CN111443383B - 一种煤矿用数据采集装置 - Google Patents
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Abstract
本说明书一个或多个实施例提供一种煤矿用数据采集装置，包括：至少三路信号输入电路，用于采集地震计的至少三路输出信号，并将至少三路输出信号传输至高精度模数转换器；至少三个高精度模数转换器，用于对至少三路输出信号进行模数转换处理，得到至少三路数字信号；数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据。本实施例的装置能够获取地震计的观测数据。
Description
技术领域
本说明书一个或多个实施例涉及煤矿观测技术领域，尤其涉及一种煤矿用数据采集装置。
背景技术
煤矿微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中产生的微震事件和煤矿附近发生的天然地震事件，实时准确地确定岩体中微震事件和附近天然地震发生的位置、量级，从而对岩体的变形破坏的活动范围、稳定性及其发展趋势做出定性、定量评价。
已有的煤矿用数据采集器用于将安装于煤矿矿井下的微震传感器所观测的信号进行采集处理后传输至地面设备，采样精度不高、低频噪声高、动态范围较低，仅能采集高频、灵敏度较低的微震传感器的数据，无法实现用于监测天然地震的高灵敏度地震计的数据采集。
发明内容
有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种煤矿用数据采集装置，能够获取地震计的观测数据。
基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种煤矿用数据采集装置，包括：
至少三路信号输入电路，用于采集地震计的至少三路输出信号，并将至少三路输出信号传输至高精度模数转换器；
至少三个高精度模数转换器，用于对至少三路输出信号进行模数转换处理，得到至少三路数字信号；
数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；
数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据。
可选的，所述信号输入电路为全平衡两级差分电路，所述全平衡两级差分电路包括：
第一级差分电路，用于根据所述地震计的类型，输出相应放大倍数的第一级输出信号；
第二级差分电路，用于对所述第一级输出信号进行调理，输出与所述高精度模数转换器的输入范围相适应的第二级输出信号。
可选的，所述第一级差分电路包括能够切换四种量程以实现四种放大倍数的量程切换电路，所述量程切换电路包括量程切换开关和精密电阻网络，所述精密电阻网络包括依序串联的高精度电阻R11-R18，当所述量程切换开关切换在第一量程时，接通高精度电阻R11-R18，当所述量程切换开关切换在第二量程时，接通高精度电阻R11、R18，当所述量程切换开关切换在第三量程时，接通高精度电阻R11、R12、R17、R18，当所述量程切换开关切换在第四量程时，接通高精度电阻R11、R12、R13、R16、R17、R18。
可选的，所述高精度模数转换器，用于对所述输出信号进行过采样，得到采样数据，对所述采样数据进行一级滤波处理，得到第一滤波信号。
可选的，所述数据收集单元，用于对所述第一滤波信号进行加标识处理，得到具有标识的第一滤波信号；
所述数据处理单元，用于对所述具有标识的第一滤波信号进行二级滤波处理，得到第二滤波信号，对所述第二滤波信号进行三级滤波处理，得到所述地震观测数据。
可选的，所述高精度模数转换器，用于对所述输出信号进行过采样及一级滤波处理，每秒输出2000点采样数据作为所述第一滤波信号；
所述数据处理单元，用于对所述具有标识的第一滤波信号进行二级滤波处理，得到1000点采样数据和400点采样数据作为第二滤波信号，对所述第二滤波信号进行三级滤波处理，得到500点最小相位数据、500点线性相位数据、200点最小相位数据和200点线性相位数据四种类型的数据作为所述地震观测数据。
可选的，装置还包括：所述信号输入电路，用于采集微震传感器的至少一路输出信号，并将至少一路输出信号传输至所述高精度模数转换器；
所述高精度模数转换器，用于对至少一路输出信号进行模数转换处理，得到至少一路数字信号；
所述数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；
所述数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到微震观测数据。
可选的，装置还包括：网络接口模块，用于为所述数据收集单元和数据处理单元提供高精度授时信号，以及用于将所述地震观测数据和/或所述微震观测数据经网络传输至地面设备。
可选的，装置还包括：光电转换模块，用于将所述地震观测数据和/或微震观测数据转换为光信号，所述光信号经光纤传输至地面设备。
可选的，装置还包括防爆机壳，所述防爆机壳包括密封连接的壳体和上盖，所述壳体和上盖由不锈钢板制成，所述上盖四周设置加强部，所述不锈钢板的厚度为5毫米，所述不锈钢板进行防腐蚀处理，所述壳体和上盖的密封连接处进行镜面打磨处理。
从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的煤矿用数据采集装置，包括：至少三路信号输入电路，用于采集地震计的至少三路输出信号，并将至少三路输出信号传输至高精度模数转换器；至少三个高精度模数转换器，用于对至少三路输出信号进行模数转换处理，得到至少三路数字信号；数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据。本实施例的装置能够获取地震计的观测数据。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书一个或多个实施例的装置结构框图；
图2为本说明书另一个实施例的装置结构框图；
图3为本说明书一个或多个实施例的信号输入电路的结构示意图；
图4为本说明书一个或多个实施例的精密电阻网络的结构示意图；
图5为本说明书一个或多个实施例的滤波流程示意图；
图6A、6B为本说明书一个或多个实施例的防爆机壳的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
一些方式中，煤矿用数据采集器一般使用16位模数转换器，微震传感器采集的模拟信号经过模数转换器转换为数字信号，数字信号经调制处理后，调制后的数字信号经电缆传输至地面设备，地面设备接收到信号后，解调出数字信号。此种煤矿用数据采集器所使用的电路器件精度不高，且信号传输过程中存在线路干扰和信号间干扰，导致解调后的数字信号信噪比不高，动态范围较小，仅能实现低灵敏度(一般在30V﹒s/m)、动态范围在90dB左右的微震传感器的数据采集，无法实现高灵敏度(一般在2000V﹒s/m)、大动态范围(超过140dB)的地震计的数据采集。
为解决上述问题，本说明书实施例提供一种煤矿用数据采集器，利用抗噪声的信号输入电路采集地震计和/或微震传感器输出的模拟信号，利用高精度的模数转换电路对输入的模拟信号进行转换处理得到数字信号，对数字信号进行多级滤波处理，得到低噪声、高精度的观测数据，该煤矿用数据采集器具有大动态范围，既能实现高灵敏度的地震计数据采集，也能实现低灵敏度的微震传感器数据采集。
如图1所示，本说明书一个或多个实施例的煤矿用数据采集装置，包括：
至少三路信号输入电路，用于采集地震计的至少三路输出信号，并将至少三路输出信号传输至高精度模数转换器；
至少三个高精度模数转换器，用于对至少三路输出信号进行模数转换处理，得到至少三路数字信号；
数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；
数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据。
本实施例中，地震计的三个信号输出端与三路信号输入电路的信号输入端相连接，地震计输出的三路模拟信号经信号输入电路输入高精度模数转换器，三个高精度模数转换器分别将输入的模拟信号转换为数字信号，各路数字信号经数据收集单元进行加标识处理后，将具有标识的各路数字信号依序输入数据处理单元，数据处理单元对输入的数字信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据，所获得的观测数据具有低噪声、大动态范围的特点，能够实现高灵敏度地震计的数据采集获取。
如图所示，用于检测天然地震的地震计包括东西向摆体、南北向摆体和垂直向摆体共三个摆体，三个摆体分别对应输出东西向振动信号、南北向振动信号和垂直向振动信号三个分向的振动信号。采集地震计的输出信号时，一个地震计的三个信号输出端与三路信号输入电路的信号输入端相连接，三路信号输出电路的信号输出端与三个高精度模数转换器的信号输入端相连接，三个高精度模数转换器分别将三个分向的振动信号转换为三个分向的数字信号，数据收集单元对三个分向的数字信号进行加标识处理，得到具有第一标识的第一路数字信号(例如，由第一路信号输入电路输入的东西向振动信号转换后的数字信号)、具有第二标识的第二路数字信号(例如，由第二路信号输入电路输入的南北向振动信号转换后的数字信号)和具有第三标识的第三路数字信号(例如，由第三路信号输入电路输入的垂直向振动信号转换后的数字信号)，具有标识的三路数字信号输入数据处理单元，由数据处理单元对输入的三路数字信号进行多级滤波处理，得到处理后的地震观测数据。
本实施例中，所述煤矿用数据采集装置，还包括：
信号输入电路，用于采集微震传感器的至少一路输出信号，并将至少一路输出信号传输至高精度模数转换器；
高精度模数转换器，用于对至少一路输出信号进行模数转换处理，得到至少一路数字信号；
数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；
数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到微震观测数据。
本实施例的煤矿用数据采集装置，不仅能够实现地震计的数据采集，也能够实现微震传感器的数据采集。微震传感器输出一路微震信号，微震传感器的信号输出端与一路信号输入电路的信号输入端相连接，该路信号输出电路的信号输出端与一个高精度模数转换器的信号输入端相连接，一个高精度模数转换器将微震信号转换为数字信号，数据收集单元对该数字信号进行加标识处理，得到具有微震标识的数字信号(例如，由第一路信号输入电路输入的微震信号转换后的数字信号)，具有微震标识的数字信号输入数据处理单元，由数据处理单元对输入的数字信号进行多级滤波处理，得到处理后的微震观测数据。
结合图2所示，一种实施方式中，煤矿用数据采集装置配置四组信号输入电路，每组信号输入电路包括三路信号输入电路，这样，装置能够同时连接四个地震计或是十二个微震传感器，装置也可以同时连接地震计和微震传感器，仪器的具体配置可根据实际应用需求设置，本说明书不做具体限定。
如图3所示，信号输入电路采用具有良好抗噪声性能的全平衡两级差分电路，全平衡两级差分电路包括：
第一级差分电路，用于根据地震计和/或微震传感器的类型，输出相应放大倍数的第一级输出信号；
第二级差分电路，用于对第一级输出信号进行调理，输出与高精度模数转换器的输入范围相适应的第二级输出信号。
于一些实施例中，第一级差分电路包括两个斩波稳零放大器、量程切换开关、精密电阻网络，第一级差分电路的差分同相输入端通过电阻R1与第一斩波稳零放大器的同相输入端相连接，第一斩波稳零放大器的反相输入端通过量程切换开关、精密电阻网络与第一斩波稳零放大器的输出端相连接，第一级差分电路的差分反相输入端通过电阻R2与第二斩波稳零放大器的同相输入端相连接，第二斩波稳零放大器的反相输入端通过量程切换开关、精密电阻网络与第二斩波稳零放大器的输出端相连接。
第二级差分电路包括两个低噪声运算放大器，第一斩波稳零放大器的输出端通过电阻R3与第一低噪声运算放大器的同相输入端相连接，第一低噪声运算放大器的同相输入端通过电阻R9接地，第一低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R4、R6与第二低噪声运算放大器的正相输入端相连接，第一低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R7与第一低噪声运算放大器的输出端相连接，第二斩波稳零放大器的输出端通过电阻R6与第二低噪声运算放大器的同相输入端相连接，第二低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R5、R3与第一低噪声运算放大器的正相输入端相连接，第二低噪声运算放大器的正相输入端通过电阻R10接地，第二低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R8与第二低噪声运算放大器的输出端相连接。
由电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10构成第二级信号调整电路，用于控制第二级差分电路的放大倍数，使得第二级输出信号与高精度模数转换器的输入范围相匹配。其中，电阻R3、R4、R5、R6的阻值相等，电阻R7、R8、R9、R10的阻值相等，R4/R7、R3/R9、R5/R8、R6/R10的阻值比例相等，第二级差分电路的增益为：
ADC_P-ADC_N＝(V+-V-)×R7/R4 (1)
根据高精度模数转换器的输入范围及公式(1)，确定合适的第二级差分电路的增益。一些实施例中，电阻R3、R4、R5、R6的阻值为16千欧，电阻R7、R8、R9、R10的阻值为2千欧，得到的第二级输出信号是第二级差分电路的输入信号的八分之一，使得第二级输出信号能够匹配高精度模数转换器的输入范围。
可选的，第二级差分电路的第一低噪声运算放大器和第二低噪声运算放大器的输入端可增加RC滤波器，用于保证低噪声设计。
为确保全平衡两级差分电路具有足够的共模抑制比，全平衡两级差分电路中所使用的电阻均为高精度电阻。可选的，电阻R1、R2的阻值为1千欧。
本实施例中，利用全平衡两级差分电路既能实现良好的抗噪声性能，又能提供多量程的输入信号，能够采集不同类型地震计和/或微震传感器的信号，提高装置的使用灵活性。
如图4所示，量程切换电路包括量程切换开关和精密电阻网络，通过量程切换开关的开关切换，能够切换±20V、±10V、±5V、±2.5V四种量程，四种量程能够匹配不同灵敏度的地震计和/或微震传感器，从而可实现不同类型的地震计和/或微震传感器的信号采集。
如图所示，精密电阻网络包括电阻R11-R18共八个高精度电阻，高精度电阻R11-R18依序串联，高精度电阻R11-R18的阻值分别为20千欧、10千欧、5千欧、5千欧、5千欧、5千欧、10千欧、20千欧，精度为0.01％。
量程切换开关接收量程切换指令，根据量程切换指令，切换开关挡位，接通不同的电阻电路，实现不同的放大倍数。具体的，当接收第一量程切换指令(对应±20V量程)时，量程切换开关接通第一挡位(对应图4中的连接点位1)，第一斩波稳零放大器的负相输入端、第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与量程切换开关的连接点位1导通，此种状态下，第一斩波稳零放大器的负相输入端与其输出端相连接，第二斩波稳零放大器的负相输入端与其输出端相连接，高精度电阻R11-R18串联后并联在第一斩波稳零放大器、第二斩波稳零放大器的输出端，两个运算放大器的放大倍数是1。
当接收第二量程切换指令(对应±10V量程)时，量程切换开关接通第二挡位(对应图4中的连接点位2)；第一斩波稳零放大器的负相输入端、第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与量程切换开关的连接点位2导通，第一斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R11与其输出端相连接，第二斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R18与其输出端相连接，此种状态下，两个运算放大器的放大倍数是2。
当接收第三量程切换指令(对应±5V量程)时，量程切换开关接通第三挡位(对应图4中的连接点位3)；第一斩波稳零放大器的负相输入端、第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与量程切换开关的连接点位3导通，第一斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R11、R12与其输出端相连接，第二斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R17、R18与其输出端相连接，此种状态下，两个运算放大器的放大倍数是4。
当接收第四量程切换指令(对应±2.5V量程)时，量程切换开关接通第四挡位(对应图4中的连接点位4)；第一斩波稳零放大器的负相输入端、第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与量程切换开关的连接点位4导通，第一斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R11、R12、R13与其输出端相连接，第二斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R16、R17、R18与其输出端相连接，此种状态下，两个运算放大器的放大倍数是8。
可选的，量程切换开关选用双刀四掷电子开关。精密电阻网络中的电阻R14、R15用于通过对称设计，提高共模抑制比。
本实施例中，高精度模数转换器，用于对输出信号进行过采样，得到采样数据，对采样数据进行一级滤波处理，得到第一滤波信号。
一些实施方式中，高精度模数转换器采用逐次逼近寄存器型的24位高精度模数转换器，通过过采样加滤波结构提高信号信噪比，能够实现高精度、大动态范围的数据处理。可选的，使用LTC2500-32型模数转换器，该模数转换器前端采用1024KHz的采样频率进行过采样，片内采用复合sinc滤波器对采样数据进行一级滤波处理，抽取比512，每秒输出2000点采样数据，其中，复合sinc滤波器是一种通过改变零点分布实现频带外旁瓣的幅度比sinc滤波的旁瓣幅度降低80分贝以上，对频带外信号具有更大的衰减，能够获得更高的信噪比。
本实施例中，数据收集单元，用于对第一滤波信号进行加标识处理，得到具有标识的第一滤波信号；
数据处理单元，用于对具有标识的第一滤波信号进行二级滤波处理，得到第二滤波信号，对第二滤波信号进行三级滤波处理，得到地震观测数据。
如图1、2所示，各高精度模数转换器的信号输出端通过隔离式SPI总线与数据收集单元的数据输入端相连接，能够降低数字电路对模拟电路的干扰，降低噪声影响，保证装置可获得大动态范围。数据收集单元接收各高精度模数转换器输出的各路第一滤波信号，对各路第一滤波信号进行加标识处理，得到具有标识的各路第一滤波信号，然后对具有标识的各路第一滤波信号按序排列，将排列后的第一滤波信号传输至数据处理单元。
一些方式中，数据收集单元的数据输出端与数据处理单元的数据输入端通过SPI总线相连接，数据处理单元接收数据收集单元传输的第一滤波信号，对第一滤波信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据和/或微震观测数据。
如图5所示，于一些实施例中，高精度模数转换器对模拟信号进行过采样，过采样得到的数据经高精度模数转换器内的复合sinc滤波器进行一级滤波处理，每秒输出2000点采样数据作为第一滤波信号；2000点采样数据经过数据收集单元加标识后，输入数据处理单元进行两级FIR滤波处理，具体的：2000点采样数据分别经过两个二级FIR数字滤波器，两个二级FIR数字滤波器的抽取比分别为2和5，两个二级FIR数字滤波器的输出分别为1000点采样数据和400点采样数据作为第二滤波信号；1000点采样数据分别经过一个三级最小相位滤波器和一个三级线性相位滤波器，三级最小相位滤波器和三级线性相位滤波器的抽取比均为2，三级最小相位滤波器和三级线性相位滤波器的输出分别为500点最小相位数据和500点线性相位数据；400点采样数据分别经过一个三级最小相位滤波器和一个三级线性相位滤波器，三级最小相位滤波器和三级线性相位滤波器的抽取比均为2，三级最小相位滤波器和三级线性相位滤波器的输出分别为200点最小相位数据和200点线性相位数据；最终，将得到的500点最小相位数据、500点线性相位数据、200点最小相位数据和200点线性相位数据四种类型的数据作为观测数据输出，用户可根据需要选取所需类型的观测数据。
其中，第二级滤波处理过程中，由2000点采样数据至1000点采样数据的滤波器系数为25个浮点数，分别为：6.9443850984E-006、1.3632063084E-005、-7.0254049302E-005、-1.5646368344E-004、3.5897970548E-004、9.6300070963E-004、-1.1564684621E-003、-4.2017687000E-003、2.0792056702E-003、1.4412272743E-002、3.1535880048E-003、-3.3283108807E-002、-2.8170182107E-002、4.9076831050E-002、8.6557739185E-002、-2.3699755213E-002、-1.6434359727E-001、-1.0907795765E-001、1.4671107779E-001、3.6282334931E-001、3.6687760104E-001、2.2364483376E-001、8.5985743141E-002、1.9485122409E-002、2.0096349774E-003。
第二级滤波处理过程中，由2000点采样数据至400点采样数据的滤波器系数为71个浮点数，分别为：1.0085231745E-008、-4.1888385570E-008、-1.0482841470E-007、1.9985011672E-008、7.7740915470E-007、2.6291750176E-006、5.4276113643E-006、7.5571476976E-006、5.4997768719E-006、-5.2014537134E-006、-2.6910657556E-005、-5.5342002485E-005、-7.5861086166E-005、-6.4466388713E-005、3.1665318767E-006、1.3455959678E-004、3.0105087750E-004、4.2776531358E-004、4.0621001392E-004、1.3669590312E-004、-4.0652906265E-004、-1.1125770708E-003、-1.7113842860E-003、-1.8260005745E-003、-1.1100159060E-003、5.6090082721E-004、2.9170309522E-003、5.2373536035E-003、6.4830526180E-003、5.6333981030E-003、2.1429800413E-003、-3.6449096354E-003、-1.0326557901E-002、-1.5656817476E-002、-1.7179067314E-002、-1.3116625634E-002、-3.2315032413E-003、1.0694975551E-002、2.5024028347E-002、3.5126142811E-002、3.6757098156E-002、2.7530202244E-002、7.9853445986E-003、-1.8153498508E-002、-4.4693039322E-002、-6.4497647068E-002、-7.1389690025E-002、-6.1850179112E-002、-3.6006106303E-002、2.3787082997E-003、4.6875742551E-002、9.0002781641E-002、1.2498199228E-001、1.4715463544E-001、1.5471557793E-001、1.4866881735E-001、1.3213948168E-001、1.0933365044E-001、8.4478502006E-002、6.1010159852E-002、4.1147414948E-002、2.5850878584E-002、1.5064422397E-002、8.0914244049E-003、3.9697180894E-003、1.7560248445E-003、6.8720027845E-004、2.3103521628E-004、6.3520838320E-005、1.2977735597E-005、1.5326628442E-006。
第三级滤波处理过程中，线性相位滤波器的滤波系数为135个浮点数，分别为：-1.8418746047E-006、-9.8051004483E-006、-2.3665401202E-005、-2.8437086102E-005、-3.5562803342E-006、4.1815475976E-005、5.5574833584E-005、3.0180372458E-006、-5.7905920154E-005、-2.5310767593E-005、8.4235817800E-005、1.0433980009E-004、-4.5382457780E-005、-1.6633318144E-004、-2.3563735175E-005、2.2903927608E-004、1.6853192781E-004、-2.1762137286E-004、-3.4261366502E-004、1.1904857583E-004、5.2811043705E-004、1.1591010207E-004、-6.3887300164E-004、-4.6931006521E-004、6.0692696936E-004、9.0901107997E-004、-3.4308895316E-004、-1.3302640144E-003、-1.9075148184E-004、1.6019396036E-003、9.8875311628E-004、-1.5568806808E-003、-1.9516449420E-003、1.0517672952E-003、2.8994620017E-003、5.3590332734E-006、-3.5683791514E-003、-1.5944959609E-003、3.6598715310E-003、3.5585354351E-003、-2.8898511510E-003、-5.5808144446E-003、1.0689428261E-003、7.2084399171E-003、1.8289045340E-003、-7.8983687779E-003、-5.6016600958E-003、7.1023685645E-003、9.7897722922E-003、-4.3645919496E-003、-1.3678227180E-002、-5.7467759986E-004、1.6338869577E-002、7.6976115910E-003、-1.6690570701E-002、-1.6662737316E-002、1.3543602859E-002、2.6812367375E-002、-5.5345966810E-003、-3.7234417356E-002、-9.2929948124E-003、4.6875315207E-002、3.5229012236E-002、-5.4684974709E-002、-8.7930058223E-002、5.9771495079E-002、3.1205843725E-001、4.3846291777E-001、3.1205843725E-001、5.9771495079E-002、-8.7930058223E-002、-5.4684974709E-002、3.5229012236E-002、4.6875315207E-002、-9.2929948124E-003、-3.7234417356E-002、-5.5345966810E-003、2.6812367375E-002、1.3543602859E-002、-1.6662737316E-002、-1.6690570701E-002、7.6976115910E-003、1.6338869577E-002、-5.7467759986E-004、-1.3678227180E-002、-4.3645919496E-003、9.7897722922E-003、7.1023685645E-003、-5.6016600958E-003、-7.8983687779E-003、1.8289045340E-003、7.2084399171E-003、1.0689428261E-003、-5.5808144446E-003、-2.8898511510E-003、3.5585354351E-003、3.6598715310E-003、-1.5944959609E-003、-3.5683791514E-003、5.3590332734E-006、2.8994620017E-003、1.0517672952E-003、-1.9516449420E-003、-1.5568806808E-003、9.8875311628E-004、1.6019396036E-003、-1.9075148184E-004、-1.3302640144E-003、-3.4308895316E-004、9.0901107997E-004、6.0692696936E-004、-4.6931006521E-004、-6.3887300164E-004、1.1591010207E-004、5.2811043705E-004、1.1904857583E-004、-3.4261366502E-004、-2.1762137286E-004、1.6853192781E-004、2.2903927608E-004、-2.3563735175E-005、-1.6633318144E-004、-4.5382457780E-005、1.0433980009E-004、8.4235817800E-005、-2.5310767593E-005、-5.7905920154E-005、3.0180372458E-006、5.5574833584E-005、4.1815475976E-005、-3.5562803342E-006、-2.8437086102E-005、-2.3665401202E-005、-9.8051004483E-006、-1.8418746047E-006。
第三级滤波处理过程中，最小相位滤波器的滤波系数为135个浮点数，分别为：3.5331961498E-008、-2.4236453463E-008、-1.0736093224E-007、1.8524059046E-008、2.6245319570E-007、6.1109818001E-008、-5.2821935009E-007、-3.3432486770E-007、8.8350833762E-007、9.7685837966E-007、-1.2037439850E-006、-2.1976791884E-006、1.1931523394E-006、4.1700628139E-006、-3.1496410887E-007、-6.8808756318E-006、-2.2085438762E-006、9.9408084626E-006、7.3213895253E-006、-1.2335014055E-005、-1.5879002648E-005、1.2235141400E-005、2.8231453829E-005、-6.9282052882E-006、-4.3603318633E-005、-6.9523651969E-006、5.9398912196E-005、3.2801843090E-005、-7.0565289358E-005、-7.2896580759E-005、6.9319533584E-005、1.2677634629E-004、-4.5544971290E-005、-1.8931367830E-004、-1.1776459360E-005、2.4889750740E-004、1.1187977935E-004、-2.8633361591E-004、-2.5825287328E-004、2.7527306171E-004、4.4377048805E-004、-1.8498665250E-004、-6.4575384434E-004、-1.3837861614E-005、8.2233105727E-004、3.4006670008E-004、-9.1190946094E-004、-7.9038464988E-004、8.3783882329E-004、1.3264449820E-003、-5.2022010941E-004、-1.8637710279E-003、-1.0379896737E-004、2.2667303625E-003、1.0512091976E-003、-2.3554723082E-003、-2.2580394225E-003、1.9326092103E-003、3.5444432163E-003、-8.4009729234E-004、-4.5967192125E-003、-9.4067081937E-004、5.0170350917E-003、3.1574480996E-003、-4.6194559142E-003、-5.6407947209E-003、3.0579119013E-003、7.8929656502E-003、-1.8695426144E-004、-9.1740072093E-003、-3.6314070124E-003、9.0344979040E-003、8.0263875426E-003、-6.8766967446E-003、-1.2059583034E-002、2.6569877017E-003、1.4812413820E-002、3.4027707491E-003、-1.5197067678E-002、-1.0416261418E-002、1.2493175289E-002、1.7126557399E-002、-6.3876087078E-003、-2.1879496257E-002、-2.6308263938E-003、2.3077441455E-002、1.3295471141E-002、-1.9459577642E-002、-2.3521340921E-002、1.0621598928E-002、3.0762906947E-002、2.6922913258E-003、-3.2446906307E-002、-1.8350335546E-002、2.6685942765E-002、3.2979385455E-002、-1.2974729130E-002、-4.2411805602E-002、-7.1443451867E-003、4.2595813074E-002、2.9773492363E-002、-3.0814105346E-002、-4.8862003649E-002、7.1143136406E-003、5.7221723183E-002、2.4444544439E-002、-4.8460918441E-002、-5.5213292315E-002、1.9844997763E-002、7.2814721996E-002、2.4366130576E-002、-6.4300129214E-002、-7.0202383797E-002、2.2360199203E-002、9.4151477350E-002、4.5603038912E-002、-6.9910208881E-002、-1.0843704811E-001、-1.3663251771E-002、1.1135916080E-001、1.2204996636E-001、-5.1485954583E-003、-1.4865058603E-001、-1.6820719684E-001、-3.5445250349E-002、1.5659094801E-001、2.8838564678E-001、3.0597879164E-001、2.3640941888E-001、1.4111474706E-001、6.5828422008E-002、2.3619707419E-002、6.2246452368E-003、1.0878088116E-003、9.5987353014E-005。
本实施例中，通过每级滤波系数不同的分级滤波处理，既能够保证足够的阻带衰减，又能够有效降低运算量，采集的信号经过三级滤波处理后，能够获得良好的信噪比和幅频响应，对阻带外衰减超过-130dB，在通带内可获得优于0.1％的平坦度，最终可获得动态范围超过140dB的四种类型的观测数据。其中，二级FIR数字滤波器的阻带衰减不小于-80dB，三级线性相位滤波器和三级最小相位滤波器的阻带衰减不小于-130dB。
如图2所示，一些实施例中，装置还包括网络接口模块，数据处理单元与地面设备通过网络连接，数据处理单元将处理得到的四种类型的观测数据经网络传输给地面设备。装置还包括光电转换模块，四种类型的观测数据经光电转换模块转换为光信号后，光信号经光纤传输至地面设备。这样，装置既可通过网线与地面设备连接，也可以通过光纤与地面设备连接，两种方式均可传输观测数据，为地面设备提供实时的观测数据。具体的连接方式可根据地面设备的配置及距离选择，配置灵活，同时能够简化矿井下布线，消除线路对传输数据造成的干扰。
一些实施例中，网络接口模块使用具有PTP授时功能的网络接口模块，网络接口模块用于为数据收集单元和数据处理单元提供高精度授时信号，以及用于将地震观测数据和/或微震观测数据经网络传输至地面设备。
本实施例中，根据网络接口模块输出的高分辨率时钟对数据处理单元和数据收集单元的内部时钟进行驯服，可获得高精度的时间信号(精度可达到10-8)，也可在PTP授时服务器失步时提供稳定的时钟。这样，利用网络接口模块既可实现观测数据的网络传输，又可实现高精度的网络时间同步，简化井下布线，并解决装置的时钟同步问题。可选的，网络接口模块可选用DP83640型具有授时功能的网络接口芯片。
如图2所示，数据处理单元还包括存储模块，用于存储观测数据；存储模块包括但不限于SD存储卡、SDRAM存储模块、NAND闪存模块、FLASH存储模块等。
一些方式中，数据收集单元可基于FPGA芯片实现。数据处理单元可基于ARM芯片实现，ARM芯片的主频为500MHz，为保证数据处理的实时性，当ARM芯片接收到第一滤波信号时，执行中断程序，对第一滤波信号进行二级、三级滤波处理，得到实时的观测数据。装置上电启动时，数据处理单元可通过数据收集单元、隔离式SPI总线向高精度模数转换器发送控制信号，以保证装置的正常工作，其中，控制信号可以是复位同步信号、设置输出速率信号等。
如图6A、6B所示，为满足煤矿矿井下防爆性能要求，本实施例的煤矿用数据采集装置还包括防爆机壳，防爆机壳包括壳体1和上盖2，壳体1由不锈钢板焊接而成，壳体1的长宽高尺寸为440×410×125；上盖2由不锈钢板制成，不锈钢板四周设置不锈钢板条作为加强部21，所使用的不锈钢板的厚度为5毫米，所有不锈钢板均进行防腐蚀处理，壳体1和上盖2密封连接，密封处进行镜面打磨处理，防爆机壳整体设计满足GB3836隔爆标准，
如图2、6A、6B所示，前述的各电路单元内置于防爆机壳内部，壳体1上设有多个接口11，用于接入传感器、电源及传输线缆。一些方式中，壳体1上设置七个接口，分别为用于连接电源的供电接口、用于连接网线的网络接口、用于连接光纤的光纤接口和用于接入传感器的四个传感器接口，其中，四个传感器接口可分别连接四个地震计，或是连接十二个微震传感器，或是同时连接地震计和微震传感器。
本实施例的煤矿用数据采集装置，通过设置抗噪声性能的信号输入电路、高精度模数转换器、隔离式SPI总线接口等电路器件，以及对采集的信号进行三级滤波处理，能够获得高精度、大动态范围的四种类型的地震计观测数据和/或微震观测数据，使得装置既能够采集矿井下地震计的观测数据，也可以采集微震传感器的观测数据；观测数据可通过网络或是光纤传输至地面设备，为地面设备提供实时的观测数据，也可以将观测数据存储于本地，还可通过网络获得精确的授时时间，为装置提供精确的时钟信号。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种煤矿用数据采集装置，其特征在于，包括：
至少三路信号输入电路，用于采集地震计的至少三路输出信号，并将至少三路输出信号传输至高精度模数转换器；
至少三个高精度模数转换器，用于对至少三路输出信号进行模数转换处理，得到至少三路数字信号；
数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；
数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到地震观测数据；
其中，所述信号输入电路为全平衡两级差分电路，所述全平衡两级差分电路包括：第一级差分电路，用于根据所述地震计的类型，输出相应放大倍数的第一级输出信号；所述第一级差分电路包括两个斩波稳零放大器、量程切换开关、精密电阻网络，第一级差分电路的差分同相输入端通过电阻R1与第一斩波稳零放大器的同相输入端相连接，第一斩波稳零放大器的反相输入端通过所述量程切换开关、精密电阻网络与所述第一斩波稳零放大器的输出端相连接，第一级差分电路的差分反相输入端通过电阻R2与第二斩波稳零放大器的同相输入端相连接，第二斩波稳零放大器的反相输入端通过所述量程切换开关、精密电阻网络与所述第二斩波稳零放大器的输出端相连接；
第二级差分电路，用于对所述第一级输出信号进行调理，输出与所述高精度模数转换器的输入范围相适应的第二级输出信号；所述第二级差分电路包括两个低噪声运算放大器，所述第一斩波稳零放大器的输出端通过电阻R3与第一低噪声运算放大器的同相输入端相连接，第一低噪声运算放大器的同相输入端通过电阻R9接地，第一低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R4、R6与第二低噪声运算放大器的正相输入端相连接，第一低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R7与第一低噪声运算放大器的输出端相连接，所述第二斩波稳零放大器的输出端通过电阻R6与第二低噪声运算放大器的同相输入端相连接，第二低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R5、R3与第一低噪声运算放大器的正相输入端相连接，第二低噪声运算放大器的正相输入端通过电阻R10接地，第二低噪声运算放大器的反相输入端通过电阻R8与第二低噪声运算放大器的输出端相连接；由电阻R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10构成第二级信号调整电路，用于控制所述第二级差分电路的放大倍数，使得第二级输出信号与所述高精度模数转换器的输入范围相匹配。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一级差分电路包括能够切换四种量程以实现四种放大倍数的量程切换电路，所述量程切换电路包括量程切换开关和精密电阻网络，所述精密电阻网络包括依序串联的高精度电阻R11-R18，当所述量程切换开关切换在第一量程时，接通高精度电阻R11-R18，当所述量程切换开关切换在第二量程时，接通高精度电阻R11、R18，当所述量程切换开关切换在第三量程时，接通高精度电阻R11、R12、R17、R18，当所述量程切换开关切换在第四量程时，接通高精度电阻R11、R12、R13、R16、R17、R18。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当接收第一量程切换指令时，所述量程切换开关接通第一挡位，所述第一斩波稳零放大器的负相输入端、所述第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与所述量程切换开关的第一连接点位导通，此种状态下，所述第一斩波稳零放大器的负相输入端与其输出端相连接，所述第二斩波稳零放大器的负相输入端与其输出端相连接，高精度电阻R11-R18串联后并联在所述第一斩波稳零放大器、第二斩波稳零放大器的输出端，两个运算放大器的放大倍数是1。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当接收第二量程切换指令时，所述量程切换开关接通第二挡位；所述第一斩波稳零放大器的负相输入端、所述第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与所述量程切换开关的第二连接点位导通，所述第一斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R11与其输出端相连接，所述第二斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R18与其输出端相连接，此种状态下，两个运算放大器的放大倍数是2。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当接收第三量程切换指令时，所述量程切换开关接通第三挡位；所述第一斩波稳零放大器的负相输入端、所述第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与所述量程切换开关的第三连接点位导通，所述第一斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R11、R12与其输出端相连接，所述第二斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R17、R18与其输出端相连接，此种状态下，两个运算放大器的放大倍数是4。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，当接收第四量程切换指令时，所述量程切换开关接通第四挡位；所述第一斩波稳零放大器的负相输入端、所述第二斩波稳零放大器的负相输入端分别与所述量程切换开关的第四连接点位导通，所述第一斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R11、R12、R13与其输出端相连接，所述第二斩波稳零放大器的负相输入端通过电阻R16、R17、R18与其输出端相连接，此种状态下，两个运算放大器的放大倍数是8。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述高精度模数转换器，用于对所述输出信号进行过采样，得到采样数据，对所述采样数据进行一级滤波处理，得到第一滤波信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述数据收集单元，用于对所述第一滤波信号进行加标识处理，得到具有标识的第一滤波信号；
所述数据处理单元，用于对所述具有标识的第一滤波信号进行二级滤波处理，得到第二滤波信号，对所述第二滤波信号进行三级滤波处理，得到所述地震观测数据。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
所述高精度模数转换器，用于对所述输出信号进行过采样及一级滤波处理，每秒输出2000点采样数据作为所述第一滤波信号；
所述数据处理单元，用于对所述具有标识的第一滤波信号进行二级滤波处理，得到1000点采样数据和400点采样数据作为第二滤波信号，对所述第二滤波信号进行三级滤波处理，得到500点最小相位数据、500点线性相位数据、200点最小相位数据和200点线性相位数据四种类型的数据作为所述地震观测数据。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的装置，其特征在于，装置还包括：
所述信号输入电路，用于采集微震传感器的至少一路输出信号，并将至少一路输出信号传输至所述高精度模数转换器；
所述高精度模数转换器，用于对至少一路输出信号进行模数转换处理，得到至少一路数字信号；
所述数据收集单元，用于对各路数字信号进行加标识处理，得到具有标识的各路数字信号；
所述数据处理单元，用于对具有标识的各路数字信号进行多级滤波处理，得到微震观测数据。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，装置还包括：
网络接口模块，用于为所述数据收集单元和数据处理单元提供高精度授时信号，以及用于将所述地震观测数据和/或所述微震观测数据经网络传输至地面设备。
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，装置还包括：
光电转换模块，用于将所述地震观测数据和/或微震观测数据转换为光信号，所述光信号经光纤传输至地面设备。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，装置还包括防爆机壳，所述防爆机壳包括密封连接的壳体和上盖，所述壳体和上盖由不锈钢板制成，所述上盖四周设置加强部，所述不锈钢板的厚度为5毫米，所述不锈钢板进行防腐蚀处理，所述壳体和上盖的密封连接处进行镜面打磨处理。
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