CN107191225B - 一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿开采技术领域，尤其涉及一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统。所述测量系统由数个测量模组组成，每个测量模组包括两个测量单元，测量单元包括缠绕于放线架的放线轮上的数据线以及与数据线一端连接的管道机器人，数据线另一端与第一无线信号收发器连接，第一无线信号收发器与控制终端的第二无线信号收发器无线信号连接。本发明设计巧妙，从取样时所打出的孔道内进入煤矿巷道围岩中，能够高效、精准地对煤矿巷道围岩的数据进行检测和传输。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采技术领域，尤其涉及一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统。
背景技术
煤炭作为我国的主体能源，为我国的经济社会发展贡献了巨大力量，在世界范围内的一次能源消费结构当中，化石能源仍然占据了主导地位，并且将持续很长一段时间。随着我国经济的快速发展，以能源换效益的粗放式发展模式短期内无法根本改变，这就导致了工业市场对煤炭资源的大量需求。现今为止，随着煤炭开采强度的加大，地表浅层资源已近枯竭，矿产资源已由浅层开采转入深部开采，可采优质煤层厚度逐渐变小、品位变低、地压增大、岩爆现象显现，开采的技术难度在不断增大，矿山安全问题也越来越突出。巷道围岩失稳一直是主要原因之一。巷道围岩的安全性关乎着矿山生产准备的顺利进行，矿山巷道支护质量很大程度上关系着矿山的安全生产。因此，如何对煤矿围岩巷道进行安全高效的检测，加强对巷道坍塌的防患工作，是减少煤矿事故，保证煤矿安全高效生产的重要前提。现有的检测方式多为对巷道围岩进行钻孔并取样，在对样品进行单独检测，一方面效率较低，另一方面样品本身脱离实际环境会导致测量数据与真实情况存在误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，本发明设计巧妙，从取样时所打出的孔道内进入煤矿巷道围岩中，能够高效、精准地对煤矿巷道围岩的数据进行检测和传输。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，所述测量系统由数个测量模组组成，每个测量模组包括两个测量单元，测量单元包括缠绕于放线架的放线轮上的数据线以及与数据线一端连接的管道机器人，数据线另一端与第一无线信号收发器连接，第一无线信号收发器与控制终端的第二无线信号收发器无线信号连接。
优选的，所述管道机器人包括筒状机架，机架的两端面分别设有超声波检测器和数据处理器，机架外壁上开设有安装缺口，数个安装缺口沿机架外壁周向排列；机架内设有舵机，舵机的输出轴穿过安装缺口后与轮架连接，轮架上设有自驱轮；数据处理器与数据线连接，超声波检测器的输入、输出端分别与数据处理器的输出、输入端信号连接，自驱轮的输入端与数据处理器的输出端连接。
优选的，所述机架上设有用于测量轮架转动角度的轮架角位移传感器，轮架上设有用于测量自驱轮转动角度的轮角位移传感器；轮架角位移传感器和轮角位移传感器的输出端与数据处理器的输入端连接。
优选的，所述机架外壁还周向设有数个等间距的激光测距器。
优选的，所述超声波检测器上设有照明灯；所述超声波检测器上有超声波接受器和超声波发射器，机架靠近超声波检测器的一侧设有摄像头，摄像头的输入、输出端分别与数据处理器的输出、输入端信号连接。
优选的，所述数据线包括由外至内包覆设置的织物抗拉层、信号抗干扰层和数据传输线芯，数据传输线芯为两根并分别用于输入、输出数据信号。
优选的，所述数据线外壁上设有长度刻度线。
优选的，所述放线轮的轮轴通过扭矩传感器与放线架上的线轮电机输出轴连接，扭矩传感器与第一无线信号收发器信号连接。
优选的，所述放线架下方设有伸缩支腿。
优选的，所述管道机器人和放线架上分别设有蓄电池。
本发明工作原理如下：
将管道机器人放入煤矿巷道围岩上钻打出的孔道中，然后控制终端通过无线信号收发器发出信号，并通过数据线传递至管道机器人的数据处理器中，数据处理器控制自驱轮转动，自驱轮转动并带动轮架和机架沿孔道向内移动，实现管道机器人沿孔道向内的移动，管道机器人移动的同时，控制终端遥控超声波检测器启动，超声波检测器对孔道处的围岩进行超声波检测，并将检测后的数据传递至数据处理器，进而通过数据线和无线信号收发器传递至控制终端进行显示和记录。
由于孔道的孔径存在变化，所以本发明为了保证管道机器人的适应性，通过舵机对自驱轮的角度进行调整，首先利用激光测距器测量管道机器人周边孔道的直径，机器人的舵机可以进行相应的主动转动动作来适应孔道直径，同时摄像头配合照明灯也可以拍摄相应的图像并传递至控制终端，工作人员根据相应的图像和数据，遥控舵机进行工作，当孔道孔径变小时，舵机的输出轴带动轮架进行周向转动，使得轮架与机架的径向夹角发生改变，使得管道机器人的整体直径缩小，可以适应孔道的孔径变小并实现通过。同时，轮架角位移传感器和轮角位移传感器对轮架和自驱轮的转动角度进行测量和数据传输，方便管道机器人返回时利用舵机快速调整。
当然，在管道机器人行进过程中，线轮电机转动放线轮，使得数据线不断被放出延长，同时扭矩传感器测量放线轮所承受的扭矩，对线轮电机形成闭环控制，使数据线拉直且所受拉力在一定范围内，数据线上的长度刻度可以记录管道机器人伸入孔道中的长度。数据线采用抗信号干扰设计，防止数据线中的数据收到外界的干扰进而保证测量数据的精准度。
在工程现场巷道内存在多个测量点时，可以同时布置数套管道机器人测量系统，多套测量模组的最终测量结果可以同时反馈给控制终端，实现高效作业。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)首次采用管道机器人从煤矿巷道围岩的钻孔进入，并对煤矿巷道围岩的数据进行实地测量，确保数据与实际工况的一致性，而且所述超声波检测器上有超声波接受器和超声波发射器，可以同时控制多个管道机器人于不同的位置进行数据采集作业，对煤矿巷道围岩进行多点测量，大大提高测量效率；
2)管道机器人的对孔道的直径变化适应性强，可以针对即时孔道直径的不同而快速对管道机器人的直径做出调整，确保测量过程的稳定性；
3)测量数据获取便捷，无需对采样样品进行测量即可得到煤矿巷道围岩的参数数据。
附图说明
图1为具体实施方式中用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统的结构示意图；
图2为测量模组的结构示意图；
图3为管道机器人的结构示意图；
图4为管道机器人另一视角的结构示意图；
图5为管道机器人的轮架与舵机的连接关系示意图；
图6为轮架处于初始状态下的管道机器人结构示意图；
图7为轮架角度变化后的管道机器人结构示意图；
注：图5中的箭头代表轮架转动方向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-7所示，一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，所述测量系统由数个测量模组2组成，每个测量模组2包括两个测量单元，测量单元包括缠绕于放线架23的放线轮25上的数据线22以及与数据线22一端连接的管道机器人3，数据线22另一端与第一无线信号收发器21连接，放线轮25的轮轴通过扭矩传感器26与放线架23上的线轮电机27输出轴连接，扭矩传感器26 与第一无线信号收发器21信号连接，第一无线信号收发器21与控制终端1的第二无线信号收发器12无线信号连接，所述数据线22包括由外至内包覆设置的织物抗拉层221、信号抗干扰层222和数据传输线芯223，数据传输线芯223 为两根并分别用于输入、输出数据信号，数据线22外壁上设有长度刻度线，放线架23下方设有伸缩支腿24；
所述管道机器人3包括筒状机架31，机架31的两端面分别设有超声波检测器32和数据处理器33，超声波检测器32上设有照明灯322，机架31靠近超声波检测器32的一侧设有摄像头321；机架31外壁上开设有安装缺口34，数个安装缺口34沿机架31外壁周向排列；机架31内设有舵机37，舵机37的输出轴穿过安装缺口34后与轮架35连接，轮架35上设有自驱轮36；机架31上设有用于测量轮架35转动角度的轮架角位移传感器310，轮架35上设有用于测量自驱轮36转动角度的轮角位移传感器39；机架31外壁还周向设有数个等间距的激光测距器38；
数据处理器33与数据线22连接，超声波检测器32和摄像头322的输入、输出端分别与数据处理器33的输出、输入端信号连接，自驱轮36的输入端与数据处理器33的输出端连接，轮架角位移传感器310和轮角位移传感器39的输出端与数据处理器33的输入端连接。所述管道机器人3和放线架23上分别设有蓄电池，并通过蓄电池供电。
本发明工作原理如下：
将管道机器人放入煤矿巷道围岩上钻打出的孔道中，然后控制终端通过无线信号收发器发出信号，并通过数据线传递至管道机器人的数据处理器中，数据处理器控制自驱轮转动，自驱轮转动并带动轮架和机架沿孔道向内移动，实现管道机器人沿孔道向内的移动，管道机器人移动的同时，控制终端遥控超声波检测器启动，超声波检测器对孔道处的围岩进行超声波检测，并将检测后的数据传递至数据处理器，进而通过数据线和无线信号收发器传递至控制终端进行显示和记录。
由于孔道的孔径存在变化，所以本发明为了保证管道机器人的适应性，通过舵机对自驱轮的角度进行调整，首先利用激光测距器测量管道机器人周边孔道的即时环境，同时摄像头配合照明灯也可以拍摄相应的图像并传递至控制终端，工作人员根据相应的图像和数据，遥控舵机进行工作，当孔道孔径变小时，舵机的输出轴带动轮架进行周向转动，使得轮架与机架的径向夹角发生改变，使得管道机器人的整体直径缩小，可以适应孔道的孔径变小并实现通过。同时，轮架角位移传感器和轮角位移传感器对轮架和自驱轮的转动角度进行测量和数据传输，方便管道机器人返回时利用舵机快速调整。
当然，在管道机器人行进过程中，线轮电机转动放线轮，使得数据线不断被放出延长，数据线上的长度刻度可以记录管道机器人伸入孔道中的长度，同时扭矩传感器测量放线轮所承受的扭矩，对线轮电机形成闭环控制，使数据线拉直且所受拉力在一定范围内。数据线采用抗信号干扰设计，防止数据线中的数据收到外界的干扰进而保证测量数据的精准度。同一测量模组的两个超声波探测器配合工作：其中一超声波探测器的超声波接收器接收另一超声波探测器超声波发射器发出的超声波信号，本发明利用超声波的穿透性能对岩石的相应参数进行测量。
其中：数据处理器为基于单片机的微型计算电路，型号为STM32；
自驱轮的型号为57BL-0730N1-LS-B；
舵机的型号为RDS3115机器人专用舵机；
超声波检测器的型号为KS109收发一体超声波测距模块；
轮架角位移传感器的型号为WDD35D-4；
轮角位移传感器的型号为WDJ36-2。
Claims (8)
1.一种用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述测量系统由数个测量模组组成，每个测量模组包括两个测量单元，测量单元包括缠绕于放线架的放线轮上的数据线以及与数据线一端连接的管道机器人，数据线另一端与第一无线信号收发器连接，第一无线信号收发器与控制终端的第二无线信号收发器无线信号连接；所述管道机器人包括筒状机架，机架的两端面分别设有超声波检测器和数据处理器，机架外壁上开设有安装缺口，数个安装缺口沿机架外壁周向排列；机架内设有舵机，舵机的输出轴穿过安装缺口后与轮架连接，轮架上设有自驱轮；数据处理器与数据线连接，超声波检测器的输入、输出端分别与数据处理器的输出、输入端信号连接，自驱轮的输入端与数据处理器的输出端连接；机架上设有用于测量轮架转动角度的轮架角位移传感器，轮架上设有用于测量自驱轮转动角度的轮角位移传感器；轮架角位移传感器和轮角位移传感器的输出端与数据处理器的输入端连接。
2.如权利要求1所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述机架外壁还周向设有数个等间距的激光测距器。
3.如权利要求2所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述超声波检测器上设有照明灯；所述超声波检测器上有超声波接受器和超声波发射器，机架靠近超声波检测器的一侧设有摄像头，摄像头的输入、输出端分别与数据处理器的输出、输入端信号连接。
4.如权利要求3所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述数据线包括由外至内包覆设置的织物抗拉层、信号抗干扰层和数据传输线芯，数据传输线芯为两根并分别用于输入、输出数据信号。
5.如权利要求4所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述数据线外壁上设有长度刻度线。
6.如权利要求1所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述放线轮的轮轴通过扭矩传感器与放线架上的线轮电机输出轴连接，扭矩传感器与第一无线信号收发器信号连接。
7.如权利要求1所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述放线架下方设有伸缩支腿。
8.如权利要求1所述的用于煤矿巷道围岩超声波检测的测量系统，其特征在于，所述管道机器人和放线架上分别设有蓄电池。
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