基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置及方法

摘要

本发明提供基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置，包括光纤光栅位置传感器组，安装在待检测设备的深孔中，且光纤光栅位置传感器的光纤末端位于待检测设备的磨损极限位置；分光系统，用于将光分别传输给每个光纤光栅位置传感器；解调系统，用于将从每个光纤光栅位置传感器返回的光解调成电信号；控制系统，用于控制分光系统的开关，并对解调系统解调的电信号进行分析，判断切削刀具、磨损检测刀具或刀盘中的任意一个或几个是否磨损及磨损位置。本发明不仅避免了传感器抗电磁干扰设计，也不会对盾构机刀具、刀盘的正常工作状态产生负面影响。

说明书

技术领域

本发明属于盾构机健康状态监测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置及方法。

背景技术

目前盾构工法已经在城市隧道（如地铁隧道、污水排放隧道、引水、供水隧道、江河湖海底隧道、电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道）建造中确立了比较高的地位，故有人将其称为城市隧道工法。随着上海第一次盾构法的成功，国内陆续开始了对该工法的尝试和探索。盾构机是依靠刀盘上的刀具切削土体不断掘进的，在掘进过程中，刀具不可避免的会受到冲击和磨损，其中刀具的磨损规律还没有被我们完全掌握，刀具的跟踪检测水平不够，刀具更换复杂困难、成本很高，进货周期很长，不但影响了整个工程的质量也会拖延工期。可见，掘削刀具的磨损是影响盾构法施工的一个急待解决的问题。而在特殊工况下，刀盘也可能直接磨损，刀盘的更换比刀具的更换更加复杂，对施工的影响更加的大，因而有必要对盾构机刀盘的磨损进行监测。

大量工程实践经验证明，盾构机刀具检查、更换与刀盘的维修等作业时间约占掘进施工总时间的30%到40%。并且盾构机的换刀过程比较复杂，刀具的更换很需要时间。更不要说刀盘的破坏对盾构机施工的影响。为了保障盾构机安全稳定运行，因此需要探寻盾构机刀具和刀盘磨损状态的准确监测方法。

现有技术（1）（参见“盾构刀具关键技术及其最新发展”，陈馈，《隧道建设》，第35卷第3期）开舱检查，这是最常用、最直接、最可靠的方法，停机后由人工进舱对刀具进行逐个检查，在不稳定地层中，开舱前需首先进行地层加固或带压作业，方可入舱检查，开舱检查虽直接有效，但却存在很高的风险，很可能由于掌子面不稳定而造成地面坍塌等事故。

现有技术（2）（参见“盾构刀具关键技术及其最新发展”，陈馈，《隧道建设》，第35卷第3期）磨损感应装置，在刀具内安装液压或电子传感器系统，一旦刀具磨损到一定程度就自动报警或指示，滚刀磨损感应装置则是采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刃尖，通过比较伸出行程与磨损前行程的差值判断滚刀的磨损量。此外还有一些采用液压短路、光纤维短路或超声波等方式来判断滚刀磨损的感应装置，由于感应装置只能在少量刀具上安装，应用范围小，使用效果受到很大限制。

现有技术（3）（参见“盾构刀具关键技术及其最新发展”，陈馈，《隧道建设》，第35卷第3期）通电式刀具磨损检测，在刀具制作时先将电线埋入刀具中，随着盾构的掘进，当刀具磨耗达到限定磨耗量时，通电电线被磨断，于是电路断路，通知外界。该方法简单直接，但不能连续定量检测刀具磨损的进展情况。针对切削类的盾构刀具，可优化设计通电式传感装置，实现连续定量检测磨损量。按间距设置多支通路随刀具磨损，使用单片机控制选通其中支路，通过电量判断其通断，从而得知刀具的磨损量。

从现有技术（1）中不难发现，这种传统的检测技术虽直接有效，但是本质上却存在着巨大的风险，在信息化的今天，这种传统的检测方式已跟不上时代的发展步伐。

从现有技术（2）、（3）中不难发现，这两种方式的应用范围较小，每一个检测单元需要一个单独的回路，其监测方法难以满足大容量的监测需求，且这两种方式现阶段都没有应用到刀盘的磨损检测上。

通过检索公开的技术报告、学术论文及发明专利等文献，并未发现盾构机磨损检测的直接监测方法，主要原因分析如下：1）用于监测的传感器不能破坏盾构机的正常工作状态，并且盾构机的工作环境恶劣复杂，对传感器的质量、体积、安装方式和传感类型提出严格要求；2）盾构机的刀盘是旋转体，滚筒上的传感器与传感信号处理模块之间不能是有线连接，对传感信号的传输方式有严格要求；3）盾构机刀具、刀盘工作环境恶劣复杂，需要大容量的整体监测才能较好的表征盾构机的磨损情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置及方法，不仅避免了传感器抗电磁干扰设计，也不会对盾构机刀具、刀盘的正常工作状态产生负面影响。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置，其特征在于：它包括：

由若干个结构相同的光纤光栅位置传感器构成的光纤光栅位置传感器组，每个光纤光栅位置传感器均包括一根光纤上的光栅，每个光纤光栅位置传感器安装在待检测设备的深孔中，且光纤光栅位置传感器的光纤末端位于待检测设备的磨损极限位置；所述的待检测设备包括待检测的切削刀具、磨损检测刀具和刀盘的刀座；

分光系统，用于将光分别传输给每个光纤光栅位置传感器，包括固定在后端的宽带光源和后端光分路器，随刀盘一起旋转的与每个光纤光栅位置传感器连接的前端光分路器，以及从宽带光源依次经过后端光分路器、前端光分路器最后分别到达每个光纤光栅位置传感器的传输光纤；后端光分路器和前端光分路器之间的传输光纤通过光纤旋转连接器和磁耦合同步盘连接；

解调系统，用于将从每个光纤光栅位置传感器返回的光解调成电信号；

控制系统，用于控制分光系统的开关，并对解调系统解调的电信号进行分析，判断切削刀具、磨损检测刀具或刀盘中的任意一个或几个是否磨损及磨损位置。

按上述装置，所述的磁耦合同步盘包括第一磁耦合同步盘、第二磁耦合同步盘和固定盘；其中，第一磁耦合同步盘设置在刀盘的转子内，通过轴承与刀盘的转子连接；第二磁耦合同步盘设置在刀盘的定子内，通过轴承与刀盘的定子连接，并通过磁耦合随第一磁耦合同步盘的转动而同步转动；固定盘固定在刀盘定子上；后端光分路器和前端光分路器之间的传输光纤依次从第一磁耦合同步盘和第二磁耦合同步盘的中间穿过，并在第二磁耦合同步盘与固定盘之间通过所述的光纤旋转连接器无线传输，再由固定盘中的传输光纤引出。

按上述装置，所述的光纤光栅位置传感器组由光纤光栅切削刀具位置传感器集群、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器和光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群构成；光纤光栅切削刀具位置传感器集群包括若干个设置在切削刀具深孔中的光纤光栅位置传感器，光纤光栅磨损检测刀具位置传感器为设置在磨损检测刀具深孔中的光纤光栅位置传感器，光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群包括若干个设置在刀盘的刀座深孔中的光纤光栅位置传感器。

按上述装置，所述的磨损极限位置包括三类，按照磨损程度的递增依次设定为磨损一度、磨损二度和磨损零界，分别有光纤光栅位置传感器的末端设置在这三类磨损极限位置上。

一种利用上述基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置实现的在线检测方法，其特征在于：接通分光系统，控制系统接收到解调系统解调的电信号，当电信号发生突变，判断对应的光纤光栅位置传感器所在位置发生磨损。

按上述方法，磨损极限位置包括三类，按照磨损程度的递增依次设定为磨损一度、磨损二度和磨损零界，分别有光纤光栅位置传感器的末端设置在这三类磨损极限位置上；根据发生突变信号对应的光纤光栅位置传感器所在位置，判断该位置发生磨损的程度。

按上述方法，根据得到的位置发生磨损的程度，发出对应的报警信号。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用光纤光栅位置传感器的质轻、体积小、本征绝缘、抗电磁干扰和无源传感的优点，引入光纤光栅位置传感器对盾构机刀具、刀盘磨损进行在线检测，只需要在待检测的刀具、刀盘可能会发生磨损的位置设置光纤光栅位置传感器，并使得光纤光栅位置传感器的光纤末端位于待检测设备的磨损极限位置，正常情况下返回的信号是一个稳定值，当磨损到该磨损极限位置时，光纤末端暴露出来，从而返回的信号发生突变，此时控制系统感受到了这一突变，从而判断对应位置已发生磨损了；本发明不仅避免了传感器抗电磁干扰设计，也不会对盾构机刀具、刀盘的正常工作状态产生负面影响。

2、本发明充分考虑到刀盘的旋转给信号传输带来的影响，通过磁耦合同步盘将随刀盘转子旋转的传输光纤和后端固定的传输光纤连接起来，解决了盾构机刀盘与宽带光源及解调系统之间的无线信号传输难题，且利用了分路器为信号传输构建“点对线”通道，降低了传感信号数据的传输容量限制，实现了盾构机刀具、刀盘磨损状态多点多参量的同步监测，为完成盾构机刀具、刀盘磨损监测提供充分的技术支撑。

3、本发明具有测量范围大、分辨率高和响应速度快的优点，不仅能够为盾构机刀具、刀盘磨损在线检测提供技术支持，也能够为其他旋转体机械监测提供技术借鉴，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为光纤旋转连接器和磁耦合同步装置的结构及安装示意图。

图3为光纤光栅位置传感器在切削刀具中的安装示意图。

图4为光纤光栅位置传感器在磨损检测刀具中的安装示意图。

图中：1、宽带光源，2、控制系统，3、后端光分路器，4、解调系统，5、光开关，6、光纤旋转连接器，7、磁耦合同步盘，7-1、第一磁耦合同步盘，7-2、第二磁耦合同步盘，7-3、固定盘，8、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅰ，9、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅱ，10、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅲ，11、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅳ，12、1×4光纤分路器，13、光纤分路器集群Ⅰ，14、光纤分路器集群Ⅱ，15、光纤分路器集群Ⅲ，16、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅰ，17、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅱ，18、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅲ，19光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅳ，20、光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群，21、刀盘，22、磨损极限位置，23、光纤光栅位置传感器，24、切削刀具，25、磨损检测刀具。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置，如图1至图4所示，包括：

由若干个结构相同的光纤光栅位置传感器23构成的光纤光栅位置传感器组，每个光纤光栅位置传感器23均包括一根光纤上的光栅，每个光纤光栅位置传感器23安装在待检测设备的深孔中，且光纤光栅位置传感器23的光纤末端位于待检测设备的磨损极限位置22；所述的待检测设备包括待检测的切削刀具23、磨损检测刀具25和刀盘21的刀座；

分光系统，用于将光分别传输给每个光纤光栅位置传感器23，包括固定在后端的宽带光源1和后端光分路器3，随刀盘一起旋转的与每个光纤光栅位置传感器23连接的前端光分路器，以及从宽带光源1依次经过后端光分路器3、前端光分路器最后分别到达每个光纤光栅位置传感器23的传输光纤；后端光分路器3和前端光分路器之间的传输光纤通过光纤旋转连接器6和磁耦合同步盘7连接；

解调系统4，用于将从每个光纤光栅位置传感器23返回的光解调成电信号；

控制系统2，用于控制分光系统的开关，并对解调系统4解调的电信号进行分析，判断切削刀具24、磨损检测刀具25或刀盘21中的任意一个或几个是否磨损及磨损位置。

进一步的，所述的磁耦合同步盘7包括第一磁耦合同步盘7-1、第二磁耦合同步盘7-2和固定盘7-3；其中，第一磁耦合同步盘7-1设置在刀盘21的转子内，通过轴承与刀盘21的转子连接；第二磁耦合同步盘7-2设置在刀盘21的定子内，通过轴承与刀盘21的定子连接，并通过磁耦合随第一磁耦合同步盘7-1的转动而同步转动；固定盘7-3固定在刀盘21的定子上；后端光分路器3和前端光分路器之间的传输光纤依次从第一磁耦合同步盘7-1和第二磁耦合同步盘7-2的中间穿过，并在第二磁耦合同步盘7-2与固定盘7-3之间通过所述的光纤旋转连接器6无线传输，再由固定盘7-3中的传输光纤引出。

具体的，所述的光纤光栅位置传感器组由光纤光栅切削刀具位置传感器集群（如图1的光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅰ8，光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅱ9，光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅲ10，光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅳ11）、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器（如图1的光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅰ16，光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅱ17，光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅲ18，光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅳ19）和光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群20构成；光纤光栅切削刀具位置传感器集群包括若干个设置在切削刀具24深孔中的光纤光栅位置传感器23，光纤光栅磨损检测刀具位置传感器为设置在磨损检测刀具25深孔中的光纤光栅位置传感器23，光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群包括若干个设置在刀盘21的刀座深孔中的光纤光栅位置传感器23。

在本实施例中，光系统还包括设置在后端光分路器3和光纤旋转连接器6之间的光开关5，光开关5由控制系统2控制。本实施例中，后端光分路器3为2×1分路器，光开关5为1×4 光开关，光纤旋转连接器6为4×4光纤旋转连接器，分出的四路传输光纤分别经过磁耦合同步装置传输给前端光分路器。由于光纤光栅位置传感器数量众多，可以每个切削刀具、磨损检测刀具、刀盘上分别设置1个或分散设置多个，因此前端光分路器可以采用尾纤熔合技术分为多个级联的形式。本实施例中前端光分路器包括1×4光纤分路器12、光纤分路器集群Ⅰ13、光纤分路器集群Ⅱ14和光纤分路器集群Ⅲ15，其中1×4光纤分路器12用于与光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅰ16、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅱ17、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅲ18和光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅳ19连接，光纤分路器集群Ⅰ13、和光纤分路器集群Ⅲ15用于与光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅰ8、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅱ9、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅲ10和光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅳ11连接，光纤分路器集群Ⅱ14用于与光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群20连接。

本实施例中，宽带光源1 的输出尾纤与光纤分路器3（2×1 光纤分路器）的输入尾纤熔接，解调系统4 的输入尾纤与光纤分路器3（2×1 光纤分路器）的输入尾纤熔接，光纤分路器3（2×1 光纤分路器）的输出尾纤与光开关5（1×4 光开关）的输入尾纤熔接；

光开关5（1×4 光开关）的4个输出尾纤依次分别与光纤旋转连接器6（4×4光纤旋转连接器）的4个输入尾纤熔接；光纤旋转连接器6（4×4光纤旋转连接器）的4个输出尾纤穿过磁耦合同步盘7后与1×4光纤分路器12、光纤分路器集群Ⅰ13、光纤分路器集群Ⅱ14、光纤分路器集群Ⅲ15的输入尾纤熔接；

1×4光纤分路器12的输出尾纤分别与光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅰ16、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅱ17、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅲ18和光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅳ19的输入尾纤熔接；

光纤分路器集群Ⅰ13的输出尾纤与光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅰ8、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅱ9的输入尾纤熔接；光纤分路器集群Ⅱ14的输出尾纤与光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群20的输入尾纤熔接；光纤分路器集群Ⅲ15的输出尾纤与光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅲ10和光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅳ11的输入尾纤熔接。

光开关5 与控制系统2通过RS232 数据线连接，解调系统4 与控制系统2 通过RS232 数据线连接。

本实施例中，所述的宽带光源1 为ASE 宽带光源，工作波长范围为1520nm 至1570nm、8 小时的输出功率稳定度≤ ±0.01dB、输出光波的偏振度≤ 0.01、输出光波的光谱平坦度≤ 0.5dB、输出光功率≥ 20mW ；光纤分路器3的耦合比为50:50，其输入尾纤和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28；解调系统4 的输入功率范围为-70dBm 至-30dBm、波长范围为1520nm 至1570nm、波长分辨率为1pm、波长精度为±40pm、功率分辨率为0.1dBm，具有RS232 通信接口，输入尾纤采用单模光纤SMF-28；光开关5 的波长范围为1260nm 至1650nm，相邻光通道的切换时间≤1ms，插入损耗≤0.5dB，具有RS232 通信接口，输入尾纤和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28。光纤旋转连接器6波长范围为1270nm 至1610nm，插入损耗≤5dB，回转损耗≥50dB，最大转速300转/分钟，预估寿命2亿转。1×4光纤分路器12的耦合比为25:25:25:25，其输入尾纤和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28。

光纤分路器集群Ⅰ13由五个耦合比均为25:25:25:25 的1×4 光纤分路器构成，其中1个1×4 光纤分路器的输入尾纤作为光纤分路器集群Ⅰ 13 的输入尾纤，它的四根输出尾纤分别与其它3个1×4 光纤分路器的输入尾纤熔接，其它3个1×4 光纤分路器的输出尾纤作为光纤耦合器集群Ⅰ13 的输出尾纤，光纤耦合器集群Ⅰ13的输出尾纤数目为16 根；光纤分路器集群Ⅲ 15与光纤分路器集群Ⅰ13 的构成方法相同；光纤分路器集群Ⅰ13和光纤分路器集群Ⅲ15的输入尾纤和输出尾纤全部采用单模光纤SMF-28。

光纤分路器集群Ⅱ14由一个耦合比为50:50的1×2光纤分路器和两个耦合比为25:25:25:25 的1×4 光纤分路器构成，其构成思路与光纤分路器集群Ⅰ13相同，光纤耦合器集群Ⅱ14的输出尾纤数目为8根，光纤分路器集群Ⅱ14的输入尾纤和输出尾纤全部采用单模光纤SMF-28。

光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅰ8、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅱ9、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅲ10、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅳ11、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅰ16、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅱ17、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅲ18、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅳ19、光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群20，分别对切削刀具、磨损损耗刀具和刀盘的磨损情况进行监测，每个光纤光栅位置传感器23的工作波长范围为1520nm至1560nm，光栅反射率≥90％。

光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅰ8、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅱ9、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅲ10、光纤光栅切削刀具位置传感器集群Ⅳ11分别由八个光纤光栅位置传感器组成，通过树脂粘接方式安装在切削刀具深孔中。

光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅰ16、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅱ17、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅲ18、光纤光栅磨损检测刀具位置传感器Ⅳ19分别通过树脂粘接方式安装在磨损检测刀具深孔中。

光纤光栅刀盘磨损位置传感器集群20由八个光纤光栅位置传感器组成，每个光纤光栅位置传感器通过硅胶密封在钢管中，钢管对光纤光栅起到保护的作用，然后再通过焊接方式安装在刀盘的刀座的深孔中。

优选的，所述的磨损极限位置包括三类，按照磨损程度的递增依次设定为磨损一度、磨损二度和磨损零界，分别有光纤光栅位置传感器的末端设置在这三类磨损极限位置上。

当盾构机工作时，刀盘旋转，一般工况下，在剪切力的作用下刀盘上的磨损检测刀具和切削刀具会发生磨损，当磨损量达到预定磨损量的时候需要更换刀具，以避免磨损刀盘；但在某些特殊工况下，在磨损检测刀具和切削刀具没有达到预定的磨损量时，刀盘就已经开始磨损。这就需要对盾构机磨损检测刀具、切削刀具和刀盘的磨损进行监测。

一种利用上述基于光纤传感的盾构机刀具、刀盘磨损在线检测装置实现的在线检测方法，接通分光系统，控制系统接收到解调系统解调的电信号，当电信号发生突变，判断对应的光纤光栅位置传感器所在位置发生磨损。

优选的，磨损极限位置包括三类，按照磨损程度的递增依次设定为磨损一度、磨损二度和磨损零界，分别有光纤光栅位置传感器的末端设置在这三类磨损极限位置上；根据发生突变信号对应的光纤光栅位置传感器所在位置，判断该位置发生磨损的程度。

本发明方法还可以根据得到的位置发生磨损的程度，发出对应的报警信号。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。