CN103969689A - 一种矿用动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置，其特征在于：由前级信号处理模块、斩波放大模块、A/D转换电路、数字锁相放大模块及单片机系统组成。激电信号依次通过前级信号处理模块、斩波放大模块、A/D转换电路后经数字锁相放大模块处理送入单片机系统进行存储、显示等。利用本发明，可完成高频幅值、低频幅值、高频绝对相位、低频绝对相位、视电阻率、视幅频率等激电参数的测量。仪器内部电路设计符合煤矿安全生产技术规范和要求，可用于煤矿井下巷道超前探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种超前探测领域的煤矿井下作业的超前探测仪器，属于应用地球物理学电法超前探测技术，特别是涉及一种动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置。
背景技术
我国煤矿采掘方式的机械化程度逐渐增强，对综掘工作面的工作效率要求越来越高。掘进过程中必须遵循“预测预报，有掘必探，先探后掘，先治后采”的原则，来保证工作面内人员和机器的安全生产。目前，煤矿井下巷道超前探测方法包括矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、矿井地质雷达探测法、瑞雷波法以及矿井地震波超前探测技术等。这些物探方法存在如下问题：存在探测准确率低、实时性差、方向性差、效率低、成本高、抗干扰能力差、探掘分离等突出问题，不能完全满足掘进面对超前探测的要求。因此，尽快研究一种工作方法简单、探测精度高、可实现与掘进机协同作业的超前探测方法意义重大。
动态定向电场激励法（专利号CN103176214A）是中国矿业大学（北京）提出的一种基于双激电法以及电场聚焦效应的煤巷超前探测方法，根据同性电场相排斥的性质，利用约束电极发射的约束电场与主电极发射的探测电场相互作用，利用电场的约束和偏转作用，有效控制电场的传播方向，使探测电场的发射方向与发射范围控制一定范围内，从而实现角度和深度扫描探测，进行异常体的准确定位，达到定方向、定距离探测的目的。
中南大学的何继善院士发明了双频激电法及相关仪器（专利号 CN1034276A），其中SQ-3C双频激电仪接收机主要采用模拟电路进行设计，缺点是仪器结构复杂，易受温度漂移、时间漂移、环境噪声影响，目前主要用于地面电法勘探领域。山东大学的李树才等发明了隧道或坑道超前地质预报复合式激发极化仪器设备（专利号 CN102176059A）,不足之处在于频域信号处理模块只能得到低频和高频基波的幅度，而不能获得相位信息，目前主要用于隧道前方水体不良地质体预报。根据查阅国内外相关文献，激发极化法及其仪器尚未用于煤矿井下巷道超前探测领域。
发明内容
本发明的主要目的在于，基于动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测方法，提供一种符合煤矿本质安全、准确可靠，可实现与掘进机协同作业的矿用煤巷综掘超前探测接收装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置，它由前级信号处理模块、斩波放大模块、A/D转换电路、数字锁相放大模块及单片机系统组成。激电信号依次通过前级信号处理模块、斩波放大模块、A/D转换电路后经数字锁相放大模块处理送入单片机系统可完成高频幅值、低频幅值、高频绝对相位、低频绝对相位、视电阻率、视幅频率等激电参数的测量；所述前级信号处理模块包括输入保护电路、前置放大电路、工频陷波电路及低通滤波电路；所述斩波放大模块包括斩波调制电路、程控放大电路、斩波解调电路、低通滤波电路；所述数字锁相放大模块采用FPGA芯片编程实现，芯片内部包括同步时钟模块、数字正弦参考信号发生模块、4路PSD模块4路可编程FIR数字滤波器组、2路矢量运算模块以及数字调制方波控制信号发生模块；所述单片机系统包括微处理器、显示模块、存储模块、键盘模块、通信模块。
所述同步时钟模块为数字正弦参考信号发生模块和数字调制方波控制信号发生模块提供同一时钟，从而保证数字正弦参考信号与数字调制方波控制信号严格同步；数字正弦参考信号发生模块可以产生4路频率与相位可调的正弦波参考信号，数字调制方波控制信号发生模块可以产生2路频率与相位可调的调制方波控制信号，产生的控制信号控制发射装置产生双频调制方波电流。
所述数字正弦参考信号发生模块产生的数字正弦参考信号与数字调制方波控制信号发生模块产生的调制方波控制信号的频率范围为 ，频率分辨率可到，相位范围为，相位分辨率为。
本发明动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置与现有技术相比，具有如下有益效果：1. 本发明进行电路设计时充分考虑了低频噪声、漂移以及失调的抑制，采用斩波放大技术实现对低频噪声的抑制，提高了测量的精度；2. 本发明采用数字四通道锁相放大技术，避免模拟锁相放大器输出通道的直流放大器的工作特性随时间变化的不稳定性和由于温度变化引起的温度漂移带来的干扰，只需一次测量，即可得到激发极化电位差高频幅值、低频幅值、高频绝对相位、低频绝对相位等四个参数，经过一定运算可得视幅频率等其他参数，提高了测量效率及可靠性；3. 本发明数字锁相放大模块产生的数字调制方波控制信号控制发射装置产生双频调制方波电流，经过功率放大之后供入煤岩产生激发极化效应，测量时通过激发极化电位信号与数字正弦参考信号进行相关运算提取激发极化信息，由于数字调制方波控制信号与数字正弦参考信号采用同一时钟，保证频率与相位的严格同步，提高了探测的精度；4. 本发明在进行设计时充分考虑煤矿本质安全要求，满足煤矿井下特殊环境对电气设备的要求，能够用于煤矿巷道的超前探测。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1是本发明系统结构框图。
图2是本发明数字锁相放大模块结构框图。
图3、4、5、6、7、8、9是本发明数字锁相放大模块电路原理图。
图10是本发明数字锁相放大模块的数字调制方波控制信号发生模块时序仿真图。
其中，1. 前级信号处理模块，2. 斩波放大模块，3. A/D转换电路，4. 锁相放大模块，5. 单片机系统，11. 输入保护电路，12. 前置放大电路，13. 工频陷波电路，14. 低通滤波电路，15. 斩波调制电路，16. 程控放大电路，17.斩波解调电路，18. 低通滤波电路，19. 时钟管理模块，20. 数字正弦参考信号发生模块，21. 4路PSD模块，22. 4路可编程FIR数字滤波器组，23. 2路矢量运算模块，24. 数字调制方波控制信号发生模块，25.微处理器，26. 显示模块，27. 存储模块，28. 键盘模块，29. 通信模块。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本实施例不得用于解释对本发明保护范围的限制。
图1、图2中，本实施例由前级信号处理模块（1）、斩波放大模块（2）、A/D转换电路（3）、数字锁相放大模块（4）及单片机系统（5）构成。
所述前级信号处理模块（1）包括输入保护电路（1）、前置放大电路（2）、工频陷波电路（3）、低通滤波电路（4），该模块的作用是尽可能不失真的获取接收电极探测的电压信号，同时对信号进行初步的工频陷波及滤波等处理以提高信噪比。
1. 所述输入保护电路（11）的作用是防止过大的浪涌电压对后面电路的影响。
2. 所述前置放大电路（12）的作用是进行阻抗变换，要求具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移以及抗冲击等特点。本实施例中前置放大电路（12）主要由两个斩波自稳零放大器与低噪声前置放大器组成，输入失调电压可达1uV,共模抑制比可达130dB,为避免输入信号饱和将放大倍数设置为1。
3. 所述工频陷波电路（13）的作用是抑制输入信号中的工频干扰，本实施例中工频陷波电路（13）由两级陷波频率均为50±0.5Hz的陷波器与一级陷波频率为100±1Hz的陷波器组成，陷波器均采用专用工频陷波器，对50Hz的压制>60dB，对100Hz的压制>40dB。
4. 所述低通滤波电路（14）采用4阶巴特沃斯有源低通滤波器，截止频率为50Hz。
所述斩波放大模块（2）包括斩波调制电路（15）、程控放大电路（16）、斩波解调电路（17）、低通滤波电路（18），该模块的主要作用是在不引入新的噪声的条件下对信号进行有效的放大。斩波放大模块的工作原理如下：
信号经过斩波调制电路（15）时信号与调制信号相乘，则输入的低频信号被调制到高频，经过程控放大电路（16）的放大后，信号连同放大器的噪声和失调一起被放大，然后经过斩波解调电路（17）时与解调信号相乘，则信号被解调回低频，而放大器的噪声和失调则被调制到高频，最后输出端用低通滤波电路（18）将高频段的噪声和失调滤掉，从而实现了信号的高信噪比放大。
1. 所述斩波调制电路（15）与斩波解调电路（17）的作用分别是对输入信号进行调制与解调，两种电路的斩波器都选用低漏电流、低电荷注入的4输入模拟开关，控制信号与由数字锁相放大模块（4）产生，斩波频率设为1kHz。
2. 所述程控放大电路（16）的作用是对斩波调制后的信号进行有效的放大，本实施例中程控放大电路（16）采取5级放大，选用低噪声程控放大芯片，放大倍数分别为1、10、100、1000、10000倍。为减小直流干扰，程控放大电路（16）采用交流放大，前级后级加入隔直电容。
3. 所述低通滤波电路（18）采用4阶巴特沃斯有源低通滤波器，截止频率为50Hz。
所述数字锁相放大模块（4）采用FPGA芯片编程实现，芯片内部包括同步时钟模块（19）、数字正弦参考信号发生模块（20）、4路PSD模块（21）、4路可编程FIR数字滤波器组（22）、2路矢量运算模块（23）以及数字调制方波控制信号发生模块（24）等。数字锁相放大模块（4）的工作原理如下：所述数字调制方波控制信号发生模块（24）产生2路数字调制方波控制信号、，控制发射装置产生双频调制方波电流，供入煤巷掘进面前方的煤岩使之发生激发极化，激发极化信号由接收装置的测量电极接收。
（1）
通常情况下，取，此时的表达式可化简为如下形式：
（2）
激电信号经过前级信号处理模块（1）、斩波放大模块（2）对信号进行处理后，设此信号为，由A/D转换电路（3）将模拟信号转换为数字信号，输入到数字锁相放大模块（4），此处以模拟信号原理进行解释。
（3）
（4）
所述数字正弦参考信号发生模块（20）产生4路数字正弦参考信号，4路参考信号的频率与相位分别为/、/、/、/，4路信号的表达式如下：
（5）
（6）
（7）
（8）
所述4路PSD模块（24）的作用是将分别与、、、相乘，即相敏检波，4路可编程FIR数字滤波器组（23）的作用是滤除交流信号成分，通过直流成分，输出直流信号的表达式如下：
（9）
（10）
（11）
（12）
所述2路矢量运算模块（23）对、、、进行矢量运算，可得到高频幅值、低频幅值、高频绝对相位、低频绝对相位的表达式，表达式如下：
（13）
（14） （15）
（16）
所述单片机系统（5）包括微处理器（25）、显示模块（26）、存储模块（27）、键盘模块（28）、通信模块（29）是整个接收装置的控制、存储、通信、显示部分。
1. 所述微处理器（25）主要完成对数字锁相放大模块（4）、显示模块（26）、存储模块（27）、键盘模块（28）、通信模块（29）的控制作用，通过系统参数与工作模式控制接口控制数字锁相放大模块（4）的数字正弦参考信号及数字调制方波控制信号的频率以及相位、4路可编程FIR数字滤波器组（22）的滤波器阶数及时间常数等。
2. 所述显示模块（26）选用本安4.3寸液晶屏幕，完成系统设置、对高频幅值、低频幅值、高频绝对相位、低频绝对相位、视电阻率、视幅频率等数据以及相关曲线的显示。
3. 存储模块（27）选用U盘存储，完成对测点、测线、测量数据等的存储，优点是井下可随时完成数据存储，便于将数据带到井上进行分析。
4. 键盘模块（28）选用金属按键键盘，实现参数及控制命令的输入。
5. 通信模块（29）采用485通信，通信协议为Modbus,实现接收装置与发射装置之间的通信。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置，其特征在于：由前级信号处理模块（1）、斩波放大模块（2）、A/D转换电路（3）、数字锁相放大模块（4）及单片机系统（5）组成，激电信号依次通过前级信号处理模块（1）、斩波放大模块（2）、A/D转换电路（3）后经数字锁相放大模块（4）处理送入单片机系统（5），可完成高频幅值、低频幅值、高频绝对相位、低频绝对相位、视电阻率、视幅频率等激电参数的测量；
所述前级信号处理模块（1）包括输入保护电路（11）、前置放大电路（12）、工频陷波电路（13）及低通滤波电路（14）；
所述斩波放大模块（2）包括斩波调制电路（15）、程控放大电路（16）、斩波解调电路（17）、低通滤波电路（18）；
所述数字锁相放大模块（4）采用FPGA芯片编程实现，芯片内部包括同步时钟模块（19）、数字正弦参考信号发生模块（20）、4路PSD模块（21）、4路可编程FIR数字滤波器组（22）、2路矢量运算模块（23）以及数字调制方波控制信号发生模块（24）；
所述单片机系统（3）包括微处理器（25）、显示模块（26）、存储模块（27）、键盘模块（28）、通信模块（29）。
2.根据权利要求1所述的动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置，其特征在于，所述同步时钟模块（19）为数字正弦参考信号发生模块（20）和数字调制方波控制信号发生模块（24）提供同一时钟，从而保证数字正弦参考信号与数字调制方波控制信号严格同步；数字正弦参考信号发生模块（20）可以产生4路频率与相位可调的正弦波参考信号，数字调制方波控制信号发生模块（24）可以产生2路频率与相位可调的调制方波控制信号，产生的控制信号控制发射装置产生双频调制方波电流。
3.根据权利要求1所述的动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测接收装置，其特征在于：所述数字正弦参考信号发生模块（20）产生的数字正弦参考信号与数字调制方波控制信号发生模块（24）产生的调制方波控制信号的频率范围为 ，频率分辨率可到，相位范围为，相位分辨率为。
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