CN109581511B - 一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统及方法，包括有信号发生模块、极板电压监测模块、感应电荷量采集模块和屏蔽接地模块；信号发生模块包括有信号发生器和功率放大器，极板电压监测模块包括有电容式平行极板、电压表和数据采集器，感应电荷量采集模块包括有传感器敏感元件、带电监测传感器和数据采集器，屏蔽接地系统包括屏蔽箱和接地连接线。本发明创造通过上述结构，配合相应方法，提供了一种非接触方式、监测准确、造价低廉、使用方便、操作简单的标定系统及方法，填补了现有技术中针对煤岩带电监测传感器标定的空缺。
Description
技术领域
本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种煤矿用基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统及方法。
背景技术
冲击地压等煤岩动力灾害发生过程是煤岩内部能量积聚和释放的力学过程，该过程伴随煤岩体电荷信号的产生，能够间接反映煤岩内部状态，煤岩带电监测传感器能够对煤岩破裂过程中的电荷信号进行监测，通过电荷信号综合反映冲击地压现象过程中各阶段的破坏特征,对于冲击地压的预测具有重要意义。
尽管电荷感应方法能够预测冲击危险的发生，但目前现有非接触式煤岩带电监测传感器仅能对煤岩变形破坏过程中的电荷信号进行定性研究，未对煤岩带电监测传感器进行系统性标定，造成煤岩破坏带电监测设备的主要技术指标无法确定，成为制约煤矿动力灾害电荷监测技术的瓶颈，同时目前我国尚未有作为计量标准的非接触式煤岩带电监测传感器标定标准。为了定量研究煤岩破坏产生电荷量大小并确定电荷监测设备的技术指标，有必要对煤岩带电监测传感器进行系统性标定，为应用传感器进行室内试验和现场试验定量研究提供依据。
发明内容
针对目前尚未有作为计量标准的带电监测传感器标定实验方法问题，本发明提供一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统及方法，该套标定系统及其方法能够对煤矿用非接触式煤岩带电监测传感器进行标定，标定后能够实现对煤岩破裂过程中释放的电荷信号变化规律进行定量分析，对于煤岩变形破坏、冲击地压等灾害监测具有重要意义，且标定系统设计科学合理，造价低廉、结构简单，使用方便，标定方法简便易行。
为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，其特征在于：包括有信号发生模块、极板电压监测模块、感应电荷量采集模块和屏蔽接地模块；
信号发生模块产生信号源并与极板电压监测模块连接，通过电压监测模块记录电压变化信号；感应电荷量采集模块由传感器敏感元件、带电监测传感器和数据采集器依次串联组成，记录敏感元件感应电荷量变化；极板电压监测模块中的电容式平行极板和感应电荷量采集模块中的感应器件设置在屏蔽接地模块中的屏蔽箱内，屏蔽箱通过接地连接线与大地相连，屏蔽外界干扰信号。
信号发生模块：由信号发生器产生信号源，其输出端连接功率放大器，经功率放大后一端极板电压监测模块的电容式平行极板一侧，另一端连接电容式平行极板的另一侧；
所述的极板电压监测模块：电容式平行极板上并联有电压表，数据采集器与电压表相连记录极板两端电压变化；
所述的感应电荷量采集模块：感应电荷量采集模块由传感器敏感元件、带电监测传感器和数据采集器依次串联组成，传感器敏感元件放置于电容式平行极板中心位置，并与带电监测传感器相连；
屏蔽接地模块：包括屏蔽箱和接地连接线，电容式平行极板、传感器敏感元件、带电监测传感器均置于屏蔽箱之中，屏蔽箱通过接地连接线与大地相连，屏蔽外界干扰信号。
一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统进行试验的方法，其特征在于：其步骤为：
步骤1)根据连接试验系统，将屏蔽箱使用接地连接线连接大地，消去屏蔽箱及其内部测量支架表面电荷；
步骤2)准备试验：测试并记录电容式平行极板间电容C；开启试验系统，可设置信号发生器频率为正弦交流信号、矩形波信号等，测试背景信号，检查屏蔽箱屏蔽效果，直至无明显干扰背景信号后进行下一步试验；
步骤3)开始试验：设置信号发生器输出波形、输出频率，数据采集器采样频率参数；根据采样定理，为保证采集信号不失真，设置中保证数据采集器采样频率信号发生器输出频率的3-10倍；数据采集器采集电容式平行极板两端电压和带电监测传感器输出的电荷信号，每组试验采集30-100s后停止；
步骤4)试验完成后，保存试验数据，获得电容式平行极板两端电压信号和带电监测传感器输出电压信号，根据带电量公式由电容式平行极板两端电压数据计算施感电荷量，并绘制相关曲线，计算传感器电荷-电压转换系数；
步骤5)改变信号发生器输出频率，重复试验，计算不同频率下传感器电荷-电压转换系数，绘制传感器不同频率下电荷-电压转换系数图，完成标定试验。
所述的步骤4)中，电容式平行极板带电量公式为：
Q＝CU0sin(2πft) (3)
其中C为测试板间电容，U0为两极板之间的电压，f表示信号发生器的输出频率。
本发明创造的有益效果为：一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，包括有信号发生模块、极板电压监测模块、感应电荷量采集模块和屏蔽接地模块；信号发生模块包括有信号发生器和功率放大器，极板电压监测模块包括有电容式平行极板、电压表和数据采集器，感应电荷量采集模块包括有传感器敏感元件、带电监测传感器和数据采集器，屏蔽接地系统包括屏蔽箱和接地连接线。本发明创造通过上述结构，配合相应方法，提供了一种非接触方式、使用方便、造价低廉、监测准确、操作简单的标定系统及方法。
附图说明
图1：本发明创造电路框图。
图2：实施例1极板电压与传感器输出电压信号图。
图3：实施例1施感电荷量与传感器输出电压信号。
图4：实施例1施感电荷量与传感器输出电压数据点拟合图。
图5：实施例1不同频率下电荷-电压转换系数。
具体实施方式
一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，包括有信号发生模块、极板电压监测模块、感应电荷量采集模块和屏蔽接地模块；
信号发生模块产生信号源并与极板电压监测模块连接，通过电压监测模块检测电压变化信号；感应电荷量采集模块由传感器敏感元件、带电监测传感器和数据采集器依次串联组成，记录敏感元件感应电荷量变化；极板电压监测模块中的电容式平行极板和感应电荷量采集模块中的感应器件设置在屏蔽接地模块中的屏蔽箱7内，屏蔽箱7通过接地连接线8与大地相连，屏蔽外界干扰信号。
信号发生模块：由信号发生器1产生信号源，其输出端连接功率放大器2，经功率放大后一端极板电压监测模块的电容式平行极板4一侧，另一端连接电容式平行极板4的另一侧。
所述的极板电压监测模块：电容式平行极板4上并联有电压表3，数据采集器9与电压表3相连记录极板两端电压变化。
所述的感应电荷量采集模块：感应电荷量采集模块由传感器敏感元件5、带电监测传感器6和数据采集器9依次串联组成，记录敏感元件感应电荷量变化，传感器敏感元件5放置于电容式平行极板4中心位置，并与带电监测传感器6相连。
屏蔽接地模块包括屏蔽箱7和接地连接线8，电容式平行极板4、传感器敏感元件5、带电监测传感器6均置于屏蔽箱7之中，屏蔽箱7通过接地连接线8与大地相连，屏蔽外界干扰信号。
其中，信号发生器选用FJ-XD22PS低频信号发生器，功率放大器2选用SA-PA系列功率放大器，数据采集器选用TST5915动态信号数据采集系统。
基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统的原理为：
电容式平行极板4表面积为S0＝2.70×105mm2，传感器敏感元件5表面面积S1＝3.14×102mm2，放置于电容式平行极板4中心位置，两极板间距离为d，调节信号发生器1信号波形为正弦信号，上下极板所加电压U＝U0sin(2πft)，f表示信号发生器1输出频率。因此可以-电容式平行极板4间中心位置电场近似看做匀强电场E：
同时，测试板间电容为C，因此对于本套标定系统极板带电量Q为：
Q＝CU (2)
当改-信号发生器1输出频率f时，两极板之间的电压U＝U0sin(2πft)，因此电容式平行极板带电量
Q＝CU0sin(2πft) (3)
通过信号发生器1改变U0和f数值，数据采集器9记录极板电压量，并根据公式(3)极板电压量获取极板电荷量，在传感器敏感元件5安装圆管限制敏感元件感应范围，则根据公式(3)计算施感电荷q，
最后由施感电荷量q值与带电监测传感器6输出电压量之间的关系，得到带电监测传感器6电荷-电压转换系数。通过改变信号发生器1频率，得到不同频率下带电监测传感器6电荷-电压转换系数。
一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统进行标定试验的方法，其步骤为：
步骤1)根据连接试验系统，将屏蔽箱7使用接地连接线8连接大地，消去屏蔽箱8及其内部测量支架表面电荷；
步骤2)准备试验：测试并记录电容式平行极板4间电容C；开启试验系统，可设置信号发生器1频率为正弦交流信号、矩形波信号等，测试背景信号，检查屏蔽箱屏蔽7效果，直至无明显干扰背景信号后进行下一步试验；
步骤3)开始试验：设置信号发生器1输出波形、输出频率，数据采集器9采样频率参数；根据采样定理，为保证采集信号不失真，设置中保证数据采集器9采样频率信号发生器1输出频率的3-10倍；数据采集器9采集电容式平行极板4两端电压和带电监测传感器6输出的电荷信号，每组试验采集30-100s后停止；
步骤4)试验完成后，保存试验数据，获得电容式平行极板4两端电压信号和带电监测传感器6输出电压信号，根据带电量公式由电容式平行极板4两端电压数据计算施感电荷量，并绘制相关曲线，计算传感器电荷-电压转换系数；
步骤5)改变信号发生器1输出频率，重复试验，计算不同频率下传感器电荷-电压转换系数，绘制传感器不同频率下电荷-电压转换系数图，完成标定试验。
实施例1：应用非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，根据以上步骤方法对非接触式煤岩带电监测传感器6进行标定。试验可对频率5Hz-1000Hz频率范围进行标定，标定过程中可选择一定间隔频率进行标定试验，下面以输出频率50Hz为例进行标定说明。
当输入电压最大值为4300mV时，信号发生器频率设置为50Hz时，由信号发生器1产生的板间电压U＝4300sin50πt，表1所示为50Hz输出频率下标定信息，图2-图4所示为50Hz输出频率下输出电压与施感电荷信号曲线图，通过输出电压和施感电荷数据进行一次曲线拟合，由图4可以看出其关系为U＝77.5Q+1.2，R2＝0.966。即当输出频率为50Hz时，电荷-电压转换系数为77.5mV/pC。
表1 50Hz输出频率下标定信息
同理得到5Hz-1000Hz其它范围输出频率下的标定结果，通过分析5Hz-1000Hz范围下10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz输出频率下的标定结果，得到图4所示不同频率下电荷-电压转换系数。
通过电容式平行极板4对带电监测传感器6进行标定，由图5可以看出，当频率小于50Hz时，电荷-电压转换系数介于30mV/pC-80mV/pC，随着频率增加而增大，基本呈线性，通过线性拟合可获得电荷-电压转换系数与频率关系。当频率大于等于50Hz时，电荷-电压转换系数趋于平稳，基本介于75mV/pC-85mV/pC之间。
至此，本次标定试验结束，通过对带电监测传感器6不同频率进行标定可以看出，基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统性能稳定，标定方法方便有效。
Claims (7)
1.一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，其特征在于：包括有信号发生模块、极板电压监测模块、感应电荷量采集模块和屏蔽接地模块；
信号发生模块产生信号源并与极板电压监测模块连接，通过电压监测模块记录极板电压变化；感应电荷量采集模块由传感器敏感元件(5)、带电监测传感器(6)和数据采集器(9)依次串联组成，记录敏感元件感应电荷量变化；极板电压监测模块中的电容式平行极板和感应电荷量采集模块中的感应器件设置在屏蔽接地模块中的屏蔽箱(7)内，屏蔽箱(7)通过接地连接线(8)与大地相连，屏蔽外界干扰信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，其特征在于：信号发生模块：由信号发生器(1)产生信号源，其输出端连接功率放大器(2)，经功率放大后一端极板电压监测模块的电容式平行极板(4)一侧，另一端连接电容式平行极板(4)的另一侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，其特征在于：所述的极板电压监测模块：电容式平行极板(4)上并联有电压表(3)，数据采集器(9)与电压表(3)相连记录极板两端电压变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，其特征在于：所述的感应电荷量采集模块：感应电荷量采集模块由传感器敏感元件(5)、带电监测传感器(6)和数据采集器(9)依次串联组成，传感器敏感元件(5)放置于电容式平行极板(4)中心位置，并与带电监测传感器(6)相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统，其特征在于：所述的屏蔽接地模块：包括屏蔽箱(7)和接地连接线(8)，电容式平行极板(4)、传感器敏感元件(5)、带电监测传感器(6)均置于屏蔽箱(7)之中，屏蔽箱(7)通过接地连接线(8)与大地相连，屏蔽外界干扰信号。
6.一种利用权利要求1-5中任意一项所述的基于感应原理的非接触式煤岩带电监测传感器标定系统进行试验的方法，其特征在于：其步骤为：
步骤1)根据连接试验系统，将屏蔽箱(7)使用接地连接线(8)连接大地，消去屏蔽箱(8)及其内部测量支架表面电荷；
步骤2)准备试验：测试并记录电容式平行极板(4)间电容C；开启试验系统，可设置信号发生器(1)频率为正弦交流信号、矩形波信号，测试背景信号，检查屏蔽箱(7)屏蔽效果，直至无明显干扰背景信号后进行下一步试验；
步骤3)开始试验：设置信号发生器(1)输出波形、输出频率，数据采集器(9)采样频率参数；根据采样定理，为保证采集信号不失真，设置中保证数据采集器(9)采样频率信号发生器(1)输出频率的3-10倍；数据采集器(9)采集电容式平行极板(4)两端电压和带电监测传感器(6)输出的电荷信号，每组试验采集30-100s后停止；
步骤4)试验完成后，保存试验数据，获得电容式平行极板(4)两端电压信号和带电监测传感器(6)输出电压信号，根据带电量公式由电容式平行极板(4)两端电压数据计算施感电荷量，并绘制相关曲线，计算传感器电荷-电压转换系数；
步骤5)改变信号发生器(1)输出频率，重复试验，计算不同频率下传感器电荷-电压转换系数，绘制传感器不同频率下电荷-电压转换系数图，完成标定试验。
7.根据权利要求6中所述的试验的方法，其特征在于：所述的步骤4)中，电容式平行极板(4)带电量公式为：
Q＝CU0sin(2πft) (3)
其中C为测试板间电容，U0为两极板之间的电压，f表示信号发生器(1)的输出频率。
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