本發(fā)明涉及工程建設(shè)領(lǐng)域的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

地鐵盾構(gòu)隧道和其它地下建筑結(jié)構(gòu)一樣埋于地面以下，其隧道內(nèi)部溫度、濕度與地面不同并且隨季節(jié)變化不大。地鐵隧道正常運(yùn)營(yíng)期間，列車運(yùn)行密度高，列車所引發(fā)的活塞風(fēng)、振動(dòng)都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)以及監(jiān)測(cè)器械產(chǎn)生影響，再加上地鐵盾構(gòu)隧道管理的法律法規(guī)對(duì)隧道內(nèi)部機(jī)械安裝、線路布置都有嚴(yán)格的規(guī)定，這些都對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)提出了獨(dú)特要求。

對(duì)于地鐵盾構(gòu)隧道縱向沉降的監(jiān)測(cè)，主要有以下方法：

靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)能實(shí)現(xiàn)一定程度的自動(dòng)化和數(shù)字化，在隧道結(jié)構(gòu)沉降變形風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)中經(jīng)常使用，但其儀器體積較大，不便安裝，不適用于高差變化較大區(qū)段；會(huì)受到溫度、氣壓、重力異常等因素的影響。

人工水準(zhǔn)測(cè)量應(yīng)用廣泛，方法成熟，儀器價(jià)格便宜。但是需要工作人員持儀器進(jìn)入隧道，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期隧道的全天候監(jiān)測(cè)，只能用于非運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的隧道，并且人工水準(zhǔn)測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效率低下。

電水平尺是一種精度、分辨力極高而穩(wěn)定性又好的傳感器，安裝方便，在地鐵監(jiān)護(hù)中使用，不僅能保證地鐵的正常運(yùn)行，而且能夠不間斷地提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和變化曲線。但其一次性投入高，重復(fù)利用率低。

目前可采用在運(yùn)行下測(cè)斜管內(nèi)的測(cè)量車進(jìn)行隧道沉降的測(cè)量，但是為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須保證測(cè)量車在測(cè)斜管內(nèi)恒速運(yùn)行，但是如何保證測(cè)量車的恒速目前尚未見到上述報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法，可以保證測(cè)量車在測(cè)斜管內(nèi)的恒速運(yùn)動(dòng)，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

實(shí)現(xiàn)上述目的的一種技術(shù)方案是：一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法，所述測(cè)量車在所述隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)斜管中貼壁運(yùn)行，該驅(qū)動(dòng)方法通過(guò)壓控振蕩器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述測(cè)量車的車輪；包括下列步驟：

s1：步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)；

s2：通過(guò)壓控振蕩器的壓控端接收一個(gè)幅值單調(diào)下降至恒定值的電壓信號(hào)使所述壓控振蕩器的輸出端輸出一個(gè)頻率隨所述電壓信號(hào)幅值的單調(diào)下降而同步單調(diào)遞增至恒定值的斬波脈沖；

s3：通過(guò)所述壓控振蕩器輸出的斬波脈沖使所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器同步輸出一個(gè)頻率隨所述斬波脈沖頻率的單調(diào)遞增而同步單調(diào)遞增至恒定值的角位移信號(hào)，從而使所述步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定值，并通過(guò)所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述測(cè)量車的車輪的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述壓控振蕩器的壓控端接收的電壓信號(hào)的幅值以指數(shù)衰減的方式單調(diào)下降至恒定值。

進(jìn)一步的，所述電壓信號(hào)的單調(diào)下降至恒定值是通過(guò)rc積分器實(shí)現(xiàn)的，所述電壓信號(hào)幅值單調(diào)下降的值為所述rc積分器所接收的階躍信號(hào)ujy的幅值。

再進(jìn)一步的，所述壓控振蕩器輸出的斬波脈沖的頻率f0的公式為：

其中vcc為所述壓控振蕩器的供電電壓，vco為所述壓控振蕩器壓控端所接收的電壓信號(hào)的幅值，且0≤vco≤vcc；r10為所述壓控振蕩器dis引腳所接的接地電阻的電阻值，c19為所述壓控振蕩器rt引腳所接的接地電容的電容值。

再進(jìn)一步的，所述電壓信號(hào)輸入所述壓控振蕩器的壓控端前經(jīng)過(guò)反相處理。

采用了本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法的技術(shù)方案，所述測(cè)量車在所述隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)斜管中貼壁運(yùn)行，該驅(qū)動(dòng)方法通過(guò)壓控振蕩器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述測(cè)量車的車輪；包括下列步驟：s1：步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)；s2：通過(guò)壓控振蕩器的壓控端接收一個(gè)幅值單調(diào)下降至恒定值的電壓信號(hào)使所述壓控振蕩器的輸出端輸出一個(gè)頻率隨所述電壓信號(hào)幅值的單調(diào)下降而同步單調(diào)遞增至恒定值的斬波脈沖；s3：通過(guò)所述壓控振蕩器輸出的斬波脈沖使所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器同步輸出一個(gè)頻率隨所述斬波脈沖頻率的單調(diào)遞增而同步單調(diào)遞增至恒定值的角位移信號(hào)，從而使所述步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定值，并通過(guò)所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述測(cè)量車的車輪的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。其可技術(shù)效果是：可以保證測(cè)量車在測(cè)斜管內(nèi)的恒速運(yùn)動(dòng)，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法所對(duì)應(yīng)的隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中測(cè)斜管與測(cè)量車安裝主視圖。

圖2為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法所對(duì)應(yīng)的隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中測(cè)斜管與測(cè)量車安裝左視圖。

圖3為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法所對(duì)應(yīng)的隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中紅外發(fā)射器和紅外接收器的安裝示意圖。

圖4為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法所對(duì)應(yīng)的隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中第一傾角傳感器和第二傾角傳感器的安裝示意圖。

圖5為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法所對(duì)應(yīng)的隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖6為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法所對(duì)應(yīng)的隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中第一基準(zhǔn)源電路和第二基準(zhǔn)源電路連接示意圖。

圖7為本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的發(fā)明人為了能更好地對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行理解，下面通過(guò)具體地實(shí)施例，并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明：

隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括沿著隧道的軸向在所述隧道內(nèi)壁上依次連接的測(cè)斜管300，以及可在測(cè)斜管300內(nèi)貼壁運(yùn)行的測(cè)量車400。測(cè)量車400上布置有若干組呈十字排列的車輪401，使測(cè)量車400與測(cè)斜管300貼壁，減少測(cè)量車400的機(jī)械振動(dòng)。車輪401通過(guò)預(yù)壓緊裝置402安裝在測(cè)量車400上。

測(cè)量車400上設(shè)有第一基準(zhǔn)源電路1a、第二基準(zhǔn)源電路1b、第一傾角傳感器2、第二傾角傳感器3、差分放大器4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器5、zigbee發(fā)射裝置6、紅外發(fā)射器7、紅外接收器8、施密特整形器9、單片機(jī)10、壓控振蕩器11、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12和用于驅(qū)動(dòng)車輪401恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)13。

其中，第一基準(zhǔn)源電路1a同時(shí)連接第一傾角傳感器2、第二傾角傳感器3的電源端，為第一傾角傳感器2、第二傾角傳感器3提供穩(wěn)定的供電電源。第一基準(zhǔn)源電路1a還連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器5以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12的參考電源端，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器5和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12提供穩(wěn)定的參考電壓。

由于第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3的輸出誤差響應(yīng)與供電電源的穩(wěn)定性具有緊密的關(guān)聯(lián)，因此采用第一基準(zhǔn)源電路1a是極為必要的。

本實(shí)施例中第一基準(zhǔn)源電路1a選用ref195基準(zhǔn)源芯片，ref195基準(zhǔn)源芯片可以提供高達(dá)30毫安、并且具有2ppm/℃溫度漂移的優(yōu)良性能。

第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3均采用sca100t型雙高精度傾角傳感器，其目的是為了獲取差分傾角數(shù)據(jù)，這將有效地抑制由于測(cè)量車400的機(jī)械振動(dòng)引起第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3產(chǎn)生的共模噪聲。

其原理是：第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3對(duì)齊后上下層疊安裝，使第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3各自的x軸和y軸構(gòu)成的平面向背。第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3的x軸與測(cè)量車400的位移方向平行但方向相反，第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3的y軸與測(cè)量車400的振動(dòng)方向平行且方向相同。第一傾角傳感器2生成與測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)振動(dòng)對(duì)應(yīng)的第一振動(dòng)信號(hào)，以及與測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)位移對(duì)應(yīng)的第一位移信號(hào)。第二傾角傳感器3生成與測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)振動(dòng)對(duì)應(yīng)的第二振動(dòng)信號(hào)，以及與測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)位移對(duì)應(yīng)的第二位移信號(hào)。

因此，第一振動(dòng)信號(hào)和第二振動(dòng)信號(hào)為一對(duì)共模信號(hào)，經(jīng)差分放大器4放大后，該對(duì)共模信號(hào)被抵消。同樣，由于第一位移信號(hào)和第二位移信號(hào)是一對(duì)差模信號(hào)，因此經(jīng)差分放大器4的輸出端最終輸出的模擬信號(hào)為第一位移信號(hào)和第二位移信號(hào)的疊加。

差分放大器4的輸出端設(shè)有一個(gè)接地的10μf的降噪電容cf，以期達(dá)到進(jìn)一步抑制低頻噪聲的目的，因?yàn)闇y(cè)量車400機(jī)械振動(dòng)的主要頻譜是集中在低頻段上。差分放大器4的輸出的模擬信號(hào)經(jīng)降噪電容cf濾波后被饋入模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的輸入端。模數(shù)轉(zhuǎn)換器5為16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。差分放大器4的輸出的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器5轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后被送入zigbee發(fā)射裝置6，本實(shí)施例中zigbee發(fā)射裝置6為cc2530型zigbee傳感器，完成傾角數(shù)據(jù)的采集。

本實(shí)施例不采用本實(shí)施例中zigbee發(fā)射裝置6內(nèi)置的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的原因在于其精度不夠。

令第一位移信號(hào)和第一振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)為ux1信號(hào)和uy1信號(hào)，第一位移信號(hào)和第一振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)從第一傾角傳感器2的out1端口和out2輸出。令第二位移信號(hào)和第二振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)為ux2信號(hào)和uy2信號(hào)，第二位移信號(hào)和第二振動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)從第二傾角傳感器3的out1端口和out2輸出。ux1信號(hào)和ux2信號(hào)為一組差模信號(hào)，uy1信號(hào)和uy2信號(hào)為一組共模信號(hào)。首先通過(guò)對(duì)應(yīng)的第一運(yùn)算放大器19，對(duì)第一傾角傳感器2的輸出信號(hào)和第二傾角傳感器3的輸出信號(hào)施以比例系數(shù)為a的低噪聲前置放大，得到aux1信號(hào)、auy1信號(hào)、aux2信號(hào)和auy2信號(hào)，aux1信號(hào)和auy1信號(hào)接入差分放大器4的ina+端口，aux2信號(hào)和auy2信號(hào)接入差分放大器4的ina-端口，通過(guò)差分放大器4的差分運(yùn)算，得到a(ux1-ux2)信號(hào)及a(uy1-uy2)信號(hào)。由此實(shí)現(xiàn)了在與測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)位移方向平行的方向相對(duì)安置的第一傾角傳感器2和第二傾角傳感器3的x軸，完成對(duì)于測(cè)量車400振動(dòng)信號(hào)和位移信號(hào)的修正。

a(ux1-ux2)信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器5完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，被采入zigbee發(fā)射裝置6,zigbee發(fā)射裝置6內(nèi)置中央處理器對(duì)采入數(shù)據(jù)實(shí)行相關(guān)運(yùn)算處理后被無(wú)線傳送至鄰近的zigbee中繼接力器，供后臺(tái)依照zigbee發(fā)射裝置6傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)隧道的沉降情況進(jìn)行測(cè)定。

本實(shí)施例中的兩個(gè)第一運(yùn)算放大器19均為opa184運(yùn)算放大器，其具有低噪聲、單電源供電、軌到軌輸入輸出的功能，其目的是在單電源供電的情況下盡可能擴(kuò)大第一位移信號(hào)、第一振動(dòng)信號(hào)、第二振動(dòng)信號(hào)和第二位移信號(hào)處理的動(dòng)態(tài)范圍。本實(shí)施例中a＝2，以保證差分放大器4輸出的模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。本實(shí)施例中差分放大器4為高精度儀器放大器ad620。

差分放大器4采用單電源供電，因此其參考電源端端需要接入一個(gè)vcc/2低阻抗參考源。

第二基準(zhǔn)源電路1b采用adr4550基準(zhǔn)源芯片，其輸出電壓為5v，具有極其優(yōu)良的低噪聲、低溫漂性能，為模數(shù)轉(zhuǎn)換器5提供供電電壓。

本實(shí)施例中模數(shù)轉(zhuǎn)換器5為ad7988模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器5除了需要高精度的基準(zhǔn)電壓外，其供電電壓需要vcc/2的供電電壓，即2.5伏供電；并且差分放大器4也需要一個(gè)高穩(wěn)定的2.5伏中點(diǎn)參考源。為了產(chǎn)生高穩(wěn)定的2.5伏供電電源，本實(shí)施例中在第二基準(zhǔn)源電路1b的輸出端設(shè)置了第二運(yùn)算放大器18，第二運(yùn)算放大器18為op184運(yùn)算放大器，第二運(yùn)算放大器18同時(shí)連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器5的電源端和差分放大器4的參考電源端，第二運(yùn)算放大器18跟隨經(jīng)分壓的第二基準(zhǔn)源電路1b產(chǎn)生基準(zhǔn)源，得到的高精度2.5伏低阻抗電壓源，分別為模數(shù)轉(zhuǎn)換器5提供供電，為差分放大器4提供中點(diǎn)參考源。

通過(guò)紅外發(fā)射器7和紅外接收器8，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量車400在測(cè)斜管300中位置的感知，以及可能產(chǎn)生的卡死或堵轉(zhuǎn)故障的監(jiān)測(cè)。紅外發(fā)射器7和紅外接收器8均固定在與測(cè)量車400中任意一個(gè)車輪401對(duì)應(yīng)的預(yù)緊裝置402上。該車輪401上開有供紅外發(fā)射器7和紅外接收器8間歇進(jìn)行通信的圓孔403。紅外接收器8連接施密特整形器9，施密特整形器9連接單片機(jī)10，單片機(jī)10通過(guò)紅外接收器8對(duì)運(yùn)行在測(cè)斜管300中的測(cè)量車400的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)。其原理描述如下：在測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)運(yùn)行時(shí)，車輪401每旋轉(zhuǎn)一周；紅外發(fā)射器7和紅外接收器8進(jìn)行一次通信，紅外接收器8收到一次紅外發(fā)射器7發(fā)射的電脈沖，該電脈沖經(jīng)施密特整形器9整形后被饋入單片機(jī)10實(shí)行計(jì)數(shù)。由于車輪401的周長(zhǎng)是個(gè)常量，因此計(jì)算電脈沖的計(jì)數(shù)值和車輪401的周長(zhǎng)的乘積便可獲得測(cè)量車400在測(cè)斜管300中運(yùn)行的距離，由此得到測(cè)量車400在測(cè)斜管300中的位置。該電脈沖還被用于獲知測(cè)量車400的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)測(cè)量車400的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不斷地累積但電脈沖的計(jì)數(shù)值保持不變時(shí)，即可得到測(cè)量車400在測(cè)斜管300內(nèi)發(fā)生堵塞。電脈沖的計(jì)數(shù)值以及測(cè)量車400的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也通過(guò)單片機(jī)10和zigbee發(fā)射裝置6被發(fā)送給鄰近的zigbee中繼接力器。

采用紅外發(fā)射器7和紅外接收器8的優(yōu)點(diǎn)在于：無(wú)須產(chǎn)生譬如使用光電管方式時(shí)需要的輔助光源，并有效地屏蔽了由于可見雜散光干擾產(chǎn)生的誤操作。

本實(shí)施例中，紅外發(fā)射器7為紅外收發(fā)二極管se304、紅外接收器8，為pic14043紅外接收器。每當(dāng)車輪401上的圓孔403轉(zhuǎn)到與紅外發(fā)射器7以及紅外接收器8對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，紅外發(fā)射器7產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，該電脈沖被紅外接收器8接收后，通過(guò)施密特整形器9整形，被讀入單片機(jī)10，啟動(dòng)單片機(jī)10中的定時(shí)計(jì)數(shù)器，對(duì)送入電脈沖的進(jìn)行計(jì)數(shù)，并定期采樣該定時(shí)計(jì)數(shù)器中的電脈沖的計(jì)數(shù)值tcn1，運(yùn)算電脈沖的計(jì)數(shù)值tcn1與車輪401周長(zhǎng)lzc的乘積便可得到測(cè)量車400在測(cè)斜管300中的位置。單片機(jī)10的定時(shí)計(jì)數(shù)器還外接晶振101，晶振101為xcxo型晶振。晶振101經(jīng)2¹⁵分頻后獲得的秒時(shí)鐘實(shí)行計(jì)數(shù)操作，該秒時(shí)鐘與紅外發(fā)射器7、紅外接收器8產(chǎn)生的車輪401轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)數(shù)值，即電脈沖的計(jì)數(shù)值tcn1是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)其一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系發(fā)生被破壞時(shí)，測(cè)量車400可能產(chǎn)生的卡死或堵轉(zhuǎn)故障，單片機(jī)10報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量車400運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

單片機(jī)10連接壓控振蕩器11的壓控端，壓控振蕩器11的輸出端連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12的時(shí)鐘端，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12連接控制測(cè)量車400的車輪401恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)13。設(shè)置壓控振蕩器11的目的是控制測(cè)量車400的驅(qū)動(dòng)源，保證步進(jìn)電機(jī)13的平穩(wěn)啟動(dòng)和運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)13的空載啟動(dòng)頻率一般不宜低于40khz，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量車400振動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)13啟動(dòng)時(shí)控制頻率由低到設(shè)定穩(wěn)態(tài)；停止前，控制頻率由穩(wěn)態(tài)變低。步進(jìn)電機(jī)13的控制頻率的變化應(yīng)遵循指數(shù)型變化，通常加減速的時(shí)間不宜小于300毫秒，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量車400失步或抖動(dòng)；采用細(xì)分控制可降低步進(jìn)電機(jī)13運(yùn)行時(shí)的測(cè)量車400抖動(dòng)；測(cè)量車400高速運(yùn)轉(zhuǎn)需要維持一定的電壓，否則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量車400堵轉(zhuǎn)。

本實(shí)施例中的壓控振蕩器11采用函數(shù)發(fā)生集成電路lm566。函數(shù)發(fā)生集成電路lm566是一種壓控函數(shù)發(fā)生器，可產(chǎn)生從低頻至1mhz的方波或三角波信號(hào)，壓控振蕩器11的輸出信號(hào)的頻率變化與壓控端的電壓的幅值關(guān)聯(lián)，由此僅需在壓控振蕩器11的壓控端與單片機(jī)10的輸出端之間接入一個(gè)rc積分器17、并且對(duì)rc積分器17送入一個(gè)高電平，rc積分器17的電容c經(jīng)歷一個(gè)從零電平開始、并且按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)、最終為一恒定電平的信號(hào)過(guò)程，同樣，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12輸出的角位移脈沖經(jīng)歷了從極低頻率開始、按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)、最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。

反之，當(dāng)rc積分器17的輸入高電平被移開后，rc積分器17的電容上的電壓將按指數(shù)規(guī)律下降，直至為零，從而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12輸出的角位移脈沖的頻率由穩(wěn)態(tài)按指數(shù)規(guī)律遞減直至為零，由此極為簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)13的加減速斬波頻率的控制。

本實(shí)施例中，測(cè)量車400沿測(cè)斜管300運(yùn)動(dòng)的位置與第一傾角傳感器2、第二傾角傳感器3的數(shù)據(jù)必須遵循嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，由此，測(cè)量車400的運(yùn)動(dòng)速率必須是恒定的。通過(guò)使用由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12控制的步進(jìn)電機(jī)13驅(qū)動(dòng)測(cè)量車400運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12輸出的角位移脈沖的頻率決定的，并且，步進(jìn)電機(jī)13轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角可以精確細(xì)分，只要角位移脈沖的頻率穩(wěn)定則步進(jìn)電機(jī)13單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)過(guò)角度是一定的。角位移脈沖的頻率是通過(guò)位于單片機(jī)10上的晶振101來(lái)控制的，假定步進(jìn)電機(jī)13的細(xì)分率為32，角位移脈沖的頻率為5.0khz，則步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周需要11540個(gè)角位移脈沖。

本實(shí)施例中測(cè)量車400的車輪401直徑為30mm，車輪401運(yùn)轉(zhuǎn)一周的距離為lzc，測(cè)量車400運(yùn)動(dòng)速率設(shè)計(jì)為0.3m/s，因此步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為3.238r/s，則步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)子應(yīng)加入一個(gè)頻率為31.30khz的角位移脈沖。

本實(shí)施例中晶振101的振蕩頻率取40mhz，該晶振101的振蕩輸出作為單片機(jī)10的時(shí)鐘，步進(jìn)電機(jī)13所需的角位移脈沖的頻率為31.30khz，通過(guò)單片機(jī)10內(nèi)置的定時(shí)計(jì)數(shù)器獲得。

本實(shí)施例中單片機(jī)10為stc12c5628ad單片機(jī)。

假定步進(jìn)電機(jī)13啟動(dòng)前，rc積分器17上的電容c的壓降uc為零，步進(jìn)電機(jī)13啟動(dòng)后，單片機(jī)10向rc積分器17的電容c發(fā)出一個(gè)階躍信號(hào)ujy，rc積分器17上的電容c的壓降uc開始以指數(shù)方式遞增，大約經(jīng)過(guò)5-6個(gè)τ周期后，rc積分器17上的電容c壓降變化為ujy，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。其中τ＝1/rc，壓控振蕩器11可實(shí)現(xiàn)從極低到10mhz頻率斬波脈沖的輸出，斬波脈沖的頻率受壓控振蕩器11壓控端控制，且線性良好。在壓控振蕩器11壓控端加入一個(gè)正向線性掃描電壓時(shí)，壓控振蕩器11輸出端輸出的斬波脈沖的頻率將發(fā)生由低到高的重復(fù)過(guò)程，同理，將rc積分器17上的電容的壓降uc的從零起始、按指數(shù)規(guī)律遞增直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)的電壓uc，加到壓控振蕩器11壓控端時(shí)，壓控振蕩器11的輸出端輸出的斬波脈沖的頻率將經(jīng)歷一個(gè)由零開始，按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)并最終達(dá)到穩(wěn)定頻率的過(guò)程。調(diào)整rc積分器17的τ周期，可改變壓控振蕩器11輸出的斬波脈沖的頻率由零到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間，從而可輕易地滿足步進(jìn)電機(jī)13對(duì)角位移脈沖的功能要求。因此,rc積分器17的電阻r為可變電阻。

單片機(jī)10向rc積分器17上的電容c發(fā)出一個(gè)5v的階躍信號(hào)ujy，由于rc積分器17的電容c來(lái)不及充電，在rc積分器17和壓控振蕩器11的壓控端之間串接一個(gè)反相器16，倒相后饋入壓控振蕩器11的壓控端。同時(shí)壓控振蕩器11的關(guān)閉控制引腳，即dis引腳連接接地的電容c19，壓控振蕩器11的外接振蕩頻率定時(shí)電阻引腳，即rt引腳連接接地的電阻r10。

壓控振蕩器11的振蕩頻率為f0：

式中：vcc為壓控振蕩器11的供電電壓，為5v。

vco為反相器16的輸出信號(hào)的幅值，范圍為0～5v。

壓控振蕩器11的輸出的斬波脈沖由電阻r10、電容c19及反相器16的輸出信號(hào)的幅值vco決定，壓控振蕩器11的輸出的斬波脈沖的頻率由零遞增到40khz時(shí)，因?yàn)殡S著rc積分器17的電容c的不斷被充電，壓控振蕩器11的壓控端的電壓按衰減指數(shù)規(guī)律下降，從而導(dǎo)致壓控振蕩器11的輸出的斬波脈沖的頻率按指數(shù)規(guī)律遞增，直到壓控振蕩器11的壓控端的電壓為零，壓控振蕩器11的輸出的斬波脈沖的頻率達(dá)到穩(wěn)態(tài)。壓控振蕩器11的輸出端連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12的時(shí)鐘端，本實(shí)施例中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12為thb6128型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12的輸出a1輸出端和a2輸出端，連接并用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)13的a繞組，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12的輸出b1輸出端和b2輸出端，連接并用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)13的b繞組。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12連接電池組。

同時(shí)，所述電池組連接將電壓從16v將為5.5v的高頻直流/直流變換器，本實(shí)施例中，第一高頻直流/直流變換器為lm22674高頻直流/直流變換器，為保證第一基準(zhǔn)源電路1a生成的是低噪聲、低漂移的穩(wěn)定直流5伏電源，該高頻直流/直流變換器的輸出端與第一基準(zhǔn)源電路1a增加了線性低壓差穩(wěn)壓器，本實(shí)施例中，線性低壓差穩(wěn)壓器為tps735線性低壓差穩(wěn)壓器。直流/直流降壓器lm117-3.3直流/直流降壓器，用以將5.5伏輸入電壓變化為3.3伏輸出，供zigbee發(fā)射裝置6使用。

本實(shí)施例中，通過(guò)單線集成溫度傳感電路連接單片機(jī)10，監(jiān)視被測(cè)環(huán)境的溫度，單線集成溫度傳感電路優(yōu)選ds1820單線集成溫度傳感電路。

本發(fā)明的一種用于隧道沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量車驅(qū)動(dòng)方法，包括下列步驟：

s1：步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)；

s2：通過(guò)單片機(jī)10向rc積分器17輸出一個(gè)階躍信號(hào)ujy，rc積分器17的壓降uc從零開始單調(diào)遞增至階躍信號(hào)ujy的幅值。rc積分器17輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)反相器16的反相后，輸入壓控振蕩器11的壓控端。

壓控振蕩器11所接收的電壓信號(hào)的幅值以指數(shù)衰減的方式單調(diào)下降至恒定值，使壓控振蕩器11的輸出端同步輸出一個(gè)頻率同步以指數(shù)方式單調(diào)遞增至恒定值的斬波脈沖。

壓控振蕩器11輸出的斬波脈沖的頻率f0的公式為：

其中vcc為壓控振蕩器11的供電電壓，vco為壓控振蕩器11壓控端所接收的電壓信號(hào)的幅值，且0≤vco≤vcc；r10為壓控振蕩器11的dis引腳所接的接地電阻的電阻值，c19為壓控振蕩器11的rt引腳所接的接地電容的電容值。

s3：通過(guò)壓控振蕩器11輸出的斬波脈沖使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器12同步輸出一個(gè)頻率隨所述斬波脈沖頻率的單調(diào)遞增而同步單調(diào)遞增至恒定值的角位移信號(hào)，從而使步進(jìn)電機(jī)13的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定值，并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)13驅(qū)動(dòng)所測(cè)量車400的車輪401的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作為對(duì)本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。