基於光電編碼器的強夯深度檢測系統的製作方法

2023-10-10 13:06:09 1

專利名稱：基於光電編碼器的強夯深度檢測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及強夯機施工監理及施工質量控制技術領域，尤其是涉及一種基於
光電編碼器的強夯深度檢測系統。
背景技術：
強夯機是地基施工中不可缺少的大型設備之一，廣泛應用在開山填淤、圍海造田 等大型建築地基處理施工過程中。實際使用過程中，強夯機一般是採用以8 40t重錘(最 重為200t)起吊到一定高度( 一般為8 30m)，令錘自由落下，對土體進行強力夯實，以提 高其強度、降低其壓縮性的一種地基加固方法。目前，強夯機施工過程中夯錘的夯擊次數和 夯擊深度主要是依靠監理人員的實時計數和實際測量獲得，特別是伴隨著夯錘的下落，夯 錘四周的土地就會隆起，這給夯擊是否到位的測量帶來了很大的困難，以及對某次施工中 的歷史數據不能詳細記錄給工程質量的優劣判斷帶來了很大的問題。比如說夯擊強度已經 到位，但由於周圍土地的隆起或下陷導致監理人員的錯誤測量使得夯擊次數的增加，使得 機器的油耗增加，作業時間無謂延長，造成了很大的能源浪費。所以現有強夯監理造成了人 力和物力的很大浪費，特別是在這個強調效率和節能的時代開發出一個智能化的強夯監理 系統非常重要。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種基於 光電編碼器的強夯深度檢測系統，其設計合理、成本低且使用操作簡便、使用效果好，完全 取代了現有夯擊深度的人工測量方式，不僅減少了誤差，而且大大減少了勞動強度，提高了 施工效率。
為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是一種基於光電編碼器的強
夯深度檢測系統，其特徵在於包括為各用電單元進行供電的供電單元、微控制器、與微控
制器相接的夯擊深度測試單元、夯擊過程中對強夯機主臂臂架的變形量進行實時檢測並相
應輸出一個階躍信號至微控制器且由微控制器根據所述階躍信號相應控制夯擊深度測試
單元進行深度測試的信號觸發單元、由微控制器進行控制的報警單元以及分別與微控制器
相接的參數設置單元和顯示器，所述信號觸發單元和報警單元均與微控制器相接，所述供
電單元分別與夯擊深度測試單元和微控制器相接；所述夯擊深度測試單元包括實時對強夯
機巻筒旋轉軸的轉動角度進行檢測的光電編碼器且對夯錘位置進行實時檢測的接近開關，
所述光電編碼器和接近開關均與微控制器相接，所述接近開關為超聲波接近開關。 所述信號觸發單元包括實時對強夯機主臂臂架所受壓力變化量進行實時檢測的
壓力傳感器和與壓力傳感器相接的信號放大及整形電路，所述信號放大及整形電路與微控
制器相接。 所述壓力傳感器設置在強夯機主臂後部。 所述光電編碼器通過齒輪傳動機構安裝在所述巻筒旋轉軸上，所述齒輪傳動機構包括同軸安裝在所述巻筒旋轉軸上且隨所述巻筒旋轉軸同步轉動的主動齒輪和與主動齒
輪相嚙合的從動齒輪，光電編碼器安裝在從動齒輪上。 所述接近開關設置在強夯機主臂上部。 所述參數設置單元和顯示器集成設置為與微控制器相接的液晶觸摸顯示屏。 還包括分別與微控制器相接的串口擴展電路和存儲器以及分別與串口擴展電路
相接的印表機和大容量存儲設備接口晶片，所述大容量存儲設備接口晶片與USB接口相
接，所述供電單元與印表機相接。 所述報警單元為聲光報警裝置。 所述微控制器為晶片MSP430F149。 還包括與微控制器相接的時鐘晶片。 本實用新型與現有技術相比具有以下優點， 1、設計新穎合理、接線方便且成本低、使用操作簡便，通過增量式旋轉光電編碼器 與微控制器相連，壓力傳感器將觸發信號傳給微控制器後，微控制器同步控制旋轉光電編 碼器發出開始計數，光電編碼器輸出的脈衝信號通過微控制器計數並轉換成夯錘上升的位 移量，兩次夯錘的位移量之差就是夯實深度。 2、使用效果好，實用價值高，實際使用過程中，首先將壓力傳感器作為測量控制信 號和計數信號給微控制器，當前次夯錘落下且本次起吊的瞬間，壓力傳感器給微控制器一 個觸發信號，微控制器接到信號後開始對光電編碼器輸出的脈衝信號進行計數，從而確定 夯錘上升的高度。當接近開關檢測到夯錘達到指定高度後接近開關發出停止計數信號，計 數結束。最後通過微控制器對計數結果進行處理和運算後，所測深度呈現近似雙曲線形式 的收斂，再由微控制器判斷被夯擊基礎是否達到預先設定的施工要求值，來決定是繼續夯 擊還是完成該次作業。而每次夯擊後的數據將存入微處理器，由於所用處理器的容量較小， 所以在此設備中加入了大容量存儲接口 CH376，使得大量數據可以長期保存。其次經傳感器 測量的數據可以實時的顯示在觸控螢幕上，通過屏幕還可以查看歷史記錄，其中通過觸屏上 的按鍵根據施工要求設置夯擊深度以及達到指定深度後自動報警使得夯擊施工效率和精 度得到了很大的提高，最後夯擊的歷史數據通過印表機列印，為工程質量的評判提供了可 靠依據。 3、採用了先進的增量式旋轉編碼器，具有體積小、精度高、測量準且測量方便等優 點，大大降低勞動強度且保障了勞動者的人身安全，節省時間且提高了勞動生產率，同時對 施工質量也可以準確控制。駕駛員或監理人員可以通過屏幕實時顯示施工情況和通過列印 機或顯示器查看施工歷史記錄，並且存儲的歷史記錄可以通過USB接口在電腦上查看，同 時還為強夯施工資料庫的建立提供了重要的數據，可以避免對同類型的基礎施工設計進行 重複的土質機理研究，從而使得強夯施工設計工作量大幅度減小，並且節約了更多的人力 和財力。 綜上所述，本實用新型設計合理、接線方便、成本低且使用操作簡便、使用效果好， 其利用光電編碼器、接近開關與壓力傳感器以及微控制器來實現對夯錘夯擊深度的實時測 量，完全取代了現有夯擊深度的人工測量方式，不僅避免了誤差，為確定地面是否達到強度 要求提供了準確依據，而且減少了勞動強度，通過自動化測控系統完全代替了重複且繁瑣 的人力勞動，並且對施工質量的優劣程度進行了準確控制，最終達到了節約成本和提高效率的目的。 下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1為本實用新型的電路原理框圖。
圖2為本實用新型的夯擊深度測試單元和信號觸發單元的布設位置結構示意圖, 附圖標記說明
2_夯擊深度測試單元；2-1-光電編碼器；
1- 微控制器；
2- 2-接近開關；
3- 強夯機主臂；
4- 2-信號放大及整形 電路；
9-印表機；
12-USB接口 ； 15-
2-3-主動齒輪；
4-信號觸發單元； 7-時鐘晶片;
10-串口擴展電路
13-存儲器；
16-巻筒。
2-4-從動齒輪； 4-1-壓力傳感器； 8-供電單元；
11-大容量存儲設備接 口晶片；
14-液晶觸摸顯示屏；
具體實施方式如圖1、圖2所示，本實用新型包括為各用電單元進行供電的供電單元8、微控制器 1、與微控制器1相接的夯擊深度測試單元2、夯擊過程中對強夯機主臂3臂架的變形量進行 實時檢測並相應輸出一個階躍信號至微控制器1且由微控制器1根據所述階躍信號相應控 制夯擊深度測試單元2進行深度測試的信號觸發單元4、由微控制器1進行控制的報警單元 以及分別與微控制器1相接的參數設置單元和顯示器，所述信號觸發單元4和報警單元均 與微控制器1相接，所述供電單元8分別與夯擊深度測試單元2和微控制器1相接。所述 夯擊深度測試單元2包括實時對強夯機巻筒旋轉軸的轉動角度進行檢測的光電編碼器2-1 且對夯錘位置進行實時檢測的接近開關2-2，所述光電編碼器2-1和接近開關2-2均與微控 制器1相接，所述接近開關2-2為超聲波接近開關。同時，本實用新型還包括與微控制器1 相接的時鐘晶片7。所述光電編碼器2-1為增量式旋轉光電編碼器。 本實施例中，所述信號觸發單元4包括實時對強夯機主臂3臂架所受壓力變化量 進行實時檢測的壓力傳感器4-l和與壓力傳感器4-l相接的信號放大及整形電路4-2，所述 信號放大及整形電路4-2與微控制器1相接。所述壓力傳感器4-1設置在強夯機主臂3後 部。所述報警單元為聲光報警裝置15。所述參數設置單元和顯示器集成設置為與微控制器 1相接的液晶觸摸顯示屏14。所述微控制器1為晶片MSP430F149。 所述光電編碼器2-1通過齒輪傳動機構安裝在所述巻筒旋轉軸上，所述齒輪傳動 機構包括同軸安裝在所述巻筒旋轉軸上且隨所述巻筒旋轉軸同步轉動的主動齒輪2-3和 與主動齒輪2-3相嚙合的從動齒輪2-4，光電編碼器2-1安裝在從動齒輪2-4上。所述接近 開關2-2設置在強夯機主臂3上部。所述主動齒輪2-3為大齒輪，所述從動齒輪2-4為小 齒輪。 所選用的光電編碼器2-1直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈衝A、B和Z相；A和B兩組脈衝相位差為90° ，正轉時A相超前B相，反轉時B相超前A相，從而可方便地判 斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈衝，用於基準點定位，這樣就可以設定只在夯錘上升那 一刻進行測量，避免了測量誤差。由於光電編碼器2-l需要安裝在強夯機的巻筒旋轉軸上， 但是巻筒16的軸端都裝有離合器，巻筒16和離合器軸的旋轉有可能不同步，從而導致測量 誤差很大，因而在巻筒16的端蓋上安裝一個大齒輪，它與巻筒16同軸旋轉，通過所述大齒 輪帶動一個小齒輪，光電編碼器2-1安裝在該小齒輪上，通過設定大小齒輪之間的傳動比， 即可以準確測量巻筒16轉過的角度，從而確定夯擊深度。 另外，本實用新型還包括分別與微控制器1相接的串口擴展電路IO和存儲器13 以及分別與串口擴展電路10相接的印表機9和大容量存儲設備接口晶片11，所述大容量存 儲設備接口晶片11與USB接口 12相接，所述供電單元8與印表機9相接。 本實用新型的工作過程是夯擊工作開始之前，監理人員按施工要求將停夯時的 最後兩次夯實深度平均值通過參數設置單元進行預先設定。夯擊過程中，每次夯錘下落後 起吊的瞬間，由於土地吸附力作用，此時強夯機主臂3的臂架受力變形量最大，此時壓力傳 感器4-1將感應到的壓力信號通過信號放大及整形電路4-2轉化後產生一個觸發(階躍) 信號並上傳至微控制器l，微控制器1檢測到此階躍信號後對光電編碼器2-1發送控制指 令，由於涉及到風力和晃動對主臂3的影響，觸發信號必須達到觸發下限值後方可觸發，微 控制器1檢測到此觸發信號時發出指令給光電編碼器2-1 ;之後，光電編碼器2-1開始輸出 脈衝，輸出的脈衝信號傳送給微控制器1進行計數，當夯錘上升到接近開關2-2預先設定的 高度時，接近開關2-2向微控制器1反饋信號且微控制器1相應發出停止計數信號，此時微 控制器1按照一定的算法對測得的數據進行處理後並在顯示器上進行同步顯示。由於本實 用新型只需要檢測夯擊深度，所以用夯擊深度測試單元2與微控制器1相結合所測得的後 一次測量值減去前一次測量值則得到各次的夯擊深度，則可將懸掛滾筒的鋼絲繩的變形量 相互抵消掉，因此可以準確測得夯擊深度。當夯擊深度到達預先設定值後，微控制器1控制 聲光報警裝置15開始報警，提示工作人員夯擊動作完成。每次夯擊後的實時數據均存儲在 存儲器13中，同時本實用新型還外接有USB接口 12，微控制器1通過USB接口 12可將夯擊 過程中夯擊深度測試單元2所測得的實時數據在PC機中進行查看，並且數據存儲時間大約 為一個月。任何時候，駕駛員或監理人員想要查看施工數據都可以通過印表機9直接列印 或在液晶觸摸顯示屏14上查看強夯施工歷史數據。綜上，查看方式非常簡單，當按下液晶 觸摸顯示屏14中參數設置單元上的查看鍵後，系統會提示輸入時間段，當輸入時間段後通 過上下翻頁鍵即可顯示施工記錄，如果需要，可按下鍵盤上的列印鍵，並輸入時間段，則想 要查看的數據就像超市購物的清單一樣清晰的呈現給監理人員和業主，並可作為施工原始 記錄資料保存。其中，印表機9和大容量存儲均是通過串口擴展電路10進行的。另外，通 過液晶觸摸顯示屏14中的參數設置單元還可以設定系統時鐘等，使得系統時鐘準確易調， 即使在掉電狀態下系統時鐘仍能正確運行，並且鍵盤面板和實時顯示面板均可在液晶觸摸 顯示屏14上進行顯示。整個系統的時鐘可以用時鐘晶片7進行控制和設定，從而使得系統 時鐘準確易調，即使在掉電狀態下系統時鐘仍能正確運行。 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限制，凡是根 據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍 屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。
權利要求一種基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於包括為各用電單元進行供電的供電單元(8)、微控制器(1)、與微控制器(1)相接的夯擊深度測試單元(2)、夯擊過程中對強夯機主臂(3)臂架的變形量進行實時檢測並相應輸出一個階躍信號至微控制器(1)且由微控制器(1)根據所述階躍信號相應控制夯擊深度測試單元(2)進行深度測試的信號觸發單元(4)、由微控制器(1)進行控制的報警單元以及分別與微控制器(1)相接的參數設置單元和顯示器，所述信號觸發單元(4)和報警單元均與微控制器(1)相接，所述供電單元(8)分別與夯擊深度測試單元(2)和微控制器(1)相接；所述夯擊深度測試單元(2)包括實時對強夯機捲筒旋轉軸的轉動角度進行檢測的光電編碼器(2-1)且對夯錘位置進行實時檢測的接近開關(2-2)，所述光電編碼器(2-1)和接近開關(2-2)均與微控制器(1)相接，所述接近開關(2-2)為超聲波接近開關。
2. 按照權利要求1所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於所述信 號觸發單元(4)包括實時對強夯機主臂(3)臂架所受壓力變化量進行實時檢測的壓力傳感 器(4-1)和與壓力傳感器(4-1)相接的信號放大及整形電路(4-2)，所述信號放大及整形電 路(4-2)與微控制器(1)相接。
3. 按照權利要求2所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於所述壓 力傳感器(4-1)設置在強夯機主臂(3)後部。
4. 按照權利要求1、2或3所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於 所述光電編碼器(2-1)通過齒輪傳動機構安裝在所述巻筒旋轉軸上，所述齒輪傳動機構包 括同軸安裝在所述巻筒旋轉軸上且隨所述巻筒旋轉軸同步轉動的主動齒輪(2-3)和與主 動齒輪(2-3)相嚙合的從動齒輪(2-4)，光電編碼器(2-1)安裝在從動齒輪(2-4)上。
5. 按照權利要求4所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於所述接 近開關(2-2)設置在強夯機主臂(3)上部。
6. 按照權利要求1、2或3所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於 所述參數設置單元和顯示器集成設置為與微控制器(1)相接的液晶觸摸顯示屏(14)。
7. 按照權利要求1、2或3所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於 還包括分別與微控制器(1)相接的串口擴展電路(10)和存儲器(13)以及分別與串口擴展 電路(10)相接的印表機(9)和大容量存儲設備接口晶片(ll)，所述大容量存儲設備接口芯 片(11)與USB接口 (12)相接，所述供電單元(8)與印表機(9)相接。
8. 按照權利要求1、2或3所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於 所述報警單元為聲光報警裝置(15)。
9. 按照權利要求1、2或3所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於 所述微控制器(1)為晶片MSP430F149。
10. 按照權利要求1、2或3所述的基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，其特徵在於 還包括與微控制器(1)相接的時鐘晶片(7)。
專利摘要本實用新型公開了一種基於光電編碼器的強夯深度檢測系統，包括供電單元、微控制器、與微控制器相接的夯擊深度測試單元、夯擊過程中對強夯機主臂臂架變形量進行實時檢測並相應輸出一個階躍信號至微控制器且由微控制器根據所述階躍信號相應控制夯擊深度測試單元進行深度測試的信號觸發單元、報警單元以及參數設置單元和顯示器；夯擊深度測試單元包括實時對強夯機捲筒旋轉軸的轉動角度進行檢測的光電編碼器且對夯錘位置進行實時檢測的接近開關，光電編碼器和接近開關均與微控制器相接。本實用新型設計合理、成本低且使用操作簡便、使用效果好，完全取代了現有夯擊深度的人工測量方式，不僅減少了誤差，而且大大減少了勞動強度，提高了施工效率。
文檔編號E02D33/00GK201546244SQ20092024549
公開日2010年8月11日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者司癸卯, 孫恆, 宋建安, 張青蘭, 段立立, 章偉達, 薛有民 申請人:長安大學