用于盾构机刀具磨损检测的传感器及装置、刀具系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及盾构机刀具技术领域，具体地说，涉及用于盾构机刀具磨损检测的传 感器及盾构机刀具磨损检测装置、盾构机刀具系统。
【背景技术】
[0002] 盾构掘进机(简称盾构机)是用于隧道、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检测方法主要有:停机检查法、阈值检测法、掘进参数 估计法和在线检测法等。
[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以及实施操作，该 方式的检查方式虽然直观，但频繁停机可能造成因周边土体失稳引发重大事故。
[0005] 阈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 这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检测。
[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]在线检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、接收器以及发射器，电磁压力传感器设 置在刀头内，这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， 达到检测目的。然而，受到安装方式的影响，现有的在线检测法所检测到的刀具磨损量存在 较大的误差。
[0008] 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检测装置，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，本发明提供了一种用于盾构机刀具磨损检测的传感器，所述传 感器包括梯形电容网络，其中，所述梯形电容网络包括：
[0010] 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；
[0011] 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。
[0012] 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]。
[0013] 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。
[0014]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。
[0015] 根据本发明的一个实施例，相邻第一电容之间的间距的取值范围包括[1mm，3mm]。
[0016] 根据本发明的一个实施例，所述传感器还包括：
[0017] 电容网络套，所述梯形电容网络设置在所述电容网络套内；
[0018] 和/或，第一外接线和第二外接线，所述第一外接线和第二外接线分别与所述梯形 电容网络的第一外接端口和第二外接端口连接。
[0019] 本发明还提供了一种盾构机刀具磨损检测装置，所述装置包括如上任一项所述的 传感器。
[0020] 根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：
[0021] 信号调理电路，其与所述传感器连接，用于对所述传感器输出的表征所述传感器 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；
[0022]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 盾构机刀具的磨损量数据。
[0023]根据本发明的一个实施例，所述信号调理电路包括串联的运算放大电路和整形滤 波电路。
[0024]根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路包括模数转换电路和处理器，所述 模数转换电路连接在所述信号调理电路和处理器之间。
[0025] 根据本发明的一个实施例，所述装置还包括：
[0026] 信号发射电路，其与所述信号处理电路连接，用于将所述磨损量数据转换为无线 信号向外发射；
[0027]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。
[0028] 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盾构机刀具的磨损量数据。
[0029] 根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路根据如下表达式计算所述梯形电容 网络的当前阶数：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] 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，&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。
[0034]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：
[0035]盾构机刀具；
[0036] 如上任一项所述的盾构机刀具磨损检测装置，其传感器设置在所述盾构机刀具中 并延伸至所述盾构机刀具的刀面处。
[0037] 根据本发明的一个实施例，所述盾构机刀具中形成有导孔，所述传感器设置在所 述导孔中，所述导孔的端口处形成有螺纹孔。
[0038] 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。
[0039] 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以确定出盾构机刀具 的磨损形状。
[0040] 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 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
[0042] 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；
[0043] 图2是根据本发明一个实施例的传感器的结构示意图；
[0044] 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；
[0045] 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；
[0046] 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】
[0047] 以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以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0048] 同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实 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，本发明可以不用这里的具 体细节或者所描述的特定方式来实施。
[0049] 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。
[0050] 如图1所示，传感器中的梯形电容网络包括若干第一电容Q和若干第二电容