一种矿用本质安全型多点位移计.pdf

本发明公开了一种以磁性锚头和磁致伸缩线作为位移传感器的矿用本质安全型多点位移计，其结构由若干个磁性锚头、1根柔性测杆、仪表舱、回波换能检测装置、磁致伸缩线支撑块和端点固定装置组成，柔性测杆内部安装有磁致伸缩线，磁性锚头固定于矿井巷道顶板岩层，处理器通过驱动电路向磁致伸缩线发送电脉冲，该电脉冲与磁性锚头相互作用形成扭力波和纵波，并在磁致伸缩线内传播，通过回波换能检测装置检出该回波的到达时间，即可算出磁性锚头所在位置的顶板位移。本发明相对于4~6根测绳的多点位移计可以减少矿井巷道顶板岩层同一钻孔内的多点位移测绳数量，有效解决同一钻孔内多点位移多根测绳的安装复杂、极易缠绕问题。

1.  一种矿用本质安全型多点位移计，包括若干个磁性锚头、1根柔性测杆和仪表舱，其中，磁性锚头锚固于矿井巷道顶板岩层，仪表舱内设置的信号处理模块包括驱动装置、放大电路、采集电路、处理器、外部供电电路、供电保护及能量限制电路、电池供电电路、电池供电与外部供电切换电路、RS485通讯电路、RS485互联保护电路、ZigBee通讯电路、显示电路和光唤醒电路，其特征在于：柔性测杆内布置磁致伸缩线和回路闭合导线，磁致伸缩线为镍基合金磁致伸缩材料，磁致伸缩线通过支撑块设置在柔性测杆内，柔性测杆贯穿所有磁性锚头，一端固定于矿井巷道顶板岩层，另一端通过回波换能检测装置、端点固定装置和仪表舱相连接；回波换能检测装置包括扭力波检测装置和纵波检测装置，扭力波检测装置由压电陶瓷片、波导丝和压电陶瓷片导线组成，纵波检测装置由波导丝、螺线管和永磁铁组成；处理器通过驱动装置向磁致伸缩线发送起始电脉冲，起始电脉冲在由磁致伸缩线和回路闭合导线构成的闭环内产生电流，在柔性测杆周边形成电磁场，与磁性锚头形成的电磁场叠加，形成扭力波和纵波；回波换能检测装置中的扭力波检测装置和纵波检测装置分别捕捉扭力波和纵波，并转换成返回电脉冲，输入到信号处理模块的放大电路中，通过信号处理模块计算电脉冲起始和返回之间的时间差得到矿井巷道顶板岩层位移。

一种矿用本质安全型多点位移计

技术领域
本发明属于煤系地层矿井巷道顶板岩层位移监测的技术范畴，具体涉及一种以磁性锚头和磁致伸缩线作为位移传感器的矿用本质安全型多点位移计。
背景技术
矿井巷道顶板位移监测仪器主要分为两种：(1) 顶板离层仪，离层监测基点为2个，分别为深基点和浅基点，由深基点锚头、浅基点锚头和2根测绳组成顶板位移测量传感器，如公开的顶板下沉离层指示仪(CN2384212)、围岩离层监测仪(CN300727230)、围岩离层监测报警仪(CN2688894)、多方位围岩离层监测报警仪(CN2924017)和多方位双功能围岩离层监测报警仪(CN101004139)等，这些仪器的顶板位移测量传感器结构均由深基点锚头、浅基点锚头和2根测绳组成，通过计算深基点和浅基点位移之间的差值得到矿井巷道顶板位移，这些仪器结构简单，但测点少，2根测绳不能反映整个岩层内的细部离层情况；(2) 多点位移计，离层监测基点为4~6个，由4~6个基点锚头和测绳组成顶板位移测量传感器，如公开的多点位底板离层监测仪(CN2017070006U)，顶板位移测量传感器结构由6个基点锚头和测绳组成，6根测绳穿入一个钻孔内，钻孔标准直径为28mm；杆式同轴多点位移测量装置(CN102809360A) 由6个基点锚头、6个位移传感器和位移测量端子组成，测量电路复杂，且外露部分较长。这些多点位移计多采用电位器和测绳结构，成本较低，对环境要求不高，缺点是由于多根测绳布置于矿井巷道顶板岩层同一钻孔内，安装较复杂，且极易缠绕。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述缺点，提供一种减少矿井巷道顶板岩层同一钻孔内的多点位移测绳数量，有效解决同一钻孔内多点位移多根测绳的安装复杂、极易缠绕问题的矿用本质安全型多点位移计。
为达到上述目的，本发明采用如下解决方案：一种矿用本质安全型多点位移计，包括若干个磁性锚头、1根柔性测杆和仪表舱，其中，磁性锚头锚固于矿井巷道顶板岩层，仪表舱内设置的信号处理模块包括驱动装置、放大电路、采集电路、处理器、外部供电电路、供电保护及能量限制电路、电池供电电路、电池供电与外部供电切换电路、RS485通讯电路、RS485互联保护电路、ZigBee通讯电路、显示电路和光唤醒电路，其特征在于：柔性测杆内布置磁致伸缩线和回路闭合导线，磁致伸缩线为镍基合金磁致伸缩材料，磁致伸缩线通过支撑块设置在柔性测杆内，柔性测杆贯穿所有磁性锚头，一端固定于矿井巷道顶板岩层，另一端通过回波换能检测装置、端点固定装置和仪表舱相连接；回波换能检测装置包括扭力波检测装置和纵波检测装置，扭力波检测装置由压电陶瓷片、波导丝和压电陶瓷片导线组成，纵波检测装置由波导丝、螺线管和永磁铁组成；处理器通过驱动装置向磁致伸缩线发送起始电脉冲，起始电脉冲在由磁致伸缩线和回路闭合导线构成的闭环内产生电流，在柔性测杆周边形成电磁场，与磁性锚头形成的电磁场叠加，形成扭力波和纵波；回波换能检测装置中的扭力波检测装置和纵波检测装置分别捕捉扭力波和纵波，并转换成返回电脉冲，输入到信号处理模块的放大电路中，通过信号处理模块计算电脉冲起始和返回之间的时间差得到矿井巷道顶板岩层位移。
本发明的工作原理为：磁性锚头固定于矿井巷道顶板岩层，仪表舱内的信号处理模块发出监测命令，驱动装置接收命令并发送起始电脉冲，施加于柔性测杆内的磁致伸缩线和回路闭合导线，磁致伸缩线本身为导体，与回路闭合导线构成闭环，驱动电脉冲在由磁致伸缩线和回路闭合导线构成的闭环内产生电流，在磁致伸缩线周边形成一个电磁场，该电磁场以恒定速度在闭环内传播，到达在柔性测杆周围布置的磁性锚头时，与磁性锚头形成的电磁场叠加，导致磁性锚头处磁致伸缩线周边的电磁场发生变化，磁致伸缩效应导致该部位磁致伸缩线的长度和体积发生变化，使得磁致伸缩线受到扭曲和纵向两个作用力，使该段磁致伸缩线发生扭曲和长度变化，形成的扭力波和纵波以恒定速度向磁致伸缩线的两端传播，向一端传播的扭力波和纵波被阻尼器捕捉吸收，向另一端传播的扭力波和纵波被回波换能检测装置捕捉并转换成相应的电信号，通过信号处理模块计算两脉冲起始和返回之间的时间差△t1、△t2、△t3、△t4、△t5和△t6，电磁波在磁致伸缩线内的传播速度v和传感器总长L己知，信号处理模块与磁性锚头之间的距离为L1=v*△t1，L2=v*△t2，L3=v*△t3，L4=v*△t4，L5=v*△t5和L6=v*△t6，从而得到矿井巷道顶板岩层位移。
本发明一种矿用本质安全型多点位移计与现有多点位移计相比较，具有以下突出的实质性特点和显著的效果：
1、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，矿井巷道顶板岩层钻孔内只布置1根柔性测杆，相对于4~6根测绳的多点位移计，可以减少矿井巷道顶板岩层同一钻孔内的多点位移测绳数量，有效解决同一钻孔内多点位移多根测绳的安装复杂、极易缠绕问题。
2、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，采用电池供电和外部供电两种供电方式，并具有电池供电与外部供电的切换电路；采用电池供电时，在保障向本发明提供稳定电能供应的条件下，限制非正常情况下电池对外提供电能；采用外部供电时，向本发明提供双向过压、过流供电保护，限制由外部流入本发明内部或由内部流入外部的电能。
3、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，采用RS485和ZigBee两种通讯模式，RS485通讯模块用于多台本发明互联组成有线传感器网络；ZigBee通讯模块用于多台本发明互联组成无线传感器网络。
4、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，具有就地显示功能，用于提供就地测量参数显示；采用光唤醒电路，在睡眠模式下具有唤醒功能。
5、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，回波换能检测装置中的扭力波检测装置为压电陶瓷检测装置结构，压电陶瓷片为沿长度伸缩方向敏感的薄长压电陶瓷片，波导丝以一定的力压在压电陶瓷片上，磁致伸缩线沿圆周方向的扭转和压电陶瓷薄片的敏感伸缩方向相一致，检测扭力波，压电陶瓷片的导线连接信号处理模块的放大电路输入端。
6、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，回波换能检测装置中的纵波检测装置为螺线管检测装置结构，螺线管为空心，匝数为几百至几千匝，磁致伸缩线通过螺线管，螺线管两端安放永磁铁，用于磁化磁致伸缩线，当磁致伸缩线回波中的纵波到达时，磁致伸缩线长度发生变化，切割磁力线，检测纵波。
7、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，数据流程中的数据滤波方法采用了Fir滤波器。
8、本发明一种矿用本质安全型多点位移计，广泛用于矿井巷道、隧道、地下硐室等建筑物或构筑物顶板岩层多点位移监测等方面。
附图说明
图1、本发明的安装示意图。
图中：1—磁性锚头  2—矿井巷道顶板岩层  3—柔性测杆  4—仪表舱
图2、本发明的结构示意图。
图中：3—柔性测杆  4—仪表舱  5—磁致伸缩线  6—回波换能检测装置
7—回路闭合导线  8—磁致伸缩线支撑块  9—端点固定装置
图3、本发明信号处理模块方框图。
图中：10—驱动装置  11—放大电路  12—采集电路  13—处理器
14—外部供电电路  15—供电保护及能量限制电路   16—电池供电电路
17—电池供电与外部供电切换电路  18—RS485通讯电路  19—RS485互联保护电路  20—ZigBee通讯电路  21—显示电路  22—光唤醒电路
图4、本发明扭力波检测装置的示意图。
图中：23—压电陶瓷片  24—波导丝  25—压电陶瓷片导线
图5、本发明纵波检测装置的示意图。
图中：24—波导丝  26—螺线管  27—永磁铁。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
某矿3^#煤层在已施工的320m材料运输大巷揭露1个采空区，该采空区长38m，均宽15m，冒高约3.5～4m，中间采空巷道交错布置。采用本发明对材料运输大巷两采空区顶板泥岩层、泥质砂岩层、细砂岩层、泥砂岩互层和泥岩层等5个岩层位移进行监测，顶板岩层同一钻孔直径为28mm，其结构由5个磁性锚头、1根柔性测杆、仪表舱、回波换能检测装置、磁致伸缩线支撑块和端点固定装置组成，其中，5个磁性锚头分别锚固于材料运输大巷两采空区顶板泥岩层、泥质砂岩层、细砂岩层、泥砂岩互层和泥岩层等5个岩层，仪表舱内的信号处理模块包括驱动装置、放大电路、采集电路、处理器、外部供电电路、供电保护及能量限制电路、电池供电电路、电池供电与外部供电切换电路、RS485通讯电路、RS485互联保护电路、ZigBee通讯电路、显示电路和光唤醒电路，回波换能检测装置包括由压电陶瓷片、波导丝和压电陶瓷片导线组成的扭力波检测装置，以及波导丝、螺线管和永磁铁组成的纵波检测装置；柔性测杆内布置磁致伸缩线和回路闭合导线，磁致伸缩线为镍基合金磁致伸缩材料，柔性测杆贯穿所有磁性锚头，一端固定于矿井巷道顶板岩层，另一端通过端点固定装置和仪表舱相连接；处理器通过驱动装置向磁致伸缩线发送起始电脉冲，起始电脉冲在由磁致伸缩线和回路闭合导线构成的闭环内产生电流，在柔性测杆周边形成电磁场，与磁性锚头形成的电磁场叠加，形成扭力波和纵波；回波换能检测装置中的扭力波检测装置和纵波检测装置分别捕捉扭力波和纵波，并转换成返回电脉冲，输入到信号处理模块的放大电路中，通过信号处理模块计算电脉冲起始和返回之间的时间差得到矿井巷道顶板岩层位移。
为了降低功耗，本发明一种矿用本质安全型多点位移计大部分时间处于睡眠状态，睡眠电流小于2UA，该采空区顶板泥岩层、泥质砂岩层、细砂岩层、泥砂岩互层和泥岩层等5个岩层的相对位移分别为25mm、28mm、0mm、4mm和0mm。
实际多点位移监测效果良好。
实施例2：
某矿3^#煤层1采区3101工作面回风顺槽20m处遇到一空区，为采空巷道，宽度约16m，长度未知，采用本发明对该空区顶板直接顶和基本顶2个岩层位移进行监测，顶板岩层同一钻孔直径为28mm，其结构由2个磁性锚头，分别锚固于该空区顶板直接顶和基本顶2个岩层，相对位移为43mm和17mm。实际多点位移监测效果良好。其它同实施例1。