一种矿用本安型电阻率监测系统的接收装置的制作方法

1.本实用新型属于矿井水害监测预警技术领域，具体涉及一种用于煤层顶底板突水在线监测的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置。


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。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，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。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。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。科研工作者在矿井电阻率法监测方面开展了大量研究，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。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的在于，提供一种矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，为矿井顶、底板水害监测预警提供良好的装备支撑。
4.为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：
5.一种矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，包括外壳，其特征在于，在外壳上有电源输入线缆、模拟信号输入线缆和数据信号输出线缆；外壳内部设置有电路板，电路板上有电源电路、信号调理电路、ad转换电路、fpga主控电路；其中：
6.所述电源电路包括：为信号调理电路供电的模拟电源电路，为ad转换电路供电的模拟电源电路和为fpga主控电路供电的数字电源电路；
7.所述信号调理电路包括：由bav99背对背瞬态抑制二极管组成的保护电路，由ad8251armz及其外围电路组成的一级低噪声、高输入阻抗程控仪表放大电路，由pga205及其外围电路组成的二级低噪声程控仪表放大电路；
8.所述的ad转换电路由模数转换芯片ad7767与其外围电路组成；
9.所述的fpga主控电路主要由现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8、动态随机存取内存sdranm mt48lc2m32b2及其外围电路组成，包括：控制模块、存储模块、数字滤波模块、σ-δ数据抽取模块、增益复原模块、地电相关模块、通信模块。
10.本实用新型的其他特点是：
11.所述数字滤波模块包括：截止频率为0.1hz的16阶fir高通滤波器、截止频率为1000hz的16阶fir低通滤波器和阻带下限截止频率为49hz，阻带上限截止频率为51hz的巴特沃斯iir工频陷波器。
12.所述的fpga主控电路与信号调理电路和ad转换电路输入端通过光电隔离器连接，光电隔离器用于将电极输入端的模拟信号与ad转换后的数字信号完全隔离。
13.所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第110引脚、104引脚与所述的一级低噪声、高输入阻抗程控仪表放大电路的ad8251armz第4、第5引脚通过光耦连接，用于设置一级放大电路的放大倍数；所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第112引脚与所述的一级高输入阻抗仪表放大电路ad8251armz的第6引脚通过光耦连接，用于写入放大倍数。
14.所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第124、第125引脚与所述的二级仪表放大电路pga205的第15、第16引脚通过光耦连接，用于设置二级放大电路的放大倍数。
15.所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的spi总线与所述的ad转换电路ad7767的spi总线通过光耦连接，即所述的现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第1、第143、第142、第141、第2和第3引脚与所述的ad转换电路中ad7767的第10、第12～16引脚通过光耦连接，用于fpga向ad输出采集指令和输入采集数据；所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的144引脚与所述的ad转换电路中ad7767的第7引脚通过光耦连接，用于设置ad7767的复位和关断。
16.所述外壳为304不锈钢外壳，并满足ip54防护等级要求。
17.所述电源输入线缆是给本安型电阻率监测系统的接收装置供电的线缆，是通过外壳上的防水电连接器将矿用本安型电阻率监测系统的接收装置电源模块输入端与匹配的隔爆兼本安直流稳压电源输出端连接的线缆。
18.所述的模拟信号输入线缆是给矿用本安型电阻率监测系统的接收装置接入人工电场电位差模拟信号的线缆，是通过外壳上的防水电连接器将其信号调理电路的差分输入端分别与接入煤层顶底板电极m、电极n连接的线缆。
19.所述数据信号输出线缆是用于矿用本安型电阻率监测系统的接收装置与监测分站传输指令与数据的线缆，是通过接线柱将矿用本安型电阻率监测系统的接收装置fpga主控电路的通信模块与监测分站的通信模块连接的线缆。
20.本实用新型的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，通过使用保护电路，使连接煤层底板人工电场的电极受到的电网和离散电流的浪涌冲击嵌在一个预定的安全电位值上，实现了电路中精密元器件的保护，避免了采集系统精密元器件被瞬态高能量冲击损坏；实现了矿用电法信号的全波形采集，结合地电相关辨识，可以实现发射与接收装置的自动同步，避免了传统矿用电法探测中发射端与接收端同步线常被破坏而不能同步，进而不能探测的问题；同时，通过地电相关处理等数据分析，可对采集数据进行置信度判断，对于置信度比较低的数据点实行最多5次的重复数据采集，以提高数据的置信度；采用具有优异的交直流精度、109.5db宽动态范围、采样频率可高达128ksps的24bit过采样逐次逼近型ad芯片ad7767，通过fpga主控系统进行两级放大电路自动组合增益控制、fir高通滤波、fir低通滤波、波特沃斯iir工频陷波、σ-δ数据抽取、地电相关辨识，实现高精度、高分辨率采样，显著提高了小信号的分辨能力，可探测隐蔽致灾因素；实现了矿用本安型电法的在线连续采集，解决了单次、离散、离线矿用电法数据不能反映采掘活动引起的煤层底板突水征兆捕捉，可有效监测煤层底板突水微弱征兆，提高了突水在线监测预警的准确性，从而推动煤层顶底板突水在线监测预警技术的发展，进而实现煤炭资源的安全、高效开采，以及煤炭行业的高质量发展。
附图说明
21.图1为本实用新型的矿用本安型电阻率监测系统接收装置电路原理框图；
22.图2为矿用本安型电阻率监测系统的接收装置与其它装置连接示意图；
23.图3为一级调理电路的电原理图。
24.图4为二级调理电路的电原理图。
25.图5为ad转换的电原理图。
26.图6为嵌入式软件实现流程图。
27.以下结合附图和实施例，对本实用新型作进一步地详细说明。
具体实施方式
28.参见图1，本实施例给出一种矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，包括外壳，在外壳上有电源输入线缆、模拟信号输入线缆和数据信号输出线缆；
29.本实施例中，外壳为304采用不锈钢制作，其设计满足ip54防护等级要求。
30.电源输入线缆是给本安型电阻率监测系统接收装置供电的线缆，是通过所述的接收装置外壳上的防水电连接器将矿用本安型电阻率监测系统的接收装置电源电路输入端与匹配的隔爆兼本安直流稳压电源输出端连接的线缆。
31.所述的模拟信号输入线缆是给矿用本安型电阻率监测系统的接收装置接入人工电场电位差模拟信号的线缆，是通过外壳上的防水电连接器将其信号调理电路的差分输入端分别与接入煤层顶底板电极m、电极n连接的线缆；
32.所述数据信号输出线缆是用于矿用本安型电阻率监测系统的接收装置与监测分站传输指令与数据的线缆，是通过接线柱将矿用本安型电阻率监测系统的接收装置fpga主控电路的通信模块与监测分站的通信模块连接的线缆；
33.所述外壳内部设置有电路板，电路板上有电源电路、信号调理电路、ad转换电路、fpga主控电路；其中：
34.电源电路包括：为信号调理电路供电的模拟电源电路，为ad转换电路供电的模拟电源电路和为fpga主控系统供电的数字电源电路。
35.所述的信号调理电路包括：由bav99背对背瞬态抑制二极管组成的保护电路，由ad8251armz及其外围电路组成的一级低噪声、高输入阻抗程控仪表放大电路(图3)，由pga205及其外围电路组成的二级低噪声程控仪表放大电路(图4)。
36.所述的ad转换电路由ad7767与其外围电路组成(图5)。
37.所述的fpga主控系统由fpga ep3c5e144c8、sdranm mt48lc2m32b2及其外围电路组成，包括：控制模块、存储模块、数字滤波模块、σ-δ数据抽取模块、增益复原模块、地电相关模块、通信模块等；所述的数字滤波模块包括：截止频率为0.1hz的16阶fir高通滤波器、截止频率为1000hz的16阶fir低通滤波器和阻带下限截止频率为49hz，阻带上限截止频率为51hz的巴特沃斯iir工频陷波器；
38.所述的fpga主控系统与信号调理电路和ad转换电路输入端通过光电隔离器连接，光电隔离器用于将电极输入端的模拟信号与ad转换后的数字信号完全隔离。
39.所述fpga主控芯片ep3c5e144c8的第110引脚、104引脚与所述的一级高输入阻抗仪表放大电路ad8251armz的第4、第5引脚通过光耦连接，用于设置一级放大电路的放大倍
数；所述fpga主控芯片ep3c5e144c8的第112引脚与所述的一级高输入阻抗仪表放大电路ad8251armz的第6引脚通过光耦连接，用于写入放大倍数；
40.所述fpga主控芯片ep3c5e144c8的第124、第125引脚与所述的二级仪表放大电路pga205的第15、第16引脚通过光耦连接，用于设置二级放大电路的放大倍数；
41.所述fpga主控芯片ep3c5e144c8的spi总线与所述的ad转换电路ad7767的spi总线通过光耦连接，即所述的fpga第1、第143、第142、第141、第2和第3引脚与所述的ad转换电路中ad7767的第10、第12～16引脚通过光耦连接，用于fpga向ad输出采集指令和输入采集数据；所述fpga主控芯片ep3c5e144c8的144引脚与所述的ad转换电路中ad7767的第7引脚通过光耦连接，用于设置ad7767的复位和关断。
42.本实施例的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置与其它装置连接示意图参见图2，矿用隔爆兼本安直流稳压电源通过+avcc、agnd、-avcc、vcc、gnd与本实施例的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置连接，连接煤层顶底板电极m连接至sinp，连接煤层顶底板电极n连接至sinn，矿用电法监测分站通过rx、tx相连接。
43.本实施例的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置嵌入式软件实现流程图如图6所示，首先进行0.5s预采样，根据采样数据的上下边沿确定两级仪表放大器的组合增益，并记录增益。
44.煤层底板人工电场电位差模拟信号经接地电极m、电极n进入所述的信号调理电路sinp与sinn，保护电路对模拟信号中的瞬态高能量冲击进行嵌位，然后模拟信号进入所述的一级、二级低噪声程控放大电路进行自动组合增益匹配，再经由所述的ad转换电路将模拟信号转换为128k数字信号后，由spi总线将数字信号送入所述的fpga主控系统的存储模块；
45.所述的数字滤波模块对存储模块中的数字信号进行截止频率为0.1hz的fir高通滤波，截止频率为1000hz的fir低通滤波，以及阻带下限截止频率为49hz，阻带上限截止频率为51hz的巴特沃斯iir工频陷波；
46.所述的数字抽取模块对滤波后的数字信号进行按监测分站指定的1k、4k、8k或16k的σ-δ数据抽取；
47.抽取后的数据信号再由增益复原模块将数字信号复原到放大前的信号量级；
48.地电相关模块将增益复原后的数字信号与供电电压序列进行相关处理，确定信号的置信度，若数据置信度高，则由通信模块将处理完的数字信号传输到监测主站，并进行下一点采样，若信号置信度低，则进行最多5次的重复采样，5次内采样若能达到高置信度，则将最后一次采集的数字信号由通信模块传输到监测主站，并进行下一点采样，若采样5次采集到的信号置信度都较低，则对5次采集到的信号进行叠加处理，处理后的数字信号及置信度由通信模块传输到监测主站，并进行下一点采样。
49.综上，本实施例给出的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，通过使用保护电路，使连接煤层底板人工电场的电极受到的电网和离散电流的浪涌冲击嵌在一个预定的安全电位值上，实现了电路中精密元器件的保护，避免了采集系统精密元器件被瞬态高能量冲击损坏；实现了矿用电法信号的全波形采集，结合地电相关辨识，可以实现发射与接收装置的自动同步，避免了传统矿用电法探测中发射端与接收端同步线常被破坏而不能同步，进而不能探测的问题；同时，通过地电相关处理等数据分析，可对采集数据进行置信度判
断，对于置信度比较低的数据点实行最多5次的重复数据采集，以提高数据的置信度；采用具有优异的交直流精度、109.5db宽动态范围、采样频率可高达128ksps的24bit过采样逐次逼近型ad芯片ad7767，通过fpga主控系统进行两级放大电路自动组合增益控制、fir高通滤波、fir低通滤波、波特沃斯iir工频陷波、σ-δ数据抽取、地电相关辨识，实现高精度、高分辨率采样，显著提高了小信号的分辨能力，可探测隐蔽致灾因素；实现了矿用本安型电法的在线连续采集，解决了单次、离散、离线矿用电法数据不能反映采掘活动引起的煤层底板突水征兆捕捉，可有效监测煤层底板突水微弱征兆，提高了突水在线监测预警的准确性，从而推动煤层顶底板突水在线监测预警技术的发展，进而实现煤炭资源的安全、高效开采，以及煤炭行业的高质量发展。

技术特征：
1.一种矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，包括外壳，其特征在于，在外壳上有电源输入线缆、模拟信号输入线缆和数据信号输出线缆；所述外壳内部设置有电路板，电路板上有电源电路、信号调理电路、ad转换电路、fpga主控电路；其中：所述电源电路包括：为信号调理电路供电的模拟电源电路，为ad转换电路供电的模拟电源电路和为fpga主控电路供电的数字电源电路；所述信号调理电路包括：由bav99背对背瞬态抑制二极管组成的保护电路，由ad8251armz及其外围电路组成的一级低噪声、高输入阻抗程控仪表放大电路，由pga205及其外围电路组成的二级低噪声程控仪表放大电路；所述的ad转换电路由模数转换芯片ad7767与其外围电路组成；所述的fpga主控电路主要由现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8、动态随机存取内存sdranm mt48lc2m32b2及其外围电路组成，包括：控制模块、存储模块、数字滤波模块、σ-δ数据抽取模块、增益复原模块、地电相关模块、通信模块。2.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述数字滤波模块包括：截止频率为0.1hz的16阶fir高通滤波器、截止频率为1000hz的16阶fir低通滤波器和阻带下限截止频率为49hz，阻带上限截止频率为51hz的巴特沃斯iir工频陷波器。3.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述的fpga主控电路与信号调理电路和ad转换电路输入端通过光电隔离器连接，光电隔离器用于将电极输入端的模拟信号与ad转换后的数字信号完全隔离。4.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第110引脚、104引脚与所述的一级低噪声、高输入阻抗程控仪表放大电路的ad8251armz第4、第5引脚通过光耦连接，用于设置一级放大电路的放大倍数；所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第112引脚与所述的一级低噪声、高输入阻抗仪表放大电路ad8251armz的第6引脚通过光耦连接，用于写入放大倍数。5.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第124、第125引脚与所述的二级低噪声程控仪表放大电路pga205的第15、第16引脚通过光耦连接，用于设置二级放大电路的放大倍数。6.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的spi总线与所述的ad转换电路ad7767的spi总线通过光耦连接，即所述的现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的第1、第143、第142、第141、第2和第3引脚与所述的ad转换电路中ad7767的第10、第12～16引脚通过光耦连接，用于fpga向ad输出采集指令和输入采集数据；所述现场可编程门阵列fpga ep3c5e144c8的144引脚与所述的ad转换电路中ad7767的第7引脚通过光耦连接，用于设置ad7767的复位和关断。7.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述外壳为304不锈钢外壳，并满足ip54防护等级要求。8.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述电源输入线缆是给本安型电阻率监测系统的接收装置供电的线缆，是通过外壳上的防水电连接器将矿用本安型电阻率监测系统的接收装置电源模块输入端与匹配的隔爆兼本安直流稳压电源输出端连接的线缆。9.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述的模
拟信号输入线缆是给矿用本安型电阻率监测系统的接收装置接入人工电场电位差模拟信号的线缆，是通过外壳上的防水电连接器将其信号调理电路的差分输入端分别与接入煤层顶底板电极m、电极n连接的线缆。10.如权利要求1所述的矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，其特征在于，所述数据信号输出线缆是用于矿用本安型电阻率监测系统的接收装置与监测分站传输指令与数据的线缆，是通过接线柱将矿用本安型电阻率监测系统的接收装置fpga主控电路的通信模块与监测分站的通信模块连接的线缆。

技术总结
本实用新型公开了一种矿用本安型电阻率监测系统的接收装置，包括外壳，外壳上有电源输入线缆、模拟信号输入线缆和数据信号输出线缆；所述外壳内部设有电路板，电路板上有电源电路、信号调理电路、AD转换电路、FPGA主控电路；通过使用保护电路，使连接煤层底板人工电场的电极受到的电网和离散电流的浪涌冲击嵌在一个预定的安全电位值上，实现了电路中精密元器件的保护，避免了采集系统精密元器件被瞬态高能量冲击损坏，实现了矿用本安型电法的在线连续采集，可有效监测煤层底板突水微弱征兆，提高了突水在线监测预警的准确性，从而推动煤层顶底板突水在线监测预警技术的发展，进而实现煤炭资源的安全、高效开采，以及煤炭行业的高质量发展。业的高质量发展。业的高质量发展。


技术研发人员：宁殿艳 王冰纯 鲁晶津 赵兆 李渊 范涛 房哲
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：2023/7/19