CN103941283B - 一种深孔安装的矿用微震检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深孔安装的矿用微震检波器，该检波器包括：检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块。本发明公开的检波器可实现相关信息自动记录，降低人工操作的复杂性，还可避免引入更多的人为测量误差；实现检波器方位角和倾角自测量；减少人工记录的关联信息量，降低人工记录的负担，以及错误记录的概率，保障检波器正常工作；增加检波器工作状态自检功能，可以降低维护难度和复杂性，提高利用率；增加可变增益及可控滤波，实现增益范围、滤波频带可调，提高信号源信噪比、抗衰减能力；检波器敏感单元，有助于提高检波器阵列的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及矿山安全应用技术领域，尤其涉及一种深孔安装的矿用微震检波器。
背景技术
矿山开采中，由于岩体开挖后，破坏了原岩应力平衡状态，岩体中的应力重新分布，从而产生围岩变形、移动和破坏，引起岩层塌陷，严重威胁矿山井下工作人员的安全。矿山岩体在变形破坏的整个过程中几乎都伴随着裂纹的产生、扩展、摩擦，积聚的能量在释放的过程中，产生微震事件。微震事件被矿山微震监测系统中的分别安装在岩体不同位置的检波器(传感器)采集，并转化为微震信号，通过判断微震信号到达每个检波器的时刻，结合各个检波器自身坐标，可以定位出微震事件发生的位置，即震源的位置，再经过微震信号的分析可以进一步推测出岩体发生破坏的方式及程度等信息。
矿山微震监测系统根据地压活动的一般规律，实时完成微震事件的采集，通过对微震事件监测结果的分析，为矿山安全生产提供有效预警和治理，确保安全、高效的开采地下矿产资源。
其中，检波器是矿山微震监测系统拾取信号的源头，常以工作原理的不同划分为速度型检波器和加速度型检波器，以结构不同划分单分量检波器和三分量检波器。通常，检波器拾取到的微震信号为极其微弱的模拟信号，极易受到外界随机干扰噪声的影响，如环境噪声、次生噪声、系统噪声等，使微弱的有效信号被干扰噪声淹没，妨碍了有效信号拾取，从而直接影响到微震监测系统后期数据分析的准确性。因此，设计高信噪比的矿用检波器对于矿山微震监测系统发挥安全监测作用有着重要意义。
现有技术中，在矿山微震监测应用中，检波器的安装姿态(方位角和倾角)的获取，多采用指定安装方式或人工测量角度的方法：指定安装方式是指规定检波器以水平或垂直等方式，由水平或垂直来判断检波器的安装姿态；人工测量角度是指当检波器的安装孔打好后，由工作人员使用专用测量仪器对安装孔进行逐一测量，获得安装孔的方位角和倾角，推算检波器安装固定后的姿态。
同时，由于微震监测系统工作原理，是通过各个检波器接收微震事件的信号，并结合各个检波器的坐标、方位角及倾角，进行定位。因此，检波器在安装过程中，需将每支检波器的安装姿态(方位角和倾角)、安装位置(坐标)、检波器接入的数据采集通道、微震事件数据，进行一一对应地记录。
检波器在安装之初和工作过程中，常对其工作状态进行检测，判断其是否异常工作。因此，一方面，在检波器安装之初，常通过工作人员亲赴现场，对检波器工作状态进行检测；另一方面，由于工作环境的特殊性，检波器及其线路极易受破坏，在故障诊断时，同样需要工作人员亲赴现场，通过排查线路通断来判断检波器线路是否异常，通过专用设备的测量来判断检波器本身是否异常。
此外，由于检波器工作中，采集微震事件输出微弱的模拟信号，极易受到环境干扰，无法实现远距离传输，因此，实际使用时，通过限制检波器到数据采集站之间的距离，来保证检波器数据的可靠性。
但是，现有技术仍然存在以下缺陷：
1)采用指定安装方式或人工测量角度的方法，获取检波器的安装姿态(方位角和倾角)：按照指定安装方式，规定检波器以水平或垂直等方式，由水平或垂直来判断检波器的安装姿态。这样增强了人工打孔的难度，同样，需要人工在打孔中，对孔的姿态(水平或垂直)、朝向(方位)做出检测，需人工记录每个安装孔信息，增加了人工操作的复杂性，更重要的是引入更多的人为误差。按照人工测量角度的方式，由工作人员使用专用测量仪器对安装孔逐一测量，获得安装孔的方位角和倾角，推算检波器安装固定后的姿态。同样，存在人工操作的复杂性及后期引入的人为测量误差，并且，由于安装孔的内径大于待安装检波器外径，安装孔的信息往往不能真实地反应检波器安装后的真实姿态(方位角和倾角)。
2)检波器在安装过程和工作工程中，需将每支检波器的安装姿态(方位角和倾角)、安装位置(坐标)、检波器接入的数据采集通道、微震事件数据，进行一一对应地记录：在系统安装之初，检波器的数量较大时，需要人工记录的关联信息较多，如安装姿态(方位角和倾角)、安装位置(坐标)、检波器接入的数据采集通道等信息，增加人工记录的负担，易造成错误记录，导致微震监测系统无法正常工作。当系统工作后，对系统进行整改或重复利用时，常因大量关联信息的丢失、线路的复杂性等，造成检波器环节修复困难，降低工作效率。
3)检波器在安装之初和工作过程中，常对其工作状态进行检测，判断其是否异常工作：由于检波器工作环境的特殊性，常遇到检波器故障检修的问题，通常，需要工作人员亲赴现场，通过排查线路通断来判断检波器线路是否异常，通过专用设备的测量来判断检波器本身是否异常。这样，既增加了人工检修的难度和复杂性，又因特殊环境带来了人员操作的安全隐患。
4)由于检波器工作中，采集微震事件输出微弱的模拟信号，极易受到环境干扰，无法实现远距离传输，实际使用时，通过限制检波器到数据采集站之间的距离，来保证检波器数据的可靠性：由于矿山开拓结构的复杂性，加上检波器数据的无法远传，致使很多情况下，需频繁增加数据采集站的方式保证检波器数据的可靠传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种深孔安装的矿用微震检波器，降低了人工操作的复杂性，避免引入更多的人为测量误差，降低了人工记录的负担，并可保障检波器的正常工作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种深孔安装的矿用微震检波器，该检波器包括：检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；
其中，所述检波器敏感单元，用于感受外部机械振动，将机械振动转换为模拟电信号；
所述振动测试单元，用于在是所述数据采集及数据通信的核心控制模块的控制下，产生机械振动；
所述可变增益及可控滤波模块，用于对所述检波器敏感单元输出的模拟电信号进行增益放大与滤波；
所述方位角及倾角测量模块，用于实现检波器方位角和倾角的自测量；
所述带数据采集及数据通信的核心控制模块，用于将检测数据向外传输，包括：将所述可变增益及可控滤波模块输出的模拟电信号转换为数字信号，并向外传输，以及将检波器自测量到的方位角和倾角向外传输；用于控制所述振动测试单元进行机械震动从而实现检波器工作状态自检；还用于检波器的相关参数存储，以及检测数据的本地存储。
进一步的，该检波器还包括：前端盖、防松动弹片、检波器外筒、检波器内部安装骨架、密封垫圈、后端盖和防水接头；
其中，所述前端盖的外螺纹与所述检波器外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧；
所述防松动弹片置于所述前端盖和所述内部结构架之间，所述前端盖通过所述防松动弹片压紧所述检波器内部安装骨架；
所述外筒与前端盖、后端盖及防水接头构成检波器的防护外壳；
所述检波器内部安装骨架置于所述外筒的内侧，用于固定所述检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；其外螺纹与外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧；
所述密封垫圈置于后端盖与外筒之间；
所述后端盖的外螺纹与所述外筒的内螺纹配合，实现螺纹紧固；
所述防水接头固定在所述后端盖上，供检波器内部电缆输出。
进一步的，所述检波器敏感单元与振动测试单元固定在所述检波器内部安装骨架内部，采用刚性紧固的方式，将其等效为一体，来感知同一外界震动；
所述可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块，通过螺钉紧固的方式，固定在检波器内部安装骨架中靠近后端盖一端。
进一步的，所述检波器敏感单元包括：三分量检波器与单分量检波器；
当为三分量检波器时，所述检波器敏感单元在同一最大灵敏度方向上至少有两个检波器敏感单元；
当为单分量检波器时，所述检波器敏感单元在同一最大灵敏度方向上至少有一个检波器敏感单元。
进一步的，所述带数据采集及数据通信的核心控制模块，还用于实现检波器相关参数与检测数据的自关联，包括：将检波器的安装位置及其编号与检测到的检波器的方位角和倾角相关联。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，降低因指定安装角度带来的打孔难度，提供打孔效率；实现相关信息自动记录，减少人工测量和记录安装孔信息的环节，降低人工操作的复杂性，更重要的是避免引入更多的人为测量误差；实现检波器方位角和倾角自测量；减少人工记录的关联信息量，降低人工记录的负担，以及错误记录的概率，保障检波器正常工作；增加检波器工作状态自检功能，提高检波器工作状态检测的效率，降低维护难度和复杂性，提高利用率；增加可变增益及可控滤波功能，实现增益范围、滤波频带可调，提高信号源信噪比、抗衰减能力；设计检波器阵列结构，在同一最大灵敏度方向上增加了敏感单元数量，增大了信号采样率，并通过同一最大灵敏度方向上，多个敏感单元间的信号相关性，有助于提高检波器阵列的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例一提供的一种深孔安装的矿用微震检波器的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种深孔安装的矿用微震检波器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种多参数耦合的矿用检波器的结构示意图。如图1所示，该检波器包括：检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；
其中，所述检波器敏感单元，用于感受外部机械振动，将机械振动转换为模拟电信号；
所述振动测试单元，用于在是所述数据采集及数据通信的核心控制模块的控制下，产生机械振动；
所述可变增益及可控滤波模块，用于对所述检波器敏感单元输出的模拟电信号进行增益放大与滤波；
所述方位角及倾角测量模块，用于实现检波器方位角和倾角的自测量；
所述带数据采集及数据通信的核心控制模块，用于将检测数据向外传输，包括：将所述可变增益及可控滤波模块输出的模拟电信号转换为数字信号，并向外传输，以及将检波器自测量到的方位角和倾角向外传输；用于控制所述振动测试单元进行机械震动从而实现检波器工作状态自检；还用于检波器的相关参数存储，以及检测数据的本地存储。
进一步的，该检波器还包括：前端盖、防松动弹片、检波器外筒、检波器内部安装骨架、密封垫圈、后端盖和防水接头；
其中，所述前端盖的外螺纹与所述检波器外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧；
所述防松动弹片置于所述前端盖和所述内部结构架之间，所述前端盖通过所述防松动弹片压紧所述检波器内部安装骨架；
所述外筒与前端盖、后端盖及防水接头构成检波器的防护外壳；
所述检波器内部安装骨架置于所述外筒的内侧，用于固定所述检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；其外螺纹与外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧；
所述密封垫圈置于后端盖与外筒之间；
所述后端盖的外螺纹与所述外筒的内螺纹配合，实现螺纹紧固；
所述防水接头固定在所述后端盖上，供检波器内部电缆输出。
为了便于理解本发明所述的深孔安装的矿用微震检波器，下面结合附图2做进一步介绍。
如图2所示，所述深孔安装的矿用微震检波器主要包括：包括前端盖1、防松动弹片7、检波器外筒2、检波器内部安装骨架3、检波器敏感单元8、9、10、11、12、13、振动测试单元4、可变增益及可控滤波模块14、方位角及倾角测量模块5、带数据采集及数据通信的核心控制模块15、密封垫圈16、后端盖6和防水接头17，
其中，每一组件的功能及结构如下：
1)前端盖：前端盖的外螺纹与外筒内螺纹配合，实现螺纹拧紧。
2)防松动弹片：防松动弹片在前端盖和内部结构架之间，前端盖通过防松动弹片压紧内部结构架。
3)检波器外筒：检波器外筒与前端盖、后端盖及防水接头构成检波器整体防护外壳。
4)检波器内部安装骨架：检波器内部安装骨架作为支撑架，用于固定所述检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；其外螺纹与外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧。
5)检波器敏感单元：包括(8、9、10、11、12、13)6个部分；其中，检波器敏感单元8和13、9和11、10和12的最大灵敏度方向一致，各个敏感单元的安装位置可以调换，但在同一最大灵敏度方向上至少有2个检波器敏感单元，同一最大灵敏度方向至少有1个。
6)振动测试单元4：选用压电式振动元件，用于检测检波器工作状态是否异常；固定在检波器内部安装骨架3上，受控于带数据采集及数据通信的核心控制模块15，产生机械振动，带动整支检波器振动。通过检测检波器敏感单元拾取的振动信号来判断检波器敏感单元是否工作。
7)可变增益及可控滤波模块14：对检波器敏感单元(8、9、10、11、12、13)输出模拟信号进行增益放大、滤波；其固定在检波器内部安装骨架3上，其增益可编程、滤波带宽可控，受控于带数据采集及数据通信的核心控制模块15。
8)方位角及倾角测量模块5：固定在检波器内部安装骨架3上，与整支检波器等效为一体，实现检波器姿态方位角和倾角的自测量，其测量数据通过带数据采集及数据通信的核心控制模块15，实现对外传送；
9)带数据采集及数据通信的核心控制模块15：除了控制和管理其他模块外，一方面，自身具备24位和32位数据采集功能，将检波器模拟信号转换为数字信号，并通过TCP/IP网络接口实现对外数据传输；另一方面，该模块集成了非易失存储器，实现检波器的相关参数，以及部分检测参数的本地存储；
10)密封垫圈16：密封垫圈在后端盖6与检波器外筒2之间，起到密封作用；
11)后端盖6：其外螺纹与检波器外筒2的内螺纹配合，实现螺纹紧固；
12)防水接头17：固定在后端盖6上，供检波器内部电缆输出，起到防水作用。
进一步的，本发明实施例的检波器采用了机械组装结构，可实现灵活的拆卸安装，便于维护及回收利用。具体的：检波器敏感单元(8、9、10、11、12、13)、振动测试单元4固定在检波器内部安装骨架3内部，采用刚性紧固的方式，将其等效为一体，可感知同一外界震动；可变增益及可控滤波模块14、方位角及倾角测量模块5、带数据采集及数据通信的核心控制模块15，通过螺钉紧固的方式，固定在检波器内部安装骨架3中靠近后端盖6一端。
采用上述方式，将内部结构完成安装后，通过前端盖1的外螺纹与检波器外筒2的内螺纹配合，进行组装后，将防松动弹片7放入检波器外筒2；同时，检波器内部安装骨架3的外螺纹与检波器外筒2的内螺纹配合，以螺纹紧固的方式，将检波器内部安装骨架3旋入检波器外筒2；最后，密封端盖10的外螺纹与检波器外壳1的内螺纹配合，以螺纹紧固的方式，封装检波器，配合使用密封垫圈16和防水接头17，实现防水密封。
进一步的，下面对该检波器实现各个功能的原理做详细的介绍：
检波器数据传感功能：通过检波器敏感单元检波器敏感单元(8、9、10、11、12、13)，感知外面震动，实现震动的机械信号转换为模拟电信号，同时，由于检波器阵列在同一最大灵敏度方向上增加了敏感单元数量，增大了信号采样率，并通过同一最大灵敏度方向上，多个敏感单元间的信号相关性，有助于提高检波器阵列的信噪比。
检波器姿态(方位角和倾角)自检功能：由于方位角及倾角测量模块5与整支检波器等效为一体，感知检波器姿态变化，因此，检波器的方位角和倾角，可在带数据采集及数据通信的核心控制模块15的控制下，实现方位角和倾角的本地存储及对外传输功能。在矿山微震监测应用中，需要获得检波器安装姿态(方位角和倾角)，以往应用中，采用人工测量或者要求特定水平或垂直角度安装，既费时费力又引入较大人工误差，采用本发明实现姿态自测量，可以大大提高效率和精度。
检波器工作状态自检功能：振动测试单元4与整支检波器固定为一体，在带数据采集及数据通信的核心控制模块15的控制下，产生机械振动，带动整支检波器工作，通过检测检波器敏感单元拾取的振动信号来判断检波器敏感单元、检波器线路是否异常。当检波器阵列被安装至现场时，工作人员无需到安装现场，通过远程操控检波器内部的带数据采集及数据通信的核心控制模块15，驱动振动测试单元4，实现自检，快捷方便，降低维护难度和复杂性，提高利用率。
微弱模拟信号的放大滤波功能：带数据采集及数据通信的核心控制模块15，通过控制可变增益及可控滤波模块14，实现增益范围、滤波频带可调，保障了信号源的高信噪比，以及远距离传输抗衰减能力。
AD模拟数字信号本地转换及远距离通信功能：带数据采集及数据通信的核心控制模块15，将检波器敏感单元(8、9、10、11、12、13)的模拟信号，经过集成的24位和32位AD模拟数字信号转换，获得转换后的数字信号，通过进一步的数字信号处理，采用TCP/IP网络通信，实现远距离、高速率的数据传输；避免微弱模拟信号，易受干扰，无法远程传输弊端。
相关参数自关联功能：检波器在安装过程和工作工程中，需将每支检波器的安装姿态(方位角和倾角)、安装位置(坐标)、检波器接入的数据采集通道、微震事件数据，进行关联。本发明检波器，在带数据采集及数据通信的核心控制模块15的控制下，可实现每支检波器的安装姿态(方位角和倾角)、安装位置(坐标)、检波器编号的本地存储，相关参数自关联。当该检波器接入矿山微震监测系统时，可直接通过电缆将这些信息发送至系统服务器，无需人工逐一记录和输入，避免误记录带来的错误。
本发明实施例技术方案中，降低因指定安装角度带来的打孔难度，提供打孔效率；实现相关信息自动记录，减少人工测量和记录安装孔信息的环节，降低人工操作的复杂性，更重要的是避免引入更多的人为测量误差；实现检波器方位角和倾角自测量；减少人工记录的关联信息量，降低人工记录的负担，以及错误记录的概率，保障检波器正常工作；增加检波器工作状态自检功能，提高检波器工作状态检测的效率，降低维护难度和复杂性，提高利用率；增加可变增益及可控滤波功能，实现增益范围、滤波频带可调，提高信号源信噪比、抗衰减能力；设计检波器阵列结构，在同一最大灵敏度方向上增加了敏感单元数量，增大了信号采样率，并通过同一最大灵敏度方向上，多个敏感单元间的信号相关性，有助于提高检波器阵列的信噪比。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种深孔安装的矿用微震检波器，其特征在于，该检波器包括：检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；
其中，所述检波器敏感单元，用于感受外部机械振动，将机械振动转换为模拟电信号；
所述振动测试单元，用于在所述数据采集及数据通信的核心控制模块的控制下，产生机械振动；
所述可变增益及可控滤波模块，用于对所述检波器敏感单元输出的模拟电信号进行增益放大与滤波；
所述方位角及倾角测量模块，用于实现检波器方位角和倾角的自测量；
所述带数据采集及数据通信的核心控制模块，用于将检测数据向外传输，包括：将所述可变增益及可控滤波模块输出的模拟电信号转换为数字信号，并向外传输，以及将检波器自测量到的方位角和倾角向外传输；用于控制所述振动测试单元进行机械震动从而实现检波器工作状态自检；还用于检波器的相关参数存储，以及检测数据的本地存储；
该检波器还包括：前端盖、防松动弹片、检波器外筒、检波器内部安装骨架、密封垫圈、后端盖和防水接头；
其中，所述前端盖的外螺纹与所述检波器外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧；
所述防松动弹片置于所述前端盖和所述内部结构架之间，所述前端盖通过所述防松动弹片压紧所述检波器内部安装骨架；
所述外筒与前端盖、后端盖及防水接头构成检波器的防护外壳；
所述检波器内部安装骨架置于所述外筒的内侧，用于固定所述检波器敏感单元、振动测试单元、可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块；其外螺纹与外筒的内螺纹配合，实现螺纹拧紧；
所述密封垫圈置于后端盖与外筒之间；
所述后端盖的外螺纹与所述外筒的内螺纹配合，实现螺纹紧固；
所述防水接头固定在所述后端盖上，供检波器内部电缆输出。
2.根据权利要求1所述的检波器，其特征在于，
所述检波器敏感单元与振动测试单元固定在所述检波器内部安装骨架内部，采用刚性紧固的方式，将其等效为一体，来感知同一外界震动；
所述可变增益及可控滤波模块、方位角及倾角测量模块及带数据采集及数据通信的核心控制模块，通过螺钉紧固的方式，固定在检波器内部安装骨架中靠近后端盖一端。
3.根据权利要求1所述的检波器，其特征在于，所述检波器敏感单元包括：三分量检波器与单分量检波器；
当为三分量检波器时，所述检波器敏感单元在同一最大灵敏度方向上至少有两个检波器敏感单元；
当为单分量检波器时，所述检波器敏感单元在同一最大灵敏度方向上至少有一个检波器敏感单元。
4.根据权利要求1所述的检波器，其特征在于，所述带数据采集及数据通信的核心控制模块，还用于实现检波器相关参数与检测数据的自关联，包括：将检波器的安装位置及其编号与检测到的检波器的方位角和倾角相关联。
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