專(zhuān)利名稱(chēng)：隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于定位測(cè)量裝置，可用于礦井、水工隧道、地鐵隧道、市政管道、共同溝等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
盾構(gòu)隧道掘進(jìn)技術(shù)是地下暗挖隧道的一種工程建設(shè)技術(shù)，是隨著現(xiàn) 代交通運(yùn)輸、地下工程、礦山開(kāi)采、水利工程、市政建設(shè)以及電氣通訊 設(shè)施的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。早期的盾構(gòu)機(jī)，主要是利用盾構(gòu)機(jī)械所特有 的盾殼作為支護(hù)，防止地層的坍塌，以保證在其內(nèi)部安全地進(jìn)行開(kāi)挖和 襯砌等各種作業(yè)，開(kāi)挖基本上是采用人工開(kāi)挖方式。隨著隧道工程的不 斷增多，為適應(yīng)不同條件下的施工要求和提高施工效率，除不斷完善軟 土隧道掘進(jìn)機(jī)(即盾構(gòu))及應(yīng)用技術(shù)，又開(kāi)發(fā)出能夠適應(yīng)巖石地層施工 的巖石隧道掘進(jìn)機(jī)及應(yīng)用技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，遙控控制技術(shù)、激光 制導(dǎo)技術(shù)以及陀螺儀定位系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)中，使得盾構(gòu)機(jī)的操 作、地表沉降的控制更趨簡(jiǎn)易，隧道的施工質(zhì)量也越來(lái)越好。
現(xiàn)在盾構(gòu)中常用的導(dǎo)向系統(tǒng)有三種產(chǎn)品陀螺儀、ZED導(dǎo)向系統(tǒng)、
VMT導(dǎo)向系統(tǒng)。它們都能測(cè)量盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中的姿態(tài)，得到盾構(gòu)任意 時(shí)刻的姿態(tài)數(shù)據(jù)，即實(shí)時(shí)獲得盾構(gòu)的俯仰角、滾向角和水平擺角；但各 自的實(shí)現(xiàn)原理不同
1.陀螺儀經(jīng)典陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和各自分 別固定在兩個(gè)軸承上的兩個(gè)框架。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的軸一般處于豎直的位置， 所以緊靠轉(zhuǎn)子的內(nèi)框架是在豎直面上，而另一個(gè)框架則位于水平面上。 這樣的裝置的兩個(gè)框架的軸線全部在水平面上。姿態(tài)陀螺儀的基本原理
就是角動(dòng)量守恒，在沒(méi)有外力矩的情況下，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量的 大小和方向在慣性空間中保持不變。 一般外框架的外軸承固定在飛行器 結(jié)構(gòu)上，飛行器的軸線和外框架的軸線相平行，這樣在飛行器姿態(tài)變化 時(shí)，它的翻滾角和俯仰角可以在外框架的內(nèi)外軸承上測(cè)量出來(lái)。在這一 類(lèi)陀螺儀中，結(jié)構(gòu)的不平衡，結(jié)構(gòu)重心的偏離和軸承的摩擦力是這種陀 螺儀的最主要的誤差來(lái)源。這些因素引起了一定的力矩，使得陀螺儀的 方位產(chǎn)生漂移。
陀螺儀用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的方位檢測(cè)時(shí)，能自動(dòng)顯示方位角、傾斜角、 回轉(zhuǎn)角。與掘進(jìn)機(jī)的姿勢(shì)管理軟件連接可準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)頂管掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu) 掘進(jìn)機(jī)的施工管理。特點(diǎn)陀螺儀是動(dòng)態(tài)跟蹤設(shè)備，通過(guò)與電腦聯(lián)系， 直接反映盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程數(shù)據(jù)，為盾構(gòu)定位提供了有利的保障，這為盾 構(gòu)時(shí)刻處于良好的推進(jìn)狀態(tài)打下了基礎(chǔ)。缺點(diǎn)是時(shí)滯較大，盾構(gòu)機(jī)受地 勢(shì)影響會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，陀螺儀有可能不能保持靜定精度。由于以上特點(diǎn)， 所以在施工中陀螺儀僅作為輔助參考，主要還是人工測(cè)量。
2. ZED導(dǎo)向系統(tǒng)由英國(guó)ZED Tunnel Guidance公司生產(chǎn)，是個(gè)具 有透明屏幕的長(zhǎng)方形盒子，在一端有用于連接電纜的插座。它用來(lái)接收 激光信號(hào)，能測(cè)量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。 一般目標(biāo) 單元安裝在盾構(gòu)前部的托架上，可以每50mm間距水平移動(dòng)，也可以3。 的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此能覆蓋更大的目標(biāo)區(qū)域。其工作原理為激光束通過(guò) 前部透明屏幕進(jìn)入目標(biāo)單元(部分散射)，部分光擊中安裝在單元底部和 側(cè)面的傳感器，傳感器可以探測(cè)光束進(jìn)入屏幕時(shí)的位置；其余的光束通 過(guò)透鏡到達(dá)安裝在軸心上的傳感器，此傳感器裝在單元的后部，用來(lái)測(cè) 量光束的傾角。后部的傳感器與前部透明屏幕距離較大。因此，如果激 光束很弱，就會(huì)造成讀數(shù)不精確。從傳感器出來(lái)的信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電子信 號(hào)，并通過(guò)單元后部的電纜輸入到控制單元。它的主要缺點(diǎn)ZED導(dǎo)向系 統(tǒng)在移站時(shí)要作大量的計(jì)算。
3. VMT導(dǎo)向系統(tǒng)由德國(guó)Vermessungstechnik公司生產(chǎn)。電子激光 系統(tǒng)ELS固定在盾體上，它接收到入射激光束時(shí)，在水平及垂直方向上 確定入射點(diǎn)的位置，從而確定水平擺角。另外，其內(nèi)部?jī)A角計(jì)測(cè)量滾動(dòng) 角與俯仰角。其工作原理電子激光系統(tǒng)ELS內(nèi)部與ELS前面板平行的 是所謂的"陰屏"。當(dāng)給ELS通電以后，陰屏就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。陰屏之間有空 隙所以能夠透光。陰屏轉(zhuǎn)動(dòng)所處的角度的不同，當(dāng)激光束入射在陰屏上 時(shí)，透過(guò)的光多少不一。在陰屏的背后是光敏感電子元件，激光射到這 些電子元件上從而測(cè)出入射激光的強(qiáng)度。當(dāng)激光的強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)， 此時(shí)"陰屏"所處的角度被記錄下來(lái)。這個(gè)位置的角度與激光束在ELS耙 上的入射角(水平擺角)精確吻合。在ELS靶內(nèi)置兩個(gè)傾斜計(jì)。 一個(gè)為 縱向放置， 一個(gè)為橫向放置。這兩個(gè)傾斜計(jì)最終測(cè)出隧道掘進(jìn)機(jī)TBM的 絕對(duì)滾動(dòng)角和絕對(duì)俯仰角。VMT每2秒輸出一次數(shù)據(jù)。ELS耙和全站儀 之間距離通過(guò)全站儀測(cè)距激光測(cè)定，為此需要在ELS靶下方安裝一個(gè)特 制的棱鏡。VMT導(dǎo)向系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)為提供照射陰屏的激光束，需要 改裝全站儀，在全站儀上加裝一個(gè)激光器，并確保激光器光軸與全站儀 測(cè)距激光軸線平行。
公開(kāi)號(hào)CN1560434的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)"隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的電子激 光靶"，提供了一種三維姿態(tài)測(cè)量裝置，機(jī)箱內(nèi)沿軸向在光路上依序裝 有棱鏡、平凸透鏡、光敏位置傳感器及其信號(hào)處理電路、傾角計(jì)；克服 了上述三維姿態(tài)測(cè)量裝置不能保持靜定精度、或計(jì)算復(fù)雜、或需要改裝 全站儀的問(wèn)題，但其對(duì)于光強(qiáng)的要求較高，不能適應(yīng)隧道掘進(jìn)施工中的 遠(yuǎn)距離測(cè)量，并且對(duì)于全站儀發(fā)出的脈沖光信號(hào)的處理不夠精確。'
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置，解決 現(xiàn)有三維姿態(tài)測(cè)量裝置對(duì)于光強(qiáng)的要求較高、對(duì)脈沖光信號(hào)處理不夠精 確的問(wèn)題，以簡(jiǎn)化設(shè)備的安裝和使用，用于隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)。
本發(fā)明的一種隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置，機(jī)箱內(nèi) 沿軸向在光路上依序裝有棱鏡、光敏位置傳感器及其信號(hào)處理電路、傾 角計(jì)，其特征在于-
所述光敏位置傳感器及其信號(hào)處理電路為CCD相機(jī)；所述棱鏡和CCD 相機(jī)之間設(shè)有鏡頭；CCD相機(jī)的傳感器光敏面位于鏡頭的焦平面上且與鏡 頭軸線垂直，CCD相機(jī)的傳感器光敏面的中心在鏡頭軸線上，CCD相機(jī)的 輸出信號(hào)通過(guò)千兆網(wǎng)線送往計(jì)算機(jī)；傾角計(jì)的輸出信號(hào)通過(guò)異步串行通 信接口送往計(jì)算機(jī)。
所述的隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于 所述鏡頭為凸透鏡或者凸透鏡組。
所述的隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于 所述棱鏡和鏡頭之間設(shè)有濾光鏡；所述傾角計(jì)為雙軸傾角傳感模塊， 由電解質(zhì)型檢測(cè)器件和相關(guān)電路組成；所述機(jī)箱密封、充氮。
本發(fā)明傾角計(jì)選用雙軸傾角傳感模塊，它是采用電解質(zhì)型檢測(cè)器件 和相關(guān)電路組成，電解質(zhì)型檢測(cè)器件由一定化學(xué)成分的電解質(zhì)溶液和電 極構(gòu)成，通過(guò)向電極提供交流激勵(lì)電源后，激發(fā)溶液中力子之間的運(yùn)動(dòng)， 便會(huì)形成相應(yīng)的電場(chǎng)。電場(chǎng)的強(qiáng)度與電極浸入電解質(zhì)溶液的深度由密切 的關(guān)系。當(dāng)檢測(cè)器件發(fā)生傾斜時(shí)，激勵(lì)電源引入的兩個(gè)電極浸入電解質(zhì) 溶液的深度會(huì)不同，他們相對(duì)于中間電極地電場(chǎng)也有差異。通過(guò)測(cè)量這 個(gè)差異，便可得知傾斜方向和傾斜角度的大小值。對(duì)傾角計(jì)所要求的指
標(biāo)主要有測(cè)量范圍、分辨率、零點(diǎn)溫漂、靈敏度溫漂、非線性、外形 尺寸等；現(xiàn)有的傾角計(jì)產(chǎn)品中有單軸和雙軸模式、數(shù)字和模擬輸出、 還有帶線性和溫度補(bǔ)償?shù)?，需按?shí)際需要選擇。
本發(fā)明將包括濾光鏡、鏡頭、CCD相機(jī)和傾角計(jì)的電子激光系統(tǒng)ELS 與棱鏡合二為一，極大地減小ELS的體積，簡(jiǎn)化操作。不用紅激光，直 接利用全站儀的紅外線，紅外線部分穿過(guò)棱鏡，其方向不變，打在鏡頭 上，經(jīng)鏡頭聚焦，打在處于焦平面上的CCD傳感器上，產(chǎn)生感光數(shù)據(jù)， 經(jīng)處理產(chǎn)生角度信號(hào)輸出到外部計(jì)算機(jī)。輸出信號(hào)可由標(biāo)準(zhǔn)異步串行通 信接口和千兆網(wǎng)卡連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
本發(fā)明的三維姿態(tài)測(cè)量裝置主要用于盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中的姿態(tài)測(cè) 量。該裝置固定安裝在盾構(gòu)的某個(gè)己知位置，并確保鏡頭光路軸線與盾 構(gòu)軸線平行，則該裝置所測(cè)得的三維姿態(tài)數(shù)據(jù)就是盾構(gòu)的俯仰角、滾向 角和水平擺角數(shù)據(jù)。該裝置與全站儀之間應(yīng)確保光路暢通，就可以利用 全站儀的一束激光同時(shí)測(cè)量棱鏡到全站儀的距離以及盾構(gòu)的水平擺角。
本發(fā)明與計(jì)算機(jī)相連可實(shí)現(xiàn)以下功能
(1) 非掘進(jìn)狀態(tài)盾構(gòu)姿態(tài)數(shù)據(jù)采集在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)
測(cè)量出盾構(gòu)前端中心的位置和姿態(tài)(偏轉(zhuǎn)角度)以及盾構(gòu)尾端中心的位
置和姿態(tài)，在主控計(jì)算機(jī)內(nèi)與設(shè)計(jì)軌道(DTA)中的數(shù)據(jù)比較，可計(jì)算偏
(2) 實(shí)時(shí)通信檢測(cè)通過(guò)控制電腦實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)測(cè)量值和計(jì)算值以 及最后的偏差量；
(3) 掘進(jìn)、管理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)共享只要提供與地面辦公室電腦的接 口，就可使得地面辦公室得到盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)的推進(jìn)狀況，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控 制；
(4) 每環(huán)歷史曲線圖表盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中的偏差量數(shù)據(jù)都要用日 志的形式儲(chǔ)存下來(lái)，隨時(shí)可以調(diào)出查看；
(5)糾偏曲線施工中實(shí)際線路與設(shè)計(jì)軌道(DTA)總有偏差，能 夠按照設(shè)計(jì)軌道(DTA)糾正過(guò)來(lái)。


圖l為本發(fā)明的實(shí)施例示意圖； 圖2為本發(fā)明的光學(xué)原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖l為本發(fā)明的實(shí)施例，其中棱鏡l: (j)60mm ;濾光鏡2的透光率 為0.1%;鏡頭3為兩片凸透鏡組成的凸透鏡組(j)27mm， f =35mm ; CCD 相機(jī)4的傳感器尺寸1600像素xl200像素；傾角計(jì)5選用型號(hào)數(shù)字 輸出雙軸傾角傳感模塊NS-15/PL2 ; CCD相機(jī)4的傳感器所產(chǎn)生的水平 擺角信號(hào)以及傾角儀產(chǎn)生的角度信號(hào)通過(guò)千兆網(wǎng)卡和異步串行通信接口 傳送到主控計(jì)算機(jī)。考慮到實(shí)際應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信接口可采用 RS誦485。
各部件安裝時(shí)加工精度要求達(dá)到設(shè)計(jì)精度6級(jí)精度；機(jī)箱密封、充 氮、防震。
圖2為本發(fā)明的光學(xué)原理通過(guò)任一角度Ot入射棱鏡1的平行光束，
通過(guò)鏡頭3聚焦，在位于鏡頭3焦平面上的CCD相機(jī)4的傳感器上匯集
為一點(diǎn)，設(shè)該點(diǎn)與軸線距離h，鏡頭3的焦距為f，則有以下公式成立
"=arctanf ，則a即為所求水平擺角。
權(quán)利要求
1. 一種隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置，機(jī)箱內(nèi)沿軸向在光路上依序裝有棱鏡、光敏位置傳感器及其信號(hào)處理電路、傾角計(jì)，其特征在于所述光敏位置傳感器及其信號(hào)處理電路為CCD相機(jī)；所述棱鏡和CCD相機(jī)之間裝有鏡頭；CCD相機(jī)的傳感器光敏面位于鏡頭的焦平面上且與鏡頭軸線垂直，CCD相機(jī)的傳感器光敏面的中心在鏡頭軸線上，CCD相機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)千兆網(wǎng)線送往計(jì)算機(jī)；傾角計(jì)的輸出信號(hào)通過(guò)異步串行通信接口送往計(jì)算機(jī)。
2. 如權(quán)利要求1所述的隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置， 其特征在于所述鏡頭為凸透鏡或者凸透鏡組。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量 裝置，其特征在于所述棱鏡和鏡頭之間設(shè)有濾光鏡；所述傾角計(jì)為雙軸傾角傳感模塊， 由電解質(zhì)型檢測(cè)器件和相關(guān)電路組成；所述機(jī)箱密封、充氮。
全文摘要
隧道掘進(jìn)施工導(dǎo)向系統(tǒng)的三維姿態(tài)測(cè)量裝置，屬于定位測(cè)量裝置，解決現(xiàn)有三維姿態(tài)測(cè)量裝置對(duì)于光強(qiáng)的要求較高、對(duì)脈沖光信號(hào)處理不夠精確的問(wèn)題，以簡(jiǎn)化設(shè)備的安裝和使用。本發(fā)明機(jī)箱內(nèi)沿軸向在光路上依序裝有棱鏡、鏡頭、CCD相機(jī)和傾角計(jì)，CCD相機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)千兆網(wǎng)線送往計(jì)算機(jī)；傾角計(jì)的輸出信號(hào)通過(guò)異步串行通信接口送往計(jì)算機(jī)。本發(fā)明體積小，簡(jiǎn)化操作，直接利用全站儀的紅外線，經(jīng)鏡頭聚焦，打在CCD相機(jī)光敏面上，產(chǎn)生感光信號(hào)，經(jīng)處理得到入射光偏角數(shù)據(jù)，與傾角計(jì)測(cè)得的傾角數(shù)據(jù)一起輸出到外部計(jì)算機(jī)。本發(fā)明主要用于盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中的姿態(tài)測(cè)量，實(shí)時(shí)獲得盾構(gòu)的俯仰角、滾向角和水平偏角。
文檔編號(hào)G01C1/00GK101392653SQ20081019728
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者朱國(guó)力, 潘明華, 蔡海洋 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)