CN104330064A - 一种巷道变形数据在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种巷道变形数据在线监测装置及方法，属于矿山安全监测技术领域；该装置包括多个超声波发射传感器、多个超声波接收传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；中央控制器包括电源模块、温度传感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；本发明利用超声波传感器测距，抗干扰能力强、测量精度高；通过对温度和硬件设备本身对测量造成的误差的修正，测量精度明显提高，测量量程扩大；采用SD卡将数据实时储存，降低人工抄录的劳动强度，测量原始数据丰富，给巷道变形规律分析提供了充足的依据。

Description

一种巷道变形数据在线监测装置及方法

技术领域

本发明属于矿山安全监测技术领域，特别涉及一种巷道变形数据在线监测装置及方法。

背景技术

随着矿井转入深部开采后将面临地应力增大、岩体粘结性差、巷道容易变形破坏等问题，巷道一旦破坏就会给运输、通风、工人等方面造成严重的困扰，严重影响煤矿的正常生产；巷道变形是深部矿井动力灾害预测预报的一项重要参数，加强对巷道变形的监测，准确了解巷道的变形及规律对指导煤矿的安全生产有着非常重要的意义。

目前对于巷道变形监测设备和方法主要包括激光指向仪、钢尺式收敛计、水准仪、经纬仪、全站仪、位移计、光纤传感监测、表面位移监测、近景摄像机等，但现有的设备和方法存在成本较高、抗干扰能力差、操作繁琐、劳动强度大、技术要求高、测量数据少、数据访问不方便等局限性，不能在巷道中广泛布置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种巷道变形数据在线监测装置及方法，以达到简化结构、降低成本、提高抗干扰能力、提高测量精度、提高操作方便性、便于访问数据的目的。

一种巷道变形数据在线监测装置，包括多个超声波发射传感器、多个超声波接收传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；所述的中央控制器包括电源模块、温度传感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；其中，

超声波发射传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，发射超声波至反射点，并将发射时间发送至微处理器中；

超声波接收传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，接收从反射点反射的超声波，并将接收时间发送至微处理器中；

电源模块：用于对微处理器供电；

温度传感器：用于采集被测巷道内环境温度，并将采集的温度发送至微处理器中；

微处理器：用于根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，再根据上述夹角、修正后的波速和超声波发射与接收时间差，获得各个目标监测点与反射点之间的距离，并获得每秒内监测点与其反射点之间距离的平均值，将上述平均值作为巷道监测数据发送至基站和存储模块中；

信号控制模块：当手动工作时，用于发送开启或关断信号至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；当自动工作时，用于接收微处理器发送的开启或关断信号，并转发至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；

显示模块：用于实时显示巷道监测数据和环境温度；

储存模块：用于储存不同时间点的环境温度和巷道监测数据；

基站：用于接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面监测中心；

地面监测中心：用于接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线图，实现数据在线监测。

所述的超声波传感器的个数根据实际需求而定，设置于目标监测点处，所述目标监测点的间隔距离和设置位置根据实际需求而定；所述基站的个数和设置的间隔距离根据实际需求而定。

所述的存储模块采用SD存储卡。

采用巷道变形数据在线监测装置进行的监测方法，包括如下步骤：

步骤1、启动装置，采用微处理器通过信号控制模块发送启动信号至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；

步骤2、采用超声波发射传感器发射超声波，超声波经反射发送至超声波接收传感器中，并将超声波发射时间和接收时间发送至微处理器中；

步骤3、采用温度传感器采集被测巷道内的环境温度，并发送至微处理器中；

步骤4、采用微处理器，根据采集的环境温度对超声波波速进行修正，并根据超声波发射与接收的时间差，获取目标监测点到反射点之间的距离，具体步骤如下：

步骤4.1、根据采集的环境温度对超声波速度进行修正；

步骤4.2、根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角；

步骤4.3、根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离；

步骤4.4、每秒内对各个目标监测点的超声波发射时间与接收时间测试多次，采用微处理器对获得的目标监测点与反射点之间的距离求出平均值，将平均值作为巷道监测数据发送至基站和存储模块中；

步骤5、采用基站接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面的监测中心；

步骤6、地面监测中心接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线图，实现数据在线监测。

所述的步骤4.1、根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，采用如下公式：

v＝331.4+0.61T  (1)

其中，v为修正后的超声波波速，T为采集的环境温度。

所述的步骤4.2、确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，采用如下公式：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{L/2}{v\·\mathrm{\Δt}/2}=\frac{L}{v\·\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

其中，α为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，L为超声波发射传感器和超声波接收传感器之间的距离，Δt为超声波发射和接收时间差。

所述的步骤4.3、根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离，采用如下公式：

$s=\frac{1}{2}v\·\mathrm{\Δt}\·\cos \mathrm{\α}---\left(3\right)$

其中，s为各个目标监测点与反射点之间的距离，v为修正后的超声波波速，Δt为超声波发射和接收时间差，α为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角。

本发明优点：

(1)矿井巷道变形破坏会直接影响矿山企业的安全生产，实现巷道变形的实时监测和自动监测是现代矿井的必然要求和趋势，本发明基于Arduino单片机系统，利用超声波传感器测距适用于非接触、抗干扰能力强、测量精度高等特点，设计了巷道变形监测的硬件系统和软件系统，满足了巷道变形监测的需要；

(2)超声波传感器对环境温度比较敏感，本发明通过温度补偿和系统修正，能够较好地消除温度和硬件设备本身对测量结果造成的误差，测量精度较以往明显提高，测量量程扩大到3mm～8000mm，尽管测量误差仍然有随着测量距离增大而增大的趋势，但该系统能够满足巷道变形监测的实际需要；

(3)本发明的装置采用SD卡将数据实时存储，降低了人工抄录的劳动强度，测量原始数据丰富，给巷道的变形规律分析提供了充足的保证，通过实验测试和现场应用，巷道变形监测系统实用性强，为矿井动力灾害防治提供了依据，对矿山企业安全生产有着重大意义。

附图说明

图1为本发明一种实施例的巷道变形数据在线监测装置结构框图；

图2为本发明一种实施例的装置位置设置示意图；

图3为本发明一种实施例的监测点位置布置剖面图；

图4为本发明一种实施例的装置内部电路原理图；

图5为本发明一种实施例的巷道变形数据在线监测的方法流程图；

图6为本发明一种实施例的修正目标检测点和反射点之间距离的原理图；

图7为本发明一种实施例的巷道变形监测结果趋势图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1所示，一种巷道变形数据在线监测装置，包括多个超声波发射传感器、多个超声波接收传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；所述的中央控制器包括电源模块、温度传感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；

本发明实施例中，如图2所示，1为超声波发射传感器和超声波接收传感器，包括8个超声波发射传感器和8个超声波接收传感器，2为数据总线，3为中央控制器，4为基站，5为巷道，6为目标监测点与反射点之间超声波传播路径；

本发明实施例从2013年7月15日到2013年9月20日对某矿某运输顺槽巷道变形进行了监测，包括巷道顶底板变形移近量、两帮变形移近量；为了测试巷道变形监测系统的监测效果，在运输顺槽内选择了三个监测点，每个监测点相距20米，在每个监测点处布置两个测量点，布置剖面图如图3所示，测量点1.1负责巷道顶底板变形移近量的监测，测量点2.1负责巷道两帮变形移近量的监测；

本发明实施例中，如图4所示，电源模块包括电容C1、电容C2和晶振X1，控制模块包括启动开关、复位开关和电阻R1，显示器LCD1采用1602液晶显示器，微处理器U1采用Arduino单片机，温度传感器U2采用DS18b20型号，超声波发射传感器和超声波接收传感器U3采用HC-SR04型号，储存器采用SD卡，该卡可由工作人员携带至地面进行数据分析。其中，图4中单片机的PB6/TOSC1/XTAL1引脚和PB7/TOSC2/XTAL2引脚连接电源模块，单片机的A2PC2/ADC2引脚连接显示器的D4引脚、A3PC3/ADC3引脚连接显示器的D5引脚、A4PC4/ADC4引脚连接显示器的D6引脚、A5PC5/ADC5引脚连接显示器的D7引脚，单片机的D7/PD7/AIN1引脚与温度传感器的DO引脚相连，单片机的D6/PD6/AIN0引脚与超声波发射传感器和超声波接收传感器的TRIG引脚相连、D5/PD5/T1引脚与ECHO引脚相连，单片机的PB4/MISC/D12引脚连接储存器的MSO引脚、PB5/SCK/D13引脚连接储存器的SCK引脚、PB2/SS/OC1B/D10引脚连接储存器的SS引脚、PB3/MOSI/OC2/D11引脚连接储存器的MOSI引脚，单片机的D2/PD2/INTO引脚和PC6/RESET引脚连接控制模块。

超声波发射传感器用于在不同巷道截面的监测点处，发射超声波至反射点，并将发射时间发送至微处理器中；超声波接收传感器用于在不同巷道截面的监测点处，接收从反射点反射的超声波，并将接收时间发送至微处理器中；电源模块用于对微处理器供电；温度传感器用于采集被测巷道内环境温度，并将采集的温度发送至微处理器中；信号控制模块当手动工作时，用于发送开启或关断信号至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；当自动工作时，用于接收微处理器发送的开启或关断信号，并转发至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；显示模块用于实时显示巷道监测数据和环境温度；储存模块用于储存不同时间点的环境温度和巷道监测数据；基站用于接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面监测中心；地面监测中心用于接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线图，实现数据在线监测；

微处理器用于根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，再根据上述夹角、修正后的波速和超声波发射与接收时间差，获得各个目标监测点与反射点之间的距离，并获得每秒内监测点与其反射点之间距离的平均值，将上述平均值作为巷道监测数据发送至基站和存储模块中；

采用巷道变形数据在线监测装置进行的监测方法，方法流程图如图5所示，包括如下步骤：

步骤1、启动装置，采用微处理器通过信号控制模块发送启动信号至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；

步骤2、采用超声波发射传感器发射超声波，超声波经反射发送至超声波接收传感器中，并将超声波发射时间和接收时间发送至微处理器中；

步骤3、采用温度传感器采集被测巷道内的环境温度，并发送至微处理器中；

步骤4、采用微处理器，根据采集的环境温度对超声波波速进行修正，并根据超声波发射与接收的时间差，获取目标监测点到反射点之间的距离，具体步骤如下：

步骤4.1、考虑到环境温度对测量精度的影响，根据采集的环境温度，利用超声波在空气中传播速度与环境温度之间的线性关系，对超声波速度进行修正，确定如下公式：

v＝331.4+0.61T  (1)

其中，v为修正后的超声波波速，T为采集的环境温度。

如图6所示，由于超声波发射端和接收端之间的距离的存在，使得测量出的距离比实际距离偏大，尤其是在测量较近距离的时候表现明显，因此要对测量距离进行修正。

步骤4.2、根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，采用如下公式：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{L/2}{v\·\mathrm{\Δt}/2}=\frac{L}{v\·\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

其中，α为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，L为超声波发射传感器和超声波接收传感器之间的距离，Δt为超声波发射和接收时间差。

步骤4.3、根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离，采用如下公式：

$s=\frac{1}{2}v\·\mathrm{\Δt}\·\cos \mathrm{\α}---\left(3\right)$

其中，s为各个目标监测点与反射点之间的距离，v为修正后的超声波波速，Δt为超声波发射和接收时间差，α为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角。

步骤4.4、每秒内对各个目标监测点的超声波发射时间与接收时间测试5次，采用微处理器对获得的目标监测点与反射点之间的距离求出平均值，将平均值作为巷道监测数据发送至基站和存储模块中；

步骤5、采用基站接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面的监测中心；

步骤6、地面监测中心接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线图，实现数据在线监测。

本发明实施例中，通过对巷道变形数据的采集，从SD卡中提取相应数据，分别对各个监测点变形结果及趋势进行分析，监测结果如图7所示，-◆-曲线为1号点两帮变形移近量监测结果，-■-曲线为2号点两帮变形移近量监测结果，-▲-曲线为3号点两帮变形移近量监测结果，-×-曲线为1号点顶底板变形移近量监测结果，曲线为2号点顶底板变形移近量监测结果，-●-曲线为3号点顶底板变形移近量监测结果，巷道顶底板和两帮的移近量都较大，甚至有些监测断面的变形曲线不收敛，其最大位移量已经超过500毫米，并且还有继续增大的趋势，围岩不能趋于稳定，巷道处于比较危险的状态；通过现场勘查和地应力测量等方法，发现移近量大的区域有应力集中、构造异常等现象，监测结果与实际情况有较好的一致性，为巷道维护、发现异常提供了很好的根据。

Claims (7)

1.一种巷道变形数据在线监测装置，其特征在于：该装置包括多个超声波发射传感器、多个超声波接收传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；所述的中央控制器包括电源模块、温度传感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；其中，

超声波发射传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，发射超声波至反射点，并将发射时间发送至微处理器中；

超声波接收传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，接收从反射点反射的超声波，并将接收时间发送至微处理器中；

电源模块：用于对微处理器供电；

温度传感器：用于采集被测巷道内环境温度，并将采集的温度发送至微处理器中；

微处理器：用于根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，再根据上述夹角、修正后的波速和超声波发射与接收时间差，获得各个目标监测点与反射点之间的距离，并获得每秒内监测点与其反射点之间距离的平均值，将上述平均值作为巷道监测数据发送至基站和存储模块中；

信号控制模块：当手动工作时，用于发送开启或关断信号至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；当自动工作时，用于接收微处理器发送的开启或关断信号，并转发至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；

显示模块：用于实时显示巷道监测数据和环境温度；

储存模块：用于储存不同时间点的环境温度和巷道监测数据；

基站：用于接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面监测中心；

地面监测中心：用于接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线图，实现数据在线监测。

2.根据权利要求1所述的巷道变形数据在线监测装置，其特征在于：所述的超声波传感器的个数根据实际需求而定，设置于目标监测点处，所述目标监测点的间隔距离和设置位置根据实际需求而定；所述基站的个数和设置的间隔距离根据实际需求而定。

3.根据权利要求1所述的巷道变形数据在线监测装置，其特征在于：所述的存储模块采用SD存储卡。

4.采用权利要求1所述的巷道变形数据在线监测装置进行的监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、启动装置，采用微处理器通过信号控制模块发送启动信号至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；

步骤2、采用超声波发射传感器发射超声波，超声波经反射发送至超声波接收传感器中，并将超声波发射时间和接收时间发送至微处理器中；

步骤3、采用温度传感器采集被测巷道内的环境温度，并发送至微处理器中；

步骤4、采用微处理器，根据采集的环境温度对超声波波速进行修正，并根据超声波发射与接收的时间差，获取目标监测点到反射点之间的距离，具体步骤如下：

步骤4.1、根据采集的环境温度对超声波速度进行修正；

步骤4.2、根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角；

步骤4.3、根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离；

步骤4.4、每秒内对各个目标监测点的超声波发射时间与接收时间测试多次，采用微处理器对获得的目标监测点与反射点之间的距离求出平均值，将平均值作为巷道监测数据发送至基站和存储模块中；

步骤5、采用基站接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面的监测中心；

步骤6、地面监测中心接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线图，实现数据在线监测。

5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：步骤4.1所述的根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，采用如下公式：

v＝331.4+0.61T   (1)

其中，v为修正后的超声波波速，T为采集的环境温度。

6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：步骤4.2所述的确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，采用如下公式：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{L/2}{v\·\mathrm{\Δt}/2}=\frac{L}{v\·\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

其中，α为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，L为超声波发射传感器和超声波接收传感器之间的距离，Δt为超声波发射和接收时间差。

7.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：步骤4.3所述的根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离，采用如下公式：

$s=\frac{1}{2}v\·\mathrm{\Δt}\·\cos \mathrm{\α}---\left(3\right)$

其中，s为各个目标监测点与反射点之间的距离，v为修正后的超声波波速，Δt为超声波发射和接收时间差，α为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角。