隧道施工安全预警系统的制作方法

1.本实用新型涉及安全预警技术领域，具体的，涉及隧道施工安全预警系统。

背景技术：

2.随着我国高速公路建设里程的增长，隧道占新建设高速公路里程的比例越来越大。隧道在空间上呈封闭带状分布的结构特征。隧道工程施工中，遇到的地质情况呈现出复杂多样性，如果遇到明显的险情，不进行重视，处治不当将对隧道施工安全带来严重威胁，因此加强隧道内监控与监测是避免隧道施工中发生事故的重要手段之一。
3.在汛期经常发生滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害，以及施工的震动给山体带来的连锁反应，这些都会严重影响隧道施工的安全。然而目前的预警系统主要是针对有毒气体、可燃气体进行检测，缺乏对上述自然灾害以及震动的检测，使预警系统的工作不够可靠，无法全方面的保证施工人员的安全。

技术实现要素：

4.本实用新型提出隧道施工安全预警系统，通过对地表裂缝位移变化的监测，可以提前探测滑坡等地质灾害的发生，达到预警的目的，解决了现有技术在隧道的施工中对汛期经常发生滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害，以及施工的震动给山体带来连锁反应使预警系统不可靠的问题。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.隧道施工安全预警系统，包括主控单元、气体检测单元、声光报警电路和断电控制电路，所述气体检测单元、声光报警电路和所述断电控制电路均连接所述主控单元，还包括震动检测单元，所述震动检测单元包括裂缝位移传感器u2、电阻r4、运放u3、电阻r11、运放u4、电阻r13和电阻r15，所述裂缝位移传感器u2的供电端连接12v恒流源，所述裂缝位移传感器u2的输出端通过电阻r4连接所述运放u3的同相输入端，所述运放u3输出端连接所述运放u3的反相输入端，所述运放u3输出端还通过所述电阻r15连接所述运放u4的同相输入端，所述运放u4的反相输入端通过所述电阻r11接地，所述运放u4的输出端通过所述电阻r13连接所述主控单元。
7.进一步，本实用新型还包括驱动电路，所述驱动电路包括电阻r1、光耦u1、电阻r2、电阻r3、三极管q4、继电器k3和位移传感器u2，所述光耦u1的第一输入端通过所述电阻r1连接主控单元，所述光耦u1的第二输入端接地，所述光耦u1的第一输出端连接5v电源，所述光耦u1的第二输出端通过所述电阻r2连接所述三极管q4的基极，所述三极管q4的发射极接地，所述电阻r3的第一端连接所述三极管q4的基极，所述电阻r3的第二端接地，所述三极管q4的集电极连接所述继电器k3的第一输入端，所述继电器k3的第二输入端连接5v电源，
8.所述继电器k3的第一常开端和第一公共端串联在所述连接所述裂缝位移传感器u2的供电端和12v恒流源之间，所述继电器k3的第二常开端和第二公共端串联在所述裂缝位移传感器u2的输出端和电阻r4之间。
9.进一步，本实用新型包括声光报警电路，所述声光报警电路包括电容c6、电容c7、电阻r23、运放u6、三极管q3和声光报警器ls1，所述运放u6的同相输入端通过所述电容c7连接所述主控单元，所述运放u6的反相输入端依次通过所述电阻r23和所述电容c6接地，所述运放u6的输出端连接所述三极管q3的基极，所述三极管q3的发射极接地，所述三极管q3的集电极通过所述声光报警器ls1连接vdd电源。
10.进一步，本实用新型包括断电控制电路，所述断电控制电路包括电阻r7、三极管q1、光耦u7、电阻r8、电阻r9、三极管q2、发光二极管led1和继电器k1，所述三极管q1的基极通过所述电阻r7连接所述主控单元，所述三极管q1发射极接地，所述三极管q1的集电极连接所述光耦u7的第二输入端，所述光耦u7的第一输入端通过所述电阻r6连接vcc电源，所述光耦u7的第一输出端连接5v电源，所述光耦u7的第二输出端通过所述电阻r9接地，所述光耦u7的第二输出端还通过所述电阻r8连接所述三极管q2的基极，所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的集电极连接所述发光二极管led1的阴极，所述发光二极管led1的阳极连接5v电源，所述继电器k1的第一输入端连接5v电源，所述继电器k1的第二输入端连接所述三极管q2的集电极，所述继电器k1的公共端连接电网，所述继电器k1的常闭端连接外围设备。
11.本实用新型的工作原理及有益效果为：
12.震动检测单元由裂缝位移传感器u2、电压跟随器和一阶无源rc低通滤波电路组成，位移传感器设置在裂缝处，当裂缝发生变化时，带动裂缝位移传感器u2产生位移量变化，同时将这一变化量通过电阻r4转换成电压量，然后送至由运放u3组成的电压跟随器，电压跟随器u3为整个震动检测单元提供高的输入阻抗，同时也起到电压隔离的作用。裂缝位移传感器u2变化的位移信号比较微弱，且为缓变的直流信号，需要对其进行放大，该直流信号通过由运放u4组成的放大器对其进行放大，然后在选用电阻r13、电容c3和电容c4组成的低通滤波电路滤除位移传感器位移信号中的高频干扰，最后将次信号送至主控单元进行处理。
13.裂缝位移传感器u2产生位移量变化时，会通过震动检测单元将这一变化量转化成电压信号送至主控电单元，主控单元接收到此信号后会向报警电路发出报警指令使报警器发出报警提醒，同时主控单元还会向断电控制电路发送指令使用于隧道施工的外围设备停止工作。
14.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
15.图1为本实用新型震动检测单元的电路图；
16.图2为本实用新型驱动电路的电路图；
17.图3为本实用新型声光报警电路的电路图；
18.图4为本实用新型断电控制电路的电路图；
19.图5为本实用新型无线通信电路框图。
具体实施方式
20.下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本实用新型保护的范围。
21.实施例1
22.如图1所示，本实施例提出了隧道施工安全预警系统，包括主控单元、气体检测单元、声光报警电路和断电控制电路，气体检测单元、声光报警电路和断电控制电路均连接主控单元，还包括震动检测单元，震动检测单元包括裂缝位移传感器u2、电阻r4、运放u3、电阻r11、运放u4、电阻r13和电阻r15，裂缝位移传感器u2的供电端连接12v恒流源，裂缝位移传感器u2的输出端通过电阻r4连接运放u3的同相输入端，运放u3输出端连接运放u3的反相输入端，运放u3输出端还通过电阻r15连接运放u4的同相输入端，运放u4的反相输入端通过电阻r11接地，运放u4的输出端通过电阻r13连接主控单元。
23.震动检测单元由裂缝位移传感器u2、电压跟随器和一阶无源rc低通滤波电路组成，位移传感器设置在裂缝处，当裂缝发生变化时，带动裂缝位移传感器u2产生位移量变化，同时将这一变化量通过电阻r4转换成电压量，然后送至由运放u3组成的电压跟随器，电压跟随器u3为整个震动检测单元提供高的输入阻抗，同时也起到电压隔离的作用。裂缝位移传感器u2变化的位移信号比较微弱，且为缓变的直流信号，需要对其进行放大，该直流信号通过由运放u4组成的放大器对其进行放大，然后在选用电阻r13、电容c3和电容c4组成的低通滤波电路滤除位移传感器位移信号中的高频干扰，最后将次信号送至主控单元进行处理。
24.进一步，如图2所示，本实施例中还包括驱动电路，驱动电路包括电阻r1、光耦u1、电阻r2、电阻r3、三极管q4、继电器k3和裂缝位移传感器u2，光耦u1的第一输入端通过电阻r1连接主控单元，光耦u1的第二输入端接地，光耦u1的第一输出端连接5v电源，光耦u1的第二输出端通过电阻r2连接三极管q4的基极，三极管q4的发射极接地，电阻r3的第一端连接三极管q4的基极，电阻r3的第二端接地，三极管q4的集电极连接继电器k3的第一输入端，继电器k3的第二输入端连接5v电源，
25.继电器k3的第一常开端和第一公共端串联在连接裂缝位移传感器u2的供电端和12v恒流源之间，继电器k3的第二常开端和第二公共端串联在裂缝位移传感器u2的输出端和电阻r4之间。
26.可以在隧洞口附近设置多处位移传感器，每一个位移传感器都将对应的与一个继电器连接，位移传感器设置在隧洞口附近地表的裂缝处，当需要隧道周围环境进行位移监测的时候，主控电路会向驱动电路的输入端发送一个高电平信号，此高电平信号可以控制继电器k3动作，使裂缝位移传感器u2的供电端连接12v恒流源，使裂缝位移传感器u2的输出端连接震动检测单元，其中三极管q4的基极和发射极之间的电阻r3的作用是在没有正向偏置电压的情况下，保证基极的电压为零，以防止三极管q4受外部的干扰而误导通，光耦u13是为了实现隔离，防止继电器k3的开、闭对系统造成干扰。
27.如果隧道内没有人施工，主控单元会向驱动电路提供一个低电平信号，此时继电器k3断电，减少了电源的损耗。
28.进一步，如图3所示，本实施例中包括声光报警电路，声光报警电路包括电容c6、电容c7、电阻r23、运放u6、三极管q3和声光报警器ls1，运放u6的同相输入端通过电容c7连接
主控单元，运放u6的反相输入端依次通过电阻r23和电容c6接地，运放u6的输出端连接三极管q3的基极，三极管q3的发射极接地，三极管q3的集电极通过声光报警器ls1连接vdd电源。
29.当隧道内的可燃性气体浓度没有超过限定值时，此时声光报警电路的输入端保持低电平状态，三极管q3不会导通，因此声光报警器ls1不会发出报警信号，当隧道内的可燃性气体浓度超过限定值时，此时主控电路会向声光报警电路的输入端输出一个高电平信号，由运放u6组成的放大器对此高电平信号进行放大，然后再经过由电容c8、电阻r24、二极管d2和电容c9组成整流滤波电路，得到一个比较稳定的电平信号，此时三极管q3饱和导通，使声光报警器ls1导通发出报警信号，当隧道中的工作人员在听到报警提醒后可以迅速从隧道内撤离，从而保障了隧道中施工人员的人身安全。
30.进一步，如图4所示，本实施例中包括断电控制电路，断电控制电路包括电阻r7、三极管q1、光耦u7、电阻r8、电阻r9、三极管q2、发光二极管led1和继电器k1，三极管q1的基极通过电阻r7连接主控单元，三极管q1发射极接地，三极管q1的集电极连接光耦u7的第二输入端，光耦u7的第一输入端通过电阻r6连接vcc电源，光耦u7的第一输出端连接5v电源，光耦u7的第二输出端通过电阻r9接地，光耦u7的第二输出端还通过电阻r8连接三极管q2的基极，三极管q2的发射极接地，三极管q2的集电极连接发光二极管led1的阴极，发光二极管led1的阳极连接5v电源，继电器k1的第一输入端连接5v电源，继电器k1的第二输入端连接三极管q2的集电极，继电器k1的公共端连接电网，继电器k1的常闭端连接外围设备。
31.当检测到隧道内的可燃性气体浓度超过规定报警值时，主控单元会自动输出一个控制信号使声光报警器点亮报警指示灯，并蜂鸣报警。当隧道内的可燃气性体达到断电浓度数值时，主控单元向三极管q1的基极输出高电平信号，驱动三极管q1导通，进一步驱动光耦u7导通，三极管q2的基极接收到高电平信号导通，驱动发光二极管led1发光，并驱动继电器k1的常闭端断开，切断外围设备与电网之间的通路，实现强制断电，其中外围设备即为与电网连接，且用于隧道施工设备。
32.进一步，如图5所示，本实施例中还包括无线通信电路，无线通信电路包括无线通信模块，无线通信模块以串口通信的方式与主控电路之间进行通信，同时无线通信模块还以无线通信网络与主控计算机之间进行连接，当隧道有报警情况发生时，操控主控计算机的相关人员也会及时接到报警信号，以便做出相应紧急措施，防止意外情况的发生。
33.以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.隧道施工安全预警系统，包括主控单元、气体检测单元、声光报警电路和断电控制电路，所述气体检测单元、声光报警电路和所述断电控制电路均连接所述主控单元，其特征在于，还包括震动检测单元，所述震动检测单元包括裂缝位移传感器u2、电阻r4、运放u3、电阻r11、运放u4、电阻r13和电阻r15，所述裂缝位移传感器u2的供电端连接12v恒流源，所述裂缝位移传感器u2的输出端通过电阻r4连接所述运放u3的同相输入端，所述运放u3输出端连接所述运放u3的反相输入端，所述运放u3输出端还通过所述电阻r15连接所述运放u4的同相输入端，所述运放u4的反相输入端通过所述电阻r11接地，所述运放u4的输出端通过所述电阻r13连接所述主控单元。2.根据权利要求1所述的隧道施工安全预警系统，其特征在于，还包括驱动电路，所述驱动电路包括电阻r1、光耦u1、电阻r2、电阻r3、三极管q4、继电器k3和位移传感器u2，所述光耦u1的第一输入端通过所述电阻r1连接主控单元，所述光耦u1的第二输入端接地，所述光耦u1的第一输出端连接5v电源，所述光耦u1的第二输出端通过所述电阻r2连接所述三极管q4的基极，所述三极管q4的发射极接地，所述电阻r3的第一端连接所述三极管q4的基极，所述电阻r3的第二端接地，所述三极管q4的集电极连接所述继电器k3的第一输入端，所述继电器k3的第二输入端连接5v电源，所述继电器k3的第一常开端和第一公共端串联在所述连接所述裂缝位移传感器u2的供电端和12v恒流源之间，所述继电器k3的第二常开端和第二公共端串联在所述裂缝位移传感器u2的输出端和电阻r4之间。3.根据权利要求1所述的隧道施工安全预警系统，其特征在于，所述声光报警电路包括电容c6、电容c7、电阻r23、运放u6、三极管q3和声光报警器ls1，所述运放u6的同相输入端通过所述电容c7连接所述主控单元，所述运放u6的反相输入端依次通过所述电阻r23和所述电容c6接地，所述运放u6的输出端连接所述三极管q3的基极，所述三极管q3的发射极接地，所述三极管q3的集电极通过所述声光报警器ls1连接vdd电源。4.根据权利要求1所述的隧道施工安全预警系统，其特征在于，所述断电控制电路包括电阻r7、三极管q1、光耦u7、电阻r8、电阻r9、三极管q2、发光二极管led1和继电器k1，所述三极管q1的基极通过所述电阻r7连接所述主控单元，所述三极管q1发射极接地，所述三极管q1的集电极连接所述光耦u7的第二输入端，所述光耦u7的第一输入端通过所述电阻r6连接vcc电源，所述光耦u7的第一输出端连接5v电源，所述光耦u7的第二输出端通过所述电阻r9接地，所述光耦u7的第二输出端还通过所述电阻r8连接所述三极管q2的基极，所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的集电极连接所述发光二极管led1的阴极，所述发光二极管led1的阳极连接5v电源，所述继电器k1的第一输入端连接5v电源，所述继电器k1的第二输入端连接所述三极管q2的集电极，所述继电器k1的公共端连接电网，所述继电器k1的常闭端连接外围设备。

技术总结

本实用新型涉及安全预警技术领域，提出了隧道施工安全预警系统，包括震动检测单元，震动检测单元包括裂缝位移传感器U2、电阻R4、运放U3、电阻R11、运放U4、电阻R13和电阻R15，裂缝位移传感器U2的供电端连接12V恒流源，裂缝位移传感器的输出端通过电阻R4连接运放U3的同相输入端，运放U3输出端连接运放U3的反相输入端，运放U3输出端通过电阻R15连接运放U4的同相输入端，运放U4的反相输入端通过电阻R11接地，运放U4的输出端通过电阻R13连接主控单元，通过上述技术方案，解决了现有技术在隧道的施工中对汛期经常发生滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害，以及施工的震动给山体带来连锁反应的预警系统不可靠的问题。警系统不可靠的问题。警系统不可靠的问题。

技术研发人员：

张永勇 翟瑞明 许梁 赵科 李朋飞 王立娜 岐委东

受保护的技术使用者：

中铁十二局集团第三工程有限公司

技术研发日：

2022.04.14

技术公布日：

2022/10/11