CN1560434A - 隧道掘进施工导向系统的电子激光靶 - Google Patents

Abstract

隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，属于定位测量装置，可用于矿井、水工隧道、地铁隧道、市政管道、共同沟等领域，本发明在筒状机箱内沿轴向依序装有棱镜、平凸透镜、位置敏感传感器PSD、倾角计和处理电路；位置敏感传感器PSD的光敏面位于平凸透镜的焦平面上且与平凸透镜轴线垂直，该光敏面的中心在轴线上；位置敏感传感器PSD与处理电路电信号连接。本发明将ELS与棱镜合二为一极大地减小ELS的体积，简化操作，直接利用全站仪的红外线，经凸透镜聚焦，打在处于焦平面上的PSD上，产生电流，经处理产生信号输出到外部计算机。本发明主要用于盾构机施工过程中的姿态测量，实时获得盾构的俯仰角、滚向角和水平摆角。

Description

隧道掘进施工导向系统的电子激光靶

技术领域

本发明属于定位测量装置，可用于矿井、水工隧道、地铁隧道、市政管道、共同沟等领域。

背景技术

盾构隧道掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程建设技术，是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的。早期的盾构机，主要是利用盾构机械所特有的盾壳作为支护，防止地层的坍塌，以保证在其内部安全地进行开挖和衬砌等各种作业，开挖基本上是采用人工开挖方式。随着隧道工程的不断增多，为适应不同条件下的施工要求和提高施工效率，除不断完善软土隧道掘进机(即盾构)及应用技术，又开发出能够适应岩石地层施工的岩石隧道掘进机及应用技术。随着技术的发展，遥控控制技术、激光制导技术以及陀螺仪定位系统已普遍应用于盾构机中，使得盾构机的操作、地表沉降的控制更趋简易，隧道的施工质量也越来越好。

现在在盾构中常用的导向系统有三种产品：陀螺仪、ZED导向系统、VMT导向系统。

1、相同点：都能测量盾构机施工过程中的姿态，得到盾构任意时刻的姿态数据，即实时获得盾构的俯仰角、滚向角和水平摆角。

2、实现原理不同：

①陀螺仪：经典陀螺仪的基本结构是一个高速旋转的转子和各自分别固定在两个轴承上的两个框架。旋转转子的轴一般处于竖直的位置，所以紧靠转子的内框架是在竖直面上，而另一个框架则位于水平面上。这样的装置的两个框架的轴线全部在水平面上。姿态陀螺仪的基本原理就是角动量守恒，在没有外力矩的情况下，高速旋转的转子的角动量的大小和方向在惯性空间中保持不变。一般外框架的外轴承固定在飞行器结构上，飞行器的轴线和外框架的轴线相平行，这样在飞行器姿态变化时，它的翻滚角和俯仰角可以在外框架的内外轴承上测量出来。在这一类陀螺仪中，结构的不平衡，结构重心的偏离和轴承的摩擦力是这种陀螺仪的最主要的误差来源。这些因素引起了一定的力矩，使得陀螺仪的方位产生漂移。

陀螺仪用于盾构掘进机的方位检测时，能自动显示方位角、倾斜角、回转角。与掘进机的姿势管理软件连接可准确地实现顶管掘进机、盾构掘进机的施工管理。特点：陀螺仪是动态跟踪设备，通过与电脑联系，直接反映盾构推进的过程数据，为盾构定位提供了有利的保障，这为盾构时刻处于良好的推进状态打下了基础。缺点是时滞较大，盾构机受地势影响会产生震动，陀螺仪有可能不能保持静定精度。由于以上特点，所以在施工中陀螺仪仅作为辅助参考，主要还是人工测量。

②ZED导向系统：由英国ZED公司生产，是个具有透明屏幕的长方形盒子，在一端有用于连接电缆的插座。它用来接收激光信号，能测量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。一般目标单元安装在盾构前部的托架上，可以每50mm间距水平移动，也可以3°的角度转动，因此能覆盖更大的目标区域。其工作原理为：激光束通过前部透明屏幕进入目标单元(部分散射)，部分光击中安装在单元底部和侧面的传感器，传感器可以探测光束进入屏幕时的位置；其余的光束通过透镜到达安装在轴心上的传感器，此传感器装在单元的后部，用来测量光束的倾角。后部的传感器与前部透明屏幕距离较大。因此，如果激光束很弱，就会造成读数不精确。从传感器出来的信号被转换成电子信号，并通过单元后部的电缆输入到控制单元。缺点：ZED导向系统在移站时要作大量的计算。

③VMT导向系统：由德国VMT公司生产。电子激光系统ELS固定在盾体上，它接收到入射激光束时，在水平及垂直方向上确定入射点的位置，从而确定水平摆角。另外，其内部倾角计测量滚动角与俯仰角。其工作原理：ELS内部与ELS前面板平行的是所谓的“阴屏”。当给ELS通电以后，阴屏就会转动。阴屏之间有空隙所以能够透光。阴屏转动所处的角度的不同，当激光束入射在阴屏上时，透过的光多少不一。在阴屏的背后是光敏感电子元件，激光射到这些电子元件上从而测出入射激光的强度。当激光的强度达到最大值时，此时“阴屏”所处的角度被记录下来。这个位置的角度与激光束在ELS靶上的入射角(水平摆角)精确吻合。在ELS靶内置两个倾斜计。一个为纵向放置，一个为横向放置。这两个倾斜计最终测出隧道掘进机TBM的绝对滚动角和绝对仰俯角。VMT每2秒输出一次数据。ELS靶和全站仪之间距离通过光电全站仪测定，为此需要在ELS靶上安装一个特制的磨光棱镜。

发明内容

本发明提供一种隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，将光学、测量、仪器仪表、机械、电子、计算机等技术综合运用于一体，简化设备的安装和使用，输出信号可由标准异步串行通信接口连接计算机进行数据处理。

本发明的一种隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，包括棱镜、平凸透镜、位置敏感传感器PSD、处理电路和机箱，其特征在于：筒状机箱内沿轴向依序装有棱镜、平凸透镜、位置敏感传感器PSD、倾角计和处理电路；位置敏感传感器PSD的光敏面位于平凸透镜的焦平面上且与平凸透镜轴线垂直，该光敏面的中心在轴线上；位置敏感传感器PSD与处理电路电信号连接。

所述的隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，所述各部件安装时加工精度要求达到设计精度：6级精度；机箱要密封、防震。

所述的隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，所述倾角计可以选用双轴倾角传感模块。

本发明倾角计选用双轴倾角传感模块，它是采用电解质型检测器件和相关电路组成。检测器件由一定化学成分的电解质溶液和电极构成，通过向电极提供交流激励电源后，激发溶液中力子之间的运动，便会形成相应的电场。电场的强度与电极浸入电解质溶液的深度由密切的关系。当检测器件发生倾斜时，激励电源引入的两个电极浸入电解质溶液的深度会不同，他们相对于中间电极地电场也有差异。通过测量这个差异，便可得知倾斜方向和倾斜角度的大小值。对倾角计所要求的指标主要有：测量范围、分辨率、零点温漂、灵敏度温漂、非线性、外形尺寸等；现有的倾角计产品中有：单轴和双轴模式、数字和模拟输出、还有带线性和温度补偿的，需按实际需要选择。

本发明的装置光学原理是：任一角度α入射的平行光束，其在凸透镜焦平面上汇集为一点，设该点与轴线距离h，凸透镜焦距为f，则有以下公式成立： $\mathrm{\α}=\arctan \frac{h}{f}$ 见图1：则α即为所求水平摆角。

本发明将ELS与棱镜合二为一极大地减小ELS的体积，简化操作。不用红激光，直接利用全站仪的红外线，红外线部分穿过棱镜，其方向不变，打在凸透镜上，经凸透镜聚焦，打在处于焦平面上的PSD上，产生电流，经处理产生信号输出到外部计算机。

本发明主要用于盾构机施工过程中的姿态测量，由之可得到盾构任意时刻的姿态数据，即实时获得盾构的俯仰角、滚向角和水平摆角。

若与计算机相连可实现以下功能：

①非掘进状态盾构姿态数据采集：在盾构推进时通过传感器实时测量出盾构前端中心的位置和姿态(偏转角度)以及盾构尾端中心的位置和姿态，在主控计算机内与设计轨道(DTA)中的数据比较，可计算偏差量；

②实时通信检测：通过控制电脑实时显示各项测量值和计算值以及最后的偏差量；

③掘进、管理计算机数据共享：只要提供与地面办公室电脑的接口，就可使得地面办公室得到盾构机实时的推进状况，以便实现远程控制；

④每环历史曲线图表：盾构的掘进过程中的偏差量数据都要用日志的形式储存下来，随时可以调出查看；

⑤纠偏曲线：施工中实际线路与设计轨道(DTA)总有偏差，能够按照设计轨道(DTA)纠正过来。

附图说明

图1为本发明的光学原理图；

图2为本发明的一种实施例示意图。

具体实施方式：

图1为本发明的光学原理：通过棱镜1的任一角度α入射的平行光束，其在凸透镜2焦平面的位置敏感传感器3上汇集为一点，设该点与轴线距离h，凸透镜焦距为f，则有以下公式成立： $\mathrm{\α}=\arctan \frac{h}{f},$ 则α即为所求水平摆角。

图2表示本发明的一种实施例，其中棱镜1：φ60；透镜2：φ50，f＝100；位置敏感传感器3：2维27×27；上述各部件尺寸单位均为mm；倾角计4选用型号：数字输出双轴倾角传感模块NS-15/PL2；位置敏感传感器PSD所产生的信号经处理电路5处理，处理电路5为厂家自带的2D-PSD电路板。

将通过处理电路得到的角度信号经A/D转换，将采集到的盾构姿态位置(即三个角度)数据经标准异步串行通信接口传送到主控计算机。考虑到实际应用，标准异步串行通信接口可采用RS-485。

Claims (3)

1.一种隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，包括棱镜、平凸透镜、位置敏感传感器PSD、处理电路和机箱，其特征在于：筒状机箱内沿轴向依序装有棱镜、平凸透镜、位置敏感传感器PSD、倾角计和处理电路；位置敏感传感器PSD的光敏面位于平凸透镜的焦平面上且与平凸透镜轴线垂直，该光敏面的中心在轴线上；位置敏感传感器PSD与处理电路电信号连接。

2.权利要求1所述的隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，其特征在于：所述各部件安装时加工精度要求达到设计精度：6级精度；机箱要密封、防震。

3.权利要求1或2所述的隧道掘进施工导向系统的电子激光靶，其特征在于：所述倾角计选用双轴倾角传感模块。