[发明专利]一种测量盾构机出料体积的系统及其方法

权利要求书

1.一种盾构机出料体积测量系统，其特征在于，包括：超声波测距仪、测速齿盘、单片机、显示装置、键盘、数据存储器、电源模块，超声波测距仪包括超声波发射器和超声波接收器，超声波探头接I/O口实现超声波的发射和接收，多个超声波测距仪安装在由两个竖直支柱和横梁组成的支架的横梁上，测速齿盘安装在带动皮带转动的轮轴上，用于测量运输皮带的移动速度。

2.根据权利要求1所述的盾构机出料体积测量系统，所述单片机为AT89C52单片机，包括40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，数据存储包括256字节的内部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字节的片内EEPROM和可扩展至64K的外部数据存储器。

3.根据权利要求2所述的盾构机出料体积测量系统，所述测量系统的电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、单片机电路、显示电路、键盘电路、数据存储电路、数据传输电路与电源电路；单片机电路采用单一+5V电源供电，封装具有逻辑操作位寻址功能、采用双列直插40PinDIP封装，CPU由运算和控制逻辑组成、同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器，RAM用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据，ROM用以存放程序、一些原始数据和表格，I/O口具有四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出，单片机电路还包括2个可编程定时/计数器，5个中断源，2个优先级（52有6个），外部数据存储器寻址空间为64kB，外部程序存储器寻址空间为64kB，一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信，片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接，最佳振荡频率为6M—12M。

4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的盾构机出料体积测量系统的盾构机出料体积的测算方法，包括：测量盾构机出料皮带上物料的各点的高度h_i，测量各点位之间距离d_i，测量盾构机出料运输皮带的移动速度v，使用计算公式计算在时刻T_i和T_j之间的时间段内盾构机的出料体积V，公式为：V=（h₁*d₁+h₂*d₂+…+h_n*d_n）*v_ij*（T_j-T_i），式中n为共测量的物料上表面的测点数目。

5.根据权利要求4所述的盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面各点位高度之前，设置刮板对物料进行简单的整平和轻微的压实，从而达到所测各点位的高度数据稳定，便于发现测量粗差的目的，并且此道工序的作用还在于简单压实后的出料体积更加符合物料装入转运车辆内的体积，从而为施工统筹和费用估算提供高精度的决策数据。

6.根据权利要求5所述的盾构机出料体积的测算方法，在测量出料皮带上物料上表面高度时可使用超声波测距仪进行测量，在刮板后安装一个支架1，支架由两个竖直的支柱和一个横梁组成，横梁上安置多个超声波测距仪2，所有超声波测距仪发射超声波的方向为垂直向下，首先测出空载时测距仪对应的各点和超声波测距仪之间的距离H_i0，然后测量出料时运输皮带上物料的上表面各点位和超声波测距仪之间的距离Hi，经过大量测试发现，为了避免测量盲区的出现且多组超声波之间不会产生较大的干扰，设置超声波测距仪的发射口距离刮板最下端的垂直距离为60cm~80cm，相邻两个超声波测距仪中心点间距为10cm~20cm，所有超声波测距仪所发射的超声波频率各不相同，测试发现用于土石类物料测量的超声波频率设置在40kHz~80kHz的区间内能够取得最好的反射和接收效果，超声波在空气中的传播速度与温度有关，所以在支架上安置温度测量装置进行超声波测距仪工作环境温度的实时测量，并根据修正模型对超声波在空气中的传播速度进行实时修正，模型为：v_声i=331.4+0.607t_i，其中v_声为超声波在空气中的传播速度，t为超声波测距仪工作环境的温度，进行运输皮带移动速度的测量时，在轴上安装一个有一个指针的测速齿盘如图11所示，通过测量单位时间内测速齿盘的旋转周数计算运输皮带的移动速度，公式为v=n2πr/M，其中v是皮带移动速度；r是带动皮带转动的轮轴半径；n是测速时间段内测速齿盘旋转的周数；M是测速时间，按照公式计算盾构机在时刻Tj和Ti时间内的出料体积，公式为：V=（（H₁-H₁₀）*d₁+（H₂-H₂₀）*d₂+…+（H_n-H_n0）*d_n）*v*（T_j-T_i） ； H=0.5* v_声ij *?t ； v_声ij=0.5*（331.4+0.607t_i+331.4+0.607t_j） ； v=n2πr/M。