CN108195941B - 一种岩石压裂声发射在线监测系统 - Google Patents

一种岩石压裂声发射在线监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种岩石压裂声发射在线监测系统，包括上位机、WiFi收发转换器和至少两个声发射检测装置，所述至少两个声发射检测装置通过WiFi收发转换器连接上位机；所述声发射检测装置包括至少一个声发射传感探头、数据采集模块、FPGA模块以及无线WiFi模块；至少一个声发射传感器通过数据采集模块与FPGA模块相连，无线WiFi模块与FPGA模块相连；所述至少两个声发射检测装置通过无线WiFi模块进行链式通信。采用WiFi链式通信，易于安装监测设备，扩大了监测范围，防止了信号丢失的情况；便于后续定位与信号分析处理，能够准确反映岩石压裂声发射信号。

Description

一种岩石压裂声发射在线监测系统
技术领域
本发明涉及岩石监测技术领域，具体涉及一种基于声发射技术的岩石压裂在线监测系统。
背景技术
随着隧道或者地下工程建设量越来越多，且逐步向深部拓展，岩爆问题日益突出。岩爆一般是坚硬岩石在高地应力状态下地下工程岩体开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，其中应变型岩爆是指在高地应力地区，由于开挖卸荷形成临空面，围岩切向应力逐渐增大，当切向应力超过围岩承载能力后，发生岩体剥离、崩出甚至弹射破裂等现象。岩爆地质灾害的发生直接威胁着施工人员和设备的安全，严重影响工程进度，给工程带来灾难性后果。由于岩爆的发生机制十分复杂，影响因素众多。
岩爆的预测主要采用现场实测法和水压致裂法，但是需专用监测设备，如声发射仪或微震监测系统，受测量设备精度和成本的影响，发展相对缓慢。
如申请号为CN201610034383.3的中国专利公开了一种地下工程施工过程中多通道声发射监测系统及定位方法。如图1所示，它包括1#三维声发射传感装置1、2#三维声发射传感装置2、……、9#三维声发射传感装置3、多通道声发射同步数据采集装置4、光电转换器A5、光纤网络交换机6、光电转换器B7、上位机8、报警装置9、显示器10和打印机11。 该专利将三维声发射传感装置布置在隧道等地下工程边墙上，三维声发射传感装置感受现场三维声发射信号；利用多通道声发射同步数据采集装置采集现场三维声发射信号，并通过光纤网络将实时数据发送至上位机；上位机实时显示当前声发射波形，并通过声发射定位算法实现现场声发射震源的实时定位，动态显示声发射强度和分布位置，该专利存在的问题是由于采用的是成套的采集设备，声发射传感装置和需要通过多通道同步数据采集装置采集传感器数据，并且需要将采集到的信号转换成光信号通过光缆传输到上位机处理，使得在工程现场布线困难，而且由于传感器布线较长的问题会导致信号衰减问题，现有技术中为了防止声发射信号衰减，通常采用与探头配套使用的前置放大器，这样会增加成本，也使得声发射信号在经过前置放大后部分信号存在丢失的情况。
申请号为CN201210278840.5的专利公开了一种声发射智能传感器，如图2为一种声发射智能传感器结构示意图，即将锂电池1、无线通信器2、塑料外壳3、声发射传感器4、微处理器5、红外探测器6、振动发电器7和固定件8集成为一种声发射智能传感器401；声发射智能传感器节点在线连续自动处理的数据主要是声发射特征参数，即其能量、幅度、振铃计数、上升时间和持续时间；声发射智能传感器(401)以自组织的无线通信方式构建无线传感器网络。但是该专利未公开如何在下位机上获得声发射特征参数，也未对采集到的声发射信号进行预处理，在工程实践中难于应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岩石压裂声发射在线监测系统，具备数据处理能力较强、便于大范围布置监测点，信号失真小等优点，能够在水压致裂现场使用，并且本发明能够更好的实现声发射定位。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种岩石压裂声发射在线监测系统，包括上位机、WiFi收发转换器和n个声发射检测装置（n>1），所述n个声发射检测装置通过WiFi收发转换器连接上位机；
所述声发射检测装置包括m个声发射传感探头（m>1）、数据采集模块、FPGA模块以及无线WiFi模块；m个声发射传感器通过数据采集模块与FPGA模块相连，无线WiFi模块与FPGA模块相连；
所述n个声发射检测装置通过无线WiFi模块进行链式通信，所述链式通信是指WiFi收发转换器首先发送组网信号，接收到该组网信号的各个无线WiFi模块测量该接收到的组网信号强度，并且各个无线WiFi模块之间互相比较该组网信号强度，由接收到组网信号强度最大的无线WiFi模块与WiFi收发转换器进行连接，然后该与WiFi收发转换器连接的无线WiFi模块测量接收的其他节点的信号强度，然后与信号强度最大的节点进行组网，依次类推，最后完成组网。
所述上位机中具备时钟授时器，所述时钟授时器接收GPS或北斗卫星信号，提取其中的定时信息，用以调整服务器的本地时间，并以NTP协议（NetworkTime Protocol）向下分发标准时间；在所述链式通信组网完成后首先进行授时操作，声发射检测装置读取NTP协议，获得时间信息。
所述FPGA模块采集多通道声发射信号，并提取所述多通道声发射信号中的特征参数：包括上升时间、持续时间、幅值、振铃计数、能量计数、峰值鉴别时间、压裂鉴别时间、压裂闭锁时间。
各个参数的提取流程如下：
（1）在FPGA发出可以读取信号的指令后，读取数据，记录系统时间；
（2）比较所得到的数据是否大于所设定阈值，若大于阈值，再次取值，若还是大于阈值，则记录此时系统时间即为振铃开始时间，振铃计数值加1；
（3）比较振铃计数值是否等于预定值，若等于所述预定值，则记录此时时间，减去振铃开始时间即为到达时间；
（4）能量计数值是将幅值大于阈值的部分加到能量计数上；
（5）将信号与存储最大值max比较，若大于最大值max则替换之，并记录最大值时间；
（6）判断声发射事件是否结束，比较信号未超过阈值的时间是否超过了最大时间，若超过最大时间，判定事件结束，此时将记录的振铃计数、上升时间、幅值、能量计数、到达时间和持续时间存储并输出。
各个所述声发射检测装置在获得各个特征参数后连同节点信息打包发送至下一节点或者WiFi收发转换器，最后传输至上位机进行信号分析处理。
所述上位机在获得各个声发射检测装置的特征参数，则可以根据声发射探头安装位置，获得声发射位置，定位方法采用Geiger定位算法或者三维时差定位算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明通过采用WiFi链式通信，易于安装监测设备，扩大了监测范围，防止了信号丢失的情况；
（2）本发明通过采用时钟授时，通过WiFi链路统一各个节点时间，便于后续定位和时间处理；
（3）本发明通过采用特征参数提取算法实现各个参数的提取，便于后续定位与信号分析处理，能够准确反映岩石压裂声发射信号。
附图说明
图1为一种多通道声发射监测系统示意图；
图2为一种声发射智能传感器示意图；
图3为岩石压裂声发射在线监测系统框图；
图4为声发射检测装置框图；
图5为声发射特征参数提取流程图。
在图3-4中：1上位机、2 WiFi收发转换器、3声发射检测装置、4声发射传感探头、5数据采集模块、6 FPGA模块、7无线WiFi模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3，一种岩石压裂声发射在线监测系统，包括上位机1、WiFi收发转换器2和n个声发射检测装置3（n>2），所述n个声发射检测装置3通过WiFi收发转换器2连接上位机1；
请参阅图4，所述声发射检测装置3包括m个声发射传感探头4（m>1）、数据采集模块5、FPGA模块6以及无线WiFi模块7；m个声发射传感器4通过数据采集模块5与FPGA模块6相连，无线WiFi模块7与FPGA模块相连；
所述n个声发射检测装置3通过无线WiFi模块7进行链式通信，所述链式通信是指WiFi收发转换器2首先发送组网信号，接收到该组网信号的各个无线WiFi模块7测量该接收到的组网信号强度，并且各个无线WiFi模块7之间互相比较该组网信号强度，由接收到组网信号强度最大的无线WiFi模块7与WiFi收发转换器进行连接，然后该与WiFi收发转换器连接的无线WiFi模块7测量接收的其他节点的信号强度，然后与信号强度最大的节点进行组网，依次类推，最后完成组网。
所述WiFi收发转换器2接收声发射检测装置3发送过来的无线信号，将无线信号转换成串口数据进行传输，即WiFi收发转换器2可以完成WiFi协议信号向串口信号的转换。
请再次参阅图4，所述数据采集模块5为多通道并行AD转换模块，具体可采用AD7771为AD采集芯片，AD7771芯片是8通道、24位同步采样ADC，采样速率分辨率高达15.2× 10−6 SPS，能够满足声发射信号采集的需求。
所述上位机1中具备时钟授时器，所述时钟授时器接收GPS或北斗卫星信号，提取其中的定时信息，用以调整服务器的本地时间，并以NTP 协议（NetworkTime Protocol）向下分发标准时间；在所述链式通信组网完成后首先进行授时操作，声发射检测装置3读取NTP协议，获得时间信息。
所述FPGA模块6采集AD7771转换过来的多通道声发射信号，并提取所述多通道声发射信号中的特征参数：包括上升时间、持续时间、幅值、振铃计数、能量计数、峰值鉴别时间、压裂鉴别时间、压裂闭锁时间。请参阅图5，各个参数的提取流程如下：
（1）在FPGA发出可以读取信号的指令后，读取数据，记录系统时间；
（2）比较所得到的数据是否大于所设定阈值，若大于阈值，再次取值，若还是大于阈值，则记录此时系统时间即为振铃开始时间，振铃计数值加1；
（3）比较振铃计数值是否等于预定值，若等于所述预定值，则记录此时时间，减去振铃开始时间即为到达时间；
（4）能量计数值是将幅值大于阈值的部分加到能量计数上；
（5）将信号与存储最大值max比较，若大于最大值max则替换之，并记录最大值时间；
（6）判断声发射事件是否结束，比较信号未超过阈值的时间是否超过了最大时间，若超过最大时间，判定事件结束，此时将记录的振铃计数、上升时间、幅值、能量计数、到达时间和持续时间存储并输出。
各个所述声发射检测装置3在获得各个特征参数后连同节点信息打包发送至下一节点或者WiFi收发转换器2，最后传输至上位机进行信号分析处理。
所述上位机1在获得各个声发射检测装置3的特征参数，则可以根据声发射探头安装位置，获得声发射位置，定位方法采用Geiger定位算法或者三维时差定位，具体的Geiger定位算法如下：
根据多个传感器数据的到达时间的差值，选取一个合适的迭代初值，通过最小二乘法的计算修正向量修正迭代值，然后验证修正后的值是否满足要求。若满足要求，则定位结束，若不满足则继续迭代直至满足要求。
假设选取的初始点
Figure DEST_PATH_IMAGE001
加上迭代向量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
即可得到新的假设源坐标，以判断是否符合要求。
最小偏差的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（1）
公式（1）可以作为Geiger定位算法的目标函数以验证假设源坐标是否满足要求。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是第i个到达传感器的P波的到达时间，则可以用试验点坐标计算出其Taylor展开式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（2）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为假设源坐标到达第i个传感器所用的时间，可以计算得到；另外，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为震源到传感器直线距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为P波在煤岩中的传播速度。则对于N个都接收到声发射应力波的传感器，可以由上式得到N个方程，可以以矩阵形式表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
,
Figure DEST_PATH_IMAGE015
,
Figure DEST_PATH_IMAGE016
式两端同时乘以矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE017
的转置矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE018
可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（5）
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（6）
由校正值的求解公式可知，当
Figure DEST_PATH_IMAGE021
接近奇异时，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的值变化较大，可能导致迭代过程的失稳和发散，因此，应该尽量选择最接近真实声发射源作为迭代初值。
求出修正向量
Figure 702969DEST_PATH_IMAGE022
后，以
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为新的测试点继续迭代，直到得到满足误差要求的测试点。根据上述分析，鉴于当
Figure 790748DEST_PATH_IMAGE021
接近奇异时或假设的声源位置距离传感器过远时常无法求解定位信息，Q点的选择关系着是否能够得到全局最小值或求解效率问题，在实际声源定位当中，一般采用第一个被触发的传感器作为Q点进行迭代。
本发明通过采用WiFi链式通信，易于安装监测设备，扩大了监测范围，防止了信号丢失的情况；采用时钟授时，通过WiFi链路统一各个节点时间，便于后续定位和时间处理；通过采用特征参数提取算法实现各个参数的提取，便于后续定位与信号分析处理，能够准确反映岩石压裂声发射信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种岩石压裂声发射在线监测系统，其特征在于，该在线监测系统包括上位机（1）、WiFi收发转换器（2）和至少两个声发射检测装置（3），所述至少两个声发射检测装置（3）通过WiFi收发转换器（2）连接上位机（1）；
所述声发射检测装置（3）包括至少一个声发射传感探头（4）、数据采集模块（5）、FPGA模块（6）以及无线WiFi模块（7）；至少一个声发射传感探头 （4）通过数据采集模块（5）与FPGA模块（6）相连，无线WiFi模块（7）与FPGA模块（ 6 ） 相连；
所述FPGA模块（6）采集多通道声发射信号，并提取所述多通道声发射信号中的特征参数；
所述特征参数的提取方法如下：（1）在FPGA模块发出可以读取信号的指令后，读取数据，记录系统时间；
（2）比较所得到的数据是否大于所设定阈值，若大于阈值，再次取值，若还是大于阈值，则记录此时系统时间即为振铃开始时间，振铃计数值加1；
（3）比较振铃计数值是否等于预定值，若等于所述预定值，则记录此时时间，减去振铃开始时间即为到达时间；
（4）能量计数值是将幅值大于阈值的部分加到能量计数上；
（5）将信号与存储最大值max比较，若大于最大值max则替换之，并记录最大值时间；
（6）判断声发射事件是否结束，比较信号未超过阈值的时间是否超过了最大时间，若超过最大时间，判定事件结束，此时将记录的振铃计数、上升时间、幅值、能量计数、到达时间和持续时间存储并输出；
所述至少两个声发射检测装置（3）通过无线WiFi模块（7）进行链式通信。
2.根据权利要求1所述的一种岩石压裂声发射在线监测系统，其特征在于：所述链式通信是指WiFi收发转换器（2）首先发送组网信号，接收到该组网信号的各个无线WiFi模块（7）测量该接收到的组网信号强度，并且各个无线WiFi模块（7）之间互相比较该组网信号强度，由接收到组网信号强度最大的无线WiFi模块（7）与WiFi收发转换器进行连接，然后该与WiFi收发转换器连接的无线WiFi模块（7）测量接收的其他节点的信号强度，然后与信号强度最大的节点进行组网，依次类推，最后完成组网。
3.根据权利要求2所述的一种岩石压裂声发射在线监测系统，其特征在于：所述WiFi收发转换器（2）能够完成由WiFi信号向串口信号的转换。
4.根据权利要求1所述的一种岩石压裂声发射在线监测系统，其特征在于：所述上位机（1）中具备时钟授时器，所述时钟授时器接收GPS或北斗卫星信号，提取其中的定时信息，用以调整服务器的本地时间。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种岩石压裂声发射在线监测系统，其特征在于：所述上位机（1）在获得各个声发射检测装置的特征参数，则可以根据声发射探头安装位置，获得声发射位置，定位方法采用Geiger定位算法或者三维时差定位算法。
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Patentee before: ZHENGZHOU ZHIGU INDUSTRIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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