CN87211945U - 矿井地质雷达探测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种安全防爆型矿井地质雷达探测仪，由发射机、接收机、终端机以及各自独立的供电电池、发射与接收天线、数字磁带机、微型计算机(或终端信息专用处理设备)、绘图仪组成。这种探测仪适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险性的煤矿井下探测回采工作面和掘进工作面前方隐伏和充水小构造。具有不受外界干扰。快速、不需施工、准确、无伤探测、机动灵活等优点。

Description

矿井地质雷达探测仪

本实用新型适用于煤矿井下探测地质构造。

在煤矿中，小构造比较普遍发育，特别是充水小构造，如充水小断层、陷落柱、老窑和岩溶等，常给煤矿带来灾害。近年来，国内外对研制用于探测矿井地质构造的仪器、设备十分重视。

目前在美国XADAR公司生产的XADARⅣ型地质雷达仪虽然可以用于井下，但是它是非防爆型的，而且探测距离只有几米。美国地球物理勘探公司生产的SIR8型地质雷达仪是用于地面的，虽然具有终端信息处理自动成图的功能，但探测深度只有几米，而且设备庞大。国内也尚未研制出适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的煤矿井下防爆型探测地质构造的地质雷达仪器。

为了准确的探明矿井地质构造，预测将由复杂的地质条件所造成的隐患，保障矿井与工人的安全生产，同时减少打废巷道的损失。

本实用新型目的是研制安全防爆型适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险性的煤矿井下探测回采工作面和掘进工作面前方隐伏小构造，如小断层、老窑、溶洞、火成岩体、陷落柱等的位置和大小，探测距离30米左右。它具有不受外界干扰，快速、不需施工、准确、无伤探测、机动灵活等优点。

本实用新型的基本原理：

矿用地质雷达探测仪通过发射天线向地下以60°～90°波束角定向发射甚高频电磁波，当电磁波在地层中传播的路途上遇到两种不同介质的界面即发生反射，反射波被设置在发射天线旁边的接收天线所接收。发射天线发射沿岩层表面传播的波被接收天线最先收到，称为直达波。这两种波在终端机的荧光屏上显示出来，不同深度反射回来的反射波在终端机的荧光屏时间轴上可以读出不同时间来，减去直达波到达的 时间被2除，乘以该种介质电磁波传播的速度，即可得到反射目标所在深度，再根据反射波的特性进行信息处理判断目标。

本实用新型的结构：

矿用地质雷达探测仪（图1）由发射机1，接收机2，终端机3和各自独立的供电电池，即发射机供电电池4、接收机供电电池5、终端机供电电池6，发射天线7、接收天线8，数字磁带机9，微型计算机（或终端信息专用处理设备）10，绘图仪11组成。该矿用地质雷达探测仪数字磁带机9在井上、下均要使用，微型计算机（或终端信息专用处理设备）10，绘图仪11安放在地面使用，其他部份均设置在井下进行探测。

本实用新型的特点：

一、发射机

（一）发射机的技术性能

1.工作频率：160MHZ，频率还可以降低或提高。

2.采用调制脉冲可变结构，调制脉冲宽度可变为：50nS，80nS，120nS，还可以变窄。

3.调制脉冲重复周期（频率）1.6μS（625KHZ）。

4.脉冲发射功率：不小于30瓦。

5.直流供电四组

＋30V    0.22安时镉镍电池25节    每节1.20V

串100Ω／10W，限流电阻，用环氧灌封。

＋12V    0.22安时镉镍电池10节    每节1.20V

串15Ω／10W，限流电阻，用环氧灌封。

＋6V    0.22安时镉镍电池5节    每节1.20V

串3Ω／10W，限流电阻，用环氧灌封。

－3V    0.22安时镉镍电池3节    每节1.20V，

串3Ω／10W，限流电阻，用环氧灌封。

总    计    43节

6.工作环境：温度0℃——＋35℃

相对湿度：95％（＋35℃）

海拔高度：8×10⁴——1.1×10⁵帕斯卡。

7.工作时间：可连续使用3小时。

8.外型尺寸：290×193×80mm长×宽×高

电池箱外型尺寸：325×240×105mm长×宽×高

9.重量：发射机5kg，电池：2kg

（二）发射机的电路

矿用地质雷达探测仪发射机电路方框（图2），电路图（图3）电路的各部份如图3虚线方框所示。电路部份组装在一个整体分格结构的屏蔽盒内。屏蔽盒选择黄铜板材料并镀银为佳。电路方框（图2）与电路图（图3）的电路部份相对应。在图2、图3中：

主振级1，工作电压＋12V，由一支2G711组成的LC振荡电路，在有载情况下大于1.5V。

方波发生器2，由三块7MY24集成块组成，第一块方波发生器，产生625KHZ方波，第二、三两块为整形电路调整脉宽50nS，并反向输出同步信号，供电电源为＋6V～＋6.5V而集成块电压要求稳定5V，因此用简单稳压电路稳定在＋5V左右。

调制级3，将主振160MHZ载频信号通过50nS方波调制成钟脉冲信号，改变负偏可改变输出大小和抑制噪声，电源为＋12V。

功率放大器4、5、6三级功率放大，将雷达波进行功率放大和逐级抑制杂散干扰，使得输出到发射天线7的信号，成为理想的钟脉冲波形。

（三）发射机面板控制器的结构及其作用

发射机面板控制器结构（图4）由以下部件组成：

电源插座1，用四组电源＋30V、＋12V、－3V、＋6V，一根共用接地线。

同步信号输出2，输出625KHZ方波与终端机同步输入相联。

负偏压调节3，调节电位器改变调制级负偏可调整发射功率最佳状态。

末级功放电流指示器4，反映功放级工作状态和发射功率大小。

低压开关5，包括接通和断开方波发生器＋6V电源和－3V负偏压电源。钮子向下表示接通。

高压开关6，包括接通和断开主振和调制级12V电源和三级功放＋30V电源。钮子向下表示接通。

射频输出插座7，可以是L₁₆高频插座，经由插头和φ6mm同轴电缆（阻抗50Ω）与发射天线相接。

改变脉宽波段开关8，改变三个位置：正北方位、东北方位、正东方位分别代表50nS、80nS、120nS脉冲宽度。

把手9，2个。

紧固螺钉10，4颗。

二、接收机

（一）接收机的技术性能

1.接收中心频率：160MHZ，频率与发射机相对应还可以降低或提高。

2.中        频：60MHZ，还可以改变。

3.中    频    带    宽：20MHZ。

4.接收机灵敏度：1μV～3μV，还可以提高。

5.增        益：92db～110db。

6.衰减器    固定衰减21db，连续可调20db    总计41db。

7.工    作    环    境：温度0℃－＋35℃相对湿度95％（＋35℃时）

海拔高度：8×10⁴－1.1×10⁵帕斯卡。

8.使    用    电    源：＋12.5V3安时镉镍电池10节    每节1.25V。

串15Ω／10W限流电阻，用环氧灌封。

9.工    作    时    间：可连续使用8小时。

10.仪器外型尺寸：304×218×130mm（长×宽×高）。

11.电池盒外型尺寸：227×100×100mm（长×宽×高）。

12.重        量：接收机10kg，电池2.8kg。

（二）接收机的电路

矿用地质雷达探测仪接收机电路方框（图5），电路图（图6）电路的各部份如图6虚线方框所示，组装在7个屏蔽盒内，采用分段多个屏蔽结构。各屏蔽盒之间采用高频插头插座和同轴线联接。电路方框（图5）与电路图（图6）的电路部份相对应。在图5、图6中：

电调器1，由接收天线14收到的雷达波首先进入由一支pIN管组成的电调电路。

螺旋滤波器2，由电调器来的信号经过160MHZ宽带分布参数螺旋滤波器，抑制噪声，再将有用的160MHZ雷达信号送至下一级高放。此两级均为无源电路。螺旋滤波器2是用厚铜板制的屏蔽盒，内 部分四级滤波，外部是7个销紧螺杆，螺母用来调节电感、电容等参数。

高频放大器3，由三支3CG36高频低噪声管组成，第1、3两支管为RC宽频带放大电路，其间为射极跟随器，起隔离作用，要求高放增益20db，在高放之前由两支2Ap10组成限幅器，避免大信号阻塞。

本地振荡器4，220MHZ本振电路由一支2G711C管组成LC振荡器，要求有载输出80～100mV，将本振信号送至混频级。

混频器5，由两支高频低噪声管组成三极管平衡混频器，其输出为60MHZ信号，经由匹配网络，送至前中频放大级。

前中放大器6，由三支3DG19晶体管组成，前两级组成共发共基级联电路，其后紧接射级跟随器，以便后级接变化的负载衰减器。

21分贝衰减器7，由五个π网衰减器组成，分别为1db，2db，3db，5db，10db。

中频滤波器8，此滤波器为LC集中参数滤波器，其带宽为20MHZ，进一步压低噪声，提高信噪比。

主中放大器9，由三对三极管组成，第一极共发共基级联电路低噪声高放大倍数，不易自激。第二和第三级均为串联放大电路。其间电位器和二极管组成可调衰减器0～－20db。

主中放器10，由一级共发共基级联电路和串联放大电路组成。

末级放大器11，现由一块集成电路代替最后四支晶体管，增益为20db，至此，接收机总增益为110～117db，将此60MHZ信号送至下一级检波级。

检波器12，由一支三极管和两支倍压检波二极管组成，包络低频信号输出接口13将信号送至终端机进行显示。

接收天线14接收雷达波。

（三）接收机面板控制器的结构及其作用

接收机面板控制器结构（图7）由以下部件构成：

天线输入插座1，可以是L₁₆高频插座，L₁₆高频插座是信号的入口与接收天线用50Ω，φ6mm同轴电缆相联。

电源插座2，用＋12V电源，一根接地线。

固定衰减器3、固定衰减器4、固定衰减器5、固定衰减器6、固定衰减器7，分别衰减接收信号的电压分贝值。

电源指示器8，电源接通表示指示在0.5mA附近，若指针指到0.4mA即表示电池电不足，必须要充电。

连续可调衰减器9，可调节范围0至负20分贝。

电源开关10，可以用＋12V电源开关。

检波输出旋扭11，可以用L₁₆高频插座，L₁₆高频插座与L₁₆插头和50Ω，φ6mm同轴电缆联接送到终端机Y轴输入。

把手12，2个。

紧固螺钉13，4颗。

三、终端机

（一）终端机的技术性能

1.灵敏度：5mV～5V／Cm，10个量级。

2.频带宽度：DC～40MHZ（－3db）

实际上，用于60MHZ中频回波信号的显示，仍然清晰，基本满足要求。

3.输入阻抗：1MΩ±2％

4.上升时间：约8.75nS

5.方波特征：上突不大于5％

其他失真不大于3％（在10mV／Cm档）

6.线        性：当波形在坐标中心垂直移动2Cm时，幅值的改变量≤0.1Cm。

7.直流平衡飘移：±0.5Cm

8.输入方式：固定用通道I

9.输入耦合：固定用交流方式

10.最大允许输入电压：400V（直流＋交流峰值，交流≤1KHZ）。

11.信号显示时间：约40nS（使用了约120nS的延迟线）

12.触发方式：固定用外触发方式，信号来自于发射机。

13.电压要求：25DC，动态范围23～27V。

电源功耗：小于36W（1.5A）

主机体积：443×300×198mm

最大体积：476×374×254mm

重        量：27公斤

14.工作环境：

必要条件：5～35℃（41～95°F）

最大工作范围：0～40℃（32～104°F）

相对湿度：85％

海拔高度：8×10⁴～1.1×10⁵帕斯卡

（二）终端机的电路

矿用地质雷达探测仪终端机电路方框（图8）。它主要由垂直偏转电路1、水平偏转电路2、CRT电路3、电源供电电路17、校准电 路19、阴极射线管20构成。

垂直偏转电路1用于在CRT屏幕上垂直移动光点。它由Y输入（来自于接收机）4、前置放大器5、垂直开关电路6、延迟线电路7、垂直输出放大器8组成。前置放大器5将接收机Y输入4的几毫伏至几百毫伏的60MHZ中频信号放大或经衰减后送到垂直开关电路6。垂直开关电路6是一个电子开关，它控制来自于前置放大器5的信号。接通的信号通过延迟线电路7送入垂直输出放大器8，被放大到几伏至几十伏，以便光点在CRT屏幕上垂直偏转。

水平偏转电路2用于CRT屏幕上水平移动光点。它由同步输入（来自于发射机）9、触发信号发生器10、扫描信号发生器11、水平开关电路12、水平输出放大器13组成。发射机同步输入9的同步信号经触发信号发生器10产生触发脉冲信号。该脉冲驱动扫描信号发生器11产生锯齿信号，经水平开关电路12送入水平输出放大器13，放大到几伏至几十伏，使光点在CRT屏幕上偏转。

CRT电路3用于操作阴极射线管20。它由高压信号发生器16、Z轴放大器14、CRT控制电路15组成。高压信号发生器16用作放大发源于CRT阴极的电子束。它产生－1.8KV的负压，加到CRT阴极加速电子的发射；还产生10KV的电压，作为加速电压，使垂直和水平偏转阳极的电子加速通过。Z轴放大器14，用来放大消除回扫的信号。它将扫描信号发生器11的启通信号放大并将光迹辉度控制信号放大到几十伏，以便通过CRT电路加到CRT的第一栅极（控制栅）。CRT控制电路15将阴极射线管20控制在最佳状态。CRT电路为CRT电极产生各种电压，以使CRT操作在最佳状态，显示的信号波形聚焦清晰，失真小；它还调节来自于Z轴放大器14的 信号，并将其他电路调节到适于应用到CRT的电平。

电源供电电路17用来将电力送到仪器的各种电路18（即垂直偏转电路1、水平偏转电路2、CRT电路3）。电源供电电路17是一个直流——直流多谐振荡器型变换电路。其电源电压为25DC，它首先变换为145伏、16伏、6.3伏三组交流电压，再经部分整流稳压后提供如下几组电压，用于本实用新型终端机的各相应电路。

～6.3V        去CRT灯丝

＋16V        非稳定电压

＋145V        稳定电压

＋12V        稳定电压

－12V        稳定电压

＋5V        稳定电压

校准电路19提供2V_P－P（峰值）校准电压。当探头和放大器工作在非校准状态时，用来校准之。校准信号的电压精度不低于2％。校准信号产生的方法是，应用CMOS多谐振荡器集成电路产生一个信号，用史密特CMOS集成电路整形后，再用电位器分压。

阴极射线管20是一个6英寸长的矩形园拱网状阴极射线管，配有红色内坐标片和蓝色滤光片，高辉度、高后加速电压。因此，确使光迹用于快速扫描观察。

（三）终端机面板控制器的结构及其作用

终端机面板控制器结构（图9）由以下部件构成：

观察窗1，是显示波形的窗口。

电源开关2，可以是手动推压开关，也可以用钮子开关、拨动开关等，用来启通或关闭电源。

辉度旋钮3，控制光点或光迹的亮度。

聚焦旋钮4，将显示的信号调到最清晰的图象。

左右位移旋钮5，使所显示的图象左右移动。

上下位移旋钮6，使所显示的图象在屏幕上上下移动。

校正旋钮7，在测量频率或周期时，或在观察反射回波旅行时间时，要将此旋钮向右旋到底，置于校正位置，当上部小旋钮拉出时，实测信号频率等于所显示出的频率乘10倍。

Y输入8，用一高频插座，输入来自于接收机的中频信号，使目标回波显示在CRT屏幕上。

分档开关9，即每厘米电压分档开关，用于测量信号电压。可以根据所要显示的信号电压的大小选择档级，从5mV／Cm至5V／Cm，共10个档级。在使用时一般用0.2V／Cm档。

电平调节旋钮10，用来调节触发信号的触发电平，使图象稳定地显示在CRT屏幕上。正方向旋动时，触发电平相对于所显示的波形上升，向负方向旋动时，触发电平相对于所显示的波形下降。

同步信号输入11，用一个插座，输入来自于发射机的同步信号，作为终端机的触发信号。

电源插座12，与电源插头配套，此为防爆型电源插头插座提供外接的25VDC电源。

把手12，两个。

紧固螺栓13，12颗。

四、天线

矿用地质雷达探测仪天线包括发射天线和接收天线（图10正视图、图11侧视图）由阻抗匹配器1、馈线固定柱2、天线环3、背板4、 园柱板5、天线6、保护板7、加强条8、支架座9、提手10、发射（接收）机架11、后支座12、后支座接头13、支撑柱14（2根）、15组成。该天线采用收、发分立的双天线体制，目的在于减少杂波干扰。天线的结构采用阿基米德平面螺旋天线（图12），收、发反旋。形状为扁园柱状，用三条腿支撑，发射机和接收机可以安装在天线的背面。

天线阻抗匹配器（图13）由高频插座1、接头2、楔形变换器3、芯线4、绝缘柱5组成。根据切比雪夫原理设计的天线匹配器，以保证天线匹配。

五、数字磁带机

在数字磁带机内组装超高频取样器和A／D转换器，将终端机来的信号变换成数字量记录在数字磁带机上，再回放送入微型计算机或终端信息专用处理系统。

六、微型计算机或终端信息专用处理系统

微型计算机或终端信息专用处理系统的作用将井下记录在数字磁带机上的数字信号进行微机处理，增强有用信号，形成连续的图形信号，送至绘图仪。

七、绘图仪

该绘图仪将微型计算机或终端信息专用处理系统处理后的信号所形成的连续图形绘制在绘图纸上。

Claims (8)

1、本实用新型是一种矿井地质雷达探测仪，其特征是由发射机、接收机、终端机、发射机供电电池、接收机供电电池、终端机供电电池、发射与接收天线、数字磁带机、微型计算机(或终端信息专用处理设备)、绘图仪组成。

2、按权利要求1所述的矿井地质雷达探测仪，其特征是发射机电路部份由主振级、方波发生器、调制级、功率放大器、发射天线组成；接收机电路部份由电调器、螺旋滤波器、高频放大器、本地振荡器、混频器、前中放大器、衰减器、中频滤波器、主中放大器二个、末级放大器、检波器、包络低频信号输出接口、接收天线组成；终端机电路部份由垂直偏转电路、水平偏转电路、CRT电路、电源供电电路、校准电路、阴极射线管构成。

3、按权利要求1所述的矿井地质雷达探测仪，其特征是发射机与接收机天线由阻抗匹配器、馈线固定柱、天线环、背板、园柱板、天线、保护板、加强条、支架座、提手、发射或接收机架、后支座、后支座接头、支柱3根组成。

4、按权利要求1所述的矿井地质雷达探测仪，其特征是发射机采用调制脉冲可变结构。

5、按权利要求1或2所述的矿用地质雷达探测仪，其特征是发射机电路部份屏蔽盒结构采用整体分格结构；接收机电路部份屏蔽盒结构采用分段多个屏蔽结构；终端机电源插头、插座采用内防爆型结构。

6、按权利要求2所述的矿用地质雷达探测仪，其特征是接收机电路部份的螺旋滤波器内部用四级滤波结构，外部采用7个螺杆、螺母锁紧。

7、按权利要求1或3所述的矿井地质雷达探测仪，其特征是天线采用收、发分立的双天线阿基米德平面螺旋，收、发反旋结构；形状为扁园柱状。

8、按权利要求3所述的矿井地质雷达探测仪，其特征是天线阻抗匹配器由高频插座、接头、楔形变换器、芯线、绝缘柱组成。

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