CN104749255A - 一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统 - Google Patents

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叶强
陈伟新
潘琳
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Abstract

本发明公开了一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，包含微控制器模块以及与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块和电源模块，所述微控制器模块包含计时单元、第一计算单元、第二计算单元和比较单元，所述超声波发射模块包含依次连接的高压电路、脉冲产生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收模块包含依次连接的滤除噪声电路、接收信号放大电路、信号整形电路，本发明利用超声波在岩体中的传播速度与岩体的受力状态和裂隙程度的关系来实时地监测围岩松动圈的情况，具有方便、灵活、易于操作。

Description

一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统
技术领域
本发明涉及一种超声波测距系统，尤其涉及一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，属于测距领域。
背景技术
超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它是由与介质相接触的震荡源所引起的，其频率在20kHz以上。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而利用超声波测距在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括无损检测、过程测量、机器人测量和定位，以及流体液面高度测量等。
巷道的安全支护在煤矿安全生产中起到重要的作用，也是煤矿安全生产中的难点。对巷道的安全支护的关键是要实时地掌握嗣岩松动圈的破碎状态。
巷道开挖后破坏了原岩的应力平衡状态，从而导致：第一，巷道周边径向应力下降为零，围岩强度明显下降；第二，围岩中出现应力集中现象。当这种应力超过围岩强度之后，在巷道周边围岩所形成的破碎带便是围岩松动圈。其物理状态表现为破裂缝的增加及岩体应力水平的降低。松动圈测试就是测试开巷后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破裂缝与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。参考文献介绍了基于松动圈测试的检测原理相应的测试方法，包括超声波探测法、多点位移计量测法和地质雷达探测法。
例如申请号为“201210126584.8”的一种超声波测距方法，属于电子测量技术领域，超声波发射器与脉冲激光器处于发射端，发射端接收到测量命令后，脉冲激光器触发一束脉冲激光，同时超声波发射器触发超声波，将触发的超声波与外部时钟源进行锁相；超声波接收器与光电二极管处于接收端，光电二极管接收到脉冲激光后，启动计时器，超声波接收器获取接收的超声波后，计时器停止，获取渡越时间；渡越时间乘以修正后的声速获取被测距离粗测值；获取相位差，则精测部分为获取实测距离本发明使得接收器不易受发射器干扰，测量盲区大大减小，提高了超声测距的指向性，将测距精度提高到一个超声波长以内，该发明虽然能够通过超声波进行测距，但是尚未考虑温度的影响且测量精度有待进一步提高。
又如申请号为“201210169354.X”的一种压电式超声波测距系统，采用单片机STC12C5202AD产生超声波方波信号；采用六反相器CD4069作为发射系统的前置驱动和整理电路；采用集成电路CX20106A作为接收系统的信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形电路；采用软件分别控制超声波发射器的开启时间和超声波接收器的开启时间；超声波频率为40kHz,波长为34000/40000＝0.85cm；超声波发生器和接收器的间隔距离在5cm以上，且平行于电路板放置。该发明测距系统虽然提高了压电式超声波测距系统的灵敏度和抗干扰能力，并且，体积小，易于集成化。但是尚未考虑温度的影响且测量精度有待进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种方便、灵活、易于操作的基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，包含微控制器模块以及与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块和电源模块，所述微控制器模块包含计时单元、第一计算单元、第二计算单元和比较单元，所述超声波发射模块包含依次连接的高压电路、脉冲产生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收模块包含依次连接的滤除噪声电路、接收信号放大电路、信号整形电路；
其中，超声波发射模块，用于发射超声波同时发送一个计时启动信号至计时单元；
超声波接收模块，用于当第一次接收到超声波时同时发送一个计时停止信号至计时单元；
计时单元，用于计算在收到超声波发射模块发送的计时启动信号和超声波接收模块发送的计时停止信号之间的时间，进而将时间上传至计算单元；
第一计算单元，用于根据v＝s/t计算出超声波在岩石中的速度v，同时通过显示模块实时显示；
其中，t为超声波发射模块发送的计时启动信号和超声波接收模块发送的计时停止信号之间的时间，s为岩石层的厚度；
第二计算单元，用于根据计算超声波的纵波在岩石中的正常速度；
其中，va为超声波的纵波在岩石中的正常速度，E为杨氏模量,μ为泊松比,ρ为岩石密度；
对比单元，用于将计算出的va和v进行对比：若v小于va，则岩石层处于应力降低区；若v大于va，则岩石层处于应力集中区；若v等于va，则岩石层处于原岩应力区。
作为本发明一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统的进一步优选方案，所述微控制器模块为AVR系列单片机。
作为本发明一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统的进一步优选方案，所述显示模块为LCD显示屏。
作为本发明一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统的进一步优选方案，所述脉冲产生电路的频率为40kHZ。
作为本发明一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统的进一步优选方案，所述电源模块为可充电蓄电池。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明结构简单、具有低成本，高精度，微型化数字显示的特点；
2、本发明利用超声波在岩体中的传播速度与岩体的受力状态和裂隙程度的关系来实时地监测围岩松动圈的情况，具有方便、灵活、易于操作；
3、本发明能够实时地监测到围岩的松动圈的变化信息，这为巷道的安全支护及时提供正确参考信息。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，包含微控制器模块以及与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块和电源模块，所述微控制器模块包含计时单元、第一计算单元、第二计算单元和比较单元，所述超声波发射模块包含依次连接的高压电路、脉冲产生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收模块包含依次连接的滤除噪声电路、接收信号放大电路、信号整形电路；
其中，超声波发射模块，用于发射超声波同时发送一个计时启动信号至计时单元；
超声波接收模块，用于当第一次接收到超声波时同时发送一个计时停止信号至计时单元；
计时单元，用于计算在收到超声波发射模块发送的计时启动信号和超声波接收模块发送的计时停止信号之间的时间，进而将时间上传至计算单元；
第一计算单元，用于根据v＝s/t计算出超声波在岩石中的速度v，同时通过显示模块实时显示；
其中，t为超声波发射模块发送的计时启动信号和超声波接收模块发送的计时停止信号之间的时间，s为岩石层的厚度；
第二计算单元，用于根据计算超声波的纵波在岩石中的正常速度；
其中，va为超声波的纵波在岩石中的正常速度，E为杨氏模量,μ为泊松比,ρ为岩石密度；
对比单元，用于将计算出的va和v进行对比：若v小于va，则岩石层处于应力降低区；若v大于va，则岩石层处于应力集中区；若v等于va，则岩石层处于原岩应力区。
其中，所述微控制器模块为AVR系列单片机，所述显示单元为LCD显示屏，所述脉冲产生电路的频率为40kHZ，所述电源模块为可充电蓄电池。
超声波的传播速度还与岩体结构构造和应力状态有关，声波波速随介质裂隙发育、密度降低、声阻抗增大而降低，随应力增大、密度增大而增加。巷道开挖后，围岩应力将重新分布处于3个应力区：应力集中区、原岩应力区和应力降低区。这三个区的特点：应力降低区(围岩松动圈区)裂隙较多，应力下降，声速低于正常波速；应力集中区应力较高，裂隙压实，声速高于正常波速；原岩应力区应力接近原始应力状态，波速接近正常波速。本文利用超声波在巷道围岩一定深度范围内的传播速度的变化来判定围岩的松动范围。
超声波发射电路由超声波产生电路、放大电路以及超声波换能器组成，由STM32F103的PWM模块产生40kHz的矩形波，经放大电路放大送入超声波发送换能器，发送出40kHz的超声波。
超声波接收电路包括放大信号电路、带通滤波电路以及整剥型发电路，超声波探头接收超声波，经过LM358对其两级放大，然后将放大的信号送入LM567将波形滤波并且触发CPU的引脚。LM567具有带通滤波和触发的作用，5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f，f≈1/1.1RC。当LM567的3引脚输入幅度大于等于25mV，并且频率在带宽内的信号时，8引脚由高电平变为低电平，触发CPU的引脚，完成接收超声波的功能。
AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8V即可工作；AVR单片机保密性能好。
本发明利用超声波在岩体中的传播速度与岩体的受力状态和裂隙程度的关系来实时地监测围岩松动圈的情况，具有方便、灵活、易于操作；本发明能够实时地监测到围岩的松动圈的变化信息，这为巷道的安全支护及时提供正确参考信息。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，其特征在于：包含微控制器模块以及与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块和电源模块，所述微控制器模块包含计时单元、第一计算单元、第二计算单元和比较单元，所述超声波发射模块包含依次连接的高压电路、脉冲产生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收模块包含依次连接的滤除噪声电路、接收信号放大电路、信号整形电路；
其中，超声波发射模块，用于发射超声波同时发送一个计时启动信号至计时单元；
超声波接收模块，用于当第一次接收到超声波时同时发送一个计时停止信号至计时单元；
计时单元，用于计算在收到超声波发射模块发送的计时启动信号和超声波接收模块发送的计时停止信号之间的时间，进而将时间上传至计算单元；
第一计算单元，用于根据v＝s/t计算出超声波在岩石中的速度v，同时通过显示模块实时显示；
其中，t为超声波发射模块发送的计时启动信号和超声波接收模块发送的计时停止信号之间的时间，s为岩石层的厚度；
第二计算单元，用于根据计算超声波的纵波在岩石中的正常速度；
其中，va为超声波的纵波在岩石中的正常速度，E为杨氏模量,μ为泊松比,ρ为岩石密度；
对比单元，用于将计算出的va和v进行对比：若v小于va，则岩石层处于应力降低区；若v大于va，则岩石层处于应力集中区；若v等于va，则岩石层处于原岩应力区。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，其特征在于：所述微控制器模块为AVR系列单片机。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，其特征在于：所述显示模块为LCD显示屏。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，其特征在于：所述脉冲产生电路的频率为40kHZ。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波纵波的岩石层状态实时检测系统，其特征在于：所述电源模块为可充电蓄电池。
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