專利名稱：模型試驗中地下工程掘進控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種試驗模型領域，尤其是一種模型試驗中地下工程掘進控制系統。
背景技術：
21世紀是人類開發利用地下空間的世紀。隨著我國國民經濟的快速發展，許多在建和即將新建的地下工程不斷走向深部。目前深部巖體工程問題已成為巖石力學與工程領域研究的熱點問題。針對深部巖體復雜的力學變形特性，需要借助模型試驗進行研究。模型試驗是根據一定的相似原理對特定工程地質問題進行縮尺研究的一種方法， 主要用于研究大型地下洞室群結構圍巖穩定和支護系統優化設計、驗證數值模擬結果及合理施工方案的重要手段。物理模型是真實的物理實體，能同時考慮多種因素，能模擬多種復雜的邊界條件，在基本滿足相似原理的條件下，它能更真實地反映地質構造和工程結構的空間、時間關系，能更準確地模擬施工過程影響，且模型從彈性到塑性變形以至最終的破壞，其過程和結果都具有直觀性，能給人以直接的感受。另外，我們還可以通過物理模型試驗，對各種數值分析的結果進行校核和驗證，充分發揮各種科學手段的優越性。由于模型采用相似比尺縮放，模型掘進尺寸較小，掘進工序的施工空間有限，因此在模型掘進過程中如何控制掘進進尺和防止超欠挖是進行模型試驗的一個難點，對實驗數據的準確性和試驗成功與否有重要的影響。
發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種模型試驗中地下工程掘進控制系統，其結構簡單，易于實現，可指導模型試驗掘進過程，精確控制掘進進尺和減少超欠挖情況。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種模型試驗中地下工程掘進控制系統，包括驅動裝置和光發射定位裝置，光發射定位裝置設置在驅動裝置上且與計算機相連；所述驅動裝置包括互相契合在一起的豎向平臺和水平平臺，豎向平臺上設有用于驅動豎向平臺的步進電機I，水平平臺上設有用于驅動水平平臺的步進電機II，步進電機I和步進電機II均與所述單片機相連，單片機與所述計算機相連；水平平臺上還設有試驗平臺，試驗平臺上設有光發射定位裝置。所述豎向平臺和水平平臺之間及試驗平臺與水平平臺之間均通過楔形滑動槽相互契合。所述試驗平臺上還設有調平水準泡。所述光發射定位裝置由控制系統、顯示系統、激光發射系統、光電接收系統、光反射結構和后處理系統組成，所述控制系統、顯示系統、激光發射系統和光電接收系統均與后處理系統相連。所述控制系統還與所述計算機相連。所述的后處理系統包括相連的計數器和數字信號處理器，數字信號處理器與所述控制系統和顯示系統相連；所述的激光發射系統包括相連的驅動電路和激光發射器，所述驅動電路與數字信號處理器相連；所述光電接收系統包括相連的光電轉換器和門電路，所述門電路與計數器相連。激光發射器為半導體激光器。所述激光發射器發射的激光通過光反射結構進入光電轉換器。所述光反射結構包括置于掘進器材上的反射鏡、反射鏡與激光發射器間的分光鏡、與分光鏡呈固定高度的固定反射鏡，激光經分光鏡分成反射光和透射光，反射光射到固定反射鏡并反射，透射光透射到掘進器材上的反射鏡并反射，兩者在分光鏡匯合成相干光束射到光電轉換器。本發明研究了模型試驗中地下工程掘進控制系統，解決了掘進過程中掘進進尺精確控制和超欠挖控制的問題。與前人研究相比，可以顯著降低隧道掘進過程中掘進進尺和超欠挖問題對試驗的影響；驅動裝置使用單片機操作兩個步進電機，可以精確控制系統的位置，模擬不同的掘進輪廓，從而滿足各種模型試驗掘進尺寸要求；光發射定位裝置由激光發射系統、光電接收系統和后處理系統組成，不僅可以指導掘進方向，還可以精確顯示掘進進尺，從而實現掘進進尺精確控制和超欠挖控制。
圖1是本發明實施例的結構框圖；其中1.驅動裝置；2.光發射定位裝置；3.單片機，4.計算機。圖2為模型試驗中地下工程掘進控制系統驅動裝置；其中2.光發射定位裝置，11.豎向平臺，12.楔形滑動槽，13.水平平臺，14.步進電機I，15.試驗平臺，16.步進電機II，17.調平水準泡。圖3為模型試驗中地下工程掘進控制用光發射定位裝置；其中21.控制系統、22.數字信號處理器、23.計數器，24.驅動電路，25.激光發射器，26.光反射結構，27.光電轉換器，28.門電路，29.顯示系統，30.激光發射系統， 31.光電接收系統，32.后處理系統。圖4為光反射結構及光發射定位裝置干涉定位方法原理圖。其中25.激光發射器，27.光電轉換器，41.分光鏡，42.固定反射鏡，43.反射鏡。
具體實施例方式下面通過具體實例對本發明進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，并不對其內容進行限定。如圖1所示，一種模型試驗中地下工程掘進控制系統，包括驅動裝置1和光發射定位裝置2，光發射定位裝置2設置在驅動裝置1上且與所述計算機4相連。如圖2所示，所述驅動裝置1包括互相契合在一起的豎向平臺11和水平平臺13， 豎向平臺11上設有用于驅動豎向平臺11的步進電機I 14，水平平臺13上設有用于驅動水平平臺13的步進電機II 16，步進電機I 14和步進電機II 16均與所述單片機3相連，步進電機I 14和步進電機II 16均通過相應的傳動機構驅動豎向平臺11和水平平臺13運動，所述傳動機構為一帶有螺母的絲杠；單片機3與計算機4相連；水平平臺13上還設有試驗平臺15，試驗平臺15上設有光發射定位裝置2和調平水準泡17。所述豎向平臺11和水平平臺13通過楔形滑動槽12相互契合，所述試驗平臺15與水平平臺13通過楔形滑動槽 12相互契合。驅動裝置1的作用是驅動豎向平臺11和水平平臺13分別沿豎向和水平方向作步進運動，從而使位于水平平臺13上的試驗平臺15可在豎向和水平方向組成的平面內作步進運動，通過單片機3輸入指令控制步進電機，使試驗平臺15可在平面內按設定軌道運動， 可精確控制系統21的位置，模擬不同的掘進輪廓，從而滿足各種模型試驗掘進尺寸要求。豎向平臺11的作用是支撐其上裝置，并支撐裝置在豎向的位移；楔形滑動槽12 的作用是平臺與平臺間發生相對位移的連接部分；水平平臺13的作用是支撐上部結構， 并支撐裝置在水平方向的位移；步進電機I 14的作用是驅動豎向平臺11使其可在豎直方向進行步進運動；試驗平臺15的作用是其上的調平水準泡17可對裝置進行調平；承載光發射定位裝置2 ；步進電機II 16的作用是驅動水平平臺13使其可在水平方向進行步進運動；光發射定位裝置2的作用是用于模擬掘進或其他因素影響下的模型試驗地下工程施工過程，指導掘進方向，控制掘進進尺，防止超欠挖情況的發生，有利于提高模型試驗施工的精確性以及加快工程掘進的進度；調平水準泡17的作用是裝置的調平。如圖3所示，所述光發射定位裝置2由控制系統21、顯示系統四、激光發射系統 30、光電接收系統31、光反射結構沈和后處理系統32組成，所述控制系統21、顯示系統29、 激光發射系統30和光電接收系統31均與后處理系統32相連。所述控制系統21還與所述計算機4相連。所述的后處理系統32包括相連的計數器23和數字信號處理器22，數字信號處理器22與所述控制系統21和顯示系統四相連；所述的激光發射系統30包括相連的驅動電路M和激光發射器25，所述驅動電路M與數字信號處理器22相連；所述光電接收系統31 包括相連的光電轉換器27和門電路觀，所述門電路28與計數器23相連。激光發射器25為半導體激光器。光發射定位裝置2的作用是用于模擬掘進或其他因素影響下的模型試驗地下工程施工過程，指導掘進方向，控制掘進進尺，防止超欠挖情況的發生，有利于提高模型試驗施工的精確性以及加快工程掘進的進度。所述激光發射器25發射的激光通過光反射結構沈進入光電轉換器27。驅動電路M的作用是驅動激光發射器25發射激光；激光發射器25擬采用半導體激光器，具有體積小、結構簡單、穩定性好的特點，所發射的650nm的紅色可見激光，不僅可以清晰瞄準，還有利于保護眼睛，其的作用是發射激光；數字信號處理器22的作用是 作為系統的核心部件，對各個可編程芯片進行控制和初始化、對采集的數據進行數字鑒相以及對數據進行綜合處理。將控制系統21輸入的指令傳遞給驅動電路24，因此本專利擬采用市面上常見的TMS320VCM02芯片；接收計數器23計算出的脈沖信號數，計算出距掘進面的距離；光電轉換器擬采用雪崩光電二極管APD，具有對微弱信號敏感及信號轉換過程不失真的特點，其作用是將激光發射器25發射的光信號轉換為門電路觀可接收的電信號； 門電路觀的作用是接收電信號并輸出為脈沖信號；計數器23的作用是對接收到的脈沖信號進行計算；控制系統21的作用是發出指令，控制裝置發射激光；顯示系統四的作用是顯示掘進進尺。如圖4所示，所述光反射結構沈包括置于掘進器材上的反射鏡43、反射鏡43與激光發射器25間的分光鏡41、與分光鏡41呈固定高度h的固定反射鏡42，激光經分光鏡41 分成反射光和透射光，反射光射到固定反射鏡42并反射，透射光透射到掘進器材上的反射鏡43并反射，兩者在分光鏡41匯合成相干光束射到光電轉換器。光發射定位裝置干涉定位方法原理如圖4所示。實施過程中，數字信號處理器22 將控制電路輸入的指令傳遞給驅動電路M，控制半導體激光器發射出650nm的紅色可見激光，經分光鏡41分成反射光投射到固定反射鏡42并反射，以及透射光透射到安裝在掘進器材上的光反射結構26并反射，兩者在分光鏡41匯合成相干光束，然后被光電轉換器接收并轉換成電信號，經過后處理由計數器23計數。由于分光鏡41與固定反光鏡的距離已知，數字信號處理器22計算并顯示出距掘進面的距離。由于測距精度足夠高，該發明可以精確計算并顯示掘進進尺，同時發射的紅色可見光可以保證掘進的方向，防止超欠挖的發生。整個系統的操作過程驅動裝置1在單片機4的控制下驅動安裝有光發射定位裝置2的試驗平臺15按照設計的軌道運動，模擬不同開挖掘進輪廓；依托于干涉原理的光發射定位系統在模型試驗地下工程掘進過程中指導掘進方向，實時顯示掘進進尺，可防止超欠挖情況的發生，有利于提高模型試驗施工的精確性以及加快工程掘進的進度。
權利要求
1.一種模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于，包括驅動裝置和光發射定位裝置，光發射定位裝置設置在驅動裝置上且與計算機相連；所述驅動裝置包括互相契合在一起的豎向平臺和水平平臺，豎向平臺上設有用于驅動豎向平臺的步進電機I，水平平臺上設有用于驅動水平平臺的步進電機II，步進電機I和步進電機II均與所述單片機相連，單片機與所述計算機相連；水平平臺上還設有試驗平臺，試驗平臺上設有光發射定位裝置。
2.根據權利要求1所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于，所述試驗平臺上還設有調平水準泡。
3.根據權利要求1所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于，所述豎向平臺和水平平臺之間及試驗平臺與水平平臺之間均通過楔形滑動槽相互契合。
4.根據權利要求1-3任一項所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于， 所述光發射定位裝置由控制系統、顯示系統、激光發射系統、光電接收系統、光反射結構和后處理系統組成，所述控制系統、顯示系統、激光發射系統和光電接收系統均與后處理系統相連；所述控制系統還與所述計算機相連。
5.根據權利要求4所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于，所述的后處理系統包括相連的計數器和數字信號處理器，數字信號處理器與所述控制系統和顯示系統相連；所述的激光發射系統包括相連的驅動電路和激光發射器，所述驅動電路與數字信號處理器相連；所述光電接收系統包括相連的光電轉換器和門電路，所述門電路與計數器相連。
6.根據權利要求5所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征是，激光發射器為半導體激光器。
7.根據權利要求5所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于，所述激光發射器發射的激光通過光反射結構進入光電轉換器。
8.根據權利要求7所述的模型試驗中地下工程掘進控制系統，其特征在于，所述光反射結構包括置于掘進器材上的反射鏡、反射鏡與激光發射器間的分光鏡、與分光鏡呈固定高度的固定反射鏡，激光經分光鏡分成反射光和透射光，反射光射到固定反射鏡并反射，透射光透射到掘進器材上的反射鏡并反射，兩者在分光鏡匯合成相干光束射到光電轉換器。
全文摘要
本發明涉及一種模型試驗中地下工程掘進控制系統，包括驅動裝置和光發射定位裝置，光發射定位裝置設置在驅動裝置上且與計算機相連；所述驅動裝置包括互相契合在一起的豎向平臺和水平平臺，豎向平臺上設有用于驅動豎向平臺的步進電機I，水平平臺上設有用于驅動水平平臺的步進電機II，步進電機I和步進電機II均與所述單片機相連，單片機與所述計算機相連；水平平臺上還設有試驗平臺，試驗平臺上設有光發射定位裝置。本發明可以顯著降低隧道掘進過程中掘進進尺和超欠挖問題對試驗的影響，實現掘進進尺精確控制和超欠挖控制。
文檔編號E21D9/04GK102410025SQ20111022656
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者馮現大, 周毅, 宋曙光, 李利平, 李術才, 許振浩 申請人:山東大學