合物后的所述空心光纤脱气所述预设时长；

在步骤S2023中，在再次脱气所述预设时长后，将与所述第一荧光混合物等量的第三荧光混合物注入所述空心光纤，并将注入第三荧光混合物后的所述空心光纤脱气所述预设时长；

其中，所述第一荧光混合物、所述第二荧光混合物和所述第三荧光混合物为不同颜色荧光粉与所述聚二甲基硅氧烷混合得到的。

可选地，所述将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，包括：

确定磨损检测精度，并根据所述磨损检测精度以及所述空心光纤的截面积确定每一所述荧光混合物的注入量；

所述将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，包括：

根据所述注入量将所述荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤。

可选地，所述光线胶为353ND光线胶。

通过下面实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

以最大磨损长度3 mm，磨损检测精度1 mm传感器为例。

首先选择合适的空心光纤，其凹槽的长度大于3 mm。将特征发射峰为红、绿、蓝的三种荧光粉分别与聚二甲基硅氧烷混合。得到红色荧光混合粉、蓝色荧光混合粉和绿色荧光混合粉，将红色荧光混合粉注入到空心光纤内，注入长度为1mm，脱气1小时后固化；将绿色荧光混合粉注入到空心光纤内，注入长度为1mm，脱气1小时后固化；蓝色荧光混合粉注入到空心光纤内，注入长度为1mm，脱气1小时后固化。

将上述空芯光纤插入到陶瓷插芯内，使用353ND光纤胶进行粘接固定，然后在80℃恒温器中固化24小时。得到如图4所示的荧光峰位传感器。

采用光纤耦合器将输入光纤与空芯光纤连接，然后对陶瓷插芯端面抛光，直至与空心光纤内蓝光荧光粉最外侧端面齐平。

通过激光发射器发射360 nm或400 nm的激光，经光纤耦合器130、光电滑环140后入射到荧光峰位传感器，经荧光峰位传感器反射产生红、绿、蓝其中一种特征发射峰，该信号反射后经光谱仪和数据处理系统获得。随着磨损的进行，蓝光发射部分首先被磨损，当磨损达到1 mm长度时，蓝光信号消失，同理，磨损达到2 mm时绿光信号消失，磨损达到3 mm时红光信号消失。因此通过荧光峰值的变化可直接推算出磨损长度。

当前的刀头磨损传感仍然面临鲁棒性差、易受干扰以及难以实时测量的问题。上述技术方案，利用光纤传感具有抗电磁干扰、高精度等优点。和电子类传感器相比，光纤传感器具有无源、体积小、易于嵌入刀具材料内部的独特优势。与此同时，稀土掺杂荧光粉具有稳定性好、波长丰富、荧光寿命长等特点，并且可以与光纤结构直接耦合。因此，将具有不同发射波长的荧光粉异质结与光纤传感系统相结合，可以提高盾构机刀头磨损量的监测的精确度和便捷性，具有非常大的应用前景和市场潜力。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所发明的内容。

Claims (6)

1.一种基于荧光峰位传感器的盾构机刀头，其特征在于，所述盾构机刀头包括设置于刀刃的荧光峰位传感器、激光发射器、光纤耦合器、光电滑环、以及光电探测器；

其中，所述荧光峰位传感器固定于盾构机刀头，所述荧光峰位传感器的横切面与盾构机刀头的刀刃相切，所述荧光峰位传感器靠近所述刀刃的荧光混合物与所述刀刃齐平；

所述激光发射器用于向荧光混合物发射激光；

所述光纤耦合器以及所述光电滑环用于将所述激光发射器发射的激光传递到荧光混合物；

所述光电探测器用于接收经荧光混合物反射的反射激光；

所述荧光峰位传感器是通过以下制作方法制作得到的：

取至少两种颜色的荧光粉分别与聚二甲基硅氧烷混合，得到对应颜色的荧光混合物；

将荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，其中，在每一种荧光混合物注入空心光纤后，脱气预设时长，并在脱气所述预设时长后注入下一种荧光混合物；

将注入荧光混合物后的空心光纤插入陶瓷插芯内，并使用光线胶将空心光纤与陶瓷插芯粘接固定；

将粘接固定后的空心光纤与陶瓷插芯在预设温度的恒温器中固化预设固化时长，并安装至传感器本体得到所述荧光峰位传感器。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀头，其特征在于，所述盾构机刀头还包括与所述光电探测器连接的光质谱仪；

所述光质谱仪用于根据所述光电探测器接收的反射激光，确定所述反射激光的波长，并根据所述波长确定以及所述荧光峰位传感器中荧光混合物的注入顺序确定盾构机刀头的磨损量。

3.根据权利要求2所述的盾构机刀头，其特征在于，所述光质谱仪具体用于，根据所述波长确定荧光混合物的反射峰；

根据所述荧光混合物的反射峰确定荧光混合物的颜色；

根据所述荧光混合物的颜色以及所述荧光峰位传感器中荧光混合物的注入顺序确定盾构机刀头的磨损量。

4.根据权利要求1所述的盾构机刀头，其特征在于，所述至少两种颜色的荧光粉为三种颜色的荧光粉；

将荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，其中，在每一种荧光混合物注入空心光纤后，脱气预设时长，并在脱气所述预设时长后注入下一种荧光混合物，包括：

将第一荧光混合物注入空心光纤，并将注入第一荧光混合物后的空心光纤脱气所述预设时长；

在脱气所述预设时长后，将与所述第一荧光混合物等量的第二荧光混合物注入空心光纤，并将注入第二荧光混合物后的空心光纤脱气所述预设时长；

在再次脱气所述预设时长后，将与所述第一荧光混合物等量的第三荧光混合物注入空心光纤，并将注入第三荧光混合物后的空心光纤脱气所述预设时长；

其中，所述第一荧光混合物、所述第二荧光混合物和所述第三荧光混合物为不同颜色荧光粉与聚二甲基硅氧烷混合得到的。

5.根据权利要求1所述的盾构机刀头，其特征在于，所述将荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，包括：

确定磨损检测精度，并根据所述磨损检测精度以及空心光纤的截面积确定每一荧光混合物的注入量；

所述将荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤，包括：

根据所述注入量将荧光混合物按照等量交替注入的方式注入空心光纤。

6.根据权利要求1所述的盾构机刀头，其特征在于，所述光线胶为353ND光线胶。

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