CN117589019B - 电子起爆器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及电子起爆器及其控制方法，包括无线接收器、控制电路、供电电路以及通信电路，所述无线接收器与控制电路连接，所述供电电路向控制电路基板上的各元件供电，所述通信电路连接到控制电路进行雷管的点火控制，所述无线接收器包括光源、光腔、滤光器、光电探测器以及微波天线，所述光腔包括腔体、具有NV色心的微金刚石，所述具有NV色心的微金刚石嵌于腔体内部，所述光源用于照射具有NV色心的微金刚石，所述滤光器设于具有NV色心的微金刚石右侧，所述光电探测器设于具有NV色心的微金刚石与滤光器之间，所述光电探测器测量光源照射具有NV色心的微金刚石后的光子强度。

Description

电子起爆器及其控制方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及电子起爆器及其控制方法。

背景技术

在采矿业中，目前存在两种类型的电子雷管：有线和无线，有线雷管有两个主要优点，体积较小且制造成本低廉，但是有线雷管安装时需要大量线缆，且安装效率慢；无线雷管由于直径较大，用于安装无线雷管的钻孔直径也呈正比变大，在岩层中安装成本会大大提高，且传统无线雷管与地面发射器通信时间较长，地面发射器无法与无线雷管保持长时同步通信。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了电子起爆器及其控制方法，用以解决现有技术中电子雷管与地面发射器通信时间长、信号拾取容易被干扰等问题，本发明还提供了该装置的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

电子起爆器，包括无线接收器、控制电路、供电电路以及通信电路，所述无线接收器与控制电路连接，所述供电电路向控制电路基板上的各元件供电，所述通信电路连接到控制电路进行雷管的点火控制，所述无线接收器包括光源、光腔、滤光器、光电探测器以及微波天线，所述光腔包括腔体、具有NV色心的微金刚石，所述具有NV色心的微金刚石嵌于腔体内部，所述光源用于照射具有NV色心的微金刚石，所述滤光器设于具有NV色心的微金刚石右侧，所述光电探测器设于具有NV色心的微金刚石与滤光器之间，所述光电探测器测量光源照射具有NV色心的微金刚石后的光子强度，所述微波天线设于光腔下方并对具有NV色心的微金刚石进行均匀极化。

所述控制电路包括微波激励电路、光敏电路、数字滤波器以及处理单元，所述微波激励电路与微波天线连接以控制微波天线信号感应的检测频率，所述光敏电路从光电探测器获取光子强度数据，所述数字滤波器对光敏电路获取的光子强度数据进行数字解调，所述处理单元提取数字滤波器的数字信号对通信电路进行指令发送。

在传统电子起爆器中通常使用单频表面传输天线与地面指令发射器通信，该天线使用二频通信系统传输二进制信息，需要在电子起爆器X、Y、Z轴上配置接收天线（可以理解将轴理解为坐标线），且在使用时必须保持与另一组电子起爆器间隔足够远，避免发生信号干扰，传统电子起爆器中磁感应引管的通信时间很长，可能长达15秒，电子起爆器的电子电路必须通过扫描选择最佳的接收轴，以获得最佳的信号完整性，这将迫使地面指令发射器在启动电子起爆器的命令之前，至少重复通信交换三次，这些重复通信大大增加了电子起爆器同步通信的风险，使电子起爆器很容易受到有害的操作错误的影响，例如在不同的点火序列的区域中激活。

本设计通过光电探测器测量光腔内的光子强度替换传统电子起爆器中所使用的轴天线，使处理单元能够准确测量电子起爆器所有轴上的磁场，从而提高地面指令发射器与电子起爆器之间的信息传输效率，同时大幅度缩小了无线雷管的尺寸，减少至少50％无线雷管使用的负面环境足迹。

进一步的，所述光源为发光二极管或激光二极管。

进一步的，所述光源发射532nm的绿色光源。

进一步的，电子起爆器包括一个或多个供电电路。

进一步的，所述数字滤波器为锁定型数字滤波器。

进一步的，所述通信电路包括集成点火系统。

进一步的，所述无线接收器的微波场检测值设置为0.29皮特斯拉-9皮特斯拉，最小磁场强度频率分辨率为0.1mhz。

进一步的，所述滤光器由间隔孔洞为1.3纳米-2.6纳米的多层金属导体网组成，所述滤光器用于消除光源照射光腔后的反射光子。

进一步的，所述处理单元包括发射天线、冗余处理单元，所述发射天线执行数据返回，所述冗余处理单元包括接口电路、第一冗余处理电路、第二冗余处理电路以及动态开关与两组静态开关，所述接口电路与第一冗余处理电路、第二冗余处理电路连接，所述第一冗余处理电路与一组静态开关，所述第二冗余处理电路与另一组静态开关以及动态开关连接。

电子起爆器的控制方法，包括以下步骤：

S1，将连接电子起爆器的雷管与地面指令发射器通信连接，地面指令发射器发送全局初始化指令以清除所有电子起爆器的标记状态；

S2，地面指令发射器重复性发射注册指令至电子起爆器，未注册电子起爆器返回应答信号进行自动注册，在预设时间内地面指令发射器未收到应答信号的电子起爆器自动注册失败；

S3，电子起爆器判断自身注册状态，未注册的电子起爆器继续发射应答信号至地面指令发射器，已注册的电子起爆器不再发射应答信号至地面指令发射器，未注册的电子起爆器在注册未完成之前供电电路与通信电路断开电源通路；

S4，重复上述步骤至所有电子起爆器完成注册，重复次数超过10次未注册成功的电子起爆器停止注册进行检修。

进一步的，所述应答信号包括电子起爆器预设数字串，且所述地面指令发射器在收到应答信号后，提取应答信号中的电子起爆器预设数字串与地面指令发射器中预存数字串进行验证，验证通过则返回指令并标识该电子起爆器已注册。

进一步的，所述电子起爆器返回应答信号前检测其各电路脚线间的电压差，电压差小于预设值时，不返回应答信号，反之则继续返回应答信号。

进一步的，所述电子起爆器接受注册指令时发射天线电源通路断开，所述电子起爆器返回应答信号时微波天线电源通路断开。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

通过使用具有NV色心的微金刚石进行信号传输，消除了有线雷管的笨重特性，同时保留了其主要优点，既小型化和低制造成本，能够使电子雷管的直径减小40％至50％，同时还保持其灵敏度，缩小电子雷管的直径能够减小电子雷管预埋时所需要的钻头直径，同时，使用无线接收器替换电子起爆器与地面指令发射系统中常用的轴天线，提高了地面指令发射系统与电子起爆器之间的信息传输效率以及信息检测灵敏度，避免电子起爆器错误拾取信号。

附图说明

图1为本发明电子起爆器及其控制方法实施例的原理示意图；

图2为本发明电子起爆器及其控制方法实施例中冗余处理单元原理示意图；

图3为本发明电子起爆器及其控制方法实施例中具有NV色心的微金刚石的结构示意图；

说明书附图中的附图标记包括：控制电路100、供电电路110、通信电路120、光源10、光腔12、腔体121、具有NV色心的微金刚石122、滤光器13、光电探测器14、微波激励电路16、光敏电路17、数字滤波器18以及微波天线15、处理单元19、发射天线20、冗余处理单元2、接口电路21、第一冗余处理电路22、第二冗余处理电路23、动态开关25、静态开关24。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：

需要说明，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本装置的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

如图1-图3所示，电子起爆器，包括无线接收器、控制电路100、供电电路110以及通信电路120，无线接收器与控制电路100连接，供电电路110向控制电路100基板上的各元件供电，通信电路120连接到控制电路100进行雷管的点火控制，无线接收器包括光源10、光腔12、滤光器13、光电探测器14以及微波天线15，光腔12包括腔体121、具有NV色心的微金刚石122，具有NV色心的微金刚石122嵌于腔体121内部，光源10用于照射金刚石122，滤光器13设于具有NV色心的微金刚石122右侧，光电探测器14设于具有NV色心的微金刚石122与滤光器13之间，光电探测器14测量光源10照射具有NV色心的微金刚石122后的光子强度，微波天线15设于光腔12下方并进行允许皮特斯拉范围值内的磁场检测灵敏度检测，且微波天线15对具有NV色心的微金刚石122进行均匀极化。

如图3所示，金刚石122晶格中的两个相邻碳位一个被氮原子取代，另一个缺失，其中N原子提供两个电子，和空位相邻的三个C原子各提供一个未成对电子，再额外俘获一个电子，一共6个电子，当NV色心吸收光子时，电子从基态跃迁到激发态，反之，从激发态回落到基态，放出光子，本装置使用532nm激光进行非共振激发，图3中N为氮原子，V代表空位，C代表碳原子。

控制电路100包括微波激励电路16、光敏电路17、数字滤波器18以及处理单元19，微波激励电路16与微波天线15连接以控制微波天线15信号感应的检测频率，并将检测的时间窗数据传输至处理单元19，光敏电路17从光电探测器14获取光子强度数据，数字滤波器18对光敏电路17获取的光子强度数据进行数字解调，处理单元19提取数字滤波器18的数字信号对通信电路进行指令发送，数字滤波器18为锁定型数字滤波器。

光源10为发光二极管或激光二极管，光源10发射532nm的绿色光源。

滤光器13由间隔孔洞为1.3纳米-2.6纳米的多层金属导体网组成，滤光器13用于消除光源10照射光腔12后的反射光子，滤光器13用于消除532nm的绿色光源照射具有NV色心的微金刚石122后放射或残余的光子，提高本设备的磁场检测灵敏度。

供电电路110对光源10供电，光源10对具有NV色心的微金刚石122进行532nm的绿色光源照射时，具有NV色心的微金刚石122呈现红色，其强度与穿过具有NV色心的微金刚石122的磁场成正比，红色光谱中的光子强度可以通过光电探测器14，既光电晶体管来测量，这个原理被称为塞曼效应，微波天线15使用微波场极化具有NV色心的微金刚石122，使红色光谱中的光子强度发生对应的改变，通过这种方法，无线接收器可以测量0Hz到5Hz的宽频带上的磁场强度。

通过改变微波天线15的微波场，并使用数字滤波器18以≤9皮特斯拉的极高灵敏度测量给定频率下的磁场幅度，完成对微波信号的数字解调。

处理单元19包括发射天线20、冗余处理单元2，发射天线20执行数据返回，冗余处理单元2包括接口电路21、第一冗余处理电路22、第二冗余处理电路23以及动态开关25与两组静态开关24，接口电路21与第一冗余处理电路22、第二冗余处理电路23连接，第一冗余处理电路22与一组静态开关24，第二冗余处理电路23与另一组静态开关24以及动态开关25连接。

动态开关25与两组静态开关24起到能量隔断作用，在装置未解除保险之前，第一冗余处理电路22、第二冗余处理电路23处于信号待检状态，动态开关25与两组静态开关24均处于断开，供电电路110无法进行高压转换供电，第一冗余处理电路22与第二冗余处理电路23对不同频率的两次数字滤波器的信号进行识别，并且加以时间窗判断，如果信号频率吻合，则依次闭合两组静态开关24，接触静态保险，动态开关接受特定工作频率后，供电电路110与通信电路120形成通路，使电子起爆器处于待发状态。

通过使用具有NV色心的微金刚石122进行信号传输，消除了有线雷管的笨重特性，同时保留了其主要优点，既小型化和低制造成本，通过本实施例的结构设计，能够使电子雷管的直径减小40％至50％，同时保持其灵敏度，缩小电子雷管的直径能够减小电子雷管预埋时所需要的钻头直径；

同时，使用无线接收器替换电子起爆器与地面指令发射系统中常用的轴天线，提高了地面指令发射系统与电子起爆器之间的信息传输效率。

电子起爆器的控制方法，包括以下步骤：

S1，将连接电子起爆器的雷管与地面指令发射器通信连接，地面指令发射器发送全局初始化指令以清除所有电子起爆器的标记状态；

S2，地面指令发射器重复性发射注册指令至电子起爆器，未注册电子起爆器返回应答信号进行自动注册，在预设时间内地面指令发射器未收到应答信号的电子起爆器自动注册失败；

S3，电子起爆器判断自身注册状态，未注册的电子起爆器继续发射应答信号至地面指令发射器，已注册的电子起爆器不再发射应答信号至地面指令发射器，未注册的电子起爆器在注册未完成之前供电电路110与通信电路120断开电源通路；

S4，重复上述步骤至所有电子起爆器完成注册，重复次数超过10次未注册成功的电子起爆器停止注册进行检修。

应答信号包括电子起爆器预设数字串，且地面指令发射器在收到应答信号后，提取应答信号中的电子起爆器预设数字串与地面指令发射器中预存数字串进行验证，验证通过则返回指令并标识该电子起爆器已注册。

电子起爆器返回应答信号前检测其各电路脚线间的电压差，电压差小于预设值时，不返回应答信号，反之则继续返回应答信号。

电子起爆器接受注册指令时发射天线20电源通路断开，电子起爆器返回应答信号时微波天线15电源通路断开。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.电子起爆器，包括无线接收器、控制电路（100）、供电电路（110）以及通信电路（120），所述无线接收器与控制电路（100）连接，所述供电电路（110）向控制电路（100）基板上的各元件供电，所述通信电路（120）连接到控制电路（100）进行雷管的点火控制，其特征在于：所述无线接收器包括光源（10）、光腔（12）、滤光器（13）、光电探测器（14）以及微波天线（15），所述光腔（12）包括腔体（121）、具有NV色心的微金刚石（122），所述具有NV色心的微金刚石（122）嵌于腔体（121）内部，所述光源（10）用于照射具有NV色心的微金刚石（122），所述滤光器（13）设于具有NV色心的微金刚石（122）右侧，所述光电探测器（14）设于具有NV色心的微金刚石（122）与滤光器（13）之间，所述光电探测器（14）测量光源（10）照射具有NV色心的微金刚石（122）后的光子强度，所述微波天线（15）设于光腔（12）下方并对具有NV色心的微金刚石（122）进行均匀极化；

所述控制电路（100）包括微波激励电路（16）、光敏电路（17）、数字滤波器（18）以及处理单元（19），所述微波激励电路（16）与微波天线（15）连接以控制微波天线（15）信号感应的检测频率，所述光敏电路（17）从光电探测器（14）获取光子强度数据，所述数字滤波器（18）对光敏电路（17）获取的光子强度数据进行数字解调，所述处理单元（19）提取数字滤波器（18）的数字信号对通信电路（120）进行指令发送。

2.根据权利要求1所述的电子起爆器，其特征在于：所述光源（10）为发光二极管或激光二极管。

3.根据权利要求1所述的电子起爆器，其特征在于：所述滤光器（13）由间隔孔洞为1.3纳米-2.6纳米的多层金属导体网组成，所述滤光器（13）用于消除光源（10）照射光腔（12）后的反射光子。

4.根据权利要求1所述的电子起爆器，其特征在于：所述处理单元（19）包括发射天线（20）、冗余处理单元（2），所述发射天线（20）执行数据返回，所述冗余处理单元（2）包括接口电路（21）、第一冗余处理电路（22）、第二冗余处理电路（23）、动态开关（25）以及两组静态开关（24），所述接口电路（21）与第一冗余处理电路（22）、第二冗余处理电路（23）连接，所述第一冗余处理电路（22）与一组静态开关（24）连接，所述第二冗余处理电路（23）与另一组静态开关（24）以及动态开关（25）连接。

5.根据权利要求1所述的电子起爆器，其特征在于：所述无线接收器的微波场检测值设置为0.29皮特斯拉-9皮特斯拉。

6.根据权利要求1-5任一项所述的电子起爆器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将连接电子起爆器的雷管系统与地面指令发射器通信连接，地面指令发射器发送全局初始化指令以清除所有电子起爆器的标记状态；

S2，地面指令发射器重复性发射注册指令至电子起爆器，未注册电子起爆器返回应答信号进行自动注册，在预设时间内地面指令发射器未收到应答信号的电子起爆器自动注册失败；

S3，电子起爆器判断自身注册状态，未注册的电子起爆器继续发射应答信号至地面指令发射器，已注册的电子起爆器不再发射应答信号至地面指令发射器，未注册的电子起爆器在注册未完成之前供电电路（110）与通信电路（120）断开电源通路；

S4，重复上述步骤至所有电子起爆器完成注册，重复次数超过10次未注册成功的电子起爆器停止注册进行检修。

7.根据权利要求6所述的电子起爆器的控制方法，其特征在于：所述应答信号包括电子起爆器预设数字串，且地面指令发射器在收到应答信号后，提取应答信号中的电子起爆器预设数字串与地面指令发射器中预存数字串进行验证，验证通过则返回指令并标识该电子起爆器已注册。

8.根据权利要求6所述的电子起爆器的控制方法，其特征在于：所述电子起爆器返回应答信号前检测其各电路脚线间的电压差，电压差小于预设值时，不返回应答信号，反之则继续返回应答信号。

9.根据权利要求6所述的电子起爆器的控制方法，其特征在于：所述电子起爆器接受注册指令时发射天线（20）电源通路断开，所述电子起爆器返回应答信号时微波天线（15）电源通路断开。