一種監測隧道應力形變的應用系統的製作方法

2023-07-22 20:30:11 2

專利名稱：一種監測隧道應力形變的應用系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於隧道安全監測技術領域，尤其涉及一種監測隧道應力形變的 應用系統。
背景技術：
隨著高速鐵路、地鐵、隧道公路等隧道交通的不斷發展，隧道安全監測 已經成為保障隧道安全運行不可或缺的因素。特別是在高速鐵路運行系統中， 隧道安全監測系統已經融入到信號系統的控車信號等信號集成系統中。對於 隧道安全的決定性指標是隧道受到應力後的形變狀態，特別是隧道受到的由 上而下的壓力使隧道產生的形變是對隧道安全的最大威脅。對於穿越巖層的 隧道，主要應力是受到的巖層壓力的作用而產生的形變，而對於土質結構或 水底隧道，主要應力是來自於上方的壓力造成隧道在縱向的形變。這種形變 變化量很小，不容易被査覺，但是很可能存在巨大的危險。
目前常用的隧道應力形變監測手段，是通過置入式應變傳感器測量隧道 形變變化，這些傳感器在修建隧道時，被置入隧道構件中，不能靈活安裝， 並且只能感應隧道某個局部的形變，無法從整體測量整個隧道的形變。另一 種測量隧道應力形變的方法，是採用光學方法，如光柵技術進行測量，但由 於光學技術對於環境要求較高，且價格昂貴，在實際應用上不具有可實施性。

發明內容
本發明的目的在於，提出一種監測隧道應力形變的應用系統，解決目前隧
4道應力形變的監測過程中，無法整體監測隧道應力形變和設備安裝複雜的問 題。
本發明的技術方案是， 一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 應用系統由渦流傳感器形變採集單元陣列、現場信號採集與傳輸單元、數據採 集與處理伺服器和數據查詢與顯示終端組成；
所述渦流傳感器形變採集單元陣列由渦流傳感器形變採集單元組成，每個 渦流傳感器形變採集單元通過普通電線和現場信號採集與傳輸單元連接；
所述現場信號採集與傳輸單元通過CAN總線或乙太網和所述數據採集與 處理伺服器相連；
所述數據採集與處理伺服器通過乙太網和數據査詢與顯示終端相連；
所述渦流傳感器形變採集單元由渦流傳感器、底面固定支架、卡具、金屬 絲或可調金屬杆、測試吊錘組成；其中，
所述渦流傳感器通過卡具固定安裝在底面固定支架上；所述測試吊錘通過 金屬絲或可調金屬杆同定在隧道頂面，且所述測試吊錘下表面與渦流傳感器的 探頭之間的距間小於渦流傳感器的有效測試量程；
所述現場信號採集與傳輸單元由電流電壓轉換模塊、電於開關陣列與A/D 轉換單元、CPU、通信單元以及電源模塊組成；其中，
所述電流電壓轉換模塊和電子開關陣列與A/D轉換單元相連，用於將渦流 傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號；
所述電子開關陣列與A/D轉換單元和CPU相連，用於將模擬的電壓信號 轉換為數位訊號並傳輸給CPU處理；
所述CPU與通信單元相連，實現與外部網絡接口的連接功能；
所述通信單元為外部提供CAN總線輸出端或者乙太網接口 ；
所述電源模塊為現場信號採集與傳輸單元供電；
所述數據採集與處理伺服器包括數據採集模塊、數據處理模塊、數據保存模塊、資料庫管理模塊、隧道形變實時柱狀圖產生模塊、數據査詢模塊、現場 採集前端管理模塊；其中，
數據採集模塊將現場信號採集與傳輸單元採集的應力形變數位訊號採集 到伺服器；數據處理模塊負責將採集的應力形變數位訊號中的隨機抖動幹擾濾 去；數據保存模塊負責將處理後的應力形變數位訊號存入資料庫；資料庫管理 模塊實現對訪問資料庫的人員信息和IP位址的管理；隧道形變實時柱狀圖產 生模塊負責不同測試點當前情況下應力形變變化柱狀圖的生成；數據查詢模塊 負責處理數據查詢與顯示終端提出的查詢請求，並將結果顯示在數據查詢與顯 示終端的顯示器上；現場採集前端管理模塊，實現對現場信號採集與傳輸單元 的管理及維護。
所述底面固定支架由水泥臺製成。
所述渦流傳感器的輸出電流為4-20毫安的恆流，有效測試量程大於5毫 米，測試精度高於5微米。
所述渦流傳感器使用直流24V電源供電，並採用雙路冗餘供電模式。 所述電流電壓轉化模塊實現0-20毫安範圍電流到0-5伏特範圍電壓的轉換。
所述CAN總線採用光耦隔離方式。
所述電源模塊釆用兩路24V電源，並通過保護二極體進行共陰極並連，實 現電源互備。
本發明提供的一種監測隧道應力形變的應用系統，安裝實施簡便，測試過 程不受環境因素的影響，測試精度髙，並且可以實現隧道的整體應力形變的監 測，從而為隧道的安全運行提供了有效的保障。


圖1是渦流傳感器形變採集單元在隧道內的安裝示意圖。圖2是本發明提供的一種監測隧道應力形變的應用系統的結構示意圖。 圖3是現場信號採集與傳輸單元組成結構示意圖。 圖4是數據採集與處理伺服器組成結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅 僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。
由於鐵路、地鐵、公路等的隧道內環境複雜、情況多變，並且隧道往往 距離比較長，因此採用選取個別點安裝測試傳感器的方式不能準確監測隧道
的整體變化情況。而由於渦流傳感器的電流輸出為4-20毫安的恆流型標準信 號，可以實現在一定距離內的遠程傳輸；同時，渦流傳感器電流輸出變化與
應力形變值是線性關係，因此通過渦流傳感器來測量電流變化的大小就可以 得到應力形變變化的大小。本發明基於這一思想，在設定的距離間隔內布設 渦流傳感器形變釆集單元，形成渦流傳感器形變採集單元陣列，通過陣列監 測隧道的整體應力形變狀態，從而提高了監測的準確性。
圖1是渦流傳感器形變採集單元在隧道內的安裝示意圖。圖1中，隧道101 中的每個渦流傳感器形變採集單元由渦流傳感器104、底面固定支架102、卡 具103、金屬絲或可調金屬杆106、測試吊錘105組成。其安裝方式如下渦 流傳感器104通過卡具103固定安裝在底面固定支架102上，測試吊錘105通 過金屬絲或可調金屬杆106採用膨脹螺栓107或其他方式固定在隧道頂面，且 測試吊錘104的下表面與渦流傳感器105的探頭之間的距間小於渦流傳感器的 有效測試量程。渦流傳感器採用輸出電流為4-20毫安的恆流、有效測試量程大 於5毫米，測試精度高於5微米的渦流傳感器。這樣安裝之後，當隧道頂面因 為受到壓力過大而變形時，測試吊錘與渦流傳感器之間的距離會發生變化，從 而導致渦流傳感器的輸出電流發生變化，通過測量渦流傳感器輸出的電流值，
7就可以測量隧道各點的形變情況。渦流傳感器採用布設在隧道中的24V電源母
線為渦流傳感器提供電源。所有的渦流傳感器共用24V電源母線，同時，電源
採用雙路冗餘供電模式，保證一路電源出現問題時，另一路電源可以接替進行 工作，保證監測不會中斷。
圖2是本發明提供的一種監測隧道應力形變的應用系統的結構示意圖。圖 2中，本發明提供的一種監測隧道應力形變的應用系統由渦流傳感器形變採集 單元陣列206、現場信號採集與傳輸單元202、數據採集與處理伺服器203和 數據查詢與顯示終端204組成。其中，渦流傳感器形變採集單元陣列206由渦 流傳感器形變採集單元201組成，每個渦流傳感器形變採集單元通過普通電線 207與現場信號採集與傳輸單元202連接，所有的渦流傳感器共用24V電源母 線205。普通電線207將渦流傳感器形變採集單元201採集的電流傳輸到現場 信號採集與傳輸單元202中。現場信號採集與傳輸單元202通過CAN總線或 乙太網208與數據採集與處理伺服器203相連，其主要功能是將每一個渦流傳 感器形變採集單元201輸出的標準模擬信號轉換為數字量，同時通過上傳數據 通道傳輸到數據採集與處理伺服器203。 CAN總線採用光耦隔離方式。數據採 集與處理伺服器203通過乙太網209與數據查詢與顯示終端204相連。數據採 集與處理伺服器203實現對現場信號採集與傳輸單元202的數據採集與管理， 同時將採集的數據存入資料庫。資料庫可以採用SQL SERVER等。數據採集 與處理伺服器203運行伺服器應用程式，實現對所有數據的實時採集、存儲， 同時下發採集命令。
圖3是現場信號採集與傳輸單元組成結構示意圖。圖3中，現場信號採集 與傳輸單元由電流電壓轉換模塊、電子開關陣列與A/D轉換單元、CPU、通信 單元以及電源模塊組成。電流電壓轉換模塊與渦流傳感器形變採集單元對應， 每個渦流傳感器形變採集單元都有一個電流電壓轉換模塊用於接收和處理渦 流傳感器形變採集單元傳送過來的電流信號。每個電流電壓轉換模塊都與電子開關陣列與A/D轉換單元相連，用於將渦流傳感器輸出的電流信號轉換為電壓 信號。電流電壓轉化模塊實現0-20毫安範圍電流到0-5伏特範圍電壓的轉換。 電子開關陣列與A/D轉換單元與CPU相連，用於將模擬的電壓信號轉換為數 字信號並傳輸給CPU處理。CPU與通信單元相連，實現與外部網絡接口連接 功能，CPU可採用通用的PIC18FJ60帶乙太網模塊的CPU。通信單元為外部 提供CAN總線輸出端或者乙太網接口。如果外部網絡使用的是CAN總線，則 通信單元要提供CAN總線輸出端，保證處理後的數位訊號通過CAN總線傳輸 給數據採集與處理伺服器。如果外部網絡使用的是乙太網，則需要一臺乙太網 交換機，通信單元通過乙太網接口將處理後的數位訊號發送到乙太網，再從以 太網進入乙太網交換機，最後從乙太網交換機輸出到具有CAN總線接口的數 據採集與處理伺服器。電源模塊採用兩路24V電源，並通過保護二極體進行共 陰極並連，實現電源互備。
圖4是數據釆集與處理伺服器組成結構示意圖。圖4中，數據採集與處理 伺服器包括數據採集模塊、數據處理模塊、數據保存模塊、資料庫管理模塊、 隧道形變實時柱狀圖產生模塊、數據查詢模塊以及現場採集前端管理模塊。數 據採集模塊主要是通過CAN網或乙太網，將現場信號採集與傳輸單元採集的 應力形變數位訊號採集到伺服器；數據處理模塊是對這些數據進行分析，由於 形變是緩變過程，因此對於列車通過所引起的抖動要進行大時間常數據的數字 平滑濾波，將隨機抖動幹擾濾去，同時保證信號的安全可靠，並且對原始狀態 的形變數據進行比較，存入實際形變值。在系統上電時，同一時間，所有渦流 傳感器的值不是一定的，該系統基於系統上電後的渦流傳感器測量信號的相對 變化作為分析數據。資料庫管理模塊實現對訪問資料庫的人員信息和IP位址 的管理。隧道形變實時柱狀圖產生模塊負責不同測試點當前情況下應力形變變 化柱狀圖的生成與顯示。數據查詢模塊負責處理數據査詢與顯示終端提出的査 詢請求，並將結果顯示在終端的顯示器上。如通過對某一點形變歷史數據的查詢可以了解該點在一個歷史時期形變走向，通過顯示形變時間曲線，可以為隧 道專家提供良好而豐富的分析數據。通過隧道多點以時間、形變三維數據分析 隧道中的整體形變走向，從而得到隧道所受應力情況。現場採集前端管理模塊， 實現對現場信號採集與傳輸單元的管理及維護，包括單元編號、CAN地址、IP 地址等的管理和維護。
數據採集與處理伺服器中安裝有資料庫，資料庫在設計上由原始形變數據 表、數據釆集模塊地址表、形變實時數據表、控制人員表、設備狀態表等五個 表組成。原始形變數據表主要是用於存儲原始渦流形變數據，後來採集數據都 與對應該點的數據進行比較得到上電到數據釆集這段時間內的形變變化；數據
採集模塊地址表存儲現場數據採集與傳輸單元的網絡地址如CAN網地址或IP
地址；形變實時數據表存入採集各點的實時形變數據，該表是資料庫系統的數 據主體；控制人員表用於存儲操作人員的個人信息以及相應的數據權限；設備 狀態表存入系統各設備的相關信息與工作狀態。
數據査詢與顯示終端通過乙太網與數據伺服器資料庫相連，對多種數據査 詢與顯示進行處理，不具有數據修改能力，只能査詢數據。查詢內容有測試前 端單點的歷史數據以及形變曲線；隧道整體在某一時間點的形變數據及曲線； 實現顯示整個隧道形變柱狀圖等功能。
由於現有技術很難實現隧道應力的實時監測與數據採集，而且也無法通 過定量的方法實現對隧道安全的診斷，這樣長時間的積累容易造成不可挽回 的損失。同時隧道事故往往是一個長期積累的結果，如果不能在一個歷史時 期內得到隧道形變的變化趨勢數據，很難對隧道的安全運行進行準確的判斷。 本發明提供的一種監測隧道應力形變的應用系統，較之現有技術，前端測試 設備安裝實施簡便，測試過程不易受外界環境因素的影響，測試精度高，並 且可以實現隧道的整體應力形變的監測，從而為隧道的安全運行提供了有效 的保障。本發明不僅可以應用於交通隧道，還可應用於礦山、地下施工等多種隧道形式的安全保障領域中。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不 局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可 輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明 的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述應用系統由渦流傳感器形變採集單元陣列、現場信號採集與傳輸單元、數據採集與處理伺服器和數據查詢與顯示終端組成；所述渦流傳感器形變採集單元陣列由渦流傳感器形變採集單元組成，每個渦流傳感器形變採集單元通過普通電線和現場信號採集與傳輸單元連接；所述現場信號採集與傳輸單元通過CAN總線或乙太網和所述數據採集與處理伺服器相連；所述數據採集與處理伺服器通過乙太網和數據查詢與顯示終端相連；所述渦流傳感器形變採集單元由渦流傳感器、底面固定支架、卡具、金屬絲或可調金屬杆、測試吊錘組成；其中，所述渦流傳感器通過卡具固定安裝在底面固定支架上；所述測試吊錘通過金屬絲或可調金屬杆固定在隧道頂面，且所述測試吊錘下表面與渦流傳感器的探頭之間的距間小於渦流傳感器的有效測試量程；所述現場信號採集與傳輸單元由電流電壓轉換模塊、電子開關陣列與A/D轉換單元、CPU、通信單元以及電源模塊組成；其中，所述電流電壓轉換模塊和電子開關陣列與A/D轉換單元相連，用於將渦流傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號；所述電子開關陣列與A/D轉換單元和CPU相連，用於將模擬的電壓信號轉換為數位訊號並傳輸給CPU處理；所述CPU與通信單元相連，實現與外部網絡接口的連接功能；所述通信單元為外部提供CAN總線輸出端或者乙太網接口；所述電源模塊為現場信號採集與傳輸單元供電；所述數據採集與處理伺服器包括數據採集模塊、數據處理模塊、數據保存模塊、資料庫管理模塊、隧道形變實時柱狀圖產生模塊、數據查詢模塊、現場採集前端管理模塊；其中，數據採集模塊將現場信號採集與傳輸單元採集的應力形變數位訊號採集到伺服器；數據處理模塊負責將採集的應力形變數位訊號中的隨機抖動幹擾濾去；數據保存模塊負責將處理後的應力形變數位訊號存入資料庫；資料庫管理模塊實現對訪問資料庫的人員信息和IP位址的管理；隧道形變實時柱狀圖產生模塊負責不同測試點當前情況下應力形變變化柱狀圖的生成；數據查詢模塊負責處理數據查詢與顯示終端提出的查詢請求，並將結果顯示在數據查詢與顯示終端的顯示器上；現場採集前端管理模塊，實現對現場信號採集與傳輸單元的管理及維護。
2. 根據權利要求1所述的一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 底面固定支架由水泥臺製成。
3. 根據權利要求1所述的一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 渦流傳感器的輸出電流為4-20毫安的恆流，有效測試量程大於5毫米，測試精 度高於5微米。
4. 根據權利要求1所述的一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 渦流傳感器使用直流24V電源供電，並採用雙路冗餘供電模式。
5. 根據權利要求1所述的一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 電流電壓轉化模塊實現0-20毫安範圍電流到0-5伏特範圍電壓的轉換。
6. 根據權利要求1所述的一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 CAN總線採用光耦隔離方式。
7. 根據權利要求1所述的一種監測隧道應力形變的應用系統，其特徵是所述 電源模塊採用兩路24V電源，並通過保護二極體進行共陰極並連，實現電源互備。
全文摘要
本發明公開了隧道安全監測技術領域中的一種監測隧道應力形變的應用系統。技術方案是，所述應用系統由渦流傳感器形變採集單元陣列、現場信號採集與傳輸單元、數據採集與處理伺服器和數據查詢與顯示終端組成；渦流傳感器形變採集單元陣列由渦流傳感器形變採集單元組成，每個渦流傳感器形變採集單元通過普通電線與現場信號採集與傳輸單元連接；現場信號採集與傳輸單元通過CAN總線或乙太網與數據採集與處理伺服器相連；數據採集與處理伺服器通過乙太網與數據查詢與顯示終端相連。本發明提供的應用系統，測試精度高並且可以實現隧道的整體應力形變的監測，從而為隧道的安全運行提供了有效的保障。
文檔編號G01L1/00GK101539396SQ200910081488
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月9日 優先權日2009年4月9日
發明者張智祥 申請人:北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司