一种矿用本安型电阻率监测系统的制作方法

1.本发明属于矿山水害监测预警技术领域，涉及一种监测系统，具体涉及一种矿用本安型电阻率监测系统。


背景技术：

2.我国是煤炭开采地质条件最为复杂的国家，在煤炭开采过程中经常受到水害威胁，给国家能源安全和国民经济稳定发展带来隐患[1]。目前，矿山水害监测预警主要手段有光纤多参数传感、微震及电阻率法监测等[2]，且最新《煤矿防治水细则》要求对于水文地质类型复杂矿井须开展电法与微震耦合的水害监测预警[3]。矿井电阻率法作为煤矿井下地质安全保障技术的一种重要手段，在煤层顶、底板破坏及水害监测中的应用已有十余年的历史[4]。矿井电阻率法监测是在巷道围岩布设电极，并向围岩供入电流建立人工电场，测量围岩受采动和富水性变化影响下的人工电场，根据电场的异常响应变化规律对工作面水害是否发生进行判断
[2]
。科研工作者在矿井电阻率法监测方面[4-7]开展了大量研究，并在煤矿井下的应用中取得了一定的地质效果。但是受煤矿防爆限制，电阻率监测系统的采集效率、抗电磁干扰能力、小信号分辨能力和系统重复性等问题一直没有得到很好地解决[2]。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于，提供及一种高效采集、高分辨率，性能稳定的井下无人值守，地面远程控制的矿用本安型电阻率监测系统，为矿井顶、底板水害监测预警提供良好的装备支撑。
[0004]
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
[0005]
一种矿用本安电阻率监测系统，其特征在于，主要由地面设备和井下本安设备组成，其中：
[0006]
所述地面设备由地面服务器和配套地面光端机，以及服务器上安装的配套监控与数据处理软件、数据库、动态成像软件组成；用于完成远程控制监测分站测点间智能电流供电与电位差采集，并完成监测数据的读取、存储、预处理及视电阻率相关辨识，以及视电阻率的动态成像；
[0007]
所述井下本安设备由矿用本安型交换机及配套隔爆兼本安电源，通信光纤，两个收发一体监测分站及配套隔爆兼本安直流稳压电源，以及两个监测大线与若干电极组成：其中：
[0008]
矿用本安型交换机用于完成监测分站与地面服务器之间的信号传输；通信光纤用于井下监测站与地面服务器之间的数据传输；
[0009]
两个收发一体监测分站为低频交流发射与全波形采集一体监测分站，如果收发一体监测分站设置为低频交流发射监测站，则用于完成地面服务器设置的指定基频的多个低频交流人工场源信号同步发射，智能供电电极切换等指令的执行，并将发射监测分站对应
电极的发射电流值发送至地面服务器，同时根据监测电流值，实时调整接入限流电阻；如果收发一体监测分站设置为全波形接收监测分站，则用于完成地面服务器设置的智能接收电极切换，接收信号调理和低噪声全波形数据采集，并将对应测试点电极的采集电压差值发送至地面服务器；
[0010]
监测大线与电极，用于完成场源的建立，感应信号的收集，通过电缆大线将各电极连接至收发一体监测分站；
[0011]
隔爆兼本安型电源，用于井下配套设备的本质安全供电。
[0012]
根据本发明，所述地面服务器远程监控软件将两个收发一体监测分站依次轮流设置为发射与接收分站；其中，发射分站通过服务器设置的发射功能，智能将指定基频的多个低频电流通过大线及电极向地下指定测点间依次供入，建立人工电场，并监测相应各测点的供电电流传回地面服务器；接收分站通过服务器设置的功能，通过大线及电极智能将地下指定测点间电场电位差依次全波形采集，并将采集到的电位差传回地面服务器；地面服务器中安装的监控与数据处理软件将设置参数、各测点间的监测电流、电位差存入数据库中，动态成像软件定时从数据库中读取更新数据，动态更新视电阻率成像。
[0013]
具体地，所述的两个收发一体监测分站主要由cpu、多频同步发射模块、智能电极控制模块、高性能采集模块、光网络模块组成，并由配套的低噪声隔爆兼本安直流稳压电源供电，由光纤与地面服务器通信，其中：
[0014]
多频同步发射模块包括多频同步驱动波形生成，以及包含隔离驱动电路、全桥变换电路、双重限流保护电路以及dc/dc变换器的本安型高压输出电路；
[0015]
智能电极控制模块用于实现智能识别监测分站的发射与接收模式，将布置于围岩的任意两个电极按监测系统数据采集流程智能接入供电监测分站的发射模块输出端或采集分站的采集模块输入端；智能电极控制模块设计电极奇偶编号，采用树形设计，使用33个极化自保持式信号继电器实现30组任意2个电极的接入与对应功能切换，通过arm cortex-m3控制继电器阵列的通断，将监测电极与收发一体监测分站对应输入与输出端口连接；当电极被设置为发射模式时，为防止发射电路限流保护，通过测试得到的视电阻率自动匹配0ω、560ω、1120ω和1680ω的接地电阻。
[0016]
优选地，所述智能电极控制模块主要由主控模块，继电器驱动模块、收发模式控制继电器模块、指定电极控制继电器模块、接地电阻匹配继电器模块组成，其中：
[0017]
主控模块为能独立运行程序及控制外围电路的stm32最小系统电路，主要包括stm32f103c8t6芯片、外围电路、晶振电路、复位电路、状态指示灯、swd烧录接口，以及电源接口，且所述stm32最小系统电路的i/o输入/输出均采用光耦隔离输入/输出，防止外部强信号干扰；
[0018]
继电器驱动模块包括：第一串行转并行电路，第二串行转并行电路，功率匹配芯片和钳位保护二极管；
[0019]
收发模式控制模块根据监测分站接收到的命令设置监测分站模式，通过v23079功率继电器和前述的继电器驱动电路实现监测分站的收发模式控制；
[0020]
指定电极控制继电器模块采用树形结构，通过31个高灵敏度，低能耗，双刀双掷，极化自保持式信号的继电器级联实现了30组60个电极的自动功能切换；其中，前面一级的2个输出，分别接后面一级的2个继电器的输入，依次级联5级；
[0021]
接地电阻匹配继电器模块由两个继电器级联实现。
[0022]
进一步地，所述高性能数据采集模块主要包括瞬态抑制保护模块、模拟信号调理模块、模数转换模块、光电隔离模块及fpga主控电路；工作过程中，收发一体监测分站通过电极获取被测电极间的电位差信号，通过瞬态抑制保护模块、信号调理模块对信号进行滤波放大，然后通过ad7760进行采集，并由fpga接收缓存、处理，通过以太网接口传输至地面服务器显示、存储；地面服务器同时通过以太网传输指令实现对采样接口传输速率、ad的内部抽样率、前放增益控制；且收发一体监测分站在工作过程中通过光电隔离模块将数字电路与模拟电路完全电隔离。
[0023]
本发明的矿用本安电阻率监测系统，通过多频同步发射、智能电极控制技术高性能信号采集技术、低噪声电源设计和地电相关电阻率辨识算法等软硬件相关融合降噪方法，显著提高了系统的抗干扰能力、小信号分辨能力和系统重复性。经测试系统抗电磁干扰能力可达60db，动态范围可达120db,小信号分辨率可达5μv，数据重复性可达4.05％。本系统的开发为矿井顶、底板水害监测预警提供良好的装备支撑。
附图说明
[0024]
图1为本发明的矿用本安型电阻率监测系统组成示意图；
[0025]
图2为收发一体监测分站系统原理图；
[0026]
图3为多频同步发射电路原理示意图；
[0027]
图4为智能电极控制模块原理图；
[0028]
图5为第一串行转并行电路图；
[0029]
图6为74hc595级联示意图；
[0030]
图7为继电器驱动电路示意图；
[0031]
图8为钳位保护电路图；
[0032]
图9为收发模式控制模块示意图；
[0033]
图10为系统中接入指定2个电极控制继电器模块；
[0034]
图11接地电阻匹配继电器模块示意图；
[0035]
图12为采集电路原理图；
[0036]
图13为低噪声本安电路原理示意图；
[0037]
图14为地电相关辨识算法流程图；
[0038]
图15为试验观测装置。
[0039]
图16为试验观测结果。
[0040]
以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。
具体实施方式
[0041]
需要说明的是，在以下实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0042]
1、工作原理及系统组成
[0043]
1.1工作原理
[0044]
矿井电阻率法监测技术中常用的探测方法有高密度电法、孔间电阻率ct、孔-巷间电阻率ct、巷道电法透视等[5]，为满足煤矿防爆要求，矿井电阻率法监测系统向围岩供入的电流功率必须限制在本质安全范围内，且井下电磁干扰较大，传统直流供电方法信噪比太低，测试效率低，总体监测效果差；因此，采用多个低频交流信号同步发射替代直流信号作为供电电源，以提高系统的测试能力与采集效率，并采用电透视的观测方法展开电阻率实时监测。
[0045]
矿用本安型电阻率监测系统的工作原理是：地面服务器远程监控软件将第一收发一体监测分站1与第二收发一体监测分站2依次轮流设置为发射与接收分站，发射分站通过服务器设置的发射功能，智能将指定基频的多个低频电流通过大线及电极向地下指定测点间依次供入，建立人工电场，并监测相应各测点的供电电流传回地面服务器；接收分站通过服务器设置的功能，通过大线及电极智能将地下指定测点间电场电位差依次全波形采集，并将采集到的电位差传回地面服务器；地面服务器中安装的监控与数据处理软件将设置参数、各测点间的监测电流、电位差等存入数据库中，动态成像软件定时从数据库中读取更新数据，动态更新视电阻率成像。
[0046]
1.2监测系统组成
[0047]
参见图1，本实施例给出一种矿用本安型电阻率监测系统。主要由地面设备和井下本安设备组成，其中：
[0048]
所述地面设备由地面服务器和配套地面光端机，以及服务器上安装的配套监控与数据处理软件、数据库、动态成像软件组成；用于完成远程控制监测分站测点间智能电流供电与电位差采集，并完成监测数据的读取、存储、预处理及视电阻率相关辨识，以及视电阻率的动态成像；
[0049]
所述井下本安设备由矿用本安型交换机及配套隔爆兼本安电源，通信光纤，第一收发一体监测分站1及配套隔爆兼本安直流稳压电源，第二收发一体监测分站2及配套隔爆兼本安直流稳压电源，以及两个监测大线与若干电极组成：其中：
[0050]
矿用本安型交换机用于完成监测分站与地面服务器之间的信号传输；通信光纤用于井下监测站与地面服务器之间的数据传输；
[0051]
两个收发一体监测分站为低频交流发射与全波形采集一体监测分站，如果收发一体监测分站设置为低频交流发射监测站，则用于完成地面服务器设置的指定基频的多个低频交流人工场源信号同步发射，智能供电电极切换等指令的执行，并将发射监测分站对应电极的发射电流值发送至地面服务器，同时根据监测电流值，实时调整接入限流电阻；如果收发一体监测分站设置为全波形接收监测分站，则用于完成地面服务器设置的智能接收电极切换，接收信号调理和低噪声全波形数据采集，并将对应测试点电极的采集电压差值发送至地面服务器；
[0052]
监测大线与电极，用于完成场源的建立，感应信号的收集，通过电缆大线将各电极连接至收发一体监测分站；
[0053]
隔爆兼本安型电源，用于井下配套设备的本质安全供电。
[0054]
在本领域，地面硬件设备、井下通信设备等为已有成熟设备，因此，本实施例主要涉及开发收发一体监测分站及其配套的隔爆兼本安型直流稳压电源、地面服务器用监控与数据处理软件及配套数据库。其关键技术难点是：收发一体监测分站中用于提高数据采集
效率的多频同步发射技术、电极功能与接入次序的电极智能控制技术；高分辨率、强抗电磁干扰、重复性好的高性能数据采集技术，收发一体监测分站配套低噪声本安型电源电路，以及地面服务器中监控与数据处理软件的视电阻率有效辨识技术等。
[0055]
2、关键技术
[0056]
2.1收发一体监测分站组成
[0057]
收发一体监测分站主要由cpu、多频同步发射模块、智能电极控制模块、高性能采集模块、光网络模块等组成，并由配套的低噪声隔爆兼本安直流稳压电源供电，由光纤与地面服务器通信，其原理图如图2所示。
[0058]
2.1.1多频同步发射模块
[0059]
多频同步发射模块建立在多频同步发射技术上，主要包括多频同步驱动波形生成，以及包含隔离驱动电路、全桥变换电路、双重限流保护电路以及dc/dc变换器等的本安型高压输出电路，电路原理示意图如图3所示。
[0060]
(1)多频同步驱动波形生成
[0061]
为提高信号的采集效率，发明人引入2n伪随机编码序列[8]，即一次可以同步发射n个主频，本实施例中，选用单频、3频或5频波，通过arm cortex-m3预存储2n序列，并通过设置arm cortex-m3的高级定时器脉冲宽度调整(pwm)模式的频率与占空比，产生基频为128、64、32、16、8、4、2、1、0.48、0.24、0.12hz的单频、3频或5频等多频同步驱动方波。
[0062]
(2)本安型高压输出电路实现
[0063]
根据gb3836对煤矿井下防爆的要求，考虑到煤层的接触电阻一般在1k～2k欧姆之间，为提高系统的有效信号检测能力，高功率输出电路设计为最大发射开路电压90
±
5v，最大供电电流50
±
5ma。如图2所示，多频同步发射由dc/dc变换器将直流稳压9v电源变成100v，然后通过双重限流保护电路送入全桥变换电路，再被多频同步波形驱动输出。经安标认证性能测试：发射频率误差为
±
0.05hz，发射开路电压为90
±
5v，发射电流重复误差≤1％，最大发射电流为50
±
5ma。
[0064]
2.1.2智能电极控制模块
[0065]
参见图4，智能电极控制模块用于实现智能识别监测分站的发射与接收模式，将布置于围岩的任意两个电极按监测系统数据采集流程智能接入供电监测分站的发射模块输出端或采集分站的采集模块输入端。智能电极控制模块设计电极奇偶编号，采用树形设计方法，使用了33个极化自保持式信号继电器实现了30组任意2个电极的接入与对应功能切换，通过arm cortex-m3控制继电器阵列的通断，将监测电极与监测分站对应输入与输出端口连接。当电极被设置为发射模式时，为防止发射电路限流保护，通过测试得到的视电阻率自动匹配0ω、560ω、1120ω和1680ω的接地电阻。
[0066]
智能电极控制模块主要由主控模块，继电器驱动模块、收发模式控制继电器模块、指定电极控制继电器模块、接地电阻匹配继电器模块组成。
[0067]
主控模块设计为能独立运行程序及控制外围电路的stm32最小系统电路，主要包括stm32f103c8t6芯片、外围电路、晶振电路、复位电路、状态指示灯、swd烧录接口，以及电源接口等，且stm32最小系统电路的i/o输入/输出均采用光耦隔离输入/输出，防止外部强信号干扰。
[0068]
主控模块输出包括：17脚74hc595en、23脚spi1_mosi、21脚spi1_sck、20脚stb_
out。
[0069]
本实施例中，采用高灵敏度，低能耗的v23079继电器作为主要控制元件，其为一款双刀双掷继电器。
[0070]
继电器驱动模块包括：第一串行转并行电路，第二串行转并行电路，功率匹配芯片和钳位保护二极管。继电器驱动电路如图7所示。
[0071]
第一串行转并行电路图如图5所示，第一串行转并行电路的芯片采用74hc244，其为8路线路驱动器u43，用于单向数据扩展，74hc244也用做隔离器。通过配置选通工作信号1g和2g都为低电平，将输出端y和输入端a状态设置相同。具体设置如下表：
[0072][0073][0074]
第二串行转并行电路由u44～u53等10个74hc595级联实现(如图6)。74hc595是一个8位串行输入并行输出的位移缓存器。74hc595移入数据和输出数据是两个独立过程，互不干扰。具体设置如下表：
[0075][0076][0077]
实现方法：
[0078]
第一步：将要准备输入的位数据移入74hc595数据输入端上；
[0079]
方法：送位数据到74hc595；
[0080]
第二步：将位数据逐位移入74hc595，即数据串行输入；
[0081]
方法：srclk产生一上升沿，将ser上的数据移入74hc595移位寄存器中，先送低位，后送高位，并由q7’输出；
[0082]
第三步：并行输出数据缓存，即数据并行输出到缓存器；
[0083]
方法：rclk产生一上升沿，将由ser上已移入数据寄存器中的数据送入到输出锁存器。
[0084]
第四步：并行输出缓存器所存储的数据；
[0085]
方法：使能e的控制信号为低使能，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的数据值。
[0086]
功率匹配芯片。为了使前端低逻辑电平数字电路驱动功率继电器，在逻辑电平与继电器之间加入功率匹配芯片用于功率放大，采用10个uln2803八重达林顿晶体管阵列实现功率匹配，其u54-u63脚1～8为in，与对应u44-u53的1-7&15脚的out(1+8n)-out(8+8n)连接，对应的脚18，17，16，15，14，13，12，11为out，输出setx与resetx，与u1～u40的setx与resetx连接。9脚接地，10脚为8路输出的续流二极管公共端，接继电器正电源+5v。
[0087]
钳位保护，采用d2～d81共80个小型的高速开关二极管in4148，实现钳位保护，具体设置如图8(注：其中仅示出了d76～d81高速开关二极管in4148)。
[0088]
收发模式控制模块如图9所示，是根据收发一体监测分站接收到的命令设置监测分站模式设计的，通过v23079功率继电器和前述的继电器驱动电路实现收发一体监测分站的收发模式控制，当接收命令为接收模式时，继电器u1的第7引脚自动设置为set，将电极控制模块接入系统的2个电极的u3第4，9引脚分别与采集板sinm与sinn的输入接口连接，此时系统采集被接入的两个电极之间的人工电场电位差；当命令为发射模式时，u1的第9引脚被自动设置为reset，将电极控制模块接入系统的2的个电极的u3第4，9引脚分别与发射板的高压输出端接口fa与fb连接，将系统多频交流同步电流供入被连接的两个电极之间，在矿井下面地面产生多频同步人工电场。
[0089]
指定2个电极控制继电器模块切换如图10所示，每个收发一体监测分站同时只有两个电极被接入系统用作向大地供入电流或采集大地电位差。收发一体监测分站可以根据接收到的命令，通过设置u3～u33对应继电器的第7引脚set和第9引脚reset来实现任意2个电极的接入。
[0090]
由于电极一经埋于监测区域，就不方便拆装，为了根据监测实际情况实时调整监测密度，所以电极控制继电器模块设置了任意2个电极可随时接入系统，即u3第4，9引脚接入系统，具体方案采用树形结构，通过u3～u33等31个高灵敏度，低能耗，双刀双掷，极化自保持式信号的v23079继电器级联实现了30组60个电极的自动功能切换。其中，前面一级的2个输出，分别接后面一级的2个继电器的输入，依次级联5级。
[0091]
接地电阻匹配继电器模块如图11所示，是由u36和u37两个继电器级联实现，是通过测试的供电电流的值与本安限流保护电流值相比，如果测试值远小于本安保护电流值，通过设置u36 reset，u36 reset使系统接入0ω的限流电阻；如果测试值远接近本安保护电流值，设置u37 reset，u36 set，系统接入560ω的限流电阻；如果供电电源已保护，且测试值远略大于本安保护电流值，设置u37 set，u36 reset，系统接入1120ω的限流电阻；如果供电电源已保护，且测试值比本安保护电流值大许多，设置u37 set，u36set，系统接入1680ω的限流电阻。
[0092]
2.1.3高性能数据采集模块
[0093]
由于本实施例的矿用本安型电阻率监测系统在煤矿井下工作，电磁环境恶劣，且监测电极需要与煤地层紧密耦合，矿用本安型电阻率监测系统会引入强电磁干扰。为保护信号输入电路，并提升信号采集质量，保证矿用本安型电阻率监测系统可靠稳定地工作，高性能数据采集模块需要设计前端保护电路、模拟信号调理电路、模数转换电路、光电隔离电路等。本实施例中，高性能数据采集模块如图12所示，主要包括瞬态抑制保护模块、模拟信号调理模块、模数转换模块、光电隔离模块及fpga主控电路等。工作过程中，收发一体监测分站通过电极获取被测电极间的电位差信号，通过瞬态抑制保护模块、模拟信号调理模块
对信号进行滤波放大，然后通过ad7760进行采集，并由fpga接收缓存、处理，通过以太网接口传输至地面服务器显示、存储等。地面服务器同时可以通过以太网传输指令实现对采样接口传输速率、ad的内部抽样率、前放增益等控制；且监测站在工作过程中通过光电隔离技术将数字电路与模拟电路完全电隔离。
[0094]
(1)保护电路
[0095]
监测信号输入电极接在井下煤层上，很容易接收到来自井下电网的瞬态高能量浪涌冲击，为了吸收瞬态高能量浪涌冲击功率，本实施例的矿用本安型电阻率监测系统设计了保护电路，即使用背对背bav99二极管瞬态抑制保护电路，使两级间的电位嵌在一个预定值，以便有效保护电路中的精密元器件。
[0096]
(2)调理电路
[0097]
本实施例的矿用本安型电阻率监测系统的有效信号往往在毫伏至微伏级水平。为了有效抑制干扰信号，提高信号采集精度，必须对输入信号进行调理，并将有效信号放大到adc的线性量化区中心附近。如图12所示，矿用本安型电法监测系统的调理电路由前端到后端设计为程控一级放大电路、50hz陷波电路及程控二级放大电路。
[0098]
两级放大电路。由于本实施例的矿用本安型电阻率监测系统采集信号很小，一般在几微伏至几毫伏，所以必须设计大比例放大电路。本实施例的本安型电法监测系统选用级联一级ad8253放大电路和二级放pga205放大电路对接收电极信号进行组合放大。ad8253是一款ad公司的数字可编程增益仪表放大器，具有1、10、100、1000四档放大倍数，具有gω级高输入阻抗、高共模抑制比、低输出噪声、低失真的特性，同时，具有较好的共模抑制能力和精密直流性能与高速能力结合的特点，非常适合于小信号数据采集应用。pga205是一款ti公司生产的可编程增益仪表放大器，具有1、2、4、8四档放大倍数，可与一级信号放大电路组合出1～8000倍的多种放大倍率的信号调理电路。本系统通过预采样数据计算较接近的ad8253与pga205放大倍数组合，然后由fpga分别控制两个仪表放大器的倍数。在同一监测环境，在数据跳变不明显的情况下，监测后一般不改变增益倍数。
[0099]
50hz陷波电路。虽然信号调理电路中两级仪表放大器都选用低噪声放大器，并都具有很高的共模抑制比，但在实际测量时，仅放大调理电路很难消除50hz的工频干扰。所以本系统在一级与二级放大电路中间设计了50hz陷波电路，以消除工频干扰，改善信号采集质量。本设计中的50hz陷波电路选用uaf42芯片，相比于传统的双t型陷波器，免去了陷波中心频率的调试，其辅助运放将高通滤波器和低通滤波器的输出相加，得到陷波器[9]。如下式(1)，陷波器陷波频率f
trap
为：
[0100][0101]
式中，f
trap
为陷波频率；a
lp
为低通滤波器增益；a
hp
为高通滤波器的增益；一般取(a
lp
/a
hp
)
·
(r
17
/r
15
)＝1，因此陷波器的陷波频率f
trap
为：f
trap
＝f1。
[0102]
在实际煤矿井下应用时，井下工业电网频率往往会有偏差。因此，采用了2个uaf42级联的方式陷波，陷波中心频率分别为49.8hz和50.2hz。
[0103]
(3)光电隔离电路
[0104]
光电隔离电路主要是发挥光电耦合器的作用，对输入、输出渠道与中心位置做到分开隔离，具体表现形式是光电耦合器能够将产生的信号通过内部构件使其成为光信号，然后再将其转化为电信号，进一步使输入、输出信号进行相应的电隔离，可有效提升系统的抗干扰能力[10]。本设计中，光电隔离电路采用tpl521-4光耦合器件及adum1200数字隔离器实现控制模拟电路和数字电路的隔离，提升电路安全性。
[0105]
(4)模数转换电路
[0106]
本设计中，模数转换电路采用ad7760进行高精度采集，ad7760是24位差分方式模数转换芯片，最高采样率为2.5msa/s，动态范围大于100db,常被用于高精度的微弱信号采集。
[0107]
2.2低噪声本安电源电路
[0108]
本实施例的矿用本安型电阻率监测系统本安电源电路必须采用两级保护，即在一级故障的状态下，电路依然能满足本质安全的要求。常用的本安保护电路是通过稳压或限流技术来限制能量，通过实验对比，限流型保护电路设计简单，可靠性高；而稳压型保护电路采用可编程限流值低压差线性稳压器可精确限制电流，输出电压稳定，可负载能力较强，纹波很小，更适合于给小信号检测电路供电
[11]
。采用正负电源分开设计，首先通过环形变压器、整流桥堆及电容将其降压整流滤波，随后通过两级线性稳压器构成稳压型本安保护电路，实现本安输出，设计的低噪声本安电路原理如图13所示。通过试验测试，采用限流型电源供电时，矿用本安型电阻率监测系统的采集板本底噪声为100μv(v
p-p
)以上，而采用稳压型电源供电时，矿用本安型电阻率监测系统的采集板本底噪声下降到5μv(v
p-p
)以下，矿用本安型电阻率监测系统小信号分辨率可达5μv，改善效果非常明显，电源性能的改善保证了矿用本安型电阻率监测系统对于微弱信号的采集分辨率。
[0109]
2.3地电相关辨识技术
[0110]
采用伪随机序列为激励信号波形，利用互相关法辨识待辨识系统的频率响应是一种应用广泛的系统辨识方法
[12]
。如图14所示，本实施例中，基于循环互相关辨识频率响应的方法，采用计算机生产的2n序列作为参考信号，分别与地电系统的供电电流信号i(t)做自相关，与系统输出信号δu(t)做循环互相关，由循环相关时间序列的fft变换得到自功率谱与互功率谱，通过互功率谱与自功率谱的比值恢复出系统的各频率响应，即辨识出矿用本安型电阻率监测系统各频率下的视电阻率。
[0111]
3、测试试验及工业性试验
[0112]
3.1防爆性能测试
[0113]
a)监测分站最大采集信号测试。将监测分站的采集频率设置为4khz，由函数信号发生器给监测分站提供频率为15.63hz，有效值为500mv的信号，监测分站采集10次并取平均，可测出有效值为500mv的不失真信号。
[0114]
b)监测分站最小采集信号测试。将监测分站的采集频率设置为4khz，由函数信号发生器经过分压电路向监测分站提供频率为15.63hz，有效值为5μv的信号，采集10次信号并取平均，可测出有效值为5μv(rms)的不失真信号。
[0115]
c)动态范围测试。矿用本安型电阻率监测系统动态范围表示为器件满量程采集的均方根与输入短路时均方根噪声之比，可以用来表示系统可采集最大值和最小值的关系，单位为db。动态范围越大，表示信号的可采集精度越高，动态范围通常计算公式见式(2)。
[0116][0117]
式中：a
rmsmax
为可采集最大信号幅值，矿用本安型电阻率监测系统可采集的最大采集信号幅值为500mv；a
rmsmin
为可采集的最小信号幅值，本系统的最小可采集信号幅值为5μv。测得动态范围120db。
[0118]
d)矿用本安型电阻率监测系统接收信号幅值重复测量误差：在收发一体监测分站接收端用输入幅值20μv、频率15.63hz的正弦波，模拟采集试验，重复进行5次，按照以下式(3)计算重复误差。
[0119][0120]
式中：vi为监测分站测量值，n为测量次数，δv为重复误差，本实施例的矿用本安型电阻率监测系统重复测试误差≤5％。
[0121]
3.2可靠性试验
[0122]
在某电厂旁边强电磁干扰环境下进行本实施例的矿用本安型电阻率监测系统对比试验，采用单极发射、偶极接收的工作模式，试验观测装置如图15所示。
[0123]
3.2.1.抗电磁干扰能力试验
[0124]
在试验场采集了2次背景噪声，整体背景噪声强度较大，在硬件滤波后，采集的背景噪声整体背景噪声强度较大，均值达mv量级；通过互相关提取的15hz背景噪声强度较小，基本不超过2μv，表明该矿用本安型电阻率监测系统对干扰电流的衰减抑制比可达60db。
[0125]
3.2.2.重复性试验
[0126]
采用先完成一整条测线的8个点观测，再对整条测线进行重复观测的实验步骤，总共完成9次观测。单频点15hz的观测结果如图16(a)所示，单个测点数据的相对标准偏差不超过3.85％；并在同一试验地间隔10天进行同一步骤观测，3频波的16hz、8hz和4hz频点观测结果如图16(b)所示，从图上看出矿用本安型电阻率监测系统的数据重复性很好。
[0127]
通过上述矿用本安型电阻率监测系统的性能测试，抗干扰能力和重复性试验，验证了该矿用本安型电阻率监测系统最小分辨率可达5μv，对干扰电流的衰减抑制比可达60db，且重复性很好。
[0128]
3.3工业性试验
[0129]
发明人将本实施例的矿用本安型电阻率监测系统，先后在葛泉煤矿回采工作面底板、上湾煤矿回采工作面顶板等多个工作面进行电阻率监测工业性试验，并通过监测工作面回采过程中顶、底板电阻率变化对水害风险进行判识。井下工业性试验结果显示，所述矿用本安型电阻率监测系统可以有效捕捉顶、底板的突水前兆信息，详见文献[4,13,14]。
[0130]
4、结论
[0131]
通过多频同步发射技术，智能电极控制技术，高性能数据采集技术、低噪声电源设计和地电相关电阻率辨识算法等软硬件相关融合降噪方法，申请人开发了井下恶劣电磁环境下有效监测的矿用本安型电阻率监测系统；通过试验测试，验证了该矿用本安型电阻率监测系统性能好，抗电磁干扰能力强，重复性好；同时，该矿用本安电阻率监测系统采用智能电极控制技术和成熟的光纤网络通信技术实现了井下无人值守，地面远程控制的实时数
据采集。通过井下工业性试验验证了该矿用本安电阻率监测系统可以有效捕捉顶、底板突水前兆信息。
[0132]
本实施例的矿用本安型电阻率监测系统，实现了采动工作面水害隐患的地质透明化，顺应智能化、无人化工作面的发展趋势，在工作面水害防治、覆岩破坏与帷幕薄弱带等监测领域有着广阔的应用前景[4,15,16]，但在实际应用过程中，该矿用本安型电阻率监测系统依旧面临着电极与煤岩体电性耦合不稳定的情形，以及采空区监测线缆难以保护等问题，还需要对该矿用本安型电阻率监测系统进一步优化，并开展相关试验研究工作。
[0133]
5、参考文献
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技术特征：
1.一种矿用本安电阻率监测系统，其特征在于，主要由地面设备和井下本安设备组成，其中：所述地面设备由地面服务器和配套地面光端机，以及服务器上安装的配套监控与数据处理软件、数据库、动态成像软件组成；用于完成远程控制监测分站测点间智能电流供电与电位差采集，并完成监测数据的读取、存储、预处理及视电阻率相关辨识，以及视电阻率的动态成像；所述井下本安设备由矿用本安型交换机及配套隔爆兼本安电源，通信光纤，两个收发一体监测分站及配套隔爆兼本安直流稳压电源，以及两个监测大线与若干电极组成：其中：矿用本安型交换机用于完成监测分站与地面服务器之间的信号传输；通信光纤用于井下监测站与地面服务器之间的数据传输；两个收发一体监测分站为低频交流发射与全波形采集一体监测分站，如果收发一体监测分站设置为低频交流发射监测站，则用于完成地面服务器设置的指定基频的多个低频交流人工场源信号同步发射，智能供电电极切换等指令的执行，并将发射监测分站对应电极的发射电流值发送至地面服务器，同时根据监测电流值，实时调整接入限流电阻；如果收发一体监测分站设置为全波形接收监测分站，则用于完成地面服务器设置的智能接收电极切换，接收信号调理和低噪声全波形数据采集，并将对应测试点电极的采集电压差值发送至地面服务器；监测大线与电极，用于完成场源的建立，感应信号的收集，通过电缆大线将各电极连接至收发一体监测分站；隔爆兼本安型电源，用于井下配套设备的本质安全供电。2.如权利要求1所述的矿用本安电阻率监测系统，其特征在于，所述地面服务器远程监控软件将两个收发一体监测分站依次轮流设置为发射与接收分站；其中，发射分站通过服务器设置的发射功能，智能将指定基频的多个低频电流通过大线及电极向地下指定测点间依次供入，建立人工电场，并监测相应各测点的供电电流传回地面服务器；接收分站通过服务器设置的功能，通过大线及电极智能将地下指定测点间电场电位差依次全波形采集，并将采集到的电位差传回地面服务器；地面服务器中安装的监控与数据处理软件将设置参数、各测点间的监测电流、电位差存入数据库中，动态成像软件定时从数据库中读取更新数据，动态更新视电阻率成像。3.如权利要求1所述的矿用本安电阻率监测系统，其特征在于，所述的两个收发一体监测分站主要由cpu、多频同步发射模块、智能电极控制模块、高性能采集模块、光网络模块组成，并由配套的低噪声隔爆兼本安直流稳压电源供电，由光纤与地面服务器通信，其中：多频同步发射模块包括多频同步驱动波形生成，以及包含隔离驱动电路、全桥变换电路、双重限流保护电路以及dc/dc变换器的本安型高压输出电路；智能电极控制模块用于实现智能识别监测分站的发射与接收模式，将布置于围岩的任意两个电极按监测系统数据采集流程智能接入供电监测分站的发射模块输出端或采集分站的采集模块输入端；智能电极控制模块设计电极奇偶编号，采用树形设计，使用33个极化自保持式信号继电器实现30组任意2个电极的接入与对应功能切换，通过arm cortex-m3控制继电器阵列的通断，将监测电极与收发一体监测分站对应输入与输出端口连接；当电极被设置为发射模式时，为防止发射电路限流保护，通过测试得到的视电阻率自动匹配0ω、
560ω、1120ω和1680ω的接地电阻。4.如权利要求3所述的矿用本安电阻率监测系统，其特征在于，所述智能电极控制模块主要由主控模块，继电器驱动模块、收发模式控制继电器模块、指定电极控制继电器模块、接地电阻匹配继电器模块组成，其中：主控模块为能独立运行程序及控制外围电路的stm32最小系统电路，主要包括stm32f103c8t6芯片、外围电路、晶振电路、复位电路、状态指示灯、swd烧录接口，以及电源接口，且所述stm32最小系统电路的i/o输入/输出均采用光耦隔离输入/输出，防止外部强信号干扰；继电器驱动模块包括：第一串行转并行电路，第二串行转并行电路，功率匹配芯片和钳位保护二极管；收发模式控制模块根据监测分站接收到的命令设置监测分站模式，通过v23079功率继电器和前述的继电器驱动电路实现监测分站的收发模式控制；指定电极控制继电器模块采用树形结构，通过31个高灵敏度，低能耗，双刀双掷，极化自保持式信号的继电器级联实现了30组60个电极的自动功能切换；其中，前面一级的2个输出，分别接后面一级的2个继电器的输入，依次级联5级；接地电阻匹配继电器模块由两个继电器级联实现。5.如权利要求3所述的矿用本安电阻率监测系统，其特征在于，所述高性能数据采集模块主要包括瞬态抑制保护模块、模拟信号调理模块、模数转换模块、光电隔离模块及fpga主控电路；工作过程中，收发一体监测分站通过电极获取被测电极间的电位差信号，通过瞬态抑制保护模块、信号调理模块对信号进行滤波放大，然后通过ad7760进行采集，并由fpga接收缓存、处理，通过以太网接口传输至地面服务器显示、存储；地面服务器同时通过以太网传输指令实现对采样接口传输速率、ad的内部抽样率、前放增益控制；且收发一体监测分站在工作过程中通过光电隔离模块将数字电路与模拟电路完全电隔离。

技术总结
本发明公开了一种矿用本安电阻率监测系统，包括地面设备和井下本安设备，地面设备由地面服务器和配套地面光端机，以及服务器上安装的配套监控与数据处理软件、数据库、动态成像软件组成；用于远程控制监测分站测点间智能电流供电与电位差采集，并完成监测数据的读取、存储、预处理及视电阻率相关辨识，以及视电阻率的动态成像；井下本安设备由矿用本安型交换机及配套隔爆兼本安电源，通信光纤，两个收发一体监测分分站及配套隔爆兼本安直流稳压电源，以及两个监测大线与若干电极组成：矿用本安型交换机用于监测分站与地面服务器之间的信号传输；通信光纤用于井下监测站与地面服务器之间的数据传输。为矿井顶、底板水害监测预警提供良好的装备支撑。预警提供良好的装备支撑。预警提供良好的装备支撑。


技术研发人员：宁殿艳 王冰纯 鲁晶津 赵兆 李渊 范涛
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：2023.01.09
技术公布日：2023/6/27