專利名稱：基于斷面掃描的盾構施工排土體積在線測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為應用于盾構施工的工程測量裝置，具體為一種基于斷面掃描的盾構施工排土體積在線測量裝置。
背景技術：
在日本有一家公司“株式會社演算工房”生產了一種土體解析器的產品，是用于測量皮帶輸送機上的土體體積。這項產品采用一個二維激光掃描儀掃描土體橫截面積，再與輸送機的速度積分得到體積。該技術方案應用到盾構施工，由于地鐵施工環(huán)境惡劣，土體粘性不定，時常可能被拉斷，斷面很不規(guī)則，測量結果精度達不到預期效果。利用超聲波測量的方案在定速運動的皮帶輸送機上設置較多的超聲波測定點，測量排土截面，通過積分得到排土體積。該種方法的缺陷是皮帶輸送機的速度并不一直是恒定的，可能會受振動或者其他環(huán)境因素的影響，測量結果也就不準確。(參考文獻陳建.盾構掘進排土量管理技術)。 激光式的測量方案采用激光測距的原理在定速運動的皮帶輸送機上設置激光測定點，連續(xù)測量排土截面，可讀取斷面形狀，再通過積分得到體積。該種測量方案與超聲波的方案類似，僅針對定速的皮帶輸送機。(參考文獻陳建.盾構掘進排土量管理技術)。一種散料體積的測量裝置采用兩個激光二維掃描儀連續(xù)掃描散料堆的截面輪廓，行程測量單元測量行程，再通過曲線擬合與積分運算得到掃描過的散料堆體積。該測量方案的局限包括兩個激光掃描儀并不能覆蓋整個皮帶輸送機，會出現(xiàn)掃描不到的漏區(qū)，另外它采用行程開關，精度低。(專利號ZL200820231957. 7)。基于圖像的體積測量裝置利用3個攝像頭拍攝物體，利用圖像重構三維形狀，計算體積。地鐵盾構施工環(huán)境惡劣，攝像頭鏡片容易損壞。(專利號ZL200810017906.9)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術不足，提供一種基于斷面掃描的盾構施工排土體積在線測量裝置，在皮帶輸送機輸送渣土的過程中能在線精確測量盾構施工的出土量。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)，一種基于斷面掃描的盾構施工排土體積在線測量裝置，結構為
該裝置包括3個二維激光掃描儀、垂直支架，在皮帶輸送機的兩邊擋板上安裝“門字形”的垂直支架，支架與皮帶輸送機輸送方向垂直，并將3個二維激光掃描儀安裝在該垂直支架上，即皮帶輸送機垂直上方，3個二維激光掃描儀傳感器的安裝中心在一條水平線上，垂直支架兩側安裝阻尼彈簧減振器，該減振器有上下安裝固定螺栓或螺孔，安裝方便，從而削弱振動對測量精度的影響；
該測量裝置還包括摩擦輪、旋轉編碼器，摩擦輪通過聯(lián)軸器與旋轉編碼器相聯(lián)，所述摩擦輪具有足夠大的摩擦力以防止打滑，摩擦輪安裝在皮帶輸送機的下表面，摩擦輪與皮帶輸送機的下表面之間緊緊貼合，從而保證摩擦輪旋轉與輸送帶同步，有效精確測量輸送帶速度；
該測量裝置還包括尼龍托板，由于現(xiàn)有皮帶輸送機大多采用’V’型托輥或者偏移型托輥，使渣土處于輸送帶的凹槽處，在皮帶輸送機的測量段輸送帶下表面安裝具有減磨作用的尼龍托板將輸送帶托平，由此保證系統(tǒng)的測量精度；
該測量裝置還包括信號輸入輸出處理單元、主控單元和上位機，三個二維激光掃描儀以及旋轉編碼器、信號輸入輸出接口單元、控制單元、上位機四層之間依次均是通過串行通信線路連接，
在皮帶輸送機輸送渣土的過程中3個二維激光掃描儀呈陣列布置連續(xù)掃描土體的截面輪廓數(shù)據(jù)，供上一層的信號輸入輸出接口單元采集；
信號輸入輸出接口單元分別與三個二維激光掃描儀以及旋轉編碼器串行連接，實時采 集二維斷面掃描儀與旋轉編碼器的數(shù)據(jù)，并傳給主控單元進行后續(xù)處理；
控制單元采用的是嵌入式計算機，包括嵌入式控制器、系統(tǒng)電源和串行通信接口電路，串行通信接口電路與上位機通信的接口連接，控制單元對3個二維激光掃描儀傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進行曲線擬合與積分得到當前渣土橫截面積，再利用現(xiàn)場旋轉編碼器采集到的皮帶輸送機的速度數(shù)據(jù)進行合并積分運算計算出掃描到的土體體積；
上位機進行實時顯示、參數(shù)設定。本發(fā)明與現(xiàn)有的出土體積測量技術相比的優(yōu)點主要表現(xiàn)為以下幾個方面
1.三個二維掃描傳感器陣列，測量的渣土范圍很廣，不會出現(xiàn)測量盲區(qū)，彌補了以往測量范圍不足造成的測量誤差，并實現(xiàn)掃描同步；
2.皮帶輸送機的轉速不一定是定速的，會由于某些原因發(fā)生變化，超聲波測量與激光測量都是直接利用設定轉速與橫截面積進行積分計算體積，這樣勢必會造成測量精度的削弱，而本發(fā)明裝置利用摩擦輪測量皮帶輸送機實時的速度，提高準確性；
3.地下盾構施工環(huán)境惡劣，如果采用圖像傳感器的攝像頭容易受到環(huán)境的影響，產生損壞，影響測量，而本發(fā)明裝置中激光二維掃描儀能夠適應惡劣的地下環(huán)境。


圖I為本發(fā)明整體測量結構示意圖。圖2為垂直支架上安裝的阻尼彈簧減震器示意圖。圖3為橫截面方向測量結構示意圖。圖4是本發(fā)明控制部分原理示意圖。圖5是現(xiàn)有技術市售的二維激光掃描傳感器原理圖。標記說明螺旋機出土口 I，螺旋機出口處渣土 2，摩擦輪3，垂直支架4，二維激光掃描儀5,半導體激光發(fā)生器51,透鏡52,平面光幕53,鏡片54, 二維CMOS陣列55,信號處理器56，尼龍托平板6，渣土被測段7，電子皮帶秤8，皮帶輸送機9，輸送機皮帶91，擋板92，阻尼彈簧減震器10。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明技術方案作進一步介紹。在渣土橫截面獲取方面，本發(fā)明采用市售的二維激光掃描儀傳感器，該二維激光掃描儀傳感器本身不是本發(fā)明對現(xiàn)有技術的貢獻。如圖5所示，該由廠家為ZHENSHANGYOUGROUP LTD.生產的型號為ZLDS200的二維激光掃描儀傳感器，其工作原理是工作時，半導體激光發(fā)生器I發(fā)出激光光束，經過透鏡2形成一個平面光幕3照射在被測物體表面形成反射，鏡片4收集被物體反射回來的光投影在一個二維CMOS陣列5上，從而獲得被測物的輪廓線。二維激光掃描傳感器采樣 頻率高、精度高的優(yōu)點，能適應系統(tǒng)獲得精確測量結果的要求。在渣土測速方面，摩擦輪與運送渣土的皮帶輸送機下表面緊緊接觸，通過聯(lián)軸器將摩擦輪的轉動傳遞給旋轉編碼器，從而獲得渣土的瞬時速度。摩擦輪結構簡單可靠，極適用在盾構施工的惡劣條件下，是測速裝置的理想選擇?，F(xiàn)有盾構施工中米用的皮帶輸送機帶寬大多為600mm,而所述二維激光掃描傳感器在寬度方向上最大量程為220mm，現(xiàn)有市面上也沒有任何一款傳感器能有如此大的量程。由此，本發(fā)明采用傳感器陣列技術來解決此問題，即在寬度方向上并排使用三個傳感器，要求在安裝位置上這些傳感器位于垂直速度方向的同一條直線，確保準確的獲得渣土的截面形狀；保證相鄰傳感器彼此的測量范圍有一定交集，避免測量間斷情況的出現(xiàn)；保證傳感器量程接連在一起可以完全覆蓋整個傳送帶寬度，沒有測量的盲區(qū)。在皮帶輸送機設計中為了防止運輸過程中貨物滑出皮帶，大多采用’V’型托輥或者偏移型托輥。運輸時，渣土處于皮帶中間的凹槽中，下表面形成一條不規(guī)則的曲線。由于激光掃描傳感器只能獲得渣土上表面的輪廓，對于被渣土擋住的下表面輪廓無法測量，直接將上表面測量形狀帶入計算將帶來非常大的原理誤差。本發(fā)明通過采用在測量段皮帶的下表面安裝尼龍托平板(如圖3所示)的技術措施，由此使測量段渣土獲得一個形狀規(guī)則、高度位置已知的下表面。選用的具有減磨作用的尼龍托板，輕巧耐用、簡單方便。如圖I、圖2、圖3、圖4所示
在皮帶輸送機的兩邊擋板上安裝“門字形”的垂直支架，支架與皮帶輸送機輸送方向垂直，并將3個二維激光掃描儀安裝在該垂直支架上，即皮帶輸送機垂直上方，3個二維激光掃描儀傳感器的安裝中心在一條水平線上，垂直支架兩側安裝阻尼彈簧減振器，該減振器有上下安裝固定螺栓或螺孔，安裝方便，從而削弱振動對測量精度的影響。摩擦輪通過聯(lián)軸器與旋轉編碼器相聯(lián)，所述摩擦輪具有足夠大的摩擦力以防止打滑，摩擦輪安裝在皮帶輸送機的下表面，摩擦輪與皮帶輸送機的下表面之間緊緊貼合，從而保證摩擦輪旋轉與輸送帶同步，有效精確測量輸送帶速度。由于現(xiàn)有皮帶輸送機大多采用’V’型托輥或者偏移型托輥，使渣土處于輸送帶的凹槽處，在皮帶輸送機的測量段輸送帶下表面安裝具有減磨作用的尼龍托板將輸送帶托平，由此保證系統(tǒng)的測量精度?，F(xiàn)場的三個二維激光掃描儀以及旋轉編碼器、信號輸入輸出接口單元、控制單元、上位機四層之間依次均是通過串行通信線路進行數(shù)據(jù)交換。在掃描橫截面積時是利用三個傳感器，掃描器的扇形有交叉部分，如圖2所示二維激光掃描儀傳感器陣列，可準確掃描出土體的截面積。在皮帶輸送機輸送渣土的過程中3個二維激光掃描儀呈陣列布置連續(xù)掃描土體的截面輪廓，根據(jù)測量結果進行曲線擬合與積分運算，計算出渣土的橫截面積。信號輸入輸出接口單元分別與三個二維激光掃描儀以及旋轉編碼器串行連接，實時采集二維斷面掃描儀與旋轉編碼器的數(shù)據(jù)，并傳給主控單元進行后續(xù)處理。輸入輸出接口單元是控制單元與工業(yè)控制現(xiàn)場3個二維斷面掃描儀傳感器及旋轉編碼器傳感器信號連接的樞紐，其輸入口用來接受現(xiàn)場過程中各傳感器的各種參數(shù)，其輸出口用來送出給控制單元運算后得出的土體體積。本實施例信號輸入輸出接口單元采用市售產品PCM-3610模塊，產品PCM-3610是具有雙端口 RS-232和RS-422/RS-485的接口模塊，它支持串行通信協(xié)議和提供長距離高速度可靠的通信。信號輸入輸出接口單元PCM-3610的COMl、COM2、COM3、COM4以RS422電纜分別與3只二維掃描儀以及旋轉編碼器的通信接口連接。本實施例控制單元采用的是嵌入式計算機，主要由以單片機作為處理器的嵌入式控制器、系統(tǒng)電源、在處理器核心的基礎上擴展出的存儲器、總線及串行通信接口電路等外圍電路、嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序構成的嵌入式計算機系統(tǒng)，該嵌入式計算機系統(tǒng)的嵌入式控制器、串行通信接口電路、系統(tǒng)電源、外圍電路都集成在一個主板上。通過控制單元應 用程序實時完成對現(xiàn)場二維激光掃描儀傳感器提供的當前原始數(shù)據(jù)進行曲線擬合與積分運算計算出渣土的橫截面積，再利用現(xiàn)場旋轉編碼器實時采集到的皮帶輸送機的速度數(shù)據(jù)進行合并積分運算計算出掃描到的土體體積，可以還原出土體的輪廓線。同時控制單元的串行通信接口電路與上位機通信的接口連接。本實施例控制單元具體采用市售產品PCM-3341板。信號輸入輸出接口單元PCM-3610與控制單元PCM-3341采用PC104總線進行連接；PCM_3341的COMl與上位機以RS232電纜連接。上位機進行實時顯示、參數(shù)設定、測量結果下載等操作。
權利要求
1.一種基于斷面掃描的盾構施工排土體積在線測量裝置，其特征在于，該裝置包括3 個二維激光掃描儀、垂直支架，在皮帶輸送機的兩邊擋板上安裝“門字形”的垂直支架，支架與皮帶輸送機輸送方向垂直，并將3個二維激光掃描儀安裝在該支架上，3個二維激光掃描儀的安裝中心在一條水平線上，垂直支架兩側安裝阻尼彈簧減振器；該測量裝置還包括摩擦輪、旋轉編碼器，摩擦輪通過聯(lián)軸器與旋轉編碼器相聯(lián)，摩擦輪安裝在皮帶輸送機的下表面，摩擦輪與皮帶輸送機的下表面之間緊緊貼合；該測量裝置還包括尼龍托板，安裝在皮帶輸送機的測量段輸送帶下表面；該測量裝置還包括信號輸入輸出接口單元、主控單元和上位機，三個二維激光掃描儀以及旋轉編碼器、信號輸入輸出接口單元、控制單元、上位機四層之間依次均是通過串行通信線路連接，在皮帶輸送機輸送渣土的過程中3個二維激光掃描儀呈陣列布置連續(xù)掃描土體的截面輪廓，根據(jù)測量結果進行曲線擬合與積分運算，計算出渣土的橫截面積，供上一層的信號輸入輸出接口單元采集；信號輸入輸出接口單元分別與三個二維激光掃描儀以及旋轉編碼器串行連接，實時采集二維斷面掃描儀與旋轉編碼器的數(shù)據(jù)，并傳給主控單元進行后續(xù)處理；控制單元采用的是嵌入式計算機，包括嵌入式控制器、系統(tǒng)電源和串行通信接口電路， 串行通信接口電路與上位機通信的接口連接，控制單元對二維激光掃描儀傳感器提供的當前掃描數(shù)據(jù)進行曲線擬合與積分運算計算出渣土的橫截面積，再利用旋轉編碼器采集到的皮帶輸送機的速度數(shù)據(jù)進行合并積分運算計算出掃描到的土體體積；上位機進行實時顯示、參數(shù)設定。
全文摘要
基于斷面掃描的盾構施工排土體積在線測量裝置，涉及盾構施工測量領域。在皮帶輸送機的兩邊安裝“門字形”的垂直支架，支架與皮帶輸送機輸送方向垂直，將3個二維激光掃描儀安裝在該支架上，3個二維激光掃描儀的安裝中心在一條水平線上；摩擦輪通過聯(lián)軸器與旋轉編碼器相聯(lián)，摩擦輪安裝在皮帶輸送機的下表面，摩擦輪與皮帶輸送機的下表面之間緊緊貼合；尼龍托板安裝在皮帶輸送機的測量段輸送帶下表面；主控單元對掃描得到的橫截輪廓進行處理，采用數(shù)值積分的方法計算出當前橫截面積，由摩擦輪測得皮帶輸送機的速度，再進行積分得到當前土體體積，上位機則進行實時顯示。本發(fā)明實現(xiàn)在皮帶輸送機輸送渣土的過程中能在線精確測量盾構施工的出土量。
文檔編號G01B11/00GK102706279SQ20121020088
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權日2012年6月19日
發(fā)明者史海舟, 周奇才, 熊肖磊, 王凱, 王權 申請人:上海地鐵盾構設備工程有限公司