一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)及方法，屬于煤巖變形破裂監(jiān)測領域。該系統(tǒng)包括包括：加載機構、傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制器、顯示器和數(shù)據(jù)存儲裝置；本發(fā)明采用加載機構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、電荷感應和聲發(fā)射信號，并在數(shù)據(jù)存儲裝置中進行存儲，在顯示器中實時顯示煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號的全波形同步信號。該系統(tǒng)及方法能夠同步監(jiān)測煤巖變形破裂過程中的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號，獲得全波形同步信號，且該系統(tǒng)結構簡單、制作成本低、可連續(xù)多信號同步采集、采集時間長，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)測系統(tǒng)及方法

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

【背景技術】
[0002]沖擊地壓是礦井的嚴重自然災害，隨著采掘強度和深度的加大，開采條件越來越復雜，原來沒有沖擊危險的礦井也出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象，沖擊地壓等礦山動力災害已經(jīng)成為礦區(qū)安全生產的主要威脅。因此對沖擊地壓的發(fā)生做出準確、及時的預測預報，進而采取措施，防治災害的發(fā)生就變的尤為重要，成為科技工作者和礦山工程技術人員的重要任務，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中迫切需要解決的關鍵科學問題。
[0003]沖擊地壓的自電位監(jiān)測、電荷感應監(jiān)測和聲發(fā)射監(jiān)測各有優(yōu)勢，但應用單一監(jiān)測手段獲取的沖擊地壓前兆信息往往不夠準確，且單一監(jiān)測手段的監(jiān)測結果帶有片面性，不能夠較全面準確地反應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觀測技術得到很大改進，但大多都是單獨觀測，大多只能記錄振鈴計數(shù)、事件持續(xù)時間、能量、上升時間等數(shù)據(jù)，且無法獲得全波形(全頻段全部的信號波形)，無法傳遞波形，喪失了更多的有效息。
[0004]因此，需要一種實驗系統(tǒng)能夠同時監(jiān)測煤巖變形破裂過程中的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號，獲得煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號的全波形同步信號。


【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術存在的不足，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)測系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術方案:
[0007]—種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，包括:加載機構、傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制器、顯示器和數(shù)據(jù)存儲裝置；
[0008]所述傳感器單元，包括多個自電位傳感器、多個聲發(fā)射傳感器和多個電荷傳感器；所述傳感器單兀的輸入端同時連接多個自電位傳感器的電極探頭、多個聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭、多個電荷傳感器的電荷探頭及控制器的一個輸出端；所述多個自電位傳感器的電極探頭和多個聲發(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)處理單元的一個輸入端，數(shù)據(jù)處理單元的一個輸出端連接顯示器的一個輸入端，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交互界面進行人機交互；
[0011]所述數(shù)據(jù)處理單元，包括:模數(shù)轉換器和數(shù)據(jù)緩存器；所述模數(shù)轉換器的輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元的一個輸入端連接傳感器單元的輸出端；所述模數(shù)轉換器的輸出端連接數(shù)據(jù)緩存器的一個輸入端；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)緩存器的一個輸出端連接數(shù)據(jù)存儲裝置的輸入端，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構的加載區(qū)域中，所述加載機構為用于對煤巖試樣進行加載，使煤巖試樣產生變形破裂的機構。
[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)控制器相應的控制指令，同步采集煤巖試樣變形破裂過程產生的自電位、電荷感應和聲發(fā)射全波形信號，并同步轉換成模擬電信號傳送給數(shù)據(jù)處理單元。
[0015]所述控制器用于發(fā)送相應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)控制器相應的控制指令，接收并放大傳感器單元發(fā)送的模擬電信號，并將其轉換為數(shù)字電信號，并將轉換后的數(shù)字電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲裝置進行存儲、同時還發(fā)送至顯示器進行顯示。
[0017]所述數(shù)據(jù)存儲裝置用于接收并存儲模數(shù)轉換器傳送的自電位、電荷感應和聲發(fā)射數(shù)字電信號。
[0018]所述顯示器用于根據(jù)控制器相應的控制指令，對實時自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號全波形進行同步顯示。
[0019]采用銅網(wǎng)，制成封閉式電磁屏蔽構件將煤巖試樣、加載機構、傳感器單元都罩在該電磁屏蔽構件內，屏蔽外來電磁信號對傳感器單元同步采集自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號過程的干擾。
[0020]采用所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測的方法，包括如下具體步驟:
[0021]步驟1:將煤巖試樣固定在加載機構的相應加載區(qū)域；所述加載機構為用于對煤巖試樣進行加載，使煤巖試樣產生變形破裂的機構；
[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，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，將多個自電位傳感器的電極探頭和多個聲發(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，同時將多個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:在控制器上對采集參數(shù)進行設置或調整，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)存儲文件名；
[0025]步驟4:啟動系統(tǒng)，開始預采集煤巖試樣的自電位、電荷感應和聲發(fā)射全波形信號，并在顯示器上進行實時顯示但不進行保存；
[0026]步驟5:根據(jù)顯示器顯示的全波形信號波形，判斷噪聲信號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:在加載機構上設置加載速度、加載方式,啟動加載機構對煤巖試樣進行加載；
[0028]步驟7:根據(jù)控制器相應的控制指令，將采集到的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)實時同步發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲裝置供上層應用、同時還同步發(fā)送至顯示器進行信號的全波形顯示；
[0029]步驟8:待煤巖試樣破壞后，同時停止加載機構及信號采集。
[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)測系統(tǒng)能夠同步監(jiān)測煤巖變形破裂過程中的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號，獲得煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號的全波形同步信號。本發(fā)明的系統(tǒng)結構簡單、制作成本低、可連續(xù)多信號同步采集、采集時間長，操作簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明一種實施方式的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明一種實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)明一種實施方式的數(shù)據(jù)處理單元的結構示意圖；
[0035]圖5為本發(fā)明一種實施方式的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測方法流程圖；
[0036]圖6為本發(fā)明一種實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.壓力機上壓力頭的上絕緣墊塊3.壓力機下壓力頭的下絕緣墊塊4.壓力機的上壓力頭5.壓力機的下壓力頭6.電極探頭對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.電磁屏蔽構件。

【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0039]本發(fā)明的一種實施方式給出煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示的結構框圖，包括:壓力機、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、電磁屏蔽構件14 ；
[0040]本實施方式的加載機構采用的是壓力機，是利用壓力機對煤巖試樣進行加載使得煤巖試樣變形破裂的，所米用的壓力機是濟南方辰儀器設備有限公司生產的WAW-600D的微機控制電液伺服液壓萬能試驗機，最大試驗力達到600KN，該試驗機通過微機控制實驗力、位移、速度，從實驗數(shù)據(jù)的獲得、處理、打印，全部實現(xiàn)自動化。在具體實驗時，壓力機采用荷載控制模式對煤巖試樣I進行單軸加載，加載速度一般控制在20?500N/s。
[0041]本實施方式數(shù)據(jù)存儲裝置采用的是硬盤12，型號為WD1502FAEX。
[0042]本實施方式米用的傳感器單兀，包括6個自電位傳感器、6個聲發(fā)射傳感器和4個電荷傳感器。傳感器單兀9的輸入端同時連接6個自電位傳感器的電極探頭、6個聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭、4個電荷傳感器的電荷探頭及控制器13的一個輸出端；所述傳感器單元9的輸出端連接數(shù)據(jù)處理單元10的一個輸入端，數(shù)據(jù)處理單元10的一個輸出端連接顯示器11的一個輸入端，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的輸入端通過人機交互界面進行人機交互；
[0043]本實施方式采用的自電位傳感器，由電極探頭對6和傳感放大器組成。兩個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，由電荷靈敏級和放大輸出級兩部分構成，所述電荷靈敏級主要由輸入阻抗高、響應速度快、開環(huán)增益大、貼片封裝的型號為LMC6001的集成運算放大器構成；所述放大輸出級主要由CR-RC濾波器和型號為0P07的集成運算放大器構成，其中CR-RC濾波器由電容C11、電阻R9、電阻RlO和電容C12構成；LMC6001型集成運算放大器的輸入端，即2腳和3腳，分別連接兩個電極探頭，LMC6001的集成運算放大器的輸出端，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型集成運算放大器的輸入端，即2腳并聯(lián)連接；且在LMC6001型集成運算放大器的2腳和6腳之間分別并聯(lián)反饋電容C2和反饋電阻Rl以增加電極對微弱的自電位信號的靈敏度和提高傳感器的信噪比；通過0P07型集成運算放大器的增益調節(jié)端(即GAIN端和6腳)并聯(lián)外部電阻，在I?101倍之間可以任意調節(jié)放大輸出級的放大倍數(shù)。
[0044]本實施方式米用的聲發(fā)射傳感器的型號為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公司(PAC)生產的，靈敏度為106db，工作頻率為15-40kHz。
[0045]本實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腳接負電源、C35 一端和C37的負極，8腳接正電源、C34 一端和C38的正極，C34、C35另一端、C38的負極和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負極和C27、C26另一端相接并接地；U1B的4腳接負電源，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，對電荷(電場)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。本實施方式采用銅皮對前置放大電路的電路板進行包裝屏蔽，可最大限度的限制外界電磁信號對電路的干擾，包裝后的前置放大電路形狀為圓柱形，尺寸為Φ30Χ 100mm。
[0046]本實施方式采用的數(shù)據(jù)處理單元10的結構，如圖4所示，包括:模數(shù)轉換器101和數(shù)據(jù)緩存器102。所述模數(shù)轉換器101的輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元10的一個輸入端連接傳感器單元9的輸出端；所述模數(shù)轉換器101的輸出端連接數(shù)據(jù)緩存器102的一個輸入端；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的一個輸出端連接數(shù)據(jù)存儲裝置的輸入端，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]本實施方式采用的模數(shù)轉換器由前置放大器和模數(shù)轉換電路構成。前置放大器置于傳感器單元9與模數(shù)轉換電路之間，本實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，可將小信號放大到標準電平上，同步接收并放大傳感器單兀傳送的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號，且將放大后的自電位、電荷感應和聲發(fā)射模擬電信號傳送至模數(shù)轉換電路處理。模數(shù)轉換電路用于同步接收前置放大器放大后的自電位、電荷感應和聲發(fā)射模擬電信號，并將這些信號同步轉換為數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)據(jù)緩存器102，本實施方式采用的模數(shù)轉換電路為型號為AD976AANZ的16位模數(shù)轉換芯片，AD976AANZ型模數(shù)轉換芯片的主要技術參數(shù)為:16位分辨率、200KSPS采樣通過率、差動輸入、并行碼輸出、3.8μ s的轉換時間。數(shù)據(jù)緩存器102接收AD976AANZ型模數(shù)轉換器的數(shù)字信號并保存至硬盤12，用于上層應用分析煤巖在不同加載條件下變形破裂過程產生的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號的規(guī)律，獲得三種信號之間的相互關系，獲得煤巖自電位和電荷產生機理，為采用自電位、電荷感應和聲發(fā)射相結合的方法對礦井動力災害的發(fā)生進行綜合預測提供室內實驗和理論依據(jù)。本實施方式采用的數(shù)據(jù)緩存器102為型號為IS63LV1024-15TI的數(shù)據(jù)緩存器，IS63LV1024-15TI型數(shù)據(jù)緩存器為納秒級高速靜態(tài)存儲器，功耗低，讀寫速度快，不斷電則不消失，不用刷新，128KbyteS。
[0048]本實施方式中采用的控制器13采用嵌入式測控系統(tǒng)作為中心采樣控制器，采用的主板的型號為Intel Desktop Board D201GLY，采用的CPU為Atom 525(雙核四線程)，主頻達1800M?？刂破?3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)運行參數(shù)設置發(fā)送指示信號，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，控制顯示器11實時顯示數(shù)據(jù)處理單元10接收到的實時自電位、聲、電荷感應信號，可同時顯示16通道的信號，也可選擇某幾個通道信號進行顯示。根據(jù)運行參數(shù)的設置，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)、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)運行參數(shù)的設置，控制器13可控制顯示器11顯示信號通道、信號繪圖范圍，同時顯示每通道信號的均值和方差等。
[0049]本實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內的實時自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號的波形。
[0050]本實施方式的電磁屏蔽構件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、壓力機上壓力頭4、壓力機下壓力頭5、壓力機上壓力頭的上絕緣墊塊2、壓力機下壓力頭的下絕緣墊塊3、電極探頭對6、聲發(fā)射探頭7、電荷探頭8、傳感器單元9都罩在電磁屏蔽構件內，屏蔽外來電磁信號對傳感器單元同步采集自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號過程的干擾。
[0051]采用本實施方式的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測的方法，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直立置于壓力機上壓力頭4與壓力機下壓力頭5之間，同時在壓力機上壓力頭4、壓力機下壓力頭5與圓柱形煤巖試樣I的兩個底面的接觸面分別設置有壓力機上壓力頭的上絕緣墊塊2、壓力機下壓力頭的下絕緣墊塊3，如圖1所示，絕緣墊塊的材質為聚四氟乙烯。
[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，將多個自電位傳感器的電極探頭和多個聲發(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，同時將多個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)射探頭均通過導電銅膠或導電銀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，因每個自電位傳感器具有一對電極探頭，本實施方式中，每個自電位傳感器的電極探頭以相距8mm成對布置；其中第一對至第三對電極探頭分布在沿試樣軸向的同一條直線上，設定它們所在的該直線為煤巖試樣I的0°軸向起始線。第二對電極探頭布置在0°軸向起始線的中點，第二對電極探頭與第一對電極探頭、第三對電極探頭的距離均為30mm，第一對電極探頭與圓柱形煤巖試樣上端面的距離為20mm，第三對電極探頭與圓柱形煤巖試樣下端面的距離也為20mm;第四對電極探頭、第五對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上，第六對電極探頭布置在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，啟動壓力機，而不進行加載，因為壓力機啟動時有較大噪聲信號，等壓力機運行平穩(wěn)后，再進行加載。
[0058]在步驟507，在控制器上對采集參數(shù)進行設置或調整，所述采集參數(shù)包括:采樣頻率(本實施方式的采樣頻率最大為10kHz，500Hz到10kHz范圍內可調)、采樣通道(本實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)存儲文件名等；
[0059]在步驟508，啟動系統(tǒng)，開始預采集煤巖試樣的自電位、電荷感應和聲發(fā)射全波形信號，并在顯示器上進行實時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，連續(xù)全波形采集時間超過10天。
[0061]在步驟509，根據(jù)顯示器顯示的全波形信號波形，判斷噪聲信號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,在壓力機上設置加載速度、加載方式,啟動加載機構對煤巖試樣進行加載；
[0063]本實施方式中的噪聲信號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、電荷感應和聲發(fā)射信號實時同步發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲裝置供上層應用和顯示器進行顯示；
[0065]上層應用可以根據(jù)硬盤存儲的信號數(shù)據(jù)，結合試樣的巖性、試樣的破壞形狀、試樣的應力應變曲線，對試樣加載至破壞的整個過程的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號進行分析，獲得煤巖變形破裂過程自電位、電荷感應和聲發(fā)射的變化規(guī)律，進而獲得三種信號之間的相互關系，獲得煤巖自電位和電荷產生機理，為米用自電位、電荷感應和聲發(fā)射相結合的方法對礦井動力災害的發(fā)生進行綜合預測提供室內實驗和理論依據(jù)。
[0066]在步驟512,待煤巖試樣破壞后，同時停止加載機構及信號米集。
[0067]雖然以上描述了本發(fā)明的【具體實施方式】，但是本領域內的熟練的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，而不背離本發(fā)明的原理和實質。本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求書限定。
【權利要求】
1.一種煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括:加載機構、傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制器、顯示器和數(shù)據(jù)存儲裝置； 所述傳感器單元，包括多個自電位傳感器、多個聲發(fā)射傳感器和多個電荷傳感器；所述傳感器單元的輸入端同時連接多個自電位傳感器的電極探頭、多個聲發(fā)射傳感器的聲發(fā)射探頭、多個電荷傳感器的電荷探頭及控制器的一個輸出端；所述多個自電位傳感器的電極探頭和多個聲發(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)處理單元的一個輸入端，數(shù)據(jù)處理單元的一個輸出端連接顯示器的一個輸入端，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交互界面進行人機交互； 所述數(shù)據(jù)處理單元，包括:模數(shù)轉換器和數(shù)據(jù)緩存器；所述模數(shù)轉換器的輸入端作為數(shù)據(jù)處理單元的一個輸入端連接傳感器單元的輸出端；所述模數(shù)轉換器的輸出端連接數(shù)據(jù)緩存器的一個輸入端；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)緩存器的一個輸出端連接數(shù)據(jù)存儲裝置的輸入端，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)測系統(tǒng)，其特征在于:煤巖試樣置于加載機構的加載區(qū)域中，所述加載機構為用于對煤巖試樣進行加載，使煤巖試樣產生變形破裂的機構。
3.根據(jù)權利要求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位置的表面直接接觸，接觸面用耦合劑耦合。
4.根據(jù)權利要求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)控制器相應的控制指令，同步采集煤巖試樣變形破裂過程產生的自電位、電荷感應和聲發(fā)射全波形信號，并同步轉換成模擬電信號傳送給數(shù)據(jù)處理單元。
5.根據(jù)權利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器用于發(fā)送相應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)控制器相應的控制指令，接收并放大傳感器單元發(fā)送的模擬電信號，并將其轉換為數(shù)字電信號，并將轉換后的數(shù)字電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲裝置進行存儲、同時還發(fā)送至顯示器進行顯示。
7.根據(jù)權利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)存儲裝置用于接收并存儲模數(shù)轉換模塊傳送的自電位、電荷感應和聲發(fā)射數(shù)字電信號。
8.根據(jù)權利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述顯示器用于根據(jù)控制器相應的控制指令，對實時自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號全波形進行同步顯示。
9.根據(jù)權利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:采用銅網(wǎng)，制成封閉式電磁屏蔽構件將煤巖試樣、加載機構、傳感器單元都罩在該電磁屏蔽構件內，屏蔽外來電磁信號對傳感器單元同步采集自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號過程的干擾。
10.采用權利要求1所述的煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測系統(tǒng)進行煤巖變形破裂過程全波形同步綜合監(jiān)測的方法，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構的相應加載區(qū)域；所述加載機構為用于對煤巖試樣進行加載，使煤巖試樣產生變形破裂的機構； 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，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，將多個自電位傳感器的電極探頭和多個聲發(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，同時將多個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:在控制器上對采集參數(shù)進行設置或調整，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)存儲文件名； 步驟4:啟動系統(tǒng)，開始預采集煤巖試樣的自電位、電荷感應和聲發(fā)射全波形信號，并在顯示器上進行實時顯示但不進行保存； 步驟5:根據(jù)顯示器顯示的全波形信號波形，判斷噪聲信號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:在加載機構上設置加載速度、加載方式，啟動加載機構對煤巖試樣進行加載；步驟7:根據(jù)控制器相應的控制指令，將采集到的自電位、電荷感應和聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)實時同步發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲裝置供上層應用、同時還同步發(fā)送至顯示器進行信號的全波形顯示； 步驟8:待煤巖試樣破壞后，同時停止加載機構及信號采集。
【文檔編號】G01N33/24GK104198679SQ201410473355
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權日:2014年9月17日
【發(fā)明者】趙揚鋒, 劉玉春, 潘一山, 羅浩, 李忠華, 李國臻 申請人:遼寧工程技術大學