CN104880513A - 一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统 - Google Patents

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CN104880513A
CN104880513A CN201510150110.0A CN201510150110A CN104880513A CN 104880513 A CN104880513 A CN 104880513A CN 201510150110 A CN201510150110 A CN 201510150110A CN 104880513 A CN104880513 A CN 104880513A
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ultrasound wave
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lithosphere
timing
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Inventor
叶强
陈伟新
潘琳
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无锡市崇安区科技创业服务中心
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Abstract

本发明公开了一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,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、报警模块、通讯模块,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、比较单元和控制单元,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路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

-种基于超声波横波的岩石层松动预譬系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种超声波测距系统,尤其设及一种基于超声波横波的岩石层松动预 警系统,属于测距领域。
背景技术
[0002] 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20kHzW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,W及流体液面高度测 量等。
[0003] 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丽岩松动圈的破碎状态。
[0004] 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。当该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。
[0005] 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W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W 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 步提局。
[0006] 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40曲Z,波长为34000/40000 = 0. 85cm;超声波发生器和接收器的间隔距离 在5cmW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 待进一步提局。
发明内容
[0007] 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 操作的基于超声波横波的岩石层松动预警系统。
[000引本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案:
[0009] 一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,包含微控制器模块W及与其连接的 超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块、报警模块、通讯模块,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、比较单元和控制单元,所述超声波发射模块路包 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;
[0010] 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;
[0011] 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;
[0012] 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;
[0013] 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;
[0014] 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;
[0015] 第二计算单元,用于根据;
Figure CN104880513AD00041
1计算超声波的横波在岩石中的正常速 度;
[0016] 其中,V,为超声波的横波在岩石中的正常速度,E为杨氏模量,y为泊松比,P为 岩石密度;
[0017] 对比单元,用于将计算出的V,和V进行对比:若V小于V岩石层出现裂隙,则发 送信号至控制单元;
[0018] 控制单元,用于根据接收的信号控制报警模块发出警报,同时通过通讯单元传输 至监控中屯、。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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, 所述报警模块为声光报警模块。
[0022] 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, 所述通讯模块为GSM通讯串口。
[0023] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比,具有W下技术效果:
[0024] 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;
[0025] 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.
[0026] 3、本发明能够实时地监测到围岩的松动圈的变化信息,该为巷道的安全支护及时 提供正确参考信息。
附图说明
[0027] 图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
[002引下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
[0029] 如图1所示,一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,包含微控制器模块W 及与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块、报警模块、通讯模块,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、比较单元和控制单元,所述超声波 发射电路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,所述超声波接收电 路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;
[0030] 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;
[0031] 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;
[0032]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;
[0033]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;
[0034] 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;
[0035]第二计算单元,用于根巧
Figure CN104880513AD00051
计算超声波的横波在岩石中的正常速 度;
[0036]其中,V为超声波的横波在岩石中的正常速度,E为杨氏模量,y为泊松比,P为 岩石密度;
[0037]对比单元,用于将计算出的V,和V进行对比:若V小于V岩石层出现裂隙,则发 送信号至控制单元;
[003引控制单元,用于根据接收的信号控制报警模块发出警报,同时通过通讯单元传输 至监控中屯、。
[0039]其中,所述微控制器模块为AVR系列单片机,所述显示模块为LCD显示屏,所述报 警模块为声光报警模块,所述通讯模块为GSM通讯串口。
[0040] 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。该S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。
[0041] 超声波发射电路由超声波产生电路、放大电路W及超声波换能器组成,由STM32F103的PWM模块产生40曲Z的矩形波,经放大电路放大送入超声波发送换能器,发送 出40曲Z的超声波。
[0042] 超声波接收电路包括放大信号电路、带通滤波电路W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 控振荡器的中屯、频率f,f> 1/1.IRC。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。
[0043] GSM通过串口接收CPU的数据,并实时地发送给后方监控室,通过发送引脚将后方 监控室的命令传送给CPU,从而实现了后方监控室可W主控请求目标板之间人机互动的功 能。目标板也可W自动定时采集数据,并通过GSM模块传输到后方监控室。
[0044]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W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W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lOOnA,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。
[0045]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,该为巷道的安全支护及时提供正确参考信息。
[0046]本技术领域技术人员可W理解的是,除非另外定义,该里使用的所有术语(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,并且除非像该里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0047]W上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能W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W再不脱离本发明宗旨的前提下做 出各种变化。

Claims (5)

1. 一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,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、报警模块、通讯模块,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、比较单元和控制单元,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 实时显不; 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,用于根振
Figure CN104880513AC00021
汁算超声波的横波在岩石中的正常速度; 其中,Vs为超声波的横波在岩石中的正常速度,E为杨氏模量,μ为泊松比,P为岩石 密度; 对比单元,用于将计算出的 '和V进行对比:若V小于V a,岩石层出现裂隙,则发送信 号至控制单元; 控制单元,用于根据接收的信号控制报警模块发出警报,同时通过通讯单元传输至监 控中心。
2. 根据权利要求1所述的一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,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横波的岩石层松动预警系统,其特征在于: 所述显不1¾块为IXD显不屏。
4. 根据权利要求1所述的一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,其特征在于: 所述报警模块为声光报警模块。
5. 根据权利要求1所述的一种基于超声波横波的岩石层松动预警系统,其特征在于: 所述通讯模块为GSM通讯串口。
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