一种盾构机刀具磨损检测装置及盾构机刀具系统的制作方法
一种盾构机刀具磨损检测装置及盾构机刀具系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及盾构机刀具技术领域，具体地说，设及一种盾构机刀具磨损检测装置 及盾构机刀具系统。
【背景技术】
[0002] 盾构掘进机(简称盾构机)是隧道、地铁建设的大型装备。在盾构机的施工中，刀具 是掘进过程中最重要的工具之一，在刀具到达磨损极限之前，必须更换刀具，否则可能造成 灾难性的工程事故。因此能否准确检查盾构机刀具磨损的情况直接关系到隧道施工能否正 常进行。
[0003] 目前对盾构机刀具磨损量的监测方法主要有停机检查法，阔值检测法、掘进参数 估计法和在线监测法等。
[0004] 停机检查法是在停机状态下由施工人员进入刀盘部位进行检查W及实施操作，该 方式的检查方式虽然直观，但频繁停机可能造成因周边±体失稳引发重大事故。
[0005] 阔值检测法主要利用添加在刀具内的金属探头或液体等判断刀具磨损状态，但是 运种方法只有在磨损量达到磨损极限时才能有效，不能实现对刀具磨损的实时监测。
[0006] 掘进参数估计法，其主要是由理想地质条件是掘进参数的经验曲线或由半经验公 式得到估算值，预测滚刀的磨损量。但一般的经验公式只适用于特定单一的地质条件，缺乏 普适性，试图从理论上精确计算盾构机刀具的磨损量有很大难度。
[0007] 在线监测法主要分为厚度检测式、摄像头观察式、断电感应式和电容传感器检测 式等。其中，厚度检测式主要包括压力传感器感知式和超声波探头探测式等。其中，压力传 感器感知式主要采用的设备包括电磁压力传感器、接收器W及发射器，电磁压力传感器设 置在刀头内，运种方式能够通过压力传感器感知磨损过程中外界的压力变化来监控刀具磨 损状态。超声波探头探测式主要通过安装在周边刮刀内的超声波探头测量金属厚度，将数 据由铺设在刀头里的信号线传送至蓝牙发射装置，再由蓝牙接收装置收集刮刀厚度信息， 达到监测目的。然而，受到安装方式的影响，现有的在线监测法所检测到的刀具磨损量存在 较大的误差。
[000引基于上述情况，针对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行的行业需求，研究 开发满足要求的刀具磨损状态安全监测装置，已成为掘进设备中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0009] 为解决上述问题，本发明提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，所述装置包括：
[0010] 多个梯形电容网络传感器，所述多个电容网络传感器分别配置在盾构机刀具的不 同位置处，用于根据各自的当前结构分别产生表征各自梯形电容网络的当前电容值的第一 电信号；
[0011] 信号调理电路，其与所述若干梯形电容网络传感器连接，用于分别对各个梯形电 容网络传感器传输来的第一电容号进行调理，得到对应的第二电信号；
[0012] 数据处理电路，其与所述信号调理电路连接，用于根据所述第二电信号确定所述 盾构机刀具中对应于各个梯形电容网络传感器位置处的磨损量数据W及磨损形状数据。
[0013] 根据本发明的一个实施例，同一盾构机刀具中所分布的所述梯形电容网络传感器 彼此间距相等。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述梯形电容网络包括：
[0015] 若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的 第一端形成所述梯形电容网络的第一外接端口；
[0016] 若干第二电容，所述第一电容网络的两端W及第一电容网络中两个相邻第一电容 的交点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所 述梯形电容网络的第二外接端口。
[0017] 根据本发明的一个实施例，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预设比值， 所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。
[0018] 根据本发明的一个实施例，所述第一电容网络的形状呈直线状。
[0019] 根据本发明的一个实施例，所述第一电容网络中相邻第一电容之间的间距相等。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：
[0021] 信号发射电路，其与所述数据处理电路连接，用于将所述磨损量数据和磨损形状 数据转换为无线信号向外发射；
[0022] 信号接收电路，其用于接收所述无线信号，并根据所述无线信号生成对应的第Ξ 电信号。
[0023] 根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路配置为根据所述第二电信号计算所 述梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据所述当前电容值计算所述梯 形电容网络的当前阶数，进而根据所述当前阶数确定所述梯形电容网络传感器位置处盾构 机刀具的磨损量数据。
[0024] 根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路配置为根据如下表达式计算所述梯 形电容网络的当前阶数：
[0028] 其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容值，Cl表示第一电容的电 容值，η表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i，k)和B(i，k)分别表示分子系数矩阵A 和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。
[0029] 本发明还提供了一种盾构机刀具系统，所述盾构机刀具系统包括：
[0030] 盾构机刀具；
[0031] 如上任一项所述的盾构机刀具磨损检测装置，其各个梯形电容网络传感器分别设 置在所述盾构机刀具中的不同位置处并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。
[0032] 根据本发明的一个实施例，所述盾构机刀具中形成有多个导孔，所述多个梯形电 容网络传感器分别对应设置在所述多个导孔中，所述导孔的端口处形成有螺纹孔。
[0033] 本发明首先提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感器，该传感器采用梯形电 容网络来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易于实现。同时，为了更加 准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本实施例中将传感器中梯形电容网络配置为整个网络 的电容值随阶数的减小而近似线性减小。
[0034] 本发明还提供了一种利用上述传感器对盾构机刀具磨损量进行检测的装置和系 统，相较于现有的盾构机磨损量检测装置，本发明所提供的装置能够更加准确地确定出盾 构机刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可W确定出盾构机刀具 的磨损形状。
[0035] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书W及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0036] 附图示出了本发明的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本发 明的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们 无意限制本发明的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可W被设计为多 个元件，或者多个元件也可W被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部 部件的元件也可W被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本发 明的示例性实施例W使本领域技术人员能够对本发明的各方面及其特征的优点理解得更 加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：
[0037] 图1是根据本发明一个实施例的传感器中梯形电容网络的结构示意图；
[0038] 图2是根据本发明一个实施例的传感器的结构示意图；
[0039] 图3是根据本发明一个实施例的盾构机刀具磨损检测装置的结构示意图；
[0040] 图4是根据本发明一个实施例的盾构机刀具与传感器的配置关系示意图；
[0041] 图5是根据本发明一个实施例的盾构机刀具中多个传感器的排布示意图。
【具体实施方式】
[0042] W下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据W实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例W及各实施例中的各个特征可W相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0043] 同时，在W下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，W提供对本发明实 施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可W不用运里的具 体细节或者所描述的特定方式来实施。
[0044] 为了克服现有盾构机刀具磨损检测装置所存在的问题，本实施例首先提供了一种 新的用于盾构机磨损检测的梯形电容网络传感器，该传感器包括梯形电容网络，图1示出了 该传感器中梯形电容网络的结构示意图。
[0045] 如图1所示，传感器中的 梯形电容网络包括若干第一电容Cl和若干第二电容C2。运 些第一电容Cl串联形成第一电容网络101，其中，第一电容网络101的第一端A形成整个梯形 电容网络的第一外接端口。同时，第一电容网络101的两端(包括第一端A和第二端B)w及第 一电容网络中相邻第一电容Cl的交点均与一第二电容C2的第一端连接，各个第二电容C2的 第二端通过导线连接并形成整个梯形电容网络的第二外接端口。
[0046] 从上述描述可W看出，图1所示的梯形电容网络可W根据所包含的第二电容C2的 数量而视为具有对应的阶数。例如，假设梯形电容网络包含有i个第二电容C2,那么该梯形 电容网络的阶数则为i。
[0047] 需要指出的是，在本发明的不同实施例中，梯形电容网络的总阶数可W根据实际 需要进行配置，本发明不限于此。例如，在保证检测结果具有相同准确性和精确性时，如果 所要检测的盾构机刀具的厚度较厚，那么所选择的梯形电容网络的总阶数则需要较高，运 样梯形电容网络的总长度也就较长;而如果所需要检测的盾构机刀具的厚度较薄时，那么 所选择的梯形电容网络的总阶数则可W较低，运样梯形电容网络的总长度也就较短。
[0048] 为了保证检测结果的准确性，本实施例中，梯形电容网络中第一电容网络101呈直 线状，同时，第一电容网络101中相邻第一电容Cl之间的间距相等。具体地，本实施例中，第 一电容网络101中相邻第一电容Cl之间的间距优选地设置为2mm。需要指出的是，在本发明 的其他实施例中，根据检测需要，梯形电容网络中第一电容网络的形状还可W为其他合理 形状(例如波浪状等），本发明不限于此。
[0049] 同时，在本发明的其他实施例中，第一网络101中相邻第一电容Cl之间的间距也可 W不相等，并且第一网络101中相邻第一电容Cl之间的间距还可W为其他合理值（例如 [1mm，3mm ]中的其他合理值等），本发明同样不限于此。
[0050] 对于现有的采用电阻来进行盾构机刀具磨损量在线检测的装置来说，由于随着电 阻磨损量的增加，装置的阻值变化并未是线性增长的，而运也就导致了检测到的磨损量存 在较大误差。
[0051] 为了保证传感器所检测到的刀具磨损量更加准确，本实施例中将梯形电容网络配 置为容值随刀具磨损量的增加而近似线性减小。为此，本实施例将梯形电容网络中的第一 电容Cl的容值与第二电容C2容值之比配置为大于预设比值，具体地，该预设比值优选地设置 为1000。运样，梯形电容网络的容值将会随电容网络阶数的增加而近似呈线性增长，当梯形 电容网络的阶数随盾构机刀具磨损量的增大而减小时，梯形电容网络的容值将随其阶数的 减小而近似线性减小，从而有助于提高最终检测结果的准确性。
[0052] 需要指出的是，为了保证梯形电容网络的总容值将随电容网络阶数的增加近似呈 线性增长，在本发明的其他实施例中，上述预设比值还可W配置为其他合理值(例如预设比 值的取值还可W为[800,1200]中的其他合理值），本发明不限于此。
[0053]当梯形电容网络中的第一电容Cl的容值与第二电容C2容值之比大于预设比值时， 整个梯形电容网络的容值可W根据如下表达式求得：
[0化4]
( 1)
[0055] 其中，C(i)表示阶数为i的梯形电容网络的当前电容，Cl表示第一电容的电容值，η 表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i，k)和B(i，k)分别表示分子系数矩阵A和分母 系数矩阵B中第i行第k列的元素。
[0056] 本实施例中，A(i，k)和B(i，k)可W分别分别根据如下表达式确定得到：
[0059] 运样，通过计算整个梯形电容网络的当前容值便可W得到该梯形电容网络所对应 的当前阶数，而根据梯形电容网络所对应的当前阶数则可W确定出该梯形电容网络的当前 长度，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位置，可W由该梯形电容网络的当前 长度确定出盾构机刀具的当前厚度。而盾构机刀具的原始厚度是已知的，因此由盾构机刀 具的当前厚度也就可W确定出盾构机刀具的磨损量，从而实现对盾构机刀具的磨损检测。
[0060] 当然，当确定出梯形电容网络的当前长度后，结合梯形电容网络的原始长度便可 W确定出梯形电容网络的长度变化值，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位 置，根据该长度变化值便可W确定出盾构机刀具的磨损量。例如，通过合理配置梯形电容网 络在盾构机刀具中的位置，盾构机刀具的磨损量的长度变化值也即盾构机刀具的磨损量。
[0061] 图2示出了本实施例所提供的用于盾构机刀具磨损检测的传感器的结构示意图。
[0062] 如图2所示，除梯形电容网络之外，本实施例所提供的传感器还包括：电容网络套 201、螺纹套202、第一外接线203和第二外接线204。其中，梯形电容网络设置在电容网络套 201内，螺纹套202与电容网络套201连接。本实施例中，螺纹套202的外壁形成有螺纹，运样 梯形梯形电容网络便可W通过螺纹套202可靠地固定在盾构机刀具内部。第一外接线203和 第二外接线204分别与梯形电容网络的第一外接端口和第二外接端口连接，用W将梯形电 容网络的输出的信号传输到外部。为了保证梯形电容网络的安装效果，本实施例中，螺纹套 203的外径优选地大于或等于电容网络套的外径。
[0063] 需要指出的是，在本发明的其他实施例中，梯形电容网络还可W通过其他合理的 方式来固定在盾构机刀具内部，本发明不限于此。例如在发明的一个实施例中，还可w通过 灌注胶体的方式来将梯形电容网络固定在盾构机刀具内部。
[0064] 本实施例还提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，该装置采用了如上所述的传感 器。此外，为了确定出盾构单据的磨损量，该装置还包括了相关的外围电路。具体地，如图3 所示，本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置包括:传感器301、信号调理电路302W及 数据处理电路303。
[0065] 如图4所示盾构机刀具系统，本实施例中，传感器301通过形成在盾构机刀具401中 的导孔402安装在盾构机刀具内部。该导孔的端口处（即尾部)形成有与传感器的螺纹套配 合的螺纹孔403,运样传感器便可W可靠地安装固定在盾构机内部。传感器产生的信号便可 W通过信号线404(包括第一外接线和第二外接线)传导出盾构机刀具401。为了准确确定出 盾构机刀具的磨损量，本实施例中，传感器中梯形电容网络远离螺纹套的一段优选地延伸 至靠近盾构机刀具的刀面405位置处。
[0066] 需要指出的是，在本发明的不同实施例中，传感器与盾构机刀具本体所呈的交互 更具实际需要还可W配置为不同的角度值，本发明不限于此。例如，对于同一传感器，在满 足刀具配置要求的情况下，其与盾构机刀具的刀面所呈的角度越小，其对于盾构机刀具磨 损量的检测也就越精确。
[0067] 再次如图3所示，本实施例中，信号调理电路302与传感器301连接，其用于对传感 器301输出的表征该传感器中梯形电容网络的当前电容值的第一电信号进行调理，得到第 二电信号。本实施例中，信号调理电路302优选地包括运算放大电路和滤波整形电路。当然， 在本发明的其他实施例中，信号调理电路302也可W包含其他合理的电路结构，用W实现其 他合理的功能，本发明不限于此。
[0068] 数据处理电路303与信号调理电路302连接，其用于根据信号调理电路302输出的 第二电信号确定出盾构机刀具的磨损量。具体地，本实施例中，数据处理电路303优选地包 括模数转换电路和处理器。该处理器为微处理器，其中，模数转换电路连接在信号调理电路 302与微处理器之间，其用于对第二电信号进行模数转换，并将得到的数字信号传输给微处 理器。
[0069] 本实施例中，微处理器首先根据模数转换电路传来的数字信号计算得传感器301 中梯形电容网络的当前电容值c(i)，随后根据计算得到的当前电容值C(i)利用表达式（1) 计算得到梯形电容网络当前阶数i。由于对于某一传感器来说，其梯形电容网络的结构是固 定的，因此梯形电容网络的阶数与梯形网络的长度（即传感器的长度)之间的对应关系也是 固定的，运样微处理器也就可W根据梯形电容网络的当前阶数i确定出梯形电容网络的当 前长度。而根据梯形电容网络当前的长度W及梯形电容网络的原始长度也就可W确定出梯 形电容网络的长度变化量，进而根据梯形电容网络的长度变化量确定出盾构机刀具的磨损 量。
[0070] 本实施例中，传感器采用了电容构成的梯形网络结构形式，其中第一电容Cl的容 值优选地设置为lOnF，第二电容C2的容值优选地设置为lOpF，运样第一电容Cl与第二电容C2 的比值为则1000,即第二电容C2与第一电容Cl的比值η为0.001。相邻的第一电容C l的间距优 选地设置为2mm。
[0071] 此时，当切削类刀具每磨损2mm，相当于梯形电容网络的阶数减少1阶。根据实际需 要，如果切削类刀具的最大磨损量为40mm，那么则采用20阶梯形电容网络的传感器。
[0072] 表1示出了本实施例中1~20阶梯形电容网络的电容值与磨损量的具体对应关系：
[0073] 表 1
[0074]
[0075]
[0076] 从表1所示的数据可W看出，在本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置中，随 着刀具磨损量的增加，传感器的梯形电容网络的总容值是近似线性减小的，运样也就使得 该检测装置所检测到的刀具磨损量更加准确。
[0077] 对于某一传感器来说，其只能够通过自身电容的变化反映出该传感器自身位置处 的刀具磨损量，却无法准确、全面地的反映出整个刀具不同位置处的磨损量W及磨损形状。
[0078] 为了更加准确、全面的获取盾构机刀具的磨损状态，在本发明的一个实施例中，盾 构机刀具磨损检测装置中还可W配备多个传感器，运些传感器可W根据需要安装在盾构机 刀具的不同位置处。具体地，如图5所示，在该实施例中，同一盾构机刀具中的传感器优选地 采用等间距且相互平行的方式进行配置。当然，在本发明的其他实施例中，同一盾构机刀具 中传感器的配置方式还可W采用其他合理方式（例如不等间距且/或彼此存在一定角度 差），本发明不限于此。
[0079] 对应于上述多个传感器，盾构机刀具磨损检测装置中还可W配备多个信号调理电 路W及数据处理电路。当然，盾构机刀具磨损检测装置还可W采用同一套具有多通道的信 号调理电路和数据处理电路来根据上述多个传感器输出的第一电信号确定出运些传感器 各自位置处的磨损量数据。同时，根据所得到的运些传感器各自位置处的磨损量数据，数据 处理电路还可W确定出盾构机刀具的磨损形状数据等。
[0080] 本实施例中，为了使得盾构机的操作人员能够方便的获取到数据处理电路所确定 出的盾构机刀具磨损量数据，本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置还包括信号发射 电路304和信号接收电路305。其中，信号发射电路304与数据处理电路303连接，用于将数据 处理电路303所生成的磨损量数据和磨损形状数据转换为无线信号向外发送。其中，信号发 射电路304优选地设置在盾构机刀具的刀盘背面。
[0081] 信号接收电路305优选地设置在隧道掘进机的前盾位置处，其能够接收信号发射 电路304所发出的无线信号，并将该无线信号转换为对应的电信号（即第Ξ电信号)传输给 隧道掘进机的盾构主控室。运样也就将盾构机刀具的磨损数据传输给了盾构主控室，从而 方便处于盾构主控室内的操作人员进行观察分析。
[0082] 本发明还提供了一种盾构机刀具磨损检测系统，该系统包括盾构机刀具W及如上 所述的盾构机刀具磨损检测装置。各个梯形电容网络分别设置在盾构机刀具中的不同位置 处并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。
[0083] 从上述描述中可W看出，本发明首先提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感 器，该传感器采用梯形电容网络来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易 于实现。同时，为了更加准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本实施例中将传感器中梯形电 容网络配置为整个网络的电容值随阶数的减小而近似线性减小。
[0084] 本发明还提供了一种利用上述传感器对盾构机刀具磨损量进行检测的装置和系 统，相较于现有的盾构机磨损量检测装置，本发明所提供的装置能够更加准确地确定出盾 构机刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可W确定出盾构机刀具 的磨损形状。
[0085] 应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于运里所公开的特定结构、处理步骤 或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的运些特征的等同替代。还应当理 解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0086] 说明书中提到的"一个实施例"或"实施例"意指结合实施例描述的特定特征、结构 或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语"一个实 施例"或"实施例"并不一定均指同一个实施例。
[0087] 虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术 人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可W在形式上、用法及实施的细节 上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
【主权项】
1. 一种盾构机刀具磨损检测装置，其特征在于，所述装置包括： 多个梯形电容网络传感器，所述多个电容网络传感器分别配置在盾构机刀具的不同位 置处，用于根据各自的当前结构分别产生表征各自梯形电容网络的当前电容值的第一电信 号； 信号调理电路，其与所述若干梯形电容网络传感器连接，用于分别对各个梯形电容网 络传感器传输来的第一电容号进行调理，得到对应的第二电信号； 数据处理电路，其与所述信号调理电路连接，用于根据所述第二电信号确定所述盾构 机刀具中对应于各个梯形电容网络传感器位置处的磨损量数据以及磨损形状数据。2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，同一盾构机刀具中所分布的所述梯形电容网 络传感器彼此间距相等。3. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述梯形电容网络包括： 若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的第一 端形成所述梯形电容网络的第一外接端口； 若干第二电容，所述第一电容网络的两端以及第一电容网络中两个相邻第一电容的交 点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所述梯 形电容网络的第二外接端口。4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预 设比值，所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。5. 如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述第一电容网络的形状呈直线状。6. 如权利要求3~5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一电容网络中相邻第一 电容之间的间距相等。7. 如权利要求1~6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 信号发射电路，其与所述数据处理电路连接，用于将所述磨损量数据和磨损形状数据 转换为无线信号向外发射； 信号接收电路，其用于接收所述无线信号，并根据所述无线信号生成对应的第三电信 号。8. 如权利要求1~7中任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理电路配置为根据 所述第二电信号计算所述梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据所述 当前电容值计算所述梯形电容网络的当前阶数，进而根据所述当前阶数确定所述梯形电容 网络传感器位置处盾构机刀具的磨损量数据。9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数据处理电路配置为根据如下表达式计 算所述梯形电容网络的当前阶数：其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容值，C1表示第一电容的电容值， η表不第二电容与第一电容的电容值之比，A(i，k)和B(i，k)分别表不分子系数矩阵A和分母 系数矩阵B中第i行第k列的元素。10. -种盾构机刀具系统，其特征在于，所述盾构机刀具系统包括： 盾构机刀具； 如权利要求1~9中任一项所述的盾构机刀具磨损检测装置，其各个梯形电容网络传感 器分别设置在所述盾构机刀具中的不同位置处并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。11. 如权利要求10所述的盾构机刀具系统，其特征在于，所述盾构机刀具中形成有多个 导孔，所述多个梯形电容网络传感器分别对应设置在所述多个导孔中，所述导孔的端口处 形成有螺纹孔。
【专利摘要】一种盾构机刀具磨损检测装置及盾构机刀具系统，该装置包括：多个梯形电容网络传感器，多个电容网络传感器分别配置在盾构机刀具的不同位置处，用于根据各自的当前结构分别产生表征各自梯形电容网络的当前电容值的第一电信号；信号调理电路，其与若干梯形电容网络传感器连接，用于分别对若干梯形电容网络传感器传输来的第一电容号进行调理，得到对应的第二电信号；数据处理电路，其与信号调理电路连接，用于根据第二电信号确定盾构机刀具中对应于各个梯形电容网络传感器位置处的磨损量数据以及磨损形状数据。该装置能够实现对盾构机刀具不同位置处的磨损量以及磨损形状的准确检测。
【IPC分类】G01B7/06, E21D9/08
【公开号】CN105486216
【申请号】CN201511028294
【发明人】程永亮, 暨智勇, 夏毅敏, 兰浩, 薛静, 苏翠侠, 李建芳
【申请人】中国铁建重工集团有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月31日
【技术领域】
[0001] 本发明设及盾构机刀具技术领域，具体地说，设及一种盾构机刀具磨损检测装置 及盾构机刀具系统。
【背景技术】
[0002] 盾构掘进机(简称盾构机)是隧道、地铁建设的大型装备。在盾构机的施工中，刀具 是掘进过程中最重要的工具之一，在刀具到达磨损极限之前，必须更换刀具，否则可能造成 灾难性的工程事故。因此能否准确检查盾构机刀具磨损的情况直接关系到隧道施工能否正 常进行。
[0003] 目前对盾构机刀具磨损量的监测方法主要有停机检查法，阔值检测法、掘进参数 估计法和在线监测法等。
[0004] 停机检查法是在停机状态下由施工人员进入刀盘部位进行检查W及实施操作，该 方式的检查方式虽然直观，但频繁停机可能造成因周边±体失稳引发重大事故。
[0005] 阔值检测法主要利用添加在刀具内的金属探头或液体等判断刀具磨损状态，但是 运种方法只有在磨损量达到磨损极限时才能有效，不能实现对刀具磨损的实时监测。
[0006] 掘进参数估计法，其主要是由理想地质条件是掘进参数的经验曲线或由半经验公 式得到估算值，预测滚刀的磨损量。但一般的经验公式只适用于特定单一的地质条件，缺乏 普适性，试图从理论上精确计算盾构机刀具的磨损量有很大难度。
[0007] 在线监测法主要分为厚度检测式、摄像头观察式、断电感应式和电容传感器检测 式等。其中，厚度检测式主要包括压力传感器感知式和超声波探头探测式等。其中，压力传 感器感知式主要采用的设备包括电磁压力传感器、接收器W及发射器，电磁压力传感器设 置在刀头内，运种方式能够通过压力传感器感知磨损过程中外界的压力变化来监控刀具磨 损状态。超声波探头探测式主要通过安装在周边刮刀内的超声波探头测量金属厚度，将数 据由铺设在刀头里的信号线传送至蓝牙发射装置，再由蓝牙接收装置收集刮刀厚度信息， 达到监测目的。然而，受到安装方式的影响，现有的在线监测法所检测到的刀具磨损量存在 较大的误差。
[000引基于上述情况，针对大型全断面掘进装备工作效率和安全运行的行业需求，研究 开发满足要求的刀具磨损状态安全监测装置，已成为掘进设备中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0009] 为解决上述问题，本发明提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，所述装置包括：
[0010] 多个梯形电容网络传感器，所述多个电容网络传感器分别配置在盾构机刀具的不 同位置处，用于根据各自的当前结构分别产生表征各自梯形电容网络的当前电容值的第一 电信号；
[0011] 信号调理电路，其与所述若干梯形电容网络传感器连接，用于分别对各个梯形电 容网络传感器传输来的第一电容号进行调理，得到对应的第二电信号；
[0012] 数据处理电路，其与所述信号调理电路连接，用于根据所述第二电信号确定所述 盾构机刀具中对应于各个梯形电容网络传感器位置处的磨损量数据W及磨损形状数据。
[0013] 根据本发明的一个实施例，同一盾构机刀具中所分布的所述梯形电容网络传感器 彼此间距相等。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述梯形电容网络包括：
[0015] 若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的 第一端形成所述梯形电容网络的第一外接端口；
[0016] 若干第二电容，所述第一电容网络的两端W及第一电容网络中两个相邻第一电容 的交点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所 述梯形电容网络的第二外接端口。
[0017] 根据本发明的一个实施例，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预设比值， 所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。
[0018] 根据本发明的一个实施例，所述第一电容网络的形状呈直线状。
[0019] 根据本发明的一个实施例，所述第一电容网络中相邻第一电容之间的间距相等。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：
[0021] 信号发射电路，其与所述数据处理电路连接，用于将所述磨损量数据和磨损形状 数据转换为无线信号向外发射；
[0022] 信号接收电路，其用于接收所述无线信号，并根据所述无线信号生成对应的第Ξ 电信号。
[0023] 根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路配置为根据所述第二电信号计算所 述梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据所述当前电容值计算所述梯 形电容网络的当前阶数，进而根据所述当前阶数确定所述梯形电容网络传感器位置处盾构 机刀具的磨损量数据。
[0024] 根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路配置为根据如下表达式计算所述梯 形电容网络的当前阶数：
[0028] 其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容值，Cl表示第一电容的电 容值，η表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i，k)和B(i，k)分别表示分子系数矩阵A 和分母系数矩阵B中第i行第k列的元素。
[0029] 本发明还提供了一种盾构机刀具系统，所述盾构机刀具系统包括：
[0030] 盾构机刀具；
[0031] 如上任一项所述的盾构机刀具磨损检测装置，其各个梯形电容网络传感器分别设 置在所述盾构机刀具中的不同位置处并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。
[0032] 根据本发明的一个实施例，所述盾构机刀具中形成有多个导孔，所述多个梯形电 容网络传感器分别对应设置在所述多个导孔中，所述导孔的端口处形成有螺纹孔。
[0033] 本发明首先提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感器，该传感器采用梯形电 容网络来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易于实现。同时，为了更加 准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本实施例中将传感器中梯形电容网络配置为整个网络 的电容值随阶数的减小而近似线性减小。
[0034] 本发明还提供了一种利用上述传感器对盾构机刀具磨损量进行检测的装置和系 统，相较于现有的盾构机磨损量检测装置，本发明所提供的装置能够更加准确地确定出盾 构机刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可W确定出盾构机刀具 的磨损形状。
[0035] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书W及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0036] 附图示出了本发明的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本发 明的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们 无意限制本发明的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可W被设计为多 个元件，或者多个元件也可W被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部 部件的元件也可W被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本发 明的示例性实施例W使本领域技术人员能够对本发明的各方面及其特征的优点理解得更 加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：
[0037] 图1是根据本发明一个实施例的传感器中梯形电容网络的结构示意图；
[0038] 图2是根据本发明一个实施例的传感器的结构示意图；
[0039] 图3是根据本发明一个实施例的盾构机刀具磨损检测装置的结构示意图；
[0040] 图4是根据本发明一个实施例的盾构机刀具与传感器的配置关系示意图；
[0041] 图5是根据本发明一个实施例的盾构机刀具中多个传感器的排布示意图。
【具体实施方式】
[0042] W下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据W实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例W及各实施例中的各个特征可W相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0043] 同时，在W下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，W提供对本发明实 施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可W不用运里的具 体细节或者所描述的特定方式来实施。
[0044] 为了克服现有盾构机刀具磨损检测装置所存在的问题，本实施例首先提供了一种 新的用于盾构机磨损检测的梯形电容网络传感器，该传感器包括梯形电容网络，图1示出了 该传感器中梯形电容网络的结构示意图。
[0045] 如图1所示，传感器中的 梯形电容网络包括若干第一电容Cl和若干第二电容C2。运 些第一电容Cl串联形成第一电容网络101，其中，第一电容网络101的第一端A形成整个梯形 电容网络的第一外接端口。同时，第一电容网络101的两端(包括第一端A和第二端B)w及第 一电容网络中相邻第一电容Cl的交点均与一第二电容C2的第一端连接，各个第二电容C2的 第二端通过导线连接并形成整个梯形电容网络的第二外接端口。
[0046] 从上述描述可W看出，图1所示的梯形电容网络可W根据所包含的第二电容C2的 数量而视为具有对应的阶数。例如，假设梯形电容网络包含有i个第二电容C2,那么该梯形 电容网络的阶数则为i。
[0047] 需要指出的是，在本发明的不同实施例中，梯形电容网络的总阶数可W根据实际 需要进行配置，本发明不限于此。例如，在保证检测结果具有相同准确性和精确性时，如果 所要检测的盾构机刀具的厚度较厚，那么所选择的梯形电容网络的总阶数则需要较高，运 样梯形电容网络的总长度也就较长;而如果所需要检测的盾构机刀具的厚度较薄时，那么 所选择的梯形电容网络的总阶数则可W较低，运样梯形电容网络的总长度也就较短。
[0048] 为了保证检测结果的准确性，本实施例中，梯形电容网络中第一电容网络101呈直 线状，同时，第一电容网络101中相邻第一电容Cl之间的间距相等。具体地，本实施例中，第 一电容网络101中相邻第一电容Cl之间的间距优选地设置为2mm。需要指出的是，在本发明 的其他实施例中，根据检测需要，梯形电容网络中第一电容网络的形状还可W为其他合理 形状(例如波浪状等），本发明不限于此。
[0049] 同时，在本发明的其他实施例中，第一网络101中相邻第一电容Cl之间的间距也可 W不相等，并且第一网络101中相邻第一电容Cl之间的间距还可W为其他合理值（例如 [1mm，3mm ]中的其他合理值等），本发明同样不限于此。
[0050] 对于现有的采用电阻来进行盾构机刀具磨损量在线检测的装置来说，由于随着电 阻磨损量的增加，装置的阻值变化并未是线性增长的，而运也就导致了检测到的磨损量存 在较大误差。
[0051] 为了保证传感器所检测到的刀具磨损量更加准确，本实施例中将梯形电容网络配 置为容值随刀具磨损量的增加而近似线性减小。为此，本实施例将梯形电容网络中的第一 电容Cl的容值与第二电容C2容值之比配置为大于预设比值，具体地，该预设比值优选地设置 为1000。运样，梯形电容网络的容值将会随电容网络阶数的增加而近似呈线性增长，当梯形 电容网络的阶数随盾构机刀具磨损量的增大而减小时，梯形电容网络的容值将随其阶数的 减小而近似线性减小，从而有助于提高最终检测结果的准确性。
[0052] 需要指出的是，为了保证梯形电容网络的总容值将随电容网络阶数的增加近似呈 线性增长，在本发明的其他实施例中，上述预设比值还可W配置为其他合理值(例如预设比 值的取值还可W为[800,1200]中的其他合理值），本发明不限于此。
[0053]当梯形电容网络中的第一电容Cl的容值与第二电容C2容值之比大于预设比值时， 整个梯形电容网络的容值可W根据如下表达式求得：
[0化4]
( 1)
[0055] 其中，C(i)表示阶数为i的梯形电容网络的当前电容，Cl表示第一电容的电容值，η 表示第二电容与第一电容的电容值之比，A(i，k)和B(i，k)分别表示分子系数矩阵A和分母 系数矩阵B中第i行第k列的元素。
[0056] 本实施例中，A(i，k)和B(i，k)可W分别分别根据如下表达式确定得到：
[0059] 运样，通过计算整个梯形电容网络的当前容值便可W得到该梯形电容网络所对应 的当前阶数，而根据梯形电容网络所对应的当前阶数则可W确定出该梯形电容网络的当前 长度，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位置，可W由该梯形电容网络的当前 长度确定出盾构机刀具的当前厚度。而盾构机刀具的原始厚度是已知的，因此由盾构机刀 具的当前厚度也就可W确定出盾构机刀具的磨损量，从而实现对盾构机刀具的磨损检测。
[0060] 当然，当确定出梯形电容网络的当前长度后，结合梯形电容网络的原始长度便可 W确定出梯形电容网络的长度变化值，通过合理配置梯形电容网络在盾构机刀具中的位 置，根据该长度变化值便可W确定出盾构机刀具的磨损量。例如，通过合理配置梯形电容网 络在盾构机刀具中的位置，盾构机刀具的磨损量的长度变化值也即盾构机刀具的磨损量。
[0061] 图2示出了本实施例所提供的用于盾构机刀具磨损检测的传感器的结构示意图。
[0062] 如图2所示，除梯形电容网络之外，本实施例所提供的传感器还包括：电容网络套 201、螺纹套202、第一外接线203和第二外接线204。其中，梯形电容网络设置在电容网络套 201内，螺纹套202与电容网络套201连接。本实施例中，螺纹套202的外壁形成有螺纹，运样 梯形梯形电容网络便可W通过螺纹套202可靠地固定在盾构机刀具内部。第一外接线203和 第二外接线204分别与梯形电容网络的第一外接端口和第二外接端口连接，用W将梯形电 容网络的输出的信号传输到外部。为了保证梯形电容网络的安装效果，本实施例中，螺纹套 203的外径优选地大于或等于电容网络套的外径。
[0063] 需要指出的是，在本发明的其他实施例中，梯形电容网络还可W通过其他合理的 方式来固定在盾构机刀具内部，本发明不限于此。例如在发明的一个实施例中，还可w通过 灌注胶体的方式来将梯形电容网络固定在盾构机刀具内部。
[0064] 本实施例还提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，该装置采用了如上所述的传感 器。此外，为了确定出盾构单据的磨损量，该装置还包括了相关的外围电路。具体地，如图3 所示，本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置包括:传感器301、信号调理电路302W及 数据处理电路303。
[0065] 如图4所示盾构机刀具系统，本实施例中，传感器301通过形成在盾构机刀具401中 的导孔402安装在盾构机刀具内部。该导孔的端口处（即尾部)形成有与传感器的螺纹套配 合的螺纹孔403,运样传感器便可W可靠地安装固定在盾构机内部。传感器产生的信号便可 W通过信号线404(包括第一外接线和第二外接线)传导出盾构机刀具401。为了准确确定出 盾构机刀具的磨损量，本实施例中，传感器中梯形电容网络远离螺纹套的一段优选地延伸 至靠近盾构机刀具的刀面405位置处。
[0066] 需要指出的是，在本发明的不同实施例中，传感器与盾构机刀具本体所呈的交互 更具实际需要还可W配置为不同的角度值，本发明不限于此。例如，对于同一传感器，在满 足刀具配置要求的情况下，其与盾构机刀具的刀面所呈的角度越小，其对于盾构机刀具磨 损量的检测也就越精确。
[0067] 再次如图3所示，本实施例中，信号调理电路302与传感器301连接，其用于对传感 器301输出的表征该传感器中梯形电容网络的当前电容值的第一电信号进行调理，得到第 二电信号。本实施例中，信号调理电路302优选地包括运算放大电路和滤波整形电路。当然， 在本发明的其他实施例中，信号调理电路302也可W包含其他合理的电路结构，用W实现其 他合理的功能，本发明不限于此。
[0068] 数据处理电路303与信号调理电路302连接，其用于根据信号调理电路302输出的 第二电信号确定出盾构机刀具的磨损量。具体地，本实施例中，数据处理电路303优选地包 括模数转换电路和处理器。该处理器为微处理器，其中，模数转换电路连接在信号调理电路 302与微处理器之间，其用于对第二电信号进行模数转换，并将得到的数字信号传输给微处 理器。
[0069] 本实施例中，微处理器首先根据模数转换电路传来的数字信号计算得传感器301 中梯形电容网络的当前电容值c(i)，随后根据计算得到的当前电容值C(i)利用表达式（1) 计算得到梯形电容网络当前阶数i。由于对于某一传感器来说，其梯形电容网络的结构是固 定的，因此梯形电容网络的阶数与梯形网络的长度（即传感器的长度)之间的对应关系也是 固定的，运样微处理器也就可W根据梯形电容网络的当前阶数i确定出梯形电容网络的当 前长度。而根据梯形电容网络当前的长度W及梯形电容网络的原始长度也就可W确定出梯 形电容网络的长度变化量，进而根据梯形电容网络的长度变化量确定出盾构机刀具的磨损 量。
[0070] 本实施例中，传感器采用了电容构成的梯形网络结构形式，其中第一电容Cl的容 值优选地设置为lOnF，第二电容C2的容值优选地设置为lOpF，运样第一电容Cl与第二电容C2 的比值为则1000,即第二电容C2与第一电容Cl的比值η为0.001。相邻的第一电容C l的间距优 选地设置为2mm。
[0071] 此时，当切削类刀具每磨损2mm，相当于梯形电容网络的阶数减少1阶。根据实际需 要，如果切削类刀具的最大磨损量为40mm，那么则采用20阶梯形电容网络的传感器。
[0072] 表1示出了本实施例中1~20阶梯形电容网络的电容值与磨损量的具体对应关系：
[0073] 表 1
[0074]
[0075]
[0076] 从表1所示的数据可W看出，在本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置中，随 着刀具磨损量的增加，传感器的梯形电容网络的总容值是近似线性减小的，运样也就使得 该检测装置所检测到的刀具磨损量更加准确。
[0077] 对于某一传感器来说，其只能够通过自身电容的变化反映出该传感器自身位置处 的刀具磨损量，却无法准确、全面地的反映出整个刀具不同位置处的磨损量W及磨损形状。
[0078] 为了更加准确、全面的获取盾构机刀具的磨损状态，在本发明的一个实施例中，盾 构机刀具磨损检测装置中还可W配备多个传感器，运些传感器可W根据需要安装在盾构机 刀具的不同位置处。具体地，如图5所示，在该实施例中，同一盾构机刀具中的传感器优选地 采用等间距且相互平行的方式进行配置。当然，在本发明的其他实施例中，同一盾构机刀具 中传感器的配置方式还可W采用其他合理方式（例如不等间距且/或彼此存在一定角度 差），本发明不限于此。
[0079] 对应于上述多个传感器，盾构机刀具磨损检测装置中还可W配备多个信号调理电 路W及数据处理电路。当然，盾构机刀具磨损检测装置还可W采用同一套具有多通道的信 号调理电路和数据处理电路来根据上述多个传感器输出的第一电信号确定出运些传感器 各自位置处的磨损量数据。同时，根据所得到的运些传感器各自位置处的磨损量数据，数据 处理电路还可W确定出盾构机刀具的磨损形状数据等。
[0080] 本实施例中，为了使得盾构机的操作人员能够方便的获取到数据处理电路所确定 出的盾构机刀具磨损量数据，本实施例所提供的盾构机刀具磨损检测装置还包括信号发射 电路304和信号接收电路305。其中，信号发射电路304与数据处理电路303连接，用于将数据 处理电路303所生成的磨损量数据和磨损形状数据转换为无线信号向外发送。其中，信号发 射电路304优选地设置在盾构机刀具的刀盘背面。
[0081] 信号接收电路305优选地设置在隧道掘进机的前盾位置处，其能够接收信号发射 电路304所发出的无线信号，并将该无线信号转换为对应的电信号（即第Ξ电信号)传输给 隧道掘进机的盾构主控室。运样也就将盾构机刀具的磨损数据传输给了盾构主控室，从而 方便处于盾构主控室内的操作人员进行观察分析。
[0082] 本发明还提供了一种盾构机刀具磨损检测系统，该系统包括盾构机刀具W及如上 所述的盾构机刀具磨损检测装置。各个梯形电容网络分别设置在盾构机刀具中的不同位置 处并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。
[0083] 从上述描述中可W看出，本发明首先提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感 器，该传感器采用梯形电容网络来对盾构机刀具的磨损量进行检测。该传感器结构简单，易 于实现。同时，为了更加准确地检测出盾构机刀具的磨损量，本实施例中将传感器中梯形电 容网络配置为整个网络的电容值随阶数的减小而近似线性减小。
[0084] 本发明还提供了一种利用上述传感器对盾构机刀具磨损量进行检测的装置和系 统，相较于现有的盾构机磨损量检测装置，本发明所提供的装置能够更加准确地确定出盾 构机刀具的磨损量，同时，在需要的情况下，通过配置多个传感器还可W确定出盾构机刀具 的磨损形状。
[0085] 应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于运里所公开的特定结构、处理步骤 或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的运些特征的等同替代。还应当理 解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0086] 说明书中提到的"一个实施例"或"实施例"意指结合实施例描述的特定特征、结构 或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语"一个实 施例"或"实施例"并不一定均指同一个实施例。
[0087] 虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术 人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可W在形式上、用法及实施的细节 上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
【主权项】
1. 一种盾构机刀具磨损检测装置，其特征在于，所述装置包括： 多个梯形电容网络传感器，所述多个电容网络传感器分别配置在盾构机刀具的不同位 置处，用于根据各自的当前结构分别产生表征各自梯形电容网络的当前电容值的第一电信 号； 信号调理电路，其与所述若干梯形电容网络传感器连接，用于分别对各个梯形电容网 络传感器传输来的第一电容号进行调理，得到对应的第二电信号； 数据处理电路，其与所述信号调理电路连接，用于根据所述第二电信号确定所述盾构 机刀具中对应于各个梯形电容网络传感器位置处的磨损量数据以及磨损形状数据。2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于，同一盾构机刀具中所分布的所述梯形电容网 络传感器彼此间距相等。3. 如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述梯形电容网络包括： 若干第一电容，所述若干第一电容串联形成第一电容网络，所述第一电容网络的第一 端形成所述梯形电容网络的第一外接端口； 若干第二电容，所述第一电容网络的两端以及第一电容网络中两个相邻第一电容的交 点均与一第二电容的第一端连接，各个所述第二电容的第二端通过导线连接并形成所述梯 形电容网络的第二外接端口。4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一电容与第二电容的容值之比大于预 设比值，所述预设比值的取值范围包括[800，1200]。5. 如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述第一电容网络的形状呈直线状。6. 如权利要求3~5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一电容网络中相邻第一 电容之间的间距相等。7. 如权利要求1~6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括： 信号发射电路，其与所述数据处理电路连接，用于将所述磨损量数据和磨损形状数据 转换为无线信号向外发射； 信号接收电路，其用于接收所述无线信号，并根据所述无线信号生成对应的第三电信 号。8. 如权利要求1~7中任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理电路配置为根据 所述第二电信号计算所述梯形电容网络传感器中梯形电容网络的当前电容值，并根据所述 当前电容值计算所述梯形电容网络的当前阶数，进而根据所述当前阶数确定所述梯形电容 网络传感器位置处盾构机刀具的磨损量数据。9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述数据处理电路配置为根据如下表达式计 算所述梯形电容网络的当前阶数：其中，C(i)表示当前阶数为i的梯形电容网络的当前电容值，C1表示第一电容的电容值， η表不第二电容与第一电容的电容值之比，A(i，k)和B(i，k)分别表不分子系数矩阵A和分母 系数矩阵B中第i行第k列的元素。10. -种盾构机刀具系统，其特征在于，所述盾构机刀具系统包括： 盾构机刀具； 如权利要求1~9中任一项所述的盾构机刀具磨损检测装置，其各个梯形电容网络传感 器分别设置在所述盾构机刀具中的不同位置处并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。11. 如权利要求10所述的盾构机刀具系统，其特征在于，所述盾构机刀具中形成有多个 导孔，所述多个梯形电容网络传感器分别对应设置在所述多个导孔中，所述导孔的端口处 形成有螺纹孔。
【专利摘要】一种盾构机刀具磨损检测装置及盾构机刀具系统，该装置包括：多个梯形电容网络传感器，多个电容网络传感器分别配置在盾构机刀具的不同位置处，用于根据各自的当前结构分别产生表征各自梯形电容网络的当前电容值的第一电信号；信号调理电路，其与若干梯形电容网络传感器连接，用于分别对若干梯形电容网络传感器传输来的第一电容号进行调理，得到对应的第二电信号；数据处理电路，其与信号调理电路连接，用于根据第二电信号确定盾构机刀具中对应于各个梯形电容网络传感器位置处的磨损量数据以及磨损形状数据。该装置能够实现对盾构机刀具不同位置处的磨损量以及磨损形状的准确检测。
【IPC分类】G01B7/06, E21D9/08
【公开号】CN105486216
【申请号】CN201511028294
【发明人】程永亮, 暨智勇, 夏毅敏, 兰浩, 薛静, 苏翠侠, 李建芳
【申请人】中国铁建重工集团有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月31日
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