隧道含水构造探测仪的研究与设计

发布时间：2017-06-10 17:20

  本文关键词：隧道含水构造探测仪的研究与设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伴随着一带一路的快速推进以及国家基础建设规模的极速扩张,隧道工程项目也逐年增多,因此在隧道挖掘过程中出现的安全问题也越来越受到重视。由于隧道工程基本都是在地质环境较为复杂的区域进行的,在挖掘过程中极易产生突水突泥等地质灾害,因此可能会对施工方造成巨大的经济损失,更严重的是会极大地威胁施工人员的自身生命安全。为解决此问题,就迫切需要超前地质预报,即是在项目开始之前通过地质预报来探测出隧道中的含水构造,明确地质情况,从而保证后期工程施工安全进行。具体来说,有很多种方法可以应用于隧道工程中岩层含水构造的探测,而其中电法中的激发极化法最为适合。本文基于这一需求,在研究了激发极化效应原理的基础上设计了一种隧道含水结构探测仪。根据最终装入TBM的探测仪的功能特点,详细说明了基于该方法的探测仪的设计方案,包括硬件和软件模块。首先系统的介绍了硬件模块的设计,主要包括恒流源模块、控制芯片、继电器阵及其驱动模块、USB模块、采集模块和电源模块。其次除硬件模块外,还采用C语言编写下位机软件,Visual C++集成开发环境编写了上位机软件,从用户角度有打开文件、测试接地电阻、进行系统设置、下达命令开始检测、查询历史曲线和退出程序几个常用操作。第三部分主要是仪器的整体实验,主要包括：利用电极测量接地电阻以观察供电电极与采集电极是否都已经和岩层接触良好,能确认接触后再使用恒流源对供电电极进行供电,可在上位机选择正向或反向供电方式,供电电极也是由上位机自行选择,供电一段时间后利用采集电极进行采集,所测出的数据会经过采集模块的分压、隔离、滤波和量程调整后传递到上位机进行处理、存储和显示,最终显示在上位机面板的即为完整的供、放电曲线和计算后的半哀时,根据半衰时可以得出岩层中的含水量。在此设计中,特别说明的是滤波模块在信号处理方面所发挥的重要作用,可以根据所需要的目标信号特点选择了巴特沃斯低通滤波器,设计出四阶的巴特沃斯低通滤波器,经过测试表明对信号具有良好的滤波效果,提高了探测仪的精确性。本文最后对仪器依次进行了通道校准、室内实验、室外模型实验以及现场实验,并对实验结果进行了详细分析,最终结果表明：仪器所测得的数据能够满足实际使用中高精度、高稳定性、使用灵活性的要求,在实践中证明了仪器的有效性。
【关键词】：隧道工程 含水构造 激发极化法 巴特沃斯滤波
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U452.1
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第1章 绪论14-20
• 1.1 工程背景14-15
• 1.2 隧道含水结构超前探测预报的主要方法15-16
• 1.3 激发极化法的研究现状16-18
• 1.4 全断面隧道掘进机的发展及应用18
• 1.5 论文安排18-19
• 1.6 本章小结19-20
• 第2章 隧道含水结构探测仪的总体设计20-32
• 2.1 激发极化法原理20-22
• 2.1.1 电子导体激发极化效应简介20
• 2.1.2 直流和交流激发极化法的优劣比较20-22
• 2.2 探测仪设计目标22-23
• 2.2.1 探测仪的功能与特点22
• 2.2.2 探测仪的性能与指标22-23
• 2.3 探测仪总体设计方案23-25
• 2.3.1 探测仪总体方案设计23-24
• 2.3.2 探测仪的工作原理24-25
• 2.4 模块功能描述25-29
• 2.4.1 CPU模块25
• 2.4.2 继电器阵列驱动模块25-26
• 2.4.3 继电器阵列26-27
• 2.4.4 分压、隔离、滤波与量程调整模块27-28
• 2.4.5 大功率恒流源模块28-29
• 2.4.6 A/D采样模块29
• 2.4.7 USB模块29
• 2.5 安全措施29-30
• 2.6 本章小结30-32
• 第3章 探测仪硬件设计32-44
• 3.1 系统整体硬件说明32
• 3.2 大功率恒流源的设计和工作原理32-36
• 3.3 控制芯片STM32的最小系统36
• 3.4 继电器阵驱动原理36-37
• 3.5 USB传输模块37
• 3.6 采集信号的硬件处理37-39
• 3.7 电源的设计39
• 3.8 低通滤波器的设计39-43
• 3.8.1 滤波器的选择40-41
• 3.8.2 巴特沃斯滤波的原理41-42
• 3.8.3 巴特沃斯低通滤波器硬件电路的实现42-43
• 3.9 本章小结43-44
• 第4章 系统软件设计44-56
• 4.1 下位机软件总体设计44-49
• 4.1.1 下位机软件主程序流程图44-46
• 4.1.2 子程序流程图46-48
• 4.1.3 下位机与上位机的通信48-49
• 4.2 上位机软件需求分析与设计目标49-50
• 4.2.1 上位机软件需求分析49-50
• 4.2.2 上位机软件设计目标50
• 4.3 上位机软件组成50-51
• 4.4 软件系统工作流程51-52
• 4.5 上位机软件架构设计52-53
• 4.6 主要功能具体实现方案53-54
• 4.6.1 数据采集的实现53-54
• 4.6.2 数据库的实现54
• 4.7 本章小结54-56
• 第5章 仪器校准与实验56-80
• 5.1 仪器校准56-61
• 5.1.1 模拟输入通道校准56-59
• 5.1.2 四通道恒流源校准59-61
• 5.2 室内实验61-68
• 5.2.1 接地电阻测量实验62-63
• 5.2.2 半衰时参数测量实验63-65
• 5.2.3 仪器稳定性实验65-66
• 5.2.4 仪器对不同湿度的土壤检测实验66-68
• 5.3 室外模型实验68-72
• 5.3.1 隧道模型中接地电阻实验69-70
• 5.3.2 隧道模型中激发极化实验70-72
• 5.4 实际现场实验72-78
• 5.4.1 现场环境72-73
• 5.4.2 现场实验结果及分析73-78
• 5.5 本章小结78-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 6.1 工作总结80
• 6.2 工作展望80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 学位论文评阅及答辩情况表87

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