[发明专利]一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，包括滚刀刀轴轴端支撑结构，用于监测滚刀受力的传感器，信号处理模块，无线通讯模块，信号接收模块，上位机，软件系统。所述滚刀刀轴轴端支撑结构包括C型块，锁紧楔块。本发明通过测量支撑结构的弹性变形，并通过相应监测方法，得到最终的滚刀受力结果。本发明能精确测量滚刀受力情况，根据受力结果可以分析出前方地质情况，并对刀具状态有一定的评价作用。

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅传感器的滚刀受力在线监测装置。

背景技术

滚刀在实际工作过程中，受到三个方向的力的影响，以滚刀与岩石的接触点为基础，其中包括滚刀径向的法向力，垂直径向的滚动力，轴向方向的侧向力。滚刀受力过大易发生刀具损坏，受力过小降低切削效率，目前对滚刀受力状态没有完善的监测手段，天津大学侯振德发明的在线检测全断面硬地质掘进机滚刀受力的装置，用基础的应变片进行测量，但其测量的精确度和寿命都不高，无法满足当前工程需要。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，通过滚刀受力状态的实时监测，可以更好的控制机器推力，已达到减少滚刀损耗，进而提高工作效率的作用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测装置，包括滚刀受力检测组件、信号传输组件和上位机，滚刀受力检测组件和信号传输组件分别安装在滚刀刀座上，且所述滚刀受力检测组件，包括滚刀刀轴支撑构件、光纤光栅应变传感器和光纤线缆，光纤光栅应变传感器安装在滚刀刀轴支撑构件的C型块内，并通过光纤线缆将检测信号传输到信号传输组件的信号处理模块内，信号处理模块处理后通过无线通讯模块传输给上位机，上位机对接收的数据进行处理。

所述滚刀刀轴支撑构件，包括C型块和锁紧楔块，C型块安装在滚刀刀座上，且C型块包括受力面Ⅰ、受力面Ⅱ和检测面，受力面Ⅰ和受力面Ⅱ垂直设置并与滚刀刀轴轴端的端面接触，检测面上设置传感凹槽Ⅰ和传感凹槽Ⅱ，在传感凹槽Ⅰ和传感凹槽Ⅱ内分别安装有一个光纤光栅应变传感器，且两个光纤光栅应变传感器之间通过光纤串联连接，该处的光纤是通过光纤熔断方法实现的，在检测面上设置有线槽，线槽与传感凹槽Ⅱ相通，传感凹槽Ⅱ内的光纤光栅应变传感器经设置在线槽内的光纤线缆与信号处理模块连接；

锁紧楔块安装在滚刀刀座上且锁紧楔块的受力面与与滚刀刀轴轴端的斜端面接触并与受力面Ⅰ和受力面Ⅱ相配合将滚刀刀轴固定。

传感凹槽Ⅰ和传感凹槽Ⅱ上均设置有用于保护光纤光栅应变传感器的刚性耐磨板，使用刚性耐磨板对传感器进行保护，并做防水防油处理。

所述信号传输组件，包括信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块和供电电源，光纤光栅应变传感器经光纤线缆和信号接收模块将检测信号传输给信号处理模块内，信号处理模块处理后经无线通讯模块上传至上位机内，上位机将接收到信号进行处理并显示，供电电源给信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块供电。

一种基于光纤光栅传感器的盾构滚刀受力在线监测方法，步骤如下：

S1，搭建光纤光栅应变监测系统；

所述监测系统包括信号处理模块、无线通讯模块、信号接收模块、光纤光栅应变传感器、上位机；

S2，建立C型块应力载荷数学模型，并对C型块模型进行全域应力计算，寻找C型块外载荷应力集中区；

S3，在找到的C型块外载荷应力集中区布置所述光纤光栅应变监测系统；

S4，对所述C型块持续施加外载荷，光纤光栅监测系统通过信号接收模块采集光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量数据，并在上位机内绘制外载荷大小与所述光纤光栅应变传感器的中心波长偏移量数据的关系曲线；