CN201007742Y - 矿井震动检测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种矿井震动检测仪，用于检测矿井及其附近的地壳运动。它包括震动传感器、数据采集器和计算机，还包括一对光电转换器，所述一个光电转换器与所述数据采集器相连，另一个光电转换器与所述计算机相连；所述一对光电转换器之间通过光纤或光缆相连。光电转换器实现光电之间的转换，将电信号转换成光信号进行传输。本实用新型所产生的有益效果是：成本低；传输速率高，可以进行远距离大数据量的传输，因此可以检测更多的信息和采用更高的采样率；采用了两个或多个量程，可以对－2～+5级的震动事件进行检测；通过标定线圈可以检查震动传感器的精度并进行标定。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种检测矿井及其附近地震动的仪器，特别涉及需要高采样率、检测信息量大的震动信号并进行较远距离传输的矿井震动检测仪。
背景技术
采矿是一个相对发生事故较多的行业，瓦斯爆炸、透水、塌方等事故频发，往往造成人员伤亡和财产损失。瓦斯或积水是本来就存在的，它们之所以会突出，与局部的地壳运动有关，同样，塌方也与局部地壳运动有关。造成事故的较大规模的地壳运动的前期都会先出现人无法感觉到的微小破裂，破裂则产生震动，如果能检测到这些震动，就可以研究事故的发生发展规律，从而采取相应的防护和治理措施，减少人员伤亡和财产损失。
目前，所使用的矿井震动检测仪一般由震动传感器测量到震动信号，转换成数字电信号，通过专用电缆传输给控制计算机进行处理分析。为了避免外界信号干扰和减少信号衰减，仪器所使用的电缆是用双绞线特制的，其成本高。由于双绞线的传输速率有限(一般为19.2kbps)，而每个分量的每个样值占用24bits，双绞线每秒钟所允许的最大采样值只有800个，因此震动传感器只能采用单分量震动传感器(只检测一个方向的震动的传感器)，并且其采样率也受到限制，目前的检测仪的采样率都在500样值/秒左右，难以满足精确测量分析的要求。另外，虽然现有的矿井震动检测仪的标称动态范围为5级数量级(100dB)，但其实际能良好地分辨的震动事件一般只有4个数量级(80dB)，而测量对象为7个数量级(-2～+5级)，现有的仪器难以做到大动态范围的检测。
震动传感器是矿井震动检测仪中必不可少的部件，其结构一般为在外壳设置一个弹性簧片，在弹性簧片上固定一个线圈，线圈置于由永久磁铁组成的磁回路的磁隙中。将震动传感器安装在检测点，当有震动时，磁钢与线圈发生相对运动，线圈内产生感应电动势，通过该电势的大小及周期即可得到震动的震幅和频率。震动传感器及整个仪器系统经长时间使用后需要检测其工作可靠性，然而多数情况下震动传感器及相关的电路是被安装在矿井下，人工难以实地检查，现有技术中，人们检测其能否正常工作的方法是，在同一个磁回路里的线圈框上绕上两组线圈，一组用于工作，即检测震动信号，另一组用于人为加电流激励，使得传感器运动，然后检测线圈是否有电流输出。这种方式只能检测震动传感器能否动作，而无法对震动传感器定量标定，其原因在于在此情况下，工作线圈与激励线圈之间的互感不可忽略。由于矿震信号频率较高，这种影响尤为严重。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种成本低、传输速率高，采样率高，动态范围大，且能在现场进行定量标定的矿井震动检测仪。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：矿井震动检测仪，包括震动传感器、数据采集器和计算机，还包括一对光电转换器，所述一个光电转换器与所述数据采集器相连，另一个光电转换器与所述计算机相连；所述光电转换器之间通过光纤或光缆相连。由于采用光信号传输，传输速率大大高于双绞线，使得测量更多信息成为可能，并且还可以提高采样率，提高测量精度。光纤采用成本低于特制双绞线的普通光纤即可，因此也降低了震动检测仪的成本。
所述数据采集器包括信号放大模块、模数转换模块和格式编排模块，所述震动传感器的工作线圈的输出分成至少两路，其中一路通过所述模数转换模块与所述格式编排模块相连，另外的分路串接所述信号放大模块后再通过所述模数转换模块与所述格式编排模块相连，所述各路的信号放大模块的放大倍数各不相同；所述格式编排模块与所述光电转换器相连。震动传感器测量到的信号分成两路或多路，一路直接进行模数转换，其他分路经放大后再进行模数转换，因此增大了检测仪器的量程，扩大了动态范围，可以提供对震级从-2～+5级的震动事件的测量。
所述震动传感器为由三个单分量震动传感器组成的三分量震动传感器，所述三个单分量震动传感器的方向两两相互垂直。三个单分量震动传感器可以分别检测到三个方向上的震动，通过计算可得出完整的震动矢量，提供更多的信息，以得到更准确的分析结果。
所述震动传感器包括导磁体外壳，所述外壳中部横向设有中部导磁体；所述中部导磁体的两侧分别设有磁钢，其中一侧磁钢的端部外侧设有工作线圈，另一侧磁钢的端部外侧设有标定线圈；所述工作线圈和标定线圈分别连接在所述导磁体外壳两端的簧片上。在经过一段时间使用后，通过控制端计算机给标定线圈激励，同时检测工作线圈的输出信号。由于给标定线圈的激励的大小和频率是可控的，因此不仅可以检查出震动传感器是否可以动作，还可以检查出其精度是否符合标准，如果不符合标准，还可以定量测定对应于各个频率实际输出值。
所述检测仪还包括可接收计算机控制信号的函数发生器，所述函数发生器的输出端串接数模转换模块和功放模块后与所述震动传感器的标定线圈相连。
本实用新型所产生的有益效果是：成本低；传输速率高，可以进行远距离大数据量的传输，因此可以检测更多的信息和采用更高的采样率；采用了两个或多个量程，可以对震级为-2～+5级的震动进行大动态范围的检测；通过标定线圈可以检查震动传感器的工作状况并进行定量标定。在实际应用中，一般由多个观测点组成一个台网，所以在地面记录中心有一个多路信号转换器将各观测点的信号集中起来一并发给计算机。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型的矿井震动检测仪的一种实施例的结构原理框图；
图2为本实用新型中震动传感器的一种实施例的结构示意图；
图3为一种三分量的震动传感器的实施例的安装原理图；
图4为本实用新型中数据采集器的一种实施例的结构原理框图。
具体实施方式
如图1所示，将震动传感器安装在地面及矿井下的地表或井孔内，震动传感器与数据采集器相连，震动传感器检测到震动后，线圈产生的电压传送到数据采集器，数据采集器可以通过整流变压器将井下使用的电网的电整流变压后供电，也可以自带电源，实际应用中前者为佳；数据采集器将震动传感器传来的电压信号进行模数转换传递给与之相连的光电转换器，光电转换器将电信号转换成光信号，通过光纤传递给地面记录中心的光电转换器，该光电转换器将光信号再转换回电信号，传递给计算机进行分析处理。计算机也可以将控制信号通过光纤传送到检测点。为了避免上下行信号的相互干扰并通实时传输信号，两个光电转换器之间的光纤最好有两根，一根传递上行信号，另一根传递下行信号。一般情况下，需要同时检测多个点的震动，即需要有多组震动传感器同时工作，这样可以将光电转换器转换后的信号通过一个多路信号转换器集合起来，一同发送给计算机。当然，如果各测点相距较近，也可以先将信号合并后再通过光纤进行传递。另外，可以在计算机上连接输出设备，例如打印机，将分析处理结果输出。如果利用本实施例采集三个分量的参数，采样率取1000样值/秒，则检测仪所需要的传输速率为3×24×1000＝72(kbps)，而光纤的传输速率在512kbps以上，甚至可达到数Mbps，因此完全可以胜任对数据的传输。
如图2所示，震动传感器有一个导磁体外壳3，外壳3中部设有中部导磁体5，中部导磁体5的两侧设有磁钢4，磁钢4可以是两个，分别固定在中部导磁体5的两侧。所述外壳3两端与磁钢4间有磁隙，在磁钢4的一端的磁隙内有工作线圈2，另一端磁隙内有标定线圈6，工作线圈2和标定线圈6分别装到与外壳3两端相连的簧片1上。如图3所示，将三个震动传感器按其轴线两两相垂直地组合在一起，即三个震动传感器的轴线按三维直角坐标系的三个轴向排列，就构成三分量震动传感器，可以同时检测x、y、z三个方向的震动。
如图4所示，Sx、Sy和Sz分别代表三分量震动传感器的三个工作线圈，其中工作线圈Sx通过跟随器将双端输入变为单端输出，其输出一路接模数转换模块(A/D)，另一路串接信号放大模块后再接另一个模数转换模块(A/D)，信号放大模块的放大倍数为1000倍(根据需要也可以是其他的倍数)，两个模数转换模块(A/D)都连接到格式编排模块。工作线圈Sy和Sz的连接方式与Sx相同。格式编排模块将多组信号进行编排合并，通过接口输出到光电转换器。工作线圈检测到的信号一路直接进行模数转换，提供一个量程，另一路经放大后再进行模数转换，提供另一个量程，两个量程之间相差约60dB，将两个量程结合可以实现对-2～+5级震动事件的检测。在增加一个量程后，要传输的数据量也增加一倍，如果采集三个分量的参数，采样率取1000样值/秒，则检测仪所需要的传输速率为3×2×24×1000＝144(kbps)，光纤同样可以胜任对数据的传输，并有很大的空间供更高的采样率，或者可以同时传输多个检测点的数据。
另外，观测端的光电转换器上还连接有一个CPU，用于控制函数发生器，该CPU在接收到由中心计算机发送来的控制信号后可以控制函数发生器产生一组正弦信号，该正弦信号由数模转换模块转换成模拟信号，再经功放模块放大后发送到震动传感器的标定线圈，以激励标定线圈，对震动传感器和整个系统进行定量标定。
在上述实施例中，功放模块、信号放大模块、模数转换模块、数模转换模块、格式编排模块和函数发生器采用常规的具有相应功能的电路即可。其中模数转换、数模转换、格式编排、接口输出和产生正弦信号也由CPU来控制完成。
Claims (5)
1.矿井震动检测仪，包括震动传感器、数据采集器和计算机，其特征在于，还包括一对光电转换器，所述一个光电转换器与所述数据采集器相连，另一个光电转换器与所述计算机相连；所述光电转换器之间通过光纤或光缆相连。
2.根据权利要求1所述的矿井震动检测仪，其特征在于，所述数据采集器包括信号放大模块、模数转换模块和格式编排模块，所述震动传感器的工作线圈的输出分成至少两路，其中一路通过所述模数转换模块与所述格式编排模块相连，另外的分路串接所述信号放大模块后再通过所述模数转换模块与所述格式编排模块相连，所述各路的信号放大模块的放大倍数各不相同；所述格式编排模块与所述光电转换器相连。
3.根据权利要求1所述的矿井震动检测仪，其特征在于，所述震动传感器为由三个单分量震动传感器组成的三分量震动传感器，所述三个单分量震动传感器的方向两两相互垂直。
4.根据权利要求1、2或3所述的矿井震动检测仪，其特征在于，所述震动传感器包括导磁体外壳，所述外壳中部横向设有中部导磁体；所述中部导磁体的两侧分别设有磁钢，其中一侧磁钢的端部外侧设有工作线圈，另一侧磁钢的端部外侧设有标定线圈；所述工作线圈和标定线圈分别连接在所述导磁体外壳两端的簧片上。
5.根据权利要求4所述的矿井震动检测仪，其特征在于，还包括可接收计算机控制信号的函数发生器，所述函数发生器的输出端串接数模转换模块和功放模块后与所述震动传感器的标定线圈相连。
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