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1、(10)申请公布号 CN 103616727 A (43)申请公布日 2014.03.05 CN 103616727 A (21)申请号 201310711296.3 (22)申请日 2013.12.20 G01V 3/06(2006.01) (71)申请人 中国矿业大学 ( 北京 ) 地址 100083 北京市海淀区学院路丁 11 号 (72)发明人 吴淼 杜毅博 刘希高 刘志民 张金涛 周游 吕一鸣 夏正猛 赵新赢 吕馥言 胡玉龙 (54) 发明名称 一种矿用动态定向电场激励法煤巷综掘超前 探测发射系统 (57) 摘要 本发明公开了一种矿用动态定向电场激励法 煤巷综掘超前探测发射系统， 该。
2、系统由微处理器、 基于 DDS 的信号发生电路、 隔离驱动电路、 基于 IPM 的逆变电路、 稳流电源及相关外围电路组成。 通过微处理器控制 DDS 芯片产生发射系统的逆变 驱动信号， 通过隔离驱动电路驱动基于 IPM 的逆 变电路输出多达五路的波形稳定可控的调制方 波， 并保证各路输出的同相位同极性 ； 五路输出 分为一路发射输出及四路约束输出， 利用电场同 性相斥性质， 使发射电极输出的电场得以约束， 从 而控制电场的传播方向， 达到掘进面前方的半空 间扫描。本发明内部电路设计符合煤矿安全生产 技术规范和要求， 输出波形稳定度好， 频率分辨率 高， 且具有自我保护功能， 操作方便快捷。 (。
3、51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103616727 A CN 103616727 A 1/1 页 2 1. 一种动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统， 包括有微处理器 (1)、 基于 DDS 的信号发生电路 (2)、 隔离驱动电路 (3)、 基于 IPM 的逆变电路 (4)、 稳流电源 (5)、 供电 电压测量电路及供电电流测量电路 (6)、 多路选择开关电路 (7)、 A/D 转换电路 (8)、 键盘电 路(9)、 显示电路。
4、(10)、 报警指示电路(11)、 电池欠压检测电路(12)、 复位电路(13)、 串口通 讯电路组成 (14) 组成 ； 其特征在于 ： 可输出多达五路同极性同相位的调制波电流， 包括一 路发射输出， 四路约束输出， 输出波形稳定可靠 ； 系统开机成功自动检测后， 通过键盘电路 控制微处理器通过 DDS 信号发生电路产生逆变驱动信号， 控制 IPM 逆变驱动模块的开关器 件的通断， 从而将稳流电源逆变转换为调制的交流方波， 并通过电极分五路输出到掘进工 作面 ； 发射系统的五路输出分为一路发射输出和四路约束输出 ； 所述的一路发射输出通过 位于掘进工作面中心的发射电极 A0 向掘进工作面发射。
5、频率调制电流 ； 掘进工作面四边各 有三个约束电极， 每边的三个电极作为一组， 所述的四路约束输出通过工作面四边的四组 约束电极将与所述的一路发射输出同极性同相位的频率调制电流向掘进工作面供电， 利用 电场同性相斥性质， 使发射电极输出的电场得以约束， 从而控制电场的传播方向。 2. 根据权利要求 1 所述的动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统， 其特征在 于， 所述系统的逆变驱动信号由基于 DDS 的信号发射电路产生 ； 所述的基于 DDS 的信号发 生电路 DDS 芯片， 电源电路和多个电阻、 电容、 电感组成 ； 微处理器将 40 位控制字通过串行 的方式写入 DDS 芯片， DD。
6、S 芯片在其管脚 IOUT 根据频率控制字输出所要求频率的正弦波 形 ； 通过多个电阻、 电感、 电容组成一个 7 阶的椭圆滤波器， 将正弦波形接入该滤波器， 滤除 杂波 ； 将上述滤波器的输出接到 DDS 芯片的比较器的正输入端 VINP ； 通过变阻器对电源电 路做分压得到一个基准电压， 并将该电压与接入上述比较器的负输入端 VINN， 通过 VINP 与 VINN 电压进行比较， 在 DDS 芯片的 QOUTB 与 QOUT 得到极性互补的两个方波信号 ； 通过该两 个极性互补的方波信号即可驱动桥式逆变电路。 3. 根据权利要求 1 所述的动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统， 其。
7、特征在 于所述的煤巷综掘超前探测发射系统具有防震、 防潮性能， 其电气元件均符合煤安认证标 准， 低耗、 安全。 权 利 要 求 书 CN 103616727 A 2 1/5 页 3 一种矿用动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统 技术领域 0001 本发明涉及一种超前探测领域的煤矿井下作业的超前探测仪器， 属于应用地球物 理学电法超前探测技术， 特别是涉及一种动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系 统。 背景技术 0002 “预测预报， 有掘必探， 先探后掘， 先治后采” 是煤矿生产过程中必须坚持的原则。 煤层的瓦斯爆炸及岩层垮塌、 突水等地质灾害发生率高、 偶然性强， 对掘进矿工生命。
8、安全威 胁极大， 掘进过程中伤亡事故频发。 其中水害在煤矿五大灾害 （瓦斯、 水灾、 火灾、 粉尘、 动力 地质灾害） 中的地位不容轻视， 每年因水害造成的矿难死亡人数居高不下。煤矿水灾严重威 胁着工作人员的人身安全， 而且事故之后的救援和建设不仅消耗巨大的财力、 物力和人力， 而且影响生产进程和效率。 0003 如何有效探测掘进前方隐伏的地质构造， 特别是有害的含水地质构造 （溶洞、 断 层、 陷落柱等） 已成为煤炭生产中急需解决的问题。如不能及时查明这些有害构造， 则会诱 发岩爆、 瓦斯突出、 巷道底鼓、 突水、 顶板冒落、 巷道片帮等灾害性地质现象， 造成人员伤亡 和财产损失。现有的探测。
9、技术因探掘分离、 方向性差、 预报准确率低、 可操作性差和成本高 等不足， 不能完全满足掘进面对超前探测的要求。掘进面超前探测技术的发展已经远落后 于煤巷掘进机械化程度的需求， 造成的 “探、 掘” 矛盾日益凸显。 0004 动态定向电场激励法 （专利号 CN103176214A） 根据同性电场相排斥的性质， 利用约 束电极发射的约束电场与主电极发射的探测电场相互作用， 利用电场的约束和偏转作用， 有效控制电场的传播方向， 使探测电场的发射方向与发射范围控制一定范围内， 从而实现 角度和深度扫描探测， 进行异常体的准确定位， 达到定方向、 定距离探测的目的。 0005 为实现掘进工作面前方的异。
10、常体准确定位， 矿用动态定向电场激励法煤巷综掘超 前探测发射系统是其中的关键技术， 影响到整个探测方法的实现以及最终预报成果的数据 解释。现有的电法信号发送机一般采用可控硅或 IGBT 作为逆变器， 普遍集成度不高， 需要 外加控制机保护电路。中南大学所研究的电法勘探发射机 （专利号 CN10478706C） 采用了 IPM（智能功率模块） 作为功率转换器件， 提高了整机的集成度和系统可靠性。然而， 该发射 机仅使用微控制器控制 IPM 的驱动时序， 其输出频率的精度不高， 且仅有一路发射输出， 无 法实现约束电场的控制， 使电场达到动态偏向效果， 达到掘进工作面前方的半空间扫描。 另 外， 。
11、该专利产品在开发时没有考虑到防爆问题， 不能在煤矿井下含有煤尘的环境之中应用。 0006 鉴于以上论述， 为提高煤巷掘进面超前探测的准确率， 减少探测用时， 保证掘进工 作安全高效进行， 本发明人经过不断的研究， 并经反复验证后， 设计出适合矿用动态定向电 场激励法的煤巷综掘超前探测发射系统。 发明内容 0007 本发明的主要目的在于， 基于动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测的具体方 说 明 书 CN 103616727 A 3 2/5 页 4 法， 提供一套可以发射五路同极性波形， 有效控制电场的传播方向， 体积小， 可靠性高， 功能 完善， 适合煤矿使用的超前探测发射系统。 0008 本发。
12、明进一步的目的在于， 提供一种输出波形的频率可以精确控制的煤巷综掘超 前发射系统。 0009 本发明的更进一步的目的在于， 提供一种可以利用约束电极发射的约束电场与主 电极发射的探测电场相互作用， 使探测电场的发射方向与发射范围控制一定范围内的煤巷 综掘超前发射系统。 0010 本发明的主要目的通过以下技术方案实现的 ： 动态定向电场激励法煤巷综掘超前 探测发射系统包括有微处理器、 基于 DDS 的信号发生电路、 隔离驱动电路、 基于 IPM 且带有 向掘进面前方供电引脚的逆变电路、 稳流电源、 供电电压测量电路及供电电流测量电路、 多 路选择开关电路、 A/D 转换电路、 键盘电路、 显示电。
13、路、 报警指示电路、 电池欠压检测电路、 复 位电路、 串口通讯电路组成。 0011 通过微处理器可以控制信号发生电路产生精确的逆变电路驱动信号， 通过隔离驱 动电路即可驱动逆变电路输出波形。所述的逆变电路基于 IPM （智能功率模块） ， 由高速、 低 功率 IGBT、 优选的门极驱动器及保护电路构成， 多采用六合一封装形式， 即一片 IPM 含有六 个 IGBT 模块， 其集成程度高， 功能稳定性强。另外 IPM 具有多样的智能保护功能， 通过微处 理器对其进行控制， 其可靠性， 安全性得到极大提升。 0012 本发明所设计的隔离驱动电路在输入信号部分添加了三极管电路， 增强了驱动信 号的。
14、驱动能力， 使之可以驱动多达五路的逆变电路， 保证了各路输出之间的同相位， 从而可 以输出多达五路的同极性电流信号。 0013 本发明进一步目的通过以下技术方案实现的 ： 通过微处理器控制 DDS 芯片产生驱 动信号。DDS 完全不同于直接式和锁相式 （PLL） 式频率合成， 它直接对参考时钟进行抽样、 量化， 然后利用数字计算技术产生频率。它的主要优点是频率稳定、 调谐范围宽， 输出相位 连续 ； 分辨率高， 转换速度快 ； 输出信号形式可编程， 灵活性大。 0014 基于 DDS 的信号发射电路由 DDS 芯片， 电源电路和多个电阻、 电容、 电感组成。微 处理器将 40 位控制字通过串行。
15、的方式写入 DDS 芯片， DDS 芯片在其管脚 IOUT 根据频率控 制字输出所要求频率的正弦波形。通过多个电阻、 电感、 电容组成一个 7 阶的椭圆滤波器， 将正弦波形接入该滤波器， 滤除杂波。将上述滤波器的输出接到 DDS 芯片的比较器的正输 入端 VINP ； 通过变阻器对电源电路做分压得到一个基准电压， 并将该电压与接入上述比较 器的负输入端 VINN， 通过 VINP 与 VINN 电压进行比较， 在 DDS 芯片的 QOUTB 与 QOUT 得到极 性互补的两个方波信号。 0015 本发明的更进一步目的通过以下技术方案实现的 ： 发射系统的五路输出分为一路 发射输出和四路约束输出。
16、， 各路输出之间保证同极性同相位。一路发射输出布置于掘进工 作面的几何中心， 四路约束输出分别布置与掘进工作面的四边， 各个输出通过发射电极向 掘进工作面供电。 由于各路输出之间保持同极性， 根据电场同性相斥原理， 使发射电极输出 的电场得以约束， 通过控制四路约束输出的大小， 实现电场的动态偏向， 达到异常体的准确 定位。 0016 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 前述的动态 定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统， 其中所述的探测仪器在设计与研制时按照煤 说 明 书 CN 103616727 A 4 3/5 页 5 矿本质安全型设备标准， 采用低耗能、 防爆、。
17、 防震、 防潮性能的电气元件， 保证在煤巷工作面 内的作业安全。 0017 本发明动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统与现有技术相比， 具有明 显的优点与有益效果。借由上述技术方案， 本发明动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测 发射系统， 可达到相当的技术进步性及实用性， 并具有产业上的广泛推广价值， 其至少具有 下列优点 ： 0018 (1) 本发明动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统可输出多达五路同极 性同相位的调制波电流， 包括一路发射输出， 四路约束输出， 输出稳定可靠。 0019 (2) 本发明的超前探测发射系统可以控制各路输出的电流大小， 根据电场同性相 斥原理， 实现电。
18、场的动态扫描， 达到异常体的准确定位。 0020 (3) 本发明的超前探测发射系统基于 DDS 芯片产生逆变驱动信号， 输出波形分辨 率高达 0.005HZ， 输出稳定性好、 频率准确度高。 0021 (4) 本发明的超前探测发射系统基于 IPM 逆变电路将直流电源转换为交流输出， IPM 具有智能快速的自我保护功能， 使整个系统集成度大幅提高， 可靠性安全性得到大幅加 强。 0022 (5) 本发明动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统， 使用本安型电子元 件， 满足煤矿井下特殊环境对电气设备的要求， 安全性能好。 0023 上述说明仅是本发明技术方案的概述， 为了能够更清楚了解本发明的。
19、技术手段， 并可依照说明书的内容予以实施， 以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。 0024 本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。 附图说明 0025 图 1 是本发明系统结构示意图。 0026 图 2 是图 1 所示实例系统的信号产生电路。 0027 图 3 是图 2 所示信号产生电路的滤波电路。 0028 图 4 是图 1 所示实例系统的隔离驱动电路。 0029 图 5 是发射系统在掘进工作面布极示意图。 具体实施方式 0030 为进一步阐述发明为达成发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效， 以 下结合附图及较佳实施例， 对依据本发明提出的动态定向电场激励法煤。
20、巷综掘超前探测发 射系统的具体实施方式、 结构、 特征及其功效， 详细说明如后。 0031 有关本发明的前述及其他技术内容、 特点及功效， 在以下配合参考图示的较佳实 例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明， 可对本发明为达成预定目的所 采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解， 然而所附图示仅是提供参考与说明之 用， 并非用来对本发明加以限制。 0032 本发明较佳实施例的动态定向电场激励法煤巷综掘超前探测发射系统， 如图 1 所 示， 由微处理器 1、 基于 DDS 的信号发生电路 2、 隔离驱动电路 3、 基于 IPM 的逆变电路 4、 稳 流电源 5、 供电电压测量电路。
21、及供电电流测量电路 6、 多路选择开关电路 7、 A/D 转换电路 8、 说 明 书 CN 103616727 A 5 4/5 页 6 键盘电路9、 显示电路10、 报警指示电路11、 电池欠压检测电路12、 复位电路13、 串口通讯电 路组成 14。其中 ： 0033 微处理器 1 与基于 DDS 的信号发生电路 2 连接， 控制 DDS 芯片产生精确的逆变电 路驱动信号， 用以驱动逆变电路输出精确波形。 0034 如图4所示， 隔离驱动电路3在输入信号部分添加了三极管电路， 增强了驱动信号 的驱动能力， 使之可以驱动多达五路的逆变电路， 保证了各路输出之间的同极性和同相位。 通过多个隔离驱。
22、动电路驱动基于 IPM 的逆变电路 4 产生所需频率的调制方波信号。通过稳 流电源 5 对逆变电路进行供电， 使输出电流稳定可控。 0035 供电电压测量电路及供电电流测量电路 6 分别检测各路输出的电压与电流， 通过 微处理器 1 控制多路选择开关电路 7， 选通当前显示的电压电流是哪一路输出， 将该路输出 的电压与电流接入 A/D 转换电路 8， 将模拟量转换为数字量送到微处理器进行处理， 得到当 前各路的输出电压与输出电流。 0036 键盘电路 9 与显示电路 10 与微处理器 1 双向连接， 控制整个系统的各个功能及对 当前系统的工作频率， 各路发射输出的电压电流进行显示、 监控等。报。
23、警指示电路 11、 电池 欠压检测电路 12、 复位电路与微处理器连接 13， 指示当前微处理器的工作状态并对故障信 号等进行报警。串口通讯电路 14 与微处理器 1 双向连接， 实现微处理器与其他相关仪器或 计算机的通讯。 0037 参照图 2， 基于 DDS 的信号发生电路主要基于 DDS 芯片 AD9850 精确输出所需的逆 变电路驱动信号。AD9850 的 CLKIN 端口与有源晶振 J1 相连， 通过有源晶振为 AD9850 产生 外部参考时钟。AD9850 的 W_CLK、 FQ_UP、 RESET、 D7 四个端口与微处理器连接。首先控制 W_ CLK、 FQ_UP、 RESET。
24、 三个端口使 AD9850 进行初始化， 然后通过 D7 端口将 40 位控制字串行写 入 AD9850， 使 AD9850 输出所需的精确的逆变驱动信号。 0038 AD9850 的 40 位控制字包括 32 位用于频率控制， 5 位用于相位控制。1 位用于电源 休眠 （Power down） 控制， 2 位用于选择工作方式。 0039 AD9850 内含可编程 DDS 系统和高速比较器， 能实现全数字编程控制的频率合成。 可编程 DDS 系统的核心是相位累加器， 它由一个加法器和一个 32 位相位寄存器组成。每来 一个外部参考时钟， 相位寄存器便以相位控制字 M 递加。相位寄存器的输出与相。
25、位控制字 相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息， 每 一个地址对应正弦波中 0 360范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映 射成正弦波幅度信号， 然后驱动 DAC 以输出模式量。相位寄存器每过 2N/M 个外部参考时钟 后返回到初始状态一次， 相位地正弦查询表每过一个循环也回到初始位置， 从而使整个 DDS 系统输出一个正弦波。则输出控制字与所需频率之间的关系为 ： 0040 M fOUT*232/fc 0041 其中 M 为程序控制字 ； 0042 fOUT为输出频率 ； 0043 fC为外部时钟频率 ； 0044 AD9850 在接上精密时钟。
26、源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位 都可编程控制的模拟正弦波输出， 此正弦波直接经内部的高速比较器即可转换为方波输 出。通过计算， 在 21.47727MHz 的时钟下， 32 位的频率控制字可使 AD9850 的输出频率分辨 说 明 书 CN 103616727 A 6 5/5 页 7 率达 0.0050Hz ； 并具有 5 位相位控制位， 而且允许相位按增量 180、 90、 45、 22.5、 11.25或这些值的组合进行调整。 0045 参照图 2 与图 3， AD9850 的 IOUT 端口可输出设定频率的正弦波， 该正弦波往往含 有一定的谐波， 因此通过如图 3 形式。
27、的滤波器， 即可在 Z_OUT1 端口得到较为纯净的正弦波 形。将该正弦波通过电阻接到 AD9850 内部的高速比较器的正输入端 VINP， 通过电源 VCC 通过分压电阻 R13 得到比较电压接入 AD9850 的高速比较器的负输入端 VINN， 通过 VINP 与 VINN的电压比较即可在AD9850的QOUT端口与QOUTB端口得到极性互补、 稳定性好、 频率准 确度及频率分辨率高的方波作为逆变驱动信号。 0046 本系统的工作过程 ： 系统开机后进行自动检测， 包括显示屏的初始化和 DDS 的初 始化以及 IPM 逆变驱动模块的上电自检， 自检成功后显示成功信号， 此时可以供电。通过键。
28、 盘电路 9 控制微处理器 1 通过 DDS 信号发生电路 2 产生逆变驱动信号， 再经过隔离驱动电 路 3 实现隔离和控制电源电平转换后直接控制 IPM 逆变驱动模块 4 的开关器件的通断。此 时对 IPM 上电， 系统将稳流电源 5 提供的直流电源通过逆变模块转换为与控制信号一致的 调制的交流方波， 并通过电极输出到掘进工作面。 0047 参照图 5， 发射系统的五路输出分为一路发射输出和四路约束输出。发射输出通 过位于掘进工作面中心的发射电极 A0 向掘进工作面发射频率调制电流。掘进工作面四边 各有三个约束电极， 每边的三个电极作为一组， 四路约束输出通过工作面四边的四组约束 电极将与发。
29、射输出同极性同相位的频率调制电流向掘进工作面供电， 利用电场同性相斥性 质， 使发射电极输出的电场得以约束， 从而控制电场的传播方向。 0048 当四路约束输出大小一致时， 发射电场得以约束， 并在探测前方呈喇叭口状， 可以 使探测电流沿水平方向呈放射状向掘进深处传播。 相对增大掘进工作面的某一边的那组约 束输出的电流强度， 而其他边的约束输出保持不变， 则被约束的电场将偏向该边的另一侧。 同理， 通过控制这四路约束输出的大小， 即可实现发射电场的动态偏向， 从而实现掘进工作 面前方的半空间扫描， 达到异常体的准确定位。 0049 发射同时， 微处理器 1 对一路发射输出的电流及电压及四路约束。
30、电极输出的电流 及电压进行检测， 然后将它们显示在显示电路 10 的显示屏上。通过键盘电路 9 选择当前所 需显示的某路输出的电流与电压， 通过微处理器1控制多路选择开关7选通该路采集信号， 并通过 A/D 转换电路 8 对其进行采集。IPM 内部具有自我保护功能， 当出现突发情况， 如输 出过压、 电流或短路等情况时， IPM 将向微处理器 1 输出故障报警信号 F0。此时， 微控制器 1 切断控制信号， 使基于 IPM 的逆变电路 4 关断， 保护整个发射系统。 0050 以上所述， 仅是本发明的较佳实施例而已， 并非对本发明作任何形式上的限制， 虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明， 任何熟悉本专业的技术人 员， 在不脱离本发明技术方案范围内， 当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例， 但凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明的技术实质 对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化与修饰， 均仍属于本发明技术方案的范围内。 说 明 书 CN 103616727 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103616727 A 8 2/2 页 9 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103616727 A 9 。