一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于煤巖變形破裂監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括包括：加載機(jī)構(gòu)、傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制器、顯示器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置；本發(fā)明采用加載機(jī)構(gòu)使得煤巖試樣變形破裂，在煤巖變形破裂過程中，通過控制器控制傳感器單元和數(shù)據(jù)處理單元同步采集自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)，并在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置中進(jìn)行存儲(chǔ)，在顯示器中實(shí)時(shí)顯示煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)的全波形同步信號(hào)。該系統(tǒng)及方法能夠同步監(jiān)測(cè)煤巖變形破裂過程中的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)，獲得全波形同步信號(hào)，且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、可連續(xù)多信號(hào)同步采集、采集時(shí)間長，操作簡單。
【專利說明】一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于煤巖變形破裂監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]沖擊地壓是礦井的嚴(yán)重自然災(zāi)害，隨著采掘強(qiáng)度和深度的加大，開采條件越來越復(fù)雜，原來沒有沖擊危險(xiǎn)的礦井也出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象，沖擊地壓等礦山動(dòng)力災(zāi)害已經(jīng)成為礦區(qū)安全生產(chǎn)的主要威脅。因此對(duì)沖擊地壓的發(fā)生做出準(zhǔn)確、及時(shí)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，進(jìn)而采取措施，防治災(zāi)害的發(fā)生就變的尤為重要，成為科技工作者和礦山工程技術(shù)人員的重要任務(wù)，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
[0003]沖擊地壓的自電位監(jiān)測(cè)、電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)各有優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用單一監(jiān)測(cè)手段獲取的沖擊地壓前兆信息往往不夠準(zhǔn)確，且單一監(jiān)測(cè)手段的監(jiān)測(cè)結(jié)果帶有片面性，不能夠較全面準(zhǔn)確地反應(yīng)礦井深部巖體的失穩(wěn)斷裂發(fā)展規(guī)律。近年來，煤巖變形破裂過程前兆信號(hào)觀測(cè)技術(shù)得到很大改進(jìn)，但大多都是單獨(dú)觀測(cè)，大多只能記錄振鈴計(jì)數(shù)、事件持續(xù)時(shí)間、能量、上升時(shí)間等數(shù)據(jù)，且無法獲得全波形(全頻段全部的信號(hào)波形)，無法傳遞波形，喪失了更多的有效息。
[0004]因此，需要一種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)煤巖變形破裂過程中的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)，獲得煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)的全波形同步信號(hào)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]—種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括:加載機(jī)構(gòu)、傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制器、顯示器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置；
[0008]所述傳感器單元，包括多個(gè)自電位傳感器、多個(gè)聲發(fā)射傳感器和多個(gè)電荷傳感器；所述傳感器單兀的輸入端同時(shí)連接多個(gè)自電位傳感器的電極探頭、多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭、多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭及控制器的一個(gè)輸出端；所述多個(gè)自電位傳感器的電極探頭和多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，以避開裂紋為原則，分布布置在煤巖試樣體可能出現(xiàn)裂紋的附近位置上；所述多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭分布安置在煤巖試樣附近位置；
[0009]所述傳感器單元的輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的一個(gè)輸入端，數(shù)據(jù)處理單元的一個(gè)輸出端連接顯示器的一個(gè)輸入端，數(shù)據(jù)處理單元的另一輸出端連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的輸入端;
[0010]所述控制器的第二輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的另一輸入端，控制器的第三輸出端連接顯示器的另一輸入端；所述控制器的輸入端通過人機(jī)交互界面進(jìn)行人機(jī)交互；
[0011]所述數(shù)據(jù)處理單元，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩存器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元的一個(gè)輸入端連接傳感器單元的輸出端；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接數(shù)據(jù)緩存器的一個(gè)輸入端；數(shù)據(jù)緩存器的另一輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元的另一輸入端連接控制器的第二輸出端，數(shù)據(jù)緩存器的一個(gè)輸出端連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的輸入端，數(shù)據(jù)緩存器的另一輸出端連接顯示器的另一輸入端。
[0012]煤巖試樣置于加載機(jī)構(gòu)的加載區(qū)域中，所述加載機(jī)構(gòu)為用于對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載，使煤巖試樣產(chǎn)生變形破裂的機(jī)構(gòu)。
[0013]自電位傳感器的電極探頭和聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭分別與巖體試樣的相應(yīng)位置的表面直接接觸，接觸面用耦合劑耦合。
[0014]所述傳感器單元用于根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，同步采集煤巖試樣變形破裂過程產(chǎn)生的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射全波形信號(hào)，并同步轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理單元。
[0015]所述控制器用于發(fā)送相應(yīng)的控制指令給傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示器。
[0016]所述數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，接收并放大傳感器單元發(fā)送的模擬電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置進(jìn)行存儲(chǔ)、同時(shí)還發(fā)送至顯示器進(jìn)行顯示。
[0017]所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置用于接收并存儲(chǔ)模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳送的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射數(shù)字電信號(hào)。
[0018]所述顯示器用于根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，對(duì)實(shí)時(shí)自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)全波形進(jìn)行同步顯示。
[0019]采用銅網(wǎng)，制成封閉式電磁屏蔽構(gòu)件將煤巖試樣、加載機(jī)構(gòu)、傳感器單元都罩在該電磁屏蔽構(gòu)件內(nèi)，屏蔽外來電磁信號(hào)對(duì)傳感器單元同步采集自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)過程的干擾。
[0020]采用所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)的方法，包括如下具體步驟:
[0021]步驟1:將煤巖試樣固定在加載機(jī)構(gòu)的相應(yīng)加載區(qū)域；所述加載機(jī)構(gòu)為用于對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載，使煤巖試樣產(chǎn)生變形破裂的機(jī)構(gòu)；
[0022]步驟2:在煤巖試樣體上布置自電位傳感器的電極探頭、聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，同時(shí)，在煤巖試樣附近位置安置電荷傳感器的電荷探頭；
[0023]根據(jù)待監(jiān)測(cè)煤巖試樣的形狀、節(jié)理、裂隙發(fā)育狀況和破裂規(guī)律，將多個(gè)自電位傳感器的電極探頭和多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，以避開裂紋為原則，分布布置在煤巖試樣體可能出現(xiàn)裂紋的附近位置上，同時(shí)將多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭分布安置在煤巖試樣附近位置；
[0024]步驟3:在控制器上對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或調(diào)整，所述采集參數(shù)包括:采樣頻率、采樣通道、數(shù)據(jù)保存位置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件名；
[0025]步驟4:啟動(dòng)系統(tǒng)，開始預(yù)采集煤巖試樣的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射全波形信號(hào)，并在顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示但不進(jìn)行保存；
[0026]步驟5:根據(jù)顯示器顯示的全波形信號(hào)波形，判斷噪聲信號(hào)幅值是否處于可接受范圍，是，則執(zhí)行步驟6，否，則執(zhí)行步驟3 ;
[0027]步驟6:在加載機(jī)構(gòu)上設(shè)置加載速度、加載方式,啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載；
[0028]步驟7:根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，將采集到的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置供上層應(yīng)用、同時(shí)還同步發(fā)送至顯示器進(jìn)行信號(hào)的全波形顯示；
[0029]步驟8:待煤巖試樣破壞后，同時(shí)停止加載機(jī)構(gòu)及信號(hào)采集。
[0030]有益效果:本發(fā)明的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠同步監(jiān)測(cè)煤巖變形破裂過程中的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)，獲得煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)的全波形同步信號(hào)。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、可連續(xù)多信號(hào)同步采集、采集時(shí)間長，操作簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式米用的自電位傳感器的傳感放大器電路原理圖；
[0033]圖3為本發(fā)明一種實(shí)施方式采用的電荷傳感器的前置放大電路原理圖；
[0034]圖4為本發(fā)明一種實(shí)施方式的數(shù)據(jù)處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明一種實(shí)施方式的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)方法流程圖；
[0036]圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式的各種傳感器的探頭在煤巖試樣上的位置分布不意圖。
[0037]其中，1.煤巖試樣2.壓力機(jī)上壓力頭的上絕緣墊塊3.壓力機(jī)下壓力頭的下絕緣墊塊4.壓力機(jī)的上壓力頭5.壓力機(jī)的下壓力頭6.電極探頭對(duì)7.聲發(fā)射探頭8.電荷探頭9.傳感器單元10.數(shù)據(jù)處理單元101.模數(shù)轉(zhuǎn)換器102.數(shù)據(jù)緩存器11.顯示器12.硬盤13.控制器14.電磁屏蔽構(gòu)件。

【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明。
[0039]本發(fā)明的一種實(shí)施方式給出煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示的結(jié)構(gòu)框圖，包括:壓力機(jī)、傳感器單元9、數(shù)據(jù)處理單元10、顯示器11、硬盤12、控制器13、電磁屏蔽構(gòu)件14 ；
[0040]本實(shí)施方式的加載機(jī)構(gòu)采用的是壓力機(jī)，是利用壓力機(jī)對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載使得煤巖試樣變形破裂的，所米用的壓力機(jī)是濟(jì)南方辰儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WAW-600D的微機(jī)控制電液伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力達(dá)到600KN，該試驗(yàn)機(jī)通過微機(jī)控制實(shí)驗(yàn)力、位移、速度，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得、處理、打印，全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，壓力機(jī)采用荷載控制模式對(duì)煤巖試樣I進(jìn)行單軸加載，加載速度一般控制在20?500N/s。
[0041]本實(shí)施方式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置采用的是硬盤12，型號(hào)為WD1502FAEX。
[0042]本實(shí)施方式米用的傳感器單兀，包括6個(gè)自電位傳感器、6個(gè)聲發(fā)射傳感器和4個(gè)電荷傳感器。傳感器單兀9的輸入端同時(shí)連接6個(gè)自電位傳感器的電極探頭、6個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭、4個(gè)電荷傳感器的電荷探頭及控制器13的一個(gè)輸出端；所述傳感器單元9的輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元10的一個(gè)輸入端，數(shù)據(jù)處理單元10的一個(gè)輸出端連接顯示器11的一個(gè)輸入端，數(shù)據(jù)處理單元10的另一輸出端連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的輸入端；控制器13的第二輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元10的另一輸入端，控制器13的第三輸出端連接顯示器11的另一輸入端；所述控制器13的輸入端通過人機(jī)交互界面進(jìn)行人機(jī)交互；
[0043]本實(shí)施方式采用的自電位傳感器，由電極探頭對(duì)6和傳感放大器組成。兩個(gè)電極探頭均為直徑為5mm、厚度為0.5mm的圓形銅片。傳感放大器，如圖2所不，由電荷靈敏級(jí)和放大輸出級(jí)兩部分構(gòu)成，所述電荷靈敏級(jí)主要由輸入阻抗高、響應(yīng)速度快、開環(huán)增益大、貼片封裝的型號(hào)為LMC6001的集成運(yùn)算放大器構(gòu)成；所述放大輸出級(jí)主要由CR-RC濾波器和型號(hào)為0P07的集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，其中CR-RC濾波器由電容C11、電阻R9、電阻RlO和電容C12構(gòu)成；LMC6001型集成運(yùn)算放大器的輸入端，即2腳和3腳，分別連接兩個(gè)電極探頭，LMC6001的集成運(yùn)算放大器的輸出端，即6腳連接CR-RC濾波器輸入端，即與電容Cl I相連；CR-RC濾波器的輸出端，即電容C12通過電阻R2與0P07型集成運(yùn)算放大器的輸入端，即2腳并聯(lián)連接；且在LMC6001型集成運(yùn)算放大器的2腳和6腳之間分別并聯(lián)反饋電容C2和反饋電阻Rl以增加電極對(duì)微弱的自電位信號(hào)的靈敏度和提高傳感器的信噪比；通過0P07型集成運(yùn)算放大器的增益調(diào)節(jié)端(即GAIN端和6腳)并聯(lián)外部電阻，在I?101倍之間可以任意調(diào)節(jié)放大輸出級(jí)的放大倍數(shù)。
[0044]本實(shí)施方式米用的聲發(fā)射傳感器的型號(hào)為PK31,聲發(fā)射探頭7為PK31型聲發(fā)射傳感器的配套聲發(fā)射探頭，PK31型聲發(fā)射傳感器由美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的，靈敏度為106db，工作頻率為15-40kHz。
[0045]本實(shí)施方式采用的電荷傳感器由電荷探頭8和前置放大電路構(gòu)成，其中前置放大電路采用的是中國專利ZL200810013033.4中附圖3給出的前置放大電路2，如圖3所示，記載在該專利的說明書第3頁的第一段中，即前置放大電路包括AD8066型運(yùn)算放大器UlA和UlB,電解電容C24、C25、C36?C38、電容C26?C35和電阻R18?R27 ；U1A的I腳接R20、C28、C31 一端，2腳接C30 —端和C28、R20的另一端，3腳接地，4腳接負(fù)電源、C35 一端和C37的負(fù)極，8腳接正電源、C34 一端和C38的正極，C34、C35另一端、C38的負(fù)極和C37的正極相接并接地；IN接C29、R19 —端和C30的另一端，C29另一端接R21 —端，R21另一端接地，R19另一端接C25正極、C27、R18 一端，R18另一端接C24正極、C26 一端和HV電源，C25、C24負(fù)極和C27、C26另一端相接并接地；U1B的4腳接負(fù)電源，5腳接R25、R27 一端和C36正極，6腳接R25另一端、R24、R26和C33 一端，7腳接R26、C33另一端和OUT, 8腳接正電源，R24另一端接C32、R23 一端，R23另一端接R22 —端和C31另一端，R22、R27、C32另一端和C36負(fù)極相接并接地。電荷探頭8用屏蔽線直接連接到前置放大電路的輸入端IN端。電荷探頭8材料為軟磁合金材料，對(duì)電荷(電場(chǎng))有較高的靈敏度，電荷探頭8形狀為圓形，直徑有10mm、20mm、30mm三種。本實(shí)施方式采用銅皮對(duì)前置放大電路的電路板進(jìn)行包裝屏蔽，可最大限度的限制外界電磁信號(hào)對(duì)電路的干擾，包裝后的前置放大電路形狀為圓柱形，尺寸為Φ30Χ 100mm。
[0046]本實(shí)施方式采用的數(shù)據(jù)處理單元10的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器101和數(shù)據(jù)緩存器102。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器101的輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元10的一個(gè)輸入端連接傳感器單元9的輸出端；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器101的輸出端連接數(shù)據(jù)緩存器102的一個(gè)輸入端；數(shù)據(jù)緩存器102的另一輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元10的另一輸入端連接控制器13的第二輸出端，數(shù)據(jù)緩存器102的一個(gè)輸出端連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的輸入端，數(shù)據(jù)緩存器102的另一輸出端連接顯示器11的另一輸入端。
[0047]本實(shí)施方式采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器由前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。前置放大器置于傳感器單元9與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之間，本實(shí)施方式采用的前置放大器為具有10倍電壓增益的AWA14604型ICP前置放大器，可將小信號(hào)放大到標(biāo)準(zhǔn)電平上，同步接收并放大傳感器單兀傳送的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)，且將放大后的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射模擬電信號(hào)傳送至模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于同步接收前置放大器放大后的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射模擬電信號(hào)，并將這些信號(hào)同步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)緩存器102，本實(shí)施方式采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路為型號(hào)為AD976AANZ的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD976AANZ型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的主要技術(shù)參數(shù)為:16位分辨率、200KSPS采樣通過率、差動(dòng)輸入、并行碼輸出、3.8μ s的轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)據(jù)緩存器102接收AD976AANZ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)并保存至硬盤12，用于上層應(yīng)用分析煤巖在不同加載條件下變形破裂過程產(chǎn)生的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)的規(guī)律，獲得三種信號(hào)之間的相互關(guān)系，獲得煤巖自電位和電荷產(chǎn)生機(jī)理，為采用自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射相結(jié)合的方法對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)提供室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。本實(shí)施方式采用的數(shù)據(jù)緩存器102為型號(hào)為IS63LV1024-15TI的數(shù)據(jù)緩存器，IS63LV1024-15TI型數(shù)據(jù)緩存器為納秒級(jí)高速靜態(tài)存儲(chǔ)器，功耗低，讀寫速度快，不斷電則不消失，不用刷新，128KbyteS。
[0048]本實(shí)施方式中采用的控制器13采用嵌入式測(cè)控系統(tǒng)作為中心采樣控制器，采用的主板的型號(hào)為Intel Desktop Board D201GLY，采用的CPU為Atom 525(雙核四線程)，主頻達(dá)1800M。控制器13分別與數(shù)據(jù)處理單元中的數(shù)據(jù)緩存器和顯示器11相連接，控制器13根據(jù)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置發(fā)送指示信號(hào)，控制數(shù)據(jù)處理單元10中的IS63LV1024-15TI型數(shù)據(jù)緩存器接收傳感器單元9輸出的模擬信號(hào)，控制顯示器11實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)處理單元10接收到的實(shí)時(shí)自電位、聲、電荷感應(yīng)信號(hào)，可同時(shí)顯示16通道的信號(hào)，也可選擇某幾個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行顯示。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，可控制數(shù)據(jù)處理單元10的數(shù)據(jù)采集頻率(10kHz以下可調(diào))、數(shù)據(jù)采集的通道、數(shù)據(jù)保存的位置和數(shù)據(jù)保存的文件名。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置，控制器13可控制顯示器11顯示信號(hào)通道、信號(hào)繪圖范圍，同時(shí)顯示每通道信號(hào)的均值和方差等。
[0049]本實(shí)施方式中采用的顯示器11為三星152N顯示器，分辨率為1024x768。顯示器11用于根據(jù)控制器13的指令，顯示數(shù)據(jù)處理單元采集到的0.5s內(nèi)的實(shí)時(shí)自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)的波形。
[0050]本實(shí)施方式的電磁屏蔽構(gòu)件14采用的是銅網(wǎng)，制成400mmx400mmxl50mm的長方體，且與地連接，煤巖試樣1、壓力機(jī)上壓力頭4、壓力機(jī)下壓力頭5、壓力機(jī)上壓力頭的上絕緣墊塊2、壓力機(jī)下壓力頭的下絕緣墊塊3、電極探頭對(duì)6、聲發(fā)射探頭7、電荷探頭8、傳感器單元9都罩在電磁屏蔽構(gòu)件內(nèi)，屏蔽外來電磁信號(hào)對(duì)傳感器單元同步采集自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)過程的干擾。
[0051]采用本實(shí)施方式的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)的方法，如圖5所示，開始于步驟501。
[0052]在步驟502，首先制備直徑與高度比為1: 2的圓柱形煤巖試樣，在本實(shí)施方式采用的圓柱形煤巖試樣I直徑為50mm,高為100mm。
[0053]在步驟503，將該圓柱形煤巖試樣I直立置于壓力機(jī)上壓力頭4與壓力機(jī)下壓力頭5之間，同時(shí)在壓力機(jī)上壓力頭4、壓力機(jī)下壓力頭5與圓柱形煤巖試樣I的兩個(gè)底面的接觸面分別設(shè)置有壓力機(jī)上壓力頭的上絕緣墊塊2、壓力機(jī)下壓力頭的下絕緣墊塊3，如圖1所示，絕緣墊塊的材質(zhì)為聚四氟乙烯。
[0054]在步驟504，將電極探頭連接到自電位傳感器的輸入端、電荷探頭連接到電荷傳感器的輸入端，聲發(fā)射探頭連接到聲發(fā)射傳感器的輸入端。
[0055]在步驟505，觀察煤巖試樣的節(jié)理和裂隙發(fā)育狀況，根據(jù)試樣形狀和試樣破裂的規(guī)律，將多個(gè)自電位傳感器的電極探頭和多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，以避開裂紋為原貝U，分布布置在煤巖試樣可能出現(xiàn)裂紋位置的附近表面上，同時(shí)將多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭分布安置在煤巖試樣附近位置；
[0056]本實(shí)施方式的傳感器探頭在煤巖試樣上的位置分布，如圖6所不，電極探頭和聲發(fā)射探頭均通過導(dǎo)電銅膠或?qū)щ娿y膠耦合劑耦合在煤巖試樣上，并用膠帶與試樣緊貼；電荷探頭與煤巖試樣表面的距離為10mm。其中，因每個(gè)自電位傳感器具有一對(duì)電極探頭，本實(shí)施方式中，每個(gè)自電位傳感器的電極探頭以相距8mm成對(duì)布置；其中第一對(duì)至第三對(duì)電極探頭分布在沿試樣軸向的同一條直線上，設(shè)定它們所在的該直線為煤巖試樣I的0°軸向起始線。第二對(duì)電極探頭布置在0°軸向起始線的中點(diǎn)，第二對(duì)電極探頭與第一對(duì)電極探頭、第三對(duì)電極探頭的距離均為30mm，第一對(duì)電極探頭與圓柱形煤巖試樣上端面的距離為20mm，第三對(duì)電極探頭與圓柱形煤巖試樣下端面的距離也為20mm;第四對(duì)電極探頭、第五對(duì)電極探頭分別布置在圓柱形煤巖試樣的90°軸向線、270°軸向線與其中間截面線的交點(diǎn)上，第六對(duì)電極探頭布置在180°軸向線上、距離煤巖試樣上端面25mm處；第一聲發(fā)射探頭、第二聲發(fā)射探頭布置在煤巖試樣的45°軸向直線上，其中第一聲發(fā)射探頭位于距離圓柱形煤巖試樣上端面20mm處,第二聲發(fā)射探頭位于距離圓柱形煤巖試樣下端面20mm處。第三聲發(fā)射探頭、第四聲發(fā)射探頭布置在煤巖試樣的135°軸向直線上，其中第三聲發(fā)射探頭距離圓柱形煤巖試樣上端面20mm處，第四聲發(fā)射探頭距離圓柱形煤巖試樣下端面20mm處。第五聲發(fā)射探頭、第六聲發(fā)射探頭分別布置在315°軸向線、225°軸向線上,第五聲發(fā)射探頭位于距離煤巖試樣上端面20mm處，第六聲發(fā)射探頭距離煤巖試樣下端面20mm處；第一電荷探頭至第四電荷探頭布置在距離圓柱形煤巖試樣表面1mm的圓柱形煤巖試樣附近，其中第一電荷探頭、第二電荷探頭分別布置在圓柱形煤巖試樣的45°軸向線、135°軸向線與其中間截面相交的位置附近，第三電荷探頭布置在圓柱形煤巖試樣的225°軸向線，且距離煤巖試樣上端面25mm的位置附近，第四電荷探頭布置在圓柱形煤巖試樣的315°軸向線，且距離煤巖試樣下端面25mm的位置附近。
[0057]在步驟506，啟動(dòng)壓力機(jī)，而不進(jìn)行加載，因?yàn)閴毫C(jī)啟動(dòng)時(shí)有較大噪聲信號(hào)，等壓力機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)后，再進(jìn)行加載。
[0058]在步驟507，在控制器上對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或調(diào)整，所述采集參數(shù)包括:采樣頻率(本實(shí)施方式的采樣頻率最大為10kHz，500Hz到10kHz范圍內(nèi)可調(diào))、采樣通道(本實(shí)施方式的采樣通道最大為16通道)、數(shù)據(jù)保存位置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件名等；
[0059]在步驟508，啟動(dòng)系統(tǒng)，開始預(yù)采集煤巖試樣的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射全波形信號(hào)，并在顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示但不保存到硬盤；
[0060]本系統(tǒng)可以在采樣頻率為100kHz、采樣通道為16時(shí)，連續(xù)全波形采集時(shí)間超過10天。
[0061]在步驟509，根據(jù)顯示器顯示的全波形信號(hào)波形，判斷噪聲信號(hào)幅值是否處于可接受范圍，是，則執(zhí)行步驟510，否，則執(zhí)行步驟507 ；
[0062]在步驟510,在壓力機(jī)上設(shè)置加載速度、加載方式,啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載；
[0063]本實(shí)施方式中的噪聲信號(hào)幅值的可接受范圍為±0.001V。
[0064]在步驟511，根據(jù)控制器的指令，將采集到的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)同步發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置供上層應(yīng)用和顯示器進(jìn)行顯示；
[0065]上層應(yīng)用可以根據(jù)硬盤存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)，結(jié)合試樣的巖性、試樣的破壞形狀、試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，對(duì)試樣加載至破壞的整個(gè)過程的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，獲得煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射的變化規(guī)律，進(jìn)而獲得三種信號(hào)之間的相互關(guān)系，獲得煤巖自電位和電荷產(chǎn)生機(jī)理，為米用自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射相結(jié)合的方法對(duì)礦井動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)提供室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。
[0066]在步驟512,待煤巖試樣破壞后，同時(shí)停止加載機(jī)構(gòu)及信號(hào)米集。
[0067]雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但是本領(lǐng)域內(nèi)的熟練的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些僅是舉例說明，可以對(duì)這些實(shí)施方式做出多種變更或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實(shí)質(zhì)。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。
【權(quán)利要求】
1.一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括:加載機(jī)構(gòu)、傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制器、顯示器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置； 所述傳感器單元，包括多個(gè)自電位傳感器、多個(gè)聲發(fā)射傳感器和多個(gè)電荷傳感器；所述傳感器單元的輸入端同時(shí)連接多個(gè)自電位傳感器的電極探頭、多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭、多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭及控制器的一個(gè)輸出端；所述多個(gè)自電位傳感器的電極探頭和多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，以避開裂紋為原則，分布布置在煤巖試樣體可能出現(xiàn)裂紋的附近位置上；所述多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭分布安置在煤巖試樣附近位置； 所述傳感器單元的輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的一個(gè)輸入端，數(shù)據(jù)處理單元的一個(gè)輸出端連接顯示器的一個(gè)輸入端，數(shù)據(jù)處理單元的另一輸出端連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的輸入端； 所述控制器的第二輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元的另一輸入端，控制器的第三輸出端連接顯示器的另一輸入端；所述控制器的輸入端通過人機(jī)交互界面進(jìn)行人機(jī)交互； 所述數(shù)據(jù)處理單元，包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)緩存器；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元的一個(gè)輸入端連接傳感器單元的輸出端；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接數(shù)據(jù)緩存器的一個(gè)輸入端；數(shù)據(jù)緩存器的另一輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元的另一輸入端連接控制器的第二輸出端，數(shù)據(jù)緩存器的一個(gè)輸出端連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的輸入端，數(shù)據(jù)緩存器的另一輸出端連接顯不器的另一輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:煤巖試樣置于加載機(jī)構(gòu)的加載區(qū)域中，所述加載機(jī)構(gòu)為用于對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載，使煤巖試樣產(chǎn)生變形破裂的機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:自電位傳感器的電極探頭和聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭分別與巖體試樣的相應(yīng)位置的表面直接接觸，接觸面用耦合劑耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述傳感器單元用于根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，同步采集煤巖試樣變形破裂過程產(chǎn)生的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射全波形信號(hào)，并同步轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器用于發(fā)送相應(yīng)的控制指令給傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，接收并放大傳感器單元發(fā)送的模擬電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置進(jìn)行存儲(chǔ)、同時(shí)還發(fā)送至顯示器進(jìn)行顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置用于接收并存儲(chǔ)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳送的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射數(shù)字電信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述顯示器用于根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，對(duì)實(shí)時(shí)自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)全波形進(jìn)行同步顯示。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:采用銅網(wǎng)，制成封閉式電磁屏蔽構(gòu)件將煤巖試樣、加載機(jī)構(gòu)、傳感器單元都罩在該電磁屏蔽構(gòu)件內(nèi)，屏蔽外來電磁信號(hào)對(duì)傳感器單元同步采集自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)過程的干擾。
10.采用權(quán)利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測(cè)的方法，其特征在于:包括如下具體步驟: 步驟1:將煤巖試樣固定在加載機(jī)構(gòu)的相應(yīng)加載區(qū)域；所述加載機(jī)構(gòu)為用于對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載，使煤巖試樣產(chǎn)生變形破裂的機(jī)構(gòu)； 步驟2:在煤巖試樣體上布置自電位傳感器的電極探頭、聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，同時(shí)，在煤巖試樣附近位置安置電荷傳感器的電荷探頭； 根據(jù)待監(jiān)測(cè)煤巖試樣的形狀、節(jié)理、裂隙發(fā)育狀況和破裂規(guī)律，將多個(gè)自電位傳感器的電極探頭和多個(gè)聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭，以避開裂紋為原則，分布布置在煤巖試樣體可能出現(xiàn)裂紋的附近位置上，同時(shí)將多個(gè)電荷傳感器的電荷探頭分布安置在煤巖試樣附近位置； 步驟3:在控制器上對(duì)采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或調(diào)整，所述采集參數(shù)包括:采樣頻率、采樣通道、數(shù)據(jù)保存位置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件名； 步驟4:啟動(dòng)系統(tǒng)，開始預(yù)采集煤巖試樣的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射全波形信號(hào)，并在顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示但不進(jìn)行保存； 步驟5:根據(jù)顯示器顯示的全波形信號(hào)波形，判斷噪聲信號(hào)幅值是否處于可接受范圍，是，則執(zhí)行步驟6，否，則執(zhí)行步驟3 ； 步驟6:在加載機(jī)構(gòu)上設(shè)置加載速度、加載方式，啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)對(duì)煤巖試樣進(jìn)行加載；步驟7:根據(jù)控制器相應(yīng)的控制指令，將采集到的自電位、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置供上層應(yīng)用、同時(shí)還同步發(fā)送至顯示器進(jìn)行信號(hào)的全波形顯示； 步驟8:待煤巖試樣破壞后，同時(shí)停止加載機(jī)構(gòu)及信號(hào)采集。
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK104198679SQ201410473355
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】趙揚(yáng)鋒, 劉玉春, 潘一山, 羅浩, 李忠華, 李國臻 申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)