一種礦用動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種礦用動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝置，其特征在于：由前級(jí)信號(hào)處理模塊、斬波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字鎖相放大模塊及單片機(jī)系統(tǒng)組成。激電信號(hào)依次通過前級(jí)信號(hào)處理模塊、斬波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路后經(jīng)數(shù)字鎖相放大模塊處理送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示等。利用本實(shí)用新型，可完成高頻幅值、低頻幅值、高頻絕對(duì)相位、低頻絕對(duì)相位、視電阻率、視幅頻率等激電參數(shù)的測(cè)量。儀器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)符合煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范和要求，可用于煤礦井下巷道超前探測(cè)。
【專利說明】一種礦用動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種超前探測(cè)領(lǐng)域的煤礦井下作業(yè)的超前探測(cè)儀器，屬于應(yīng)用地 球物理學(xué)電法超前探測(cè)技術(shù)，特別是涉及一種動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收 裝直。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國煤礦采掘方式的機(jī)械化程度逐漸增強(qiáng)，對(duì)綜掘工作面的工作效率要求越來越 高。掘進(jìn)過程中必須遵循"預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，有掘必探，先探后掘，先治后采"的原則，來保證工作 面內(nèi)人員和機(jī)器的安全生產(chǎn)。目前，煤礦井下巷道超前探測(cè)方法包括礦井直流電法、礦井瞬 變電磁法、礦井地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、瑞雷波法以及礦井地震波超前探測(cè)技術(shù)等。這些物探方法 存在如下問題：存在探測(cè)準(zhǔn)確率低、實(shí)時(shí)性差、方向性差、效率低、成本高、抗干擾能力差、探 掘分離等突出問題，不能完全滿足掘進(jìn)面對(duì)超前探測(cè)的要求。因此，盡快研究一種工作方法 簡(jiǎn)單、探測(cè)精度高、可實(shí)現(xiàn)與掘進(jìn)機(jī)協(xié)同作業(yè)的超前探測(cè)方法意義重大。
[0003] 動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法(專利號(hào)CN103176214A)是中國礦業(yè)大學(xué)(北京）提出的一 種基于雙激電法以及電場(chǎng)聚焦效應(yīng)的煤巷超前探測(cè)方法，根據(jù)同性電場(chǎng)相排斥的性質(zhì)，利 用約束電極發(fā)射的約束電場(chǎng)與主電極發(fā)射的探測(cè)電場(chǎng)相互作用，利用電場(chǎng)的約束和偏轉(zhuǎn)作 用，有效控制電場(chǎng)的傳播方向，使探測(cè)電場(chǎng)的發(fā)射方向與發(fā)射范圍控制一定范圍內(nèi)，從而實(shí) 現(xiàn)角度和深度掃描探測(cè)，進(jìn)行異常體的準(zhǔn)確定位，達(dá)到定方向、定距離探測(cè)的目的。
[0004] 中南大學(xué)的何繼善院士發(fā)明了雙頻激電法及相關(guān)儀器(專利號(hào)CN1034276A)，其 中SQ-3C雙頻激電儀接收機(jī)主要采用模擬電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺點(diǎn)是儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受溫度 漂移、時(shí)間漂移、環(huán)境噪聲影響，目前主要用于地面電法勘探領(lǐng)域。山東大學(xué)的李樹才等發(fā) 明了隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)復(fù)合式激發(fā)極化儀器設(shè)備(專利號(hào)CN102176059A)，不足之 處在于頻域信號(hào)處理模塊只能得到低頻和高頻基波的幅度，而不能獲得相位信息，目前主 要用于隧道前方水體不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)。根據(jù)查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，激發(fā)極化法及其儀器尚 未用于煤礦井下巷道超前探測(cè)領(lǐng)域。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的主要目的在于，基于動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)方法， 提供一種符合煤礦本質(zhì)安全、準(zhǔn)確可靠，可實(shí)現(xiàn)與掘進(jìn)機(jī)協(xié)同作業(yè)的礦用煤巷綜掘超前探 測(cè)接收裝置。
[0006] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前 探測(cè)接收裝置，它由前級(jí)信號(hào)處理模塊、斬波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字鎖相放大模塊 及單片機(jī)系統(tǒng)組成。激電信號(hào)依次通過前級(jí)信號(hào)處理模塊、斬波放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路后 經(jīng)數(shù)字鎖相放大模塊處理送入單片機(jī)系統(tǒng)可完成高頻幅值、低頻幅值、高頻絕對(duì)相位、低頻 絕對(duì)相位、視電阻率、視幅頻率等激電參數(shù)的測(cè)量；所述前級(jí)信號(hào)處理模塊包括輸入保護(hù)電 路、前置放大電路、工頻陷波電路及低通濾波電路；所述斬波放大模塊包括斬波調(diào)制電路、 程控放大電路、斬波解調(diào)電路、低通濾波電路；所述數(shù)字鎖相放大模塊采用FPGA芯片編程 實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)部包括同步時(shí)鐘模塊、數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊、4路PSD模塊、4路可編程 FIR數(shù)字濾波器組、2路矢量運(yùn)算模塊以及數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊；所述單片機(jī)系 統(tǒng)包括微處理器、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、鍵盤模塊、通信模塊。
[0007] 所述同步時(shí)鐘模塊為數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊和數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生 模塊提供同一時(shí)鐘，從而保證數(shù)字正弦參考信號(hào)與數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)嚴(yán)格同步；數(shù)字 正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊可以產(chǎn)生4路頻率與相位可調(diào)的正弦波參考信號(hào)，數(shù)字調(diào)制方波控 制信號(hào)發(fā)生模塊可以產(chǎn)生2路頻率與相位可調(diào)的調(diào)制方波控制信號(hào)，產(chǎn)生的控制信號(hào)控制 發(fā)射裝置產(chǎn)生雙頻調(diào)制方波電流。
[0008] 所述數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的數(shù)字正弦參考信號(hào)與數(shù) 字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的調(diào)制方波控制信號(hào)的頻率范圍為 2(Lffz ,頻率分辨率可到OJOLffz ,相位范圍為，相位分辨率為〇J〇flle。
[0009] 本實(shí)用新型動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具 有如下有益效果：
[0010] 1.本實(shí)用新型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了低頻噪聲、漂移以及失調(diào)的抑制，采用 斬波放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻噪聲的抑制，提高了測(cè)量的精度。
[0011] 2.本實(shí)用新型采用數(shù)字四通道鎖相放大技術(shù)，避免模擬鎖相放大器輸出通道的直 流放大器的工作特性隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性和由于溫度變化引起的溫度漂移帶來的干擾， 只需一次測(cè)量，即可得到激發(fā)極化電位差高頻幅值、低頻幅值、高頻絕對(duì)相位、低頻絕對(duì)相 位等四個(gè)參數(shù)，經(jīng)過一定運(yùn)算可得視幅頻率等其他參數(shù)，提高了測(cè)量效率及可靠性。
[0012] 3.本實(shí)用新型數(shù)字鎖相放大模塊產(chǎn)生的數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)控制發(fā)射裝置產(chǎn) 生雙頻調(diào)制方波電流，經(jīng)過功率放大之后供入煤巖產(chǎn)生激發(fā)極化效應(yīng)，測(cè)量時(shí)通過激發(fā)極 化電位信號(hào)與數(shù)字正弦參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算提取激發(fā)極化信息，由于數(shù)字調(diào)制方波控制 信號(hào)與數(shù)字正弦參考信號(hào)采用同一時(shí)鐘，保證頻率與相位的嚴(yán)格同步，提高了探測(cè)的精度。
[0013] 4.本實(shí)用新型在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮煤礦本質(zhì)安全要求，滿足煤礦井下特殊環(huán)境 對(duì)電氣設(shè)備的要求，能夠用于煤礦巷道的超前探測(cè)。
[0014] 上述說明僅是本實(shí)用新型技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本實(shí)用新型的技 術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例并配合附圖詳 細(xì)說明如后。
[0015] 本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0017] 圖2是本實(shí)用新型數(shù)字鎖相放大模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0018] 圖3、4、5、6、7、8、9是本實(shí)用新型數(shù)字鎖相放大模塊電路原理圖。
[0019]圖10是本實(shí)用新型數(shù)字鎖相放大模塊的數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊時(shí)序仿 真圖。
[0020] 其中，1.前級(jí)信號(hào)處理模塊，2.斬波放大模塊,3. A/D轉(zhuǎn)換電路，4.鎖相放大模 塊，5.單片機(jī)系統(tǒng)，11.輸入保護(hù)電路，12.前置放大電路，13.工頻陷波電路，14.低通 濾波電路，15.斬波調(diào)制電路，16.程控放大電路，17.斬波解調(diào)電路，18.低通濾波電路， 19.時(shí)鐘管理模塊，20.數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊，21. 4路PSD模塊，22. 4路可編程 FIR數(shù)字濾波器組，23. 2路矢量運(yùn)算模塊，24.數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊，25.微處 理器，26.顯示模塊，27.存儲(chǔ)模塊，28.鍵盤模塊，29.通信模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。本實(shí)施例不得用于解釋對(duì)本 實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。
[0022] 圖1、圖2中，本實(shí)施例由前級(jí)信號(hào)處理模塊（1)、斬波放大模塊（2)、A/D轉(zhuǎn)換電路 (3)、數(shù)字鎖相放大模塊（4)及單片機(jī)系統(tǒng)（5)構(gòu)成。
[0023] 所述前級(jí)信號(hào)處理模塊（1)包括輸入保護(hù)電路（1)、前置放大電路（2)、工頻陷波 電路（3)、低通濾波電路（4)，該模塊的作用是盡可能不失真的獲取接收電極探測(cè)的電壓信 號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的工頻陷波及濾波等處理以提高信噪比。
[0024] 1.所述輸入保護(hù)電路（11)的作用是防止過大的浪涌電壓對(duì)后面電路的影響。
[0025] 2.所述前置放大電路（12)的作用是進(jìn)行阻抗變換，要求具有高輸入阻抗、高共模 抑制比、低噪聲、低漂移以及抗沖擊等特點(diǎn)。本實(shí)施例中前置放大電路（12)主要由兩個(gè)斬波 自穩(wěn)零放大器與低噪聲前置放大器組成，輸入失調(diào)電壓可達(dá)luV，共模抑制比可達(dá)130dB， 為避免輸入信號(hào)飽和將放大倍數(shù)設(shè)置為1。
[0026] 3.所述工頻陷波電路（13)的作用是抑制輸入信號(hào)中的工頻干擾，本實(shí)施例中工 頻陷波電路（13)由兩級(jí)陷波頻率均為50±0. 5Hz的陷波器與一級(jí)陷波頻率為100±1Ηζ的 陷波器組成，陷波器均采用專用工頻陷波器，對(duì)50Hz的壓制>60dB，對(duì)100Hz的壓制>40dB。
[0027] 4.所述低通濾波電路（14)采用4階巴特沃斯有源低通濾波器，截止頻率為50Hz。
[0028] 所述斬波放大模塊（2)包括斬波調(diào)制電路（15)、程控放大電路（16)、斬波解調(diào)電 路（17)、低通濾波電路（18)，該模塊的主要作用是在不引入新的噪聲的條件下對(duì)信號(hào)進(jìn)行 有效的放大。斬波放大模塊的工作原理如下：信號(hào)I經(jīng)過斬波調(diào)制電路（15)時(shí)信號(hào)與調(diào) 制信號(hào)相乘，則輸入的低頻信號(hào)被調(diào)制到高頻，經(jīng)過程控放大電路（16)的放大后，信 號(hào)連同放大器的噪聲和失調(diào)一起被放大，然后經(jīng)過斬波解調(diào)電路（17)時(shí)與解調(diào)信號(hào) 相乘，則信號(hào)被解調(diào)回低頻，而放大器的噪聲和失調(diào)則被調(diào)制到高頻，最后輸出端用低通濾 波電路（18)將高頻段的噪聲和失調(diào)濾掉，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高信噪比放大。
[0029] 1.所述斬波調(diào)制電路（15)與斬波解調(diào)電路（17)的作用分別是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 調(diào)制與解調(diào)，兩種電路的斬波器都選用低漏電流、低電荷注入的4輸入模擬開關(guān)，控制信號(hào) --!(〇 由數(shù)字鎖相放大模塊（4)產(chǎn)生，斬波頻率設(shè)為1kHz。
[0030] 2.所述程控放大電路（16)的作用是對(duì)斬波調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行有效的放大，本實(shí) 施例中程控放大電路（16)采取5級(jí)放大，選用低噪聲程控放大芯片，放大倍數(shù)分別為1、10、 100、1000、10000倍。為減小直流干擾，程控放大電路（16)采用交流放大，前級(jí)后級(jí)加入隔 直電容。
[0031] 3.所述低通濾波電路（18)采用4階巴特沃斯有源低通濾波器，截止頻率為50Hz。
[0032] 所述數(shù)字鎖相放大模塊（4)采用FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)部包括同步時(shí)鐘模塊 (19)、數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊（20)、4路PSD模塊（21)、4路可編程FIR數(shù)字濾波器組 (22 )、2路矢量運(yùn)算模塊（23 )以及數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊（24 )等。數(shù)字鎖相放大 模塊（4)的工作原理如下：所述數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊（24)產(chǎn)生2路數(shù)字調(diào)制方 波控制信號(hào)》U0)、，控制發(fā)射裝置產(chǎn)生雙頻調(diào)制方波電流J(〇 ,供入煤巷掘進(jìn)面前 方的煤巖使之發(fā)生激發(fā)極化，激發(fā)極化信號(hào)匕(0舊接收裝置的測(cè)量電極接收。

【權(quán)利要求】
1. 一種動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝置，其特征在于：由前級(jí)信號(hào)處 理模塊（1)、斬波放大模塊（2)、A/D轉(zhuǎn)換電路（3)、數(shù)字鎖相放大模塊（4)及單片機(jī)系統(tǒng)（5) 組成，激電信號(hào)依次通過前級(jí)信號(hào)處理模塊（1)、斬波放大模塊（2)、A/D轉(zhuǎn)換電路（3)后經(jīng) 數(shù)字鎖相放大模塊（4)處理送入單片機(jī)系統(tǒng)（5)，可完成高頻幅值、低頻幅值、高頻絕對(duì)相 位、低頻絕對(duì)相位、視電阻率、視幅頻率等激電參數(shù)的測(cè)量； 所述前級(jí)信號(hào)處理模塊（1)包括輸入保護(hù)電路（11)、前置放大電路（12)、工頻陷波電 路（13)及低通濾波電路（14); 所述斬波放大模塊（2)包括斬波調(diào)制電路（15)、程控放大電路（16)、斬波解調(diào)電路 (17)、低通濾波電路（18); 所述數(shù)字鎖相放大模塊（4)采用FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)部包括同步時(shí)鐘模塊 (19)、數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊（20)、4路PSD模塊（21)、4路可編程FIR數(shù)字濾波器組 (22)、2路矢量運(yùn)算模塊（23)以及數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊（24); 所述單片機(jī)系統(tǒng)（3)包括微處理器（25)、顯示模塊（26)、存儲(chǔ)模塊（27)、鍵盤模塊 (28)、通信模塊（29)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝置，其特征在 于，所述同步時(shí)鐘模塊（19)為數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊（20)和數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào) 發(fā)生模塊（24)提供同一時(shí)鐘，從而保證數(shù)字正弦參考信號(hào)與數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)嚴(yán)格同 步；數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊（20)可以產(chǎn)生4路頻率與相位可調(diào)的正弦波參考信號(hào)，數(shù) 字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊（24)可以產(chǎn)生2路頻率與相位可調(diào)的調(diào)制方波控制信號(hào)，產(chǎn) 生的控制信號(hào)控制發(fā)射裝置產(chǎn)生雙頻調(diào)制方波電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)定向電場(chǎng)激勵(lì)法煤巷綜掘超前探測(cè)接收裝 置，其特征在于：所述數(shù)字正弦參考信號(hào)發(fā)生模塊（20)產(chǎn)生的數(shù)字正弦參考信號(hào) 與數(shù)字調(diào)制方波控制信號(hào)發(fā)生模塊（24)產(chǎn)生的調(diào)制方波控制信號(hào)的頻率范圍為 0_05歷~ 20歷，頻率分辨率可至_0此，相位范圍為0。~細(xì)〇 ,相位分辨率為0_001。。
【文檔編號(hào)】G01V3/08GK203870269SQ201420180838
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】吳淼, 劉希高, 杜毅博, 劉志民, 張金濤, 周游, 呂一鳴, 郝建生, 馬昭, 王學(xué)成, 王傳武 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)