CN113466948A - 一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统 - Google Patents

一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，包括三轴电磁传感器阵列、信号采集模块和测向定位终端；所述三轴电磁传感器阵列由至少4个三轴电磁传感器组成，用于基于隧道磁电阻技术同步感知三轴方向的磁场强度，并测量得到空间真实磁场矢量；所述信号采集模块用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并提取磁场矢量变化参数后传输至所述测向定位终端；所述测向定位终端用于根据接收到的磁场矢量变化参数进行测向定位解算，并对定位结果、定位时间、定位坐标进行三维动态可视化显示。本发明将隧道磁电阻技术用于煤岩破坏电磁辐射的测向定位，实现对煤岩动力灾害的准确监测预警，对于煤岩动力灾害防治具有重大意义。

Description

一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统
技术领域
本发明涉及煤岩动力灾害防治技术领域，特别涉及一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统。
背景技术
煤岩动力灾害是煤矿主要灾害之一。随着采深不断加大，煤岩动力灾害频次、强度和破坏程度均呈上升趋势，发生次数和伤亡人数也呈相对上升的趋势。煤岩变形破裂产生电磁辐射是较为常见的物理现象。电磁辐射法作为一种非常有前景的地球物理方法，近年来在煤岩破坏电磁辐射的产生机理、信号特征、预测煤岩动力灾害应用现状、影响因素等方面取得了较为可观的成果。
目前，煤岩电磁辐射技术主要通过分析电磁前兆信号时序变化实现对冲击地压灾害的监测预警，但不能实现孕灾区域定位，无法指导防治措施精准实施，成为该技术亟待突破的关键技术瓶颈。此外，煤岩破坏过程产生的电磁辐射信号只能被动接收，而且电磁波的频率和强度随时间变化，难以直接应用已有的电磁辐射接收装置和定位技术实现煤岩破坏的测向定位。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，将隧道磁电阻（TMR）技术用于煤岩破坏电磁辐射的测向定位，实现对煤岩动力灾害的准确监测预警，对于煤岩动力灾害防治具有重大意义。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，包括三轴电磁传感器阵列、信号采集模块和测向定位终端；
所述三轴电磁传感器阵列由至少4个三轴电磁传感器组成，用于基于隧道磁电阻技术同步感知三轴方向的磁场强度，并测量得到空间真实磁场矢量；
所述信号采集模块用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并提取磁场矢量变化参数后传输至所述测向定位终端；
所述测向定位终端用于根据接收到的磁场矢量变化参数进行测向定位解算，并对定位结果、定位时间、定位坐标进行三维动态可视化显示。
优选地，所述三轴电磁传感器包括依次连接的辅助电源电路、三轴感知模块、波形调理模块和输出电路，所述辅助电源电路连接供电端口，所述输出电路分别连接x、y、z三个轴向的输出通道。
优选地，所述三轴感知模块由三个微磁感知芯片通过PCB贴片拼版正交排列构成，所述微磁感知芯片基于磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应分别感知x、y、z三轴上的磁场强度分量，并通过推挽式惠斯通电桥电路直接实现电压信号转换。
优选地，所述波形调理模块用于将有效频段的信号进行放大，并对其他频段的信号进行滤波处理，滤波带宽为200Hz-300kHz。
优选地，所述三轴电磁传感器的外部结构包括供电及输出端和封装外壳，所述供电及输出端包括单端输出式和航插式两种形式，所述封装外壳采用高强度工程塑料制备，并且所述封装外壳上镶嵌有水平仪和指南针。
优选地，所述单端输出式三轴电磁传感器的供电及输出端包括电源接口和x、y、z三轴信号输出接口，所述电源接口和所述x、y、z三轴信号输出接口均采用SMA接口，4个引脚独立连接，线性输出电压范围为±2.5 V。
优选地，所述航插式三轴电磁传感器的供电及输出端包括8个引脚，其中1个引脚连接电源，1个引脚接地，其余6个引脚差分输出x、y、z三轴信号，每根差分线输出范围为0-4.096 V。
优选地，所述信号采集模块包括多通道采集仪和控制器；
所述多通道采集仪用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并将采集的数据通过WIFI无线传输至所述控制器；
所述控制器用于控制采集过程和存储数据，并提取磁场矢量变化参数后传输至所述测向定位终端。
优选地，所述测向定位终端通过以下步骤进行测向定位解算：
S1、建立统一的笛卡尔坐标系，坐标轴与各个三轴电磁传感器的测试轴平行，并分别校正三轴电磁传感器各轴正方向与坐标轴正方向之间的对应关系；
S2、对于三轴电磁传感器阵列中的第
Figure 232189DEST_PATH_IMAGE001
个三轴电磁传感器，根据其所在测点的空间位置构建沿三个坐标轴平面的空间向量
Figure 477226DEST_PATH_IMAGE002
，根据提取的一组磁场矢量变化参数
Figure 460225DEST_PATH_IMAGE003
构建特征矢量
Figure 465222DEST_PATH_IMAGE004
；
S3、计算第
Figure 482856DEST_PATH_IMAGE005
个三轴电磁传感器所在位置磁场矢量的三个方位角
Figure 898794DEST_PATH_IMAGE006
Figure 742991DEST_PATH_IMAGE007
S4、重复步骤S2和步骤S3，基于三轴电磁传感器阵列中的S个三轴电磁传感器和N组磁场矢量变化参数得到S×N组方位角信息，利用粒子群遗传混合优化算法，确定破坏区域。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明提供的一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统通过多个基于隧道磁电阻效应的三轴电磁传感器构建阵列，实现对煤岩破坏区域的测向定位解算与定位结果的三维可视化显示。所述三轴电磁传感器改变了传统的线圈缠绕式磁棒天线结构，选择磁性多层膜材料感应煤岩损伤破坏诱发的电磁辐射，并在传感器内部集成敏感元件和转换元件，将磁场强度直接转换成电压输出至波形调理模块，压制噪声并放大有效频段信号，实现对ULF~VLF频段三轴电磁信号的同步精准感知，使用时无需额外连接信号放大器，进一步提升了非接触式定位监测的便利性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统的结构示意图；
图2a-图2c是本发明实施例提供的三轴电磁传感器可构成的阵列形式示意图；
图3是本发明实施例提供的单个三轴电磁传感器的内部结构示意图；
图4是本发明实施例提供的航插式三轴电磁传感器的封装示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的实施例提供了一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，如图1所示，所述系统包括：三轴电磁传感器阵列、信号采集模块和测向定位终端；
三轴电磁传感器阵列由至少4个三轴电磁传感器组成，用于基于隧道磁电阻技术同步感知三轴方向的磁场强度，并测量得到空间真实磁场矢量；
信号采集模块用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并提取磁场矢量变化参数后传输至测向定位终端；
其中，信号采集模块包括多通道采集仪和控制器；多通道采集仪用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并将采集的数据通过WIFI无线传输至控制器；控制器用于控制采集过程和存储数据，并提取磁场矢量变化参数后传输至测向定位终端；
测向定位终端用于根据接收到的磁场矢量变化参数进行测向定位解算，并对定位结果、定位时间、定位坐标进行三维动态可视化显示。
进一步地，所述煤岩破坏电磁辐射测向定位系统现场实施的具体过程如下：
使用时选取需要监测的工作面，在工作面轨道巷和皮带运输巷分别布置两组三轴电磁传感器阵列，同一巷道中两组三轴电磁传感器阵列相距50m以上。单组三轴电磁传感器阵列有多种布置方式，以4个三轴电磁传感器为例，可构成的阵列形式如图2a-图2c所示，包括十字形、正方形、四面体形，满足不同监测区域的需求。三轴电磁传感器形状为方形，易于装配，确定阵列形式和测点位置后，使用工程三角架及夹具将三轴电磁传感器高度固定之后，利用水平仪调整传感器角度，使得三轴电磁传感器其中一端面保持水平。阵列搭建完成即可用控制器启动信号采集，实时监测煤岩破坏电磁辐射信号并在测向定位终端实现测向定位结果的三维动态可视化。
进一步地，单个三轴电磁传感器内部结构如图3所示，包括依次连接的辅助电源电路、三轴感知模块、波形调理模块和输出电路。辅助电源电路连接供电端口，并对其他模块进行供电。输出电路分别连接x、y、z三个轴向的输出通道。
三轴感知模块由三个微磁感知芯片通过PCB贴片拼版正交排列构成，微磁感知芯片基于磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应分别感知x、y、z三轴上的磁场强度分量，并通过推挽式惠斯通电桥电路直接实现电压信号转换。图3中箭头朝向为芯片敏磁方向，当磁场与敏磁方向相同时输出正电压，相反则输出负电压。感知灵敏度为60-150 mV/V/GS，本底噪声为150-200 pT/rtHz@1Hz，量程为±0.03 Oe。波形调理模块用于将有效频段的信号进行放大，并对其他频段的信号进行滤波处理，滤波带宽为200Hz-300kHz。处理后的信号经输出电路分别输出到 x、y、z 三个通道。
进一步地，所述三轴电磁传感器的外部结构包括供电及输出端和封装外壳。其中，供电及输出端包括单端输出式和航插式两种形式。如图3所示，为单端输出式三轴电磁传感器的供电及输出端示意图，包括电源接口和x、y、z三轴信号输出接口，电源接口和x、y、z三轴信号输出接口均采用SMA接口，4个引脚独立连接，线性输出电压范围为±2.5 V。图4为航插式三轴电磁传感器的供电及输出端示意图，包括8个引脚，其中1个引脚连接电源，1个引脚接地，其余6个引脚差分输出x、y、z三轴信号，每根差分线输出范围为0-4.096 V。
封装外壳采用高强度工程塑料制备，三个测试轴的正方向如图4中所示，封装外壳上除方向标记外，还另外镶嵌有水平仪和指南针，以便使用时对三轴电磁传感器的水平程度和方向进行校正。三轴电磁传感器的供电方式包含内置电池和外部供电两种方式，供电电压为5V DC。
进一步地，所述测向定位终端通过以下步骤进行测向定位解算：
S1、建立统一的笛卡尔坐标系，坐标轴与各个三轴电磁传感器的测试轴平行，并分别校正三轴电磁传感器各轴正方向与坐标轴正方向之间的对应关系；
S2、对于三轴电磁传感器阵列中的第
Figure 4208DEST_PATH_IMAGE005
个三轴电磁传感器，根据其所在测点的空间位置构建沿三个坐标轴平面的空间向量
Figure 141928DEST_PATH_IMAGE002
，根据提取的一组磁场矢量变化参数
Figure 213921DEST_PATH_IMAGE003
构建特征矢量
Figure 296146DEST_PATH_IMAGE008
；
S3、计算第
Figure 236420DEST_PATH_IMAGE005
个三轴电磁传感器所在位置磁场矢量的三个方位角
Figure 336969DEST_PATH_IMAGE006
Figure 94710DEST_PATH_IMAGE009
S4、重复步骤S2和步骤S3，基于三轴电磁传感器阵列中的S个三轴电磁传感器和N组磁场矢量变化参数得到S×N组方位角信息，利用粒子群遗传混合优化算法，确定破坏区域。
综上所述，本发明提供的一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统通过多个基于隧道磁电阻效应的三轴电磁传感器构建阵列，实现对煤岩破坏区域的测向定位解算与定位结果的三维可视化显示。所述三轴电磁传感器改变了传统的线圈缠绕式磁棒天线结构，选择磁性多层膜材料感应煤岩损伤破坏诱发的电磁辐射，并在传感器内部集成敏感元件和转换元件，将磁场强度直接转换成电压输出至波形调理模块，压制噪声并放大有效频段信号，实现对ULF~VLF频段三轴电磁信号的同步精准感知，使用时无需额外连接信号放大器，进一步提升了非接触式定位监测的便利性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，包括三轴电磁传感器阵列、信号采集模块和测向定位终端；
所述三轴电磁传感器阵列由至少4个三轴电磁传感器组成，用于基于隧道磁电阻技术同步感知三轴方向的磁场强度，并测量得到空间真实磁场矢量；
所述信号采集模块用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并提取磁场矢量变化参数后传输至所述测向定位终端；
所述测向定位终端用于根据接收到的磁场矢量变化参数进行测向定位解算，并对定位结果、定位时间、定位坐标进行三维动态可视化显示。
2.根据权利要求1所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述三轴电磁传感器包括依次连接的辅助电源电路、三轴感知模块、波形调理模块和输出电路，所述辅助电源电路连接供电端口，所述输出电路分别连接x、y、z三个轴向的输出通道。
3.根据权利要求2所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述三轴感知模块由三个微磁感知芯片通过PCB贴片拼版正交排列构成，所述微磁感知芯片基于磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应分别感知x、y、z三轴上的磁场强度分量，并通过推挽式惠斯通电桥电路直接实现电压信号转换。
4.根据权利要求2所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述波形调理模块用于将有效频段的信号进行放大，并对其他频段的信号进行滤波处理，滤波带宽为200Hz-300kHz。
5.根据权利要求1所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述三轴电磁传感器的外部结构包括供电及输出端和封装外壳，所述供电及输出端包括单端输出式和航插式两种形式，所述封装外壳采用高强度工程塑料制备，并且所述封装外壳上镶嵌有水平仪和指南针。
6.根据权利要求5所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述单端输出式三轴电磁传感器的供电及输出端包括电源接口和x、y、z三轴信号输出接口，所述电源接口和所述x、y、z三轴信号输出接口均采用SMA接口，4个引脚独立连接，线性输出电压范围为±2.5 V。
7.根据权利要求5所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述航插式三轴电磁传感器的供电及输出端包括8个引脚，其中1个引脚连接电源，1个引脚接地，其余6个引脚差分输出x、y、z三轴信号，每根差分线输出范围为0-4.096 V。
8.根据权利要求1所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述信号采集模块包括多通道采集仪和控制器；
所述多通道采集仪用于实时采集多个测点的磁场矢量变化信息，并将采集的数据通过WIFI无线传输至所述控制器；
所述控制器用于控制采集过程和存储数据，并提取磁场矢量变化参数后传输至所述测向定位终端。
9.根据权利要求1所述的煤岩破坏电磁辐射测向定位系统，其特征在于，所述测向定位终端通过以下步骤进行测向定位解算：
S1、建立统一的笛卡尔坐标系，坐标轴与各个三轴电磁传感器的测试轴平行，并分别校正三轴电磁传感器各轴正方向与坐标轴正方向之间的对应关系；
S2、对于三轴电磁传感器阵列中的第
Figure 556881DEST_PATH_IMAGE001
个三轴电磁传感器，根据其所在测点的空间位置构建沿三个坐标轴平面的空间向量
Figure 739601DEST_PATH_IMAGE002
，根据提取的一组磁场矢量变化参数
Figure 722600DEST_PATH_IMAGE003
构建特征矢量
Figure 508023DEST_PATH_IMAGE004
；
S3、计算第
Figure 853553DEST_PATH_IMAGE001
个三轴电磁传感器所在位置磁场矢量的三个方位角
Figure 879278DEST_PATH_IMAGE005
Figure 35060DEST_PATH_IMAGE007
S4、重复步骤S2和步骤S3，基于三轴电磁传感器阵列中的S个三轴电磁传感器和N组磁场矢量变化参数得到S×N组方位角信息，利用粒子群遗传混合优化算法，确定破坏区域。
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