CN104198793A - 一种岩体自电位传感器 - Google Patents

Abstract

一种岩体自电位传感器，属于岩体测试仪器领域。该传感器包括第一电极、第二电极和传感放大器；传感放大器包括电荷灵敏级和放大输出级；电荷灵敏级主要由第一运算放大器构成；放大输出级主要由滤波器和第二运算放大器构成；电荷灵敏级的两个输入端分别连接第一电极的一端和第二电极的一端，电荷灵敏级的输出端连接放大输出级输入端；放大输出级输出端连接第二运算放大器输入端；第一电极和第二电极的另一端分别布置在岩体试件表面的两个相应位置上。本发明能够把煤岩体变形破裂过程产生的极小自电位信号转换为易于测量、传输和处理的信号，且电路简单、体积小、制作成本低，灵敏度高，输出信号具有上升时间快、噪声低、稳定性好等特点。

Description

一种岩体自电位传感器

技术领域

本发明属于岩体测试仪器领域，具体涉及一种岩体自电位传感器。

背景技术

冲击地压是矿井的严重自然灾害，随着采掘强度和深度的加大，开采条件越来越复杂，原来没有冲击危险的矿井也出现了冲击现象，冲击地压等矿山动力灾害已经成为矿区安全生产的主要威胁。因此对冲击地压的发生做出准确、及时的预测预报，进而采取措施，防治灾害的发生就变的尤为重要，成为科技工作者和矿山工程技术人员的重要任务，是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科学问题。

岩石变形破裂过程自电位和电荷变化的研究是从地震工作者发现震前地震电信号异常开始的。依据自电位(self-potential)前兆信号预报地震的方法，近年在许多国家受到了特别的重视，有大量报道地震前的地电变化。作为正在探索的地震预报手段之一，自电位法应是一种很具潜力的方法，值得深入研究。冲击地压是采矿诱发的矿井灾害，自电位法可以作为冲击地压预报手段之一，值得深入研究。采用自电位监测技术对冲击地压动力灾害进行预测，就需要弄清煤岩体变形破裂过程自电位信号的变化规律和信号的产生机理。

煤岩体的物质结构决定了煤岩体变形破裂过程产生的自电位信号极小，需要研制高性能的自电位传感器为监测煤岩变形破裂过程的自电位信号提供必要的测试手段。在授权公告号CN101490564B的授权专利中，公开了一种电位传感器，该电位传感器主要应用在医学和显微镜领域，比如显微成像和光谱分析，以及核磁共振应用。在公布号为CN1678901的专利申请中，公开了一种电位传感器，该电位传感器主要PH传感器或氧化还原传感器，或者PH电极或氧化还原电极，用于连接至变送器。显然这两种电位传感器不适合监测煤岩变形破裂过程的自电位信号。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于检测煤岩变形破裂过程自电位信号的岩体自电位传感器，对煤岩变形破裂过程产生的极小自电位信号进行采集并进行转换为易于测量、传输和处理的信号，以便于对煤岩变形破裂过程自电位信号的监测。

本发明的技术方案：

一种岩体自电位传感器，包括：第一电极、第二电极和传感放大器；

所述传感放大器包括电荷灵敏级和放大输出级；

所述电荷灵敏级主要由第一运算放大器构成；所述放大输出级主要由滤波器和第二运算放大器构成；

所述电荷灵敏级，即第一运算放大器的两个输入端作为传感放大器的两个输入端分别连接第一电极的一端和第二电极的一端，用于接收第一电极和第二电极传送来的自电位信号并将其放大为第一电压信号，且将该第一电压信号传送至放大输出级；所述电荷灵敏级，即第一运算放大器的输出端连接作为放大输出级输入端的滤波器输入端；滤波器的输出端连接第二运算放大器的输入端；即，所述放大输出级首先通过滤波器对接收的第一电压信号进行滤波处理；然后通过第二运算放大器将第一电压信号进一步放大为第二电压信号，并通过作为传感放大器输出端的第二运算放大器的输出端对其进行输出；

所述第一电极的另一端和第二电极的另一端分别用于布置在岩体试件表面的两个相应位置上，与岩体试件进行电容耦合(即，所述第一电极、岩体试件部分与第二电极构成电容，第一电极与第二电极之间的岩体试件部分为该电容的介质)，采集该两个相应位置之间产生的自电位信号，并将该自电位信号传送给传感放大器进行放大；

所述第一电极和第二电极的材质均为铜；

所述第一电极的一端和第二电极的一端分别通过屏蔽电缆直接连接到传感放大器的两个输入端上；

具体应用时，所述第一电极的另一端表面和第二电极的另一端表面分别与岩体试件表面直接接触，接触面涂有一层导电铜胶或导电银胶作为耦合剂进行耦合；

所述第一运算放大器的一个输入端和输出端之间分别并联反馈电容和反馈电阻；所述反馈电容向传感放大器提供高输入阻抗，以增加电极对微弱的自电位信号的灵敏度；所述反馈电阻向传感放大器输入相应的反馈信号，以提高传感器的信噪比；

通过在第二运算放大器的增益调节端并联外部电阻调节第二运算放大器的放大倍数，可在1～101倍之间任意调节输出运算放大器的放大倍数，既提高了模块的输出电压摆幅范围，又提高了整个传感放大器模块的输入灵敏度，即使输入非常小的自电位信号，也能得到较大的输出电压信号；

为了防止从电源引入干扰信号，在电源接入第一运算放大器和第二运算放大器前，每个接入电源端均并联两个电容，一个电容用于限制高频电信号的干扰，另一个电容用于限制低频电信号的干扰；为了防止电源电压过大损坏放大传感器中的第一运算放大器和第二运算放大器，在电源端各连接一个二极管。

最后，采用1mm厚的铜皮制作屏蔽外壳，对所述传感放大器电路板进行屏蔽，可最大限度的限制外界电磁信号对传感放大器电路的干扰。

有益效果：本发明的岩体自电位传感器能够把煤岩体变形破裂过程产生的极小自电位信号转换为易于测量、传输和处理的信号。本发明电路简单、体积小、制作成本低，灵敏度高，输出信号具有上升时间快、噪声低、稳定性好等特点。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的岩体自电位传感器的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的传感放大器的电路原理图；

图3为本发明一种实施方式的传感放大器的电源的电路原理图；

其中，1.岩体试件 2.第一电极 3.第二电极 4.传感放大器 5.电荷灵敏级 6.放大输出级 7.反馈电容 8.反馈电阻 9.第一运算放大器 10.滤波器 11.第二运算放大器。

具体实施方式

本发明的一种实施方式给出岩体自电位传感器的结构框图，如图1所示，包括：第一电极2、第二电极3和传感放大器4；所述传感放大器4包括电荷灵敏级5和放大输出级6；所述电荷灵敏级5主要由第一运算放大器9构成；所述放大输出级6主要由滤波器10和第二运算放大器11构成；

所述电荷灵敏级5，即第一运算放大器9的两个输入端作为传感放大器4的两个输入端分别连接第一电极2的一个端面和第二电极3的一个端面，用于接收第一电极2和第二电极3传送来的自电位信号并将其放大为第一电压信号，且通过第一运算放大器9的输出端OUT1端输出至作为放大输出级6输入端的滤波器10的输入端；第一电压信号经过滤波器10的滤波处理后通过滤波器10的输出端输出至第二运算放大器11的输入端；第二运算放大器11进一步将第一电压信号放大为第二电压信号，并通过作为传感放大器输出端的第二运算放大器11的输出端OUT2端对其进行输出；

所述第一电极2和第二电极3的材质均为铜，即均为铜电极，且均为直径为5mm、厚度为0.5mm的圆形铜片；所述第一电极2的一端和第二电极3的一端分别通过屏蔽电缆直接连接到传感放大器4的两个输入端上；所述第一电极2的另一端表面和第二电极3的另一端表面分别用于布置在岩体试件1表面的两个相应位置上，采集该两个相应位置之间产生的自电位信号，并将该自电位信号传送给传感放大器4进行放大；在本实施方式的具体应用中，所述第一电极2的另一端表面和第二电极3的另一端表面分别与岩体试件1表面直接接触，接触面涂有一层导电铜胶或导电银胶作为耦合剂进行耦合，并用胶带与岩体试件1表面紧贴；

所述第一运算放大器9的一个输入端及其输出端OUT1之间分别并联反馈电容7和反馈电阻8；通过在第二运算放大器11的增益调节端(即GAIN端和OUT2端)并联外部电阻，在1～101倍之间任意调节放大输出级6的放大倍数；

传感放大器4的电路原理图如图2所示。传感放大器4的电荷灵敏级5主要由输入阻抗高、响应速度快、开环增益大、贴片封装的型号为LMC6001的集成运算放大器构成，其中在LMC6001型集成运算放大器的2脚，即-IN引脚与其OUT引脚，即OUT1端之间并联作为反馈电阻R1，在LMC6001型集成运算放大器的2脚，即-IN引脚通过一个耦合电容C1与其OUT引脚，即OUT1端之间并联作为反馈电容C2；由于反馈电容7过大，则噪声偏大，过小则反馈深度偏小，输出幅度稳定性变坏，同时还需反馈电容7的温度系数尽量的小，以降低温度漂移，因此为反馈电容7选用的电容C2为具有吸附效应小、时间和温度稳定性好的电容器。为了保证反馈电阻8的高阻值、降低温度漂移、防电荷泄漏，为反馈电阻8选用的电阻R1为高阻值、温度系数小的电阻；且电容C2和电阻R1通过聚四氟乙烯绝缘柱接入电路板。

如图2所示，滤波器10采用的是由电容C11、电阻R9、电阻R10和电容C12构成的CR-RC滤波器；第二运算放大器11采用的是转换速度快、电压增益高的型号为OP07的集成运算放大器。CR-RC滤波器通过电容C11直接连接LMC6001型集成运算放大器的OUT引脚，即OUT1端，CR-RC滤波器通过电容C12并联的电阻R2连接OP07型集成运算放大器的2脚，即-IN引脚。通过在OP07型集成运算放大器的增益调节端(即GAIN端和OUT2端)并联外部电阻Rg，可以在1～101倍中间任意调节放大输出级6的放大倍数，既提高了传感放大器4的输出电压摆幅范围，又提高了整个传感放大器4的输入灵敏度，即使输入非常小的自电位信号，也能得到较大的输出电压信号。其中，OP07型集成运算放大器的放大倍数其中R3，R4为OP07型集成运算放大器的-IN引脚与其OUT引脚，即OUT2端之间并联的串联电阻；R2，R3的电阻值均为2kΩ；R4的电阻值为200kΩ；因此当OP07型集成运算放大器的增益调节端短接，即Rg＝0Ω时，放大倍数A为1，当增益调节端为开路时，放大倍数A为101。

本实施方式的传感放大器的电源的电路原理图如图3所示，整个电路采用±6V电源供电，为了防止从电源引入干扰信号，在电源接入LMC6001型集成运算放大器和OP07型集成运算放大器前，在每一接入电源端均并联两个电容，即在接入电源V1+端并联电容C3和C4、在接入电源V1-端并联电容C5和C6、在接入电源V2+端并联电容C7和C8、在接入电源V2-端并联电容C9和C10；电容C3、C5、C7和C9均为极性钽电容，能最大限度地限制高频电信号的干扰；电容C4、C6、C8和C10均为NPO贴片电容，能最大限度地限制低频电信号的干扰；为了防止电源电压过大损坏放大传感器4中的集成运算放大器，在电源接入运算放大器前，在每一电源端连接一二极管，即在+6V端连接二极管D1，在-6V端连接二极管D2。

本实施方式采用尺寸为30×30×100mm，1mm厚的铜皮作为屏蔽外壳，对传感放大器整个电路板进行屏蔽，可最大限度的限制外界电磁信号对电路的干扰。该屏蔽外壳前端接口用两芯屏蔽线与两铜电极(铜电极在屏蔽电路板外壳外边)连接，后端接口用五芯航空插头，分别为输出端(OUT2)、增益端(GAIN)、电源正(V+)、电源地(GND)、电源负(V-)。

如图2所示，在检测煤岩岩体试件变形破裂过程中的自电位信号时，第一电极连接LMC6001型集成运算放大器IN1引脚，即IN端，第二电极连接LMC6001型集成运算放大器的3脚，即+IN引脚端，与输入信号地连接。当岩体试件(煤或岩石)受到外力作用时，试件表面各点之间产生电位差，两铜电极分别粘贴在试件表面两不同点处，接收两点的电位差，铜电极对之间的电位差即为自电位值，第一电极和第二电极接收到自电位信号。来自铜电极对的自电位信号直接耦合在输入端IN上，通过电荷灵敏级5中的LMC6001型集成运算放大器转换为第一电压信号并通过OUT1端输出至CR-RC滤波器，第一电压信号经过CR-RC滤波器滤波成形后送入OP07型集成运算放大器，放大为数据采集器可采集的第二电压信号，并通过OUT2端输出。第二电压信号经数据采集器采集存储就可以对煤岩变形破裂过程的自电位信号进行分析，获得煤岩变形破裂过程自电位变化规律。

Claims (10)

1.一种岩体自电位传感器，其特征在于：包括：第一电极、第二电极和传感放大器；

所述传感放大器包括电荷灵敏级和放大输出级；所述电荷灵敏级主要由第一运算放大器构成；所述放大输出级主要由滤波器和第二运算放大器构成；

所述电荷灵敏级的两个输入端，即第一运算放大器的两个输入端作为传感放大器的两个输入端分别连接第一电极的一端和第二电极的一端；电荷灵敏级的输出端，即第一运算放大器的输出端连接作为放大输出级输入端的滤波器的输入端；滤波器的输出端连接第二运算放大器的输入端。

2.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：所述电荷灵敏级，用于接收第一电极和第二电极传送来的自电位信号并将其放大为第一电压信号，且通过第一运算放大器的输出端输出至作为放大输出级输入端的滤波器的输入端。

3.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：所述放大输出级首先通过滤波器对接收的第一电压信号进行滤波处理；然后通过第二运算放大器将第一电压信号进一步放大为第二电压信号，并通过作为传感放大器输出端的第二运算放大器的输出端对其进行输出。

4.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：所述第一电极和第二电极的材质均为铜。

5.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：所述第一电极的一端和第二电极的一端分别通过屏蔽电缆直接连接到传感放大器的两个输入端上。

6.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，具体应用时，其特征在于：所述第一电极的另一端和第二电极的另一端分别布置在岩体试件表面的两个相应位置上，采集该两个相应位置之间产生的自电位信号。

7.根据权利要求6所述的岩体自电位传感器，具体应用时，其特征在于：所述第一电极的另一端表面和第二电极的另一端表面分别与岩体试件表面直接接触，接触面涂有一层导电铜胶或导电银胶作为耦合剂。

8.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：所述第一运算放大器的一个输入端与其输出端之间分别并联反馈电容和反馈电阻。

9.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：通过在第二运算放大器的增益调节端并联外部电阻调节第二运算放大器的放大倍数，第二运算放大器的放大倍数在1～101倍之间可调。

10.根据权利要求1所述的岩体自电位传感器，其特征在于：采用1mm厚的铜皮制作屏蔽外壳，对所述传感放大器进行屏蔽。