CN109443521A - 一种矿用地音传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿安全生产监测的技术领域，具体涉及一种矿用地音传感器；解决的技术问题为：提供一种可靠性较高的矿用地音传感器；采用的技术方案为：包括：壳体，壳体的一端连接有探头，壳体的另一端连接有线缆接头；壳体内设置有：压电转化器和电路板，电路板上设置有：信号处理电路、微控制器、通信电路和电源电路；压电转化器分别与探头和信号处理电路)电连接，信号处理电路通过微控制器与线缆接头电缆电连接，电源电路为整个传感器提供电源供给；电源电路包括：蓄电池和降压电路，蓄电池与降压电路的输入端相连，降压电路的V输出端分别与信号处理电路的电源端、微控制器的电源端相连，降压电路的5V电压输出端与通信电路的电源端相连。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全生产监测的技术领域，具体涉及一种矿用地音传感器。
背景技术
地音是一种高频率，低能量的震动，是煤岩体在受力变形或破坏过程中，产生的微裂隙破坏，地音信号的多少、大小等指标的变化反映了煤岩体受力情况，如果能监测到地音信号，便可以利用地音信号来预测煤岩体运动的变化，并进一步进行煤矿灾害预警。
目前，对地音的监测通常是：将矿用地音传感器安装至采矿工作面或掘进工作面，实时监测井下工作环境的地音活动变化，并通过通讯线缆将地音变化信号发送至地面工作站进行分析、预测和报警。
这种传感器普遍采用外部电源供电和有线电缆传输信号，由于矿山井下环境恶劣，且传感器需要根据工作面的变化进行多次拆除和安装，容易使电源或信号线路短路或断路，降低监测系统的可靠性。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可靠性较高的矿用地音传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种矿用地音传感器，包括：壳体，所述壳体的一端连接有探头，所述壳体的另一端连接有线缆接头；所述壳体内设置有：压电转化器和电路板，所述电路板上设置有：信号处理电路、微控制器、通信电路和电源电路；所述压电转化器分别与探头和信号处理电路)电连接，所述信号处理电路通过微控制器与线缆接头电缆电连接，所述电源电路为整个传感器提供电源供给；所述电源电路包括：蓄电池和降压电路，所述蓄电池与降压电路的输入端相连，所述降压电路的V输出端分别与信号处理电路的电源端、微控制器的电源端相连，所述降压电路的5V电压输出端与通信电路的电源端相连。
优选地，所述通信电路包括：无线信号传输电路和RS信号输出电路，所述无线信号传输电路和RS信号输出电路分别与微控制器的串口通信连接，所述RS信号输出电路与线缆接头电连接，所述无线信号传输电路与设置在壳体上的天线电连接。
优选地，所述电源电路的电路结构为：包括稳压器U1和稳压器U2，所述稳压器U1的引脚IN分别与电解电容C1的一端、电容C2的一端、蓄电池的电压输出正端A0相连，所述电解电容C1的另一端、电容C2的另一端接地，所述稳压器U1的引脚CB串接电容C3后与电感L1的一端、二极管D1的负极、稳压器U1的引脚SW相连，所述稳压器U1的引脚FB分别与电感L1的另一端、电感L2的一端、电解电容C4的一端相连，所述二极管D1的另一端分别与稳压器U1的引脚GND、电解电容C4的另一端、电感L3的一端相连，所述电感L3的另一端与电容C5的一端、电容C6的一端连接后接地，所述电容C5的另一端分别与电容C6的另一端、电阻R1的一端、电感L2的另一端、电源电路的5V电压输出端相连，所述电阻R1的另一端串接发光二极管D2后接地；所述稳压器U2的引脚VIN分别与电解电容C22的一端、电容C21的一端相连，所述电解电容C22的另一端分别与电容C21的另一端、电容C23的一端、电解电容C24的一端、稳压器U2的引脚GND连接后接地，所述稳压器U2的引脚VOUT分别与电容C23的另一端、电解电容C24的另一端、电阻R21的一端、电源电路的3.3V电压输出端相连，所述电阻R21的另一端串接发光二极管D21后接地。
优选地，所述RS485信号输出电路包括：隔离器U31，所述隔离器U31的引脚VOA、VOB分别与微控制器的串口USART1_TX、USART1_RX相连，所述隔离器U31的引脚VDD1分别与电容C3的一端、降压电路的3.3V电压输出端相连，所述电容C31的另一端接地，所述隔离器U31的引脚GND1、GND2均接地，所述述隔离器U31的引脚VDD1分别与电容C32的一端、降压电路的5V电压输出端相连，所述电容C32的另一端接地，所述隔离器U31的引脚VIA串接电阻R33后与接口芯片U32的引脚RO相连，所述隔离器U31的引脚VOB串接电阻R331后与三极管Q31的基极相连，所述三极管Q31的集电极分别与电阻R32的一端、接口芯片U32的引脚RE、接口芯片U32的引脚DE相连，所述电阻R32的另一端与降压电路的5V电压输出端相连，所述三极管Q31的发射极与接口芯片U32的引脚DI连接后接地；所述接口芯片U32的引脚VCC分别与电容C33的一端、降压电路的5V电压输出端相连，所述电容C33的另一端接地，所述接口芯片U32的引脚B分别与电阻R34的一端、电阻R35的一端、接线端子RS31相连，所述接口芯片U32的引脚A分别与电阻R34的另一端、电阻R36的一端、接线端子RS31相连，所述电阻R35的另一端、电阻R36的另一端均接地。
优选地，所述无线信号传输电路包括型号为NRF905的无线通讯模块U41；所述微控制器的型号为STM32F103；所述稳压器U1的型号为LM2676，所述稳压器U2的型号为AMS1117。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明一种矿用地音传感器，在使用时，将探头安装至采矿工作面或掘进工作面的煤岩层中，当煤岩层有运动时，会产生地音信号，探头会将该地音信号通过压电转化器传递到电路板，电路板的信号处理电路对地音信号进行放大、滤波处理后将信号传输至微控制器，微控制器通过通信电路将信号输出至外部地面工作站；本发明中，通过蓄电池、降压电路为整个传感器提供电源供给，避免了外部供电故障造成的传感器监测不稳定性，提高了监测的可靠性。
2、本发明中的通信电路包括无线信号传输电路和RS485信号输出电路，可以根据井下实际工作环境，选择相应的数据通讯方式对地音信号进行传输，便捷性高。
3、本发明中的电源电路采用了高精度的稳压芯片，电压稳定，增强了芯片的使用性能和使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；
图1为本发明实施例一提供的一种矿用地音传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种矿用地音传感器的电路结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种矿用地音传感器的电路结构示意图；
图4为本发明一种矿用地音传感器中电源电路的电路结构示意图；
图5为本发明一种矿用地音传感器中RS485信号输出电路的电路结构示意图；
图中：10为壳体，20为探头，30为线缆接头；
101为压电转化器，102为电路板；
1021为信号处理电路，1022为微控制器，1023为通信电路，1041为电源电路；
10231为无线信号传输电路，10232为RS485信号输出电路，10241为蓄电池，10242为降压电路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。
图1为本发明实施例一提供的一种矿用地音传感器的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的一种矿用地音传感器的电路结构示意图，如图1、图2所示，一种矿用地音传感器，包括：壳体10，所述壳体10的一端连接有探头20，所述壳体10的另一端连接有线缆接头30；所述壳体10内设置有：压电转化器101和电路板102，所述电路板102上设置有：信号处理电路1021、微控制器1022、通信电路1023和电源电路1024；所述压电转化器101分别与探头20和信号处理电路1021电连接，所述信号处理电路1021通过微控制器1022与线缆接头30电缆电连接，所述电源电路1024为整个传感器提供电源供给；所述电源电路1024包括：蓄电池10241和降压电路10242，所述蓄电池10241与降压电路10242的输入端相连，所述降压电路10242的3.3V电压输出端分别与信号处理电路1021的电源端、微控制器1022的电源端相连，所述降压电路10242的5V电压输出端与通信电路1023的电源端相连，具体地，所述微控制器1022的型号为STM32F103，所述蓄电池为24V锂电池。
本发明在使用时，将探头20安装至采矿工作面或掘进工作面的煤岩层中，当煤岩层有运动时，会产生地音信号，探头20会将该地音信号通过压电转化器101传递到电路板102，电路板102的信号处理电路1021对地音信号进行放大、滤波处理后将信号传输至微控制器1022，微控制器1022通过通信电路1023将信号输出至外部地面工作站；本发明中，通过蓄电池、降压电路为整个传感器提供电源供给，避免了外部供电故障带来的传感器不稳定，提高了监测的可靠性。
图3为本发明实施例二提供的一种矿用地音传感器的电路结构示意图，如图3所示，所述通信电路1023包括：无线信号传输电路10231和RS485信号输出电路10232，所述无线信号传输电路10231和RS485信号输出电路10232分别与微控制器1022的串口通信连接，所述RS485信号输出电路10232与线缆接头30电连接，所述无线信号传输电路10231与设置在壳体10上的天线电连接。
本发明中的通信电路1023包括无线信号传输电路10231和RS485信号输出电路10232，可以根据井下实际工作环境，选择相应的数据通讯方式对地音信号进行传输，便捷性高。
图4为本发明一种矿用地音传感器中电源电路的电路结构示意图，如图4所示，所述电源电路1024的电路结构为：包括稳压器U1和稳压器U2，所述稳压器U1的引脚IN分别与电解电容C1的一端、电容C2的一端、蓄电池10241的电压输出正端A0相连，所述电解电容C1的另一端、电容C2的另一端接地，所述稳压器U1的引脚CB串接电容C3后与电感L1的一端、二极管D1的负极、稳压器U1的引脚SW相连，所述稳压器U1的引脚FB分别与电感L1的另一端、电感L2的一端、电解电容C4的一端相连，所述二极管D1的另一端分别与稳压器U1的引脚GND、电解电容C4的另一端、电感L3的一端相连，所述电感L3的另一端与电容C5的一端、电容C6的一端连接后接地，所述电容C5的另一端分别与电容C6的另一端、电阻R1的一端、电感L2的另一端、电源电路1024的5V电压输出端相连，所述电阻R1的另一端串接发光二极管D2后接地；所述稳压器U2的引脚VIN分别与电解电容C22的一端、电容C21的一端相连，所述电解电容C22的另一端分别与电容C21的另一端、电容C23的一端、电解电容C24的一端、稳压器U2的引脚GND连接后接地，所述稳压器U2的引脚VOUT分别与电容C23的另一端、电解电容C24的另一端、电阻R21的一端、电源电路1024的3.3V电压输出端相连，所述电阻R21的另一端串接发光二极管D21后接地。
具体地，所述稳压器U1的型号为LM2676，所述稳压器U2的型号为AMS1117，本发明中的电源电路采用了高精度的稳压芯片，电压稳定，增强了芯片的使用性能和使用寿命。
图5为本发明一种矿用地音传感器中RS485信号输出电路的电路结构示意图，如图5所示，所述RS485信号输出电路10232包括：隔离器U31，所述隔离器U31的引脚VOA、VOB分别与微控制器1022的串口USART1_TX、USART1_RX相连，所述隔离器U31的引脚VDD1分别与电容C3的一端、降压电路10242的3.3V电压输出端相连，所述电容C31的另一端接地，所述隔离器U31的引脚GND1、GND2均接地，所述述隔离器U31的引脚VDD1分别与电容C32的一端、降压电路10242的5V电压输出端相连，所述电容C32的另一端接地，所述隔离器U31的引脚VIA串接电阻R33后与接口芯片U32的引脚RO相连，所述隔离器U31的引脚VOB串接电阻R331后与三极管Q31的基极相连，所述三极管Q31的集电极分别与电阻R32的一端、接口芯片U32的引脚RE、接口芯片U32的引脚DE相连，所述电阻R32的另一端与降压电路10242的5V电压输出端相连，所述三极管Q31的发射极与接口芯片U32的引脚DI连接后接地；所述接口芯片U32的引脚VCC分别与电容C33的一端、降压电路10242的5V电压输出端相连，所述电容C33的另一端接地，所述接口芯片U32的引脚B分别与电阻R34的一端、电阻R35的一端、接线端子RS31相连，所述接口芯片U32的引脚A分别与电阻R34的另一端、电阻R36的一端、接线端子RS31相连，所述电阻R35的另一端、电阻R36的另一端均接地。
具体地，所述无线信号传输电路10231包括型号为NRF905的无线通讯模块U41。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种矿用地音传感器，其特征在于：包括：壳体(10)，所述壳体(10)的一端连接有探头(20)，所述壳体(10)的另一端连接有线缆接头(30)；
所述壳体(10)内设置有：压电转化器(101)和电路板(102)，所述电路板(102)上设置有：信号处理电路(1021)、微控制器(1022)、通信电路(1023)和电源电路(1024)；
所述压电转化器(101)分别与探头(20)和信号处理电路(1021))电连接，所述信号处理电路(1021)通过微控制器(1022)与线缆接头(30)电缆电连接，所述电源电路(1024)为整个传感器提供电源供给；
所述电源电路(1024)包括：蓄电池(10241)和降压电路(10242)，所述蓄电池(10241)与降压电路(10242)的输入端相连，所述降压电路(10242)的3.3V电压输出端分别与信号处理电路(1021)的电源端、微控制器(1022)的电源端相连，所述降压电路(10242)的5V电压输出端与通信电路(1023)的电源端相连。
2.根据权利要求1所述的一种矿用地音传感器，其特征在于：所述通信电路(1023)包括：无线信号传输电路(10231)和RS485信号输出电路(10232)，所述无线信号传输电路(10231)和RS485信号输出电路(10232)分别与微控制器(1022)的串口通信连接，所述RS485信号输出电路(10232)与线缆接头(30)电连接，所述无线信号传输电路(10231)与设置在壳体(10)上的天线电连接。
3.根据权利要求1所述的一种矿用地音传感器，其特征在于：所述电源电路(1024)的电路结构为：包括稳压器U1和稳压器U2，所述稳压器U1的引脚IN分别与电解电容C1的一端、电容C2的一端、蓄电池(10241)的电压输出正端A0相连，所述电解电容C1的另一端、电容C2的另一端接地，所述稳压器U1的引脚CB串接电容C3后与电感L1的一端、二极管D1的负极、稳压器U1的引脚SW相连，所述稳压器U1的引脚FB分别与电感L1的另一端、电感L2的一端、电解电容C4的一端相连，所述二极管D1的另一端分别与稳压器U1的引脚GND、电解电容C4的另一端、电感L3的一端相连，所述电感L3的另一端与电容C5的一端、电容C6的一端连接后接地，所述电容C5的另一端分别与电容C6的另一端、电阻R1的一端、电感L2的另一端、电源电路(1024)的5V电压输出端相连，所述电阻R1的另一端串接发光二极管D2后接地；
所述稳压器U2的引脚VIN分别与电解电容C22的一端、电容C21的一端相连，所述电解电容C22的另一端分别与电容C21的另一端、电容C23的一端、电解电容C24的一端、稳压器U2的引脚GND连接后接地，所述稳压器U2的引脚VOUT分别与电容C23的另一端、电解电容C24的另一端、电阻R21的一端、电源电路(1024)的3.3V电压输出端相连，所述电阻R21的另一端串接发光二极管D21后接地。
4.根据权利要求1所述的一种矿用地音传感器，其特征在于：所述RS485信号输出电路(10232)包括：隔离器U31，所述隔离器U31的引脚VOA、VOB分别与微控制器(1022)的串口USART1_TX、USART1_RX相连，所述隔离器U31的引脚VDD1分别与电容C3的一端、降压电路(10242)的3.3V电压输出端相连，所述电容C31的另一端接地，所述隔离器U31的引脚GND1、GND2均接地，所述述隔离器U31的引脚VDD1分别与电容C32的一端、降压电路(10242)的5V电压输出端相连，所述电容C32的另一端接地，所述隔离器U31的引脚VIA串接电阻R33后与接口芯片U32的引脚RO相连，所述隔离器U31的引脚VOB串接电阻R331后与三极管Q31的基极相连，所述三极管Q31的集电极分别与电阻R32的一端、接口芯片U32的引脚RE、接口芯片U32的引脚DE相连，所述电阻R32的另一端与降压电路(10242)的5V电压输出端相连，所述三极管Q31的发射极与接口芯片U32的引脚DI连接后接地；
所述接口芯片U32的引脚VCC分别与电容C33的一端、降压电路(10242)的5V电压输出端相连，所述电容C33的另一端接地，所述接口芯片U32的引脚B分别与电阻R34的一端、电阻R35的一端、接线端子RS31相连，所述接口芯片U32的引脚A分别与电阻R34的另一端、电阻R36的一端、接线端子RS31相连，所述电阻R35的另一端、电阻R36的另一端均接地。
5.根据权利要求1所述的一种矿用地音传感器，其特征在于：所述无线信号传输电路(10231)包括型号为NRF905的无线通讯模块U41。
6.根据权利要求1所述的一种矿用地音传感器，其特征在于：所述微控制器(1022)的型号为STM32F103。
7.根据权利要求3所述的一种矿用地音传感器，其特征在于：所述稳压器U1的型号为LM2676，所述稳压器U2的型号为AMS1117。
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