CN109884711B - 一种基于感应原理的非接触式煤、岩带电监测传感器 - 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，主要由敏感元件、绝缘材料、传感器电路PCB板、传感器外套组成，传感器电路PCB板的阻抗匹配电路与敏感元件连接，用于接收信号；积分电容放电电路、偏置补偿电路、电荷积分电路与阻抗匹配电路的信号输出端连接，用于处理信号；处理后的信号与放大电路信号输入端连接，信号经放大后，通过信号输出接口向外输出。传感器具有结构简单、非接触、灵敏度高、价格低廉、抗干扰、适用性强，能够在恶劣的矿山环境下保持良好特性等特点，在煤矿冲击地压、岩爆等岩石动力灾害监测预警方面应用前景广泛。

Description

一种基于感应原理的非接触式煤、岩带电监测传感器
技术领域
本发明属于煤岩体带电量监测技术领域，具体涉及一种基于感应原理的非接触式煤、岩带电监测传感器。
背景技术
煤岩破裂过程伴随有声、光、热、电、磁等物理信息，基于煤岩破坏过程不同物理信息，国内外专家学者提出声发射、微震、红外温度、电磁辐射、电荷等许多方法用于煤矿冲击地压等动力灾害监测预警。受煤矿地质条件、井下潮湿、环境噪声等因素影响，一些监测方法预测预警准确率不高，未能达到现场实际应用要求，原因是一些传感器使用过程中与煤壁接触，安装过程中接触程度差异导致监测效果不佳。
专利号为ZL200810013003.4的岩体电荷辐射仪中提供了一种岩体电荷测量仪器，然而现场应用过程中，较难适应井下环境，传感器内部电路复杂，受井下环境干扰较大，数据采集过程不稳定，难以满足现场监测需要，因此急需研发更加有效的非接触方式、适用性强的煤、岩带电监测传感器。
发明内容
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，传感器外套一端安装有信号输出接口，另一端安装有敏感元件，敏感元件通过屏蔽连接线与内部的传感器电路PCB板连接；传感器电路PCB板的阻抗匹配电路与敏感元件连接，用于接收信号；积分电容放电电路、偏置补偿电路、电荷积分电路与阻抗匹配电路的信号输出端连接，用于处理信号；处理后的信号与放大电路信号输入端连接，放大后，通过信号输出接口向外输出。通过上述结构，本发明解决了现有技术中存在的安装过程繁琐、监测效果不理想等技术问题。
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，包括传感器外套，其特征在于：传感器外套一端安装有信号输出接口，另一端安装有敏感元件，敏感元件通过屏蔽连接线与内部的传感器电路PCB板连接；传感器电路PCB板的阻抗匹配电路与敏感元件连接，用于接收信号；积分电容放电电路、偏置补偿电路、电荷积分电路与阻抗匹配电路的信号输出端连接，用于处理信号；处理后的信号与放大电路信号输入端连接，放大后，通过信号输出接口向外输出。
所述的传感器外套两端采用前端盖和后端盖进行密封，将传感器电路PCB板封装在内部；信号输出接口和敏感元件露在传感器外套外部。
所述的敏感元件与前端盖之间设有绝缘材料体，屏蔽连接线穿过绝缘材料体与内部的传感器电路PCB板连接。
所述的前端盖和后端盖通过螺纹柱和螺钉固定在传感器外套的两端。
所述的阻抗匹配电路：敏感元件感应电荷由P6输入，P6输出端连接阻抗匹配R1，阻抗匹配R1输出端与电荷积分电路连接。
偏置补偿电路：由运放U1A和运放U2A构成，U1A与电阻R8和R5构成电压比较器，由稳压管D3、D4将电压钳位在两个基准电压，通过电阻R4，R6分压，再由电压跟随器U2A为电荷积分器提供稳定的偏置电压。
电荷积分电路：由放大器U2B和积分电容C7组成，电荷输入和偏置补偿电路的输出连接U2B的负输出端和C7的N1端，U2B的正输入端接地；偏置补偿电路在电容C7的N1端形成稳定的偏置电压，根据运放U2B虚断的原理，电荷输入通过电容C7在N2端累积出电压，电压值表征单位时间电荷的累积量。
电荷积分电路的输出一方面由P8直接输出，另一方面通过放大器U1B进行输出放大，由P9输出，通过改变R10和R11阻值改变输出放大倍数。
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，传感器外套一端安装有信号输出接口，另一端安装有敏感元件，敏感元件通过屏蔽连接线与内部的传感器电路PCB板连接；传感器电路PCB板的阻抗匹配电路与敏感元件连接，用于接收信号；积分电容放电电路、偏置补偿电路、电荷积分电路与阻抗匹配电路的信号输出端连接，用于处理信号；处理后的信号与放大电路信号输入端连接，放大后，通过信号输出接口向外输出。本发明通过上述结构，提供了一种结构简单、使用方便、感应测量效果好的非接触式煤、岩带电监测传感器。
附图说明
图1：本发明创造结构示意图。
图2：本发明创造传感器电路PCB板电路框图。
图3：本发明创造传感器电路PCB板电路原理图。
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，包括传感器外套6，其特征在于：传感器外套6一端安装有信号输出接口10，另一端安装有敏感元件2，敏感元件2通过屏蔽连接线9与内部的传感器电路PCB板1连接；传感器电路PCB板1的阻抗匹配电路1-1与敏感元件2连接，用于接收信号；积分电容放电电路1-2、偏置补偿电路1-3、电荷积分电路1-4与阻抗匹配电路1-1的信号输出端连接，用于处理信号；处理后的信号与放大电路1-5信号输入端连接，放大后，通过信号输出接口10向外输出。
其机械结构如图1所示，由于煤矿井下工作环境复杂，具有潮湿、高应力、高瓦斯、高煤尘等特点，选择敏感、耐用的传感器敏感元件材料、密封绝缘材料以及低耗电的井下适应能力是传感器研制过程需重点考虑的问题。为此，敏感元件2材料选择电阻率小的软磁合金材料作为传感器的敏感元件材料，可加工成圆形、针形等不同结构，不同结构其敏感特性不同。选择电阻率大的聚四氟乙烯绝缘材料作为敏感元件2与传感器外套6之间的绝缘材料体3的隔离材料。
所述的传感器外套6两端采用前端盖4和后端盖5进行密封，将传感器电路PCB板1封装在内部；信号输出接口10和敏感元件2露在传感器外套6外部。敏感元件2与前端盖4之间设有绝缘材料体3，屏蔽连接线9穿过绝缘材料体3与内部的传感器电路PCB板1连接。前端盖4和后端盖5通过螺纹柱7和螺钉8固定在传感器外套6的两端。
其中传感器外套6采用Φ＝28mm不锈钢圆管，方便现场钻孔内部安装。不锈钢圆管壁厚1.5mm，一方面保护传感器内部结构；另一方面防止外界的电磁信号干扰。前端盖4和后端盖5材料为不锈钢，通过螺钉8与传感器外套和传感器电路PCB板1的螺纹柱7连接。采用通过屏蔽线传感器外壳与大地连接，传感器的信号输出接口10采用5芯屏蔽线。
煤岩破裂产生电荷量极其微弱，同时受到外界电磁场等因素干扰，传感器将敏感元件的高阻抗输入变换为低阻抗输出，将输入电荷量转换为输出电压量，电压放大电路对电压量进行放大处理，最后由数据采集系统进行数据采集。因此，传感器电路PCB板1主要包括一个低噪声、高输入阻抗的阻抗匹配电路1-1和电荷积分电路1-4、提供稳定的偏置电压的偏置补偿电路1-3、可调增益的精密输出放大电路1-5；积分电容放电电路1-2和电源电路1-6。
如图2所示，传感器电路图为交流式电荷放大系统，电荷采集器通过阻抗匹配输入至电荷积分器，利用放大器“虚地”的特性对电荷进行积分形成电压量。通过补偿电路对电荷积分器的偏置电压进行补偿，稳定输出。由于采集微量电荷输出电压很小，输出部分提供两种输出方式，一个是直接输入，一个是经放大器后输出。电源电路1-6为系统各电路提供电源。由于电荷积分器的不稳定性，为了防止测量误差累积，每次测量前需要积分电容放电器对积分电容进行放电。
具体电路如下：
所述的阻抗匹配电路1-1：敏感元件感应电荷由P6输入，P6输出端连接阻抗匹配R1，阻抗匹配R1输出端与电荷积分电路1-4连接。
积分电容放电电路1-2：P2为电源负极，P4为电源正极，P2与P5直接相连，P4通过外接开关与P1相连，开关闭合使继电器K1吸合，电容C7形成放电回路，进行放电。电容C3为滤波电容，稳定K1的触发电平。
电荷积分电路1-4：由放大器U2B和积分电容C7组成，电荷输入和偏置补偿电路的输出连接U2B的负输出端和C7的N1端，U2B的正输入端接地。偏置补偿电路在电容C7的N1端形成稳定的偏置电压，根据运放U2B虚断的原理，电荷输入通过电容C7在N2端累积出电压，这个电压值可以表征单位时间电荷的累积量，由P8测得。
偏置补偿电路1-3：由运放U1A和运放U2A构成，U1A与电阻R8和R5构成电压比较器，由稳压管D3，D4将电压钳位在两个基准电压，通过电阻R4，R6分压，再由电压跟随器U2A为电荷积分器提供稳定的偏置电压，R7提供稳定的基准电压。
放大电路1-5：电荷积分电路1-4的输出一方面由P8直接输出，另一方面通过放大器U1B进行输出放大，由P9输出，通过改变R10和R11阻值改变输出放大倍数。

Claims (3)

1.一种基于感应原理的非接触式煤、岩带电监测传感器，包括传感器外套(6)，其特征在于：传感器外套(6)一端安装有信号输出接口(10)，另一端安装有敏感元件(2)，敏感元件(2)通过光敏元件连接线(9)与内部的传感器电路PCB板(1)连接；传感器电路PCB板(1)的阻抗匹配电路(1-1)与敏感元件(2)连接，用于接收信号；积分电容放电电路(1-2)、偏置补偿电路(1-3)、电荷积分电路(1-4)与阻抗匹配电路(1-1)的信号输出端连接，用于处理信号；处理后的信号与放大电路(1-5)信号输入端连接，放大后，通过信号输出接口(10)向外输出；
所述的阻抗匹配电路(1-1)：敏感元件感应电荷由P6输入，P6输出端连接阻抗匹配R1，阻抗匹配R1输出端与电荷积分电路(1-4)连接；
所述的积分电容放电电路(1-2)：P2为电源负极，P4为电源正极，P2与P5直接相连，P4通过外接开关与P1相连，开关闭合使继电器K1吸合，电容C7形成放电回路，进行放电；电容C3为滤波电容，稳定K1的触发电平；
P1为电源正极，P5接地；
所述的偏置补偿电路(1-3)：由运放U1A和运放U2A构成，U1A与电阻R8和R5构成电压比较器，由稳压管D3、D4将电压钳位在两个基准电压，通过电阻R4，R6分压，再由电压跟随器U2A为电荷积分器提供稳定的偏置电压，为R7提供稳定的基准电压；
所述的电荷积分电路(1-4)：由放大器U2B和积分电容C7组成，电荷输入和偏置补偿电路的输出连接U2B的负输出端和C7的N1端，U2B的正输入端接地；偏置补偿电路在电容C7的N1端形成稳定的偏置电压，根据运放U2B虚断的原理，电荷输入通过电容C7在N2端累积出电压，电压值表征单位时间电荷的累积量；
所述的放大电路(1-5):所述的电荷积分电路(1-4)的输出一方面由P8直接输出，另一方面通过放大器U1B进行输出放大，由P9输出，通过改变R10和R11阻值改变输出放大倍数；
所述的敏感元件(2)与前端盖(4)之间设有绝缘材料体(3)，光敏元件连接线(9)穿过绝缘材料体(3)与内部的传感器电路PCB板(1)连接；
所述敏感元件(2)材料选择电阻率小的软磁合金材料作为传感器的敏感元件材料，可加工成圆形、针形不同结构，不同结构其敏感特性不同；选择电阻率大的聚四氟乙烯绝缘材料作为所述敏感元件(2)与所述传感器外套(6)之间的所述绝缘材料体(3)的隔离材料；
所述传感器外套(6)采用Φ＝28mm不锈钢圆管，方便现场钻孔内部安装；不锈钢圆管壁厚1.5mm，一方面保护传感器内部结构；另一方面防止外界的电磁信号干扰；所述信号输出接口(10)采用5芯屏蔽线。
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，其特征在于：所述的传感器外套(6)两端采用前端盖(4)和后端盖(5)进行密封，将传感器电路PCB板(1)封装在内部；信号输出接口(10)和敏感元件(2)露在传感器外套(6)外部。
3.根据权利要求2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，其特征在于：所述的前端盖(4)和后端盖(5)通过螺纹柱(7)和螺钉(8)固定在传感器外套(6)的两端。
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