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一种超声巷道表面收敛分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声巷道表面收敛分析仪，包括安装杆、仪器舱、左超声收发换能器、右超声收发换能器和下超声收发换能器等部分，通过安装杆固定在矿井巷道顶、底板或两帮位置，初始化后记录矿井巷道的初始断面形状及尺寸，得到巷道断面初始图像；进入正常工作状态后，根据设定定时启动左、右、下三个超声收发换能器，向巷道顶、底板及两帮发出超声信号并采集，采集到的超声复合回波信号通过处理器得到巷道断面合成图像，与初始图像比较，得到巷道顶、底板及两帮的变形和收敛量。本发明安装简单，测量稳定可靠，可以实现非接触在线监测矿井巷道顶、底板及两帮的全断面收敛量，为矿井巷道表面收敛量监测专项提供全断面收敛量的在线监测数据。
【专利说明】一种超声巷道表面收敛分析仪
[0001]

【技术领域】
[0002]本发明属于煤系地层矿井巷道围岩动态专项监测的技术范畴，具体涉及一种巷道全断面收敛量非接触在线监测的超声巷道表面收敛分析仪。

【背景技术】
[0003]在矿井巷道支护设计中，巷道表面收敛量监测是巷道围岩动态专项监测中的一项主要内容。该收敛量主要为巷道顶、底板及两帮的相对移近量，多采用十字布点法安设巷道表面收敛测站，沿巷道轴向间隔50~100m布设一个测站，每个测站布设两个测量断面，两个测量断面间隔1.5~3.0m。目前，巷道表面收敛量监测分类主要为:(1)离线测量方式，在测站的顶、底板中点垂直方向和两帮腰部水平方向钻Φ 28mm、深400mm钻孔，将长420mm的短锚杆打入钻孔中，并在短锚杆上固定挂钩或吊环，对于测量精度要求不高，变形大于200mm的巷道，采用钢卷尺测量；对于测量精度要求较高的巷道，采用游标卡尺式测杆、测枪或者机械式收敛计等测量，测量精度可达0.1mm ;在巷道围岩表面布设测站测点，采用离线测量方式，测量测点间的距离，并同历史数据相比较；(2)在线测量方式，分为直接和间接两种在线测量方式，直接在线测量方式是在测站测点间布置测绳、自动测量装置等设备，自动记录测点间的变化；间接在线测量方式是非接触在线测量方式，多采用微波、激光和超声收敛计测量测点间的收敛量。
[0004]目前国内已有微波、激光和超声收敛计等方面的专利公开，一种激光式收敛计装置(CN 102297661B)公开了一种激光式测距仪测量巷道表面收敛量的支架，该装置并未包含激光测距仪，仅是一个支撑固定激光式测距仪的装置或支架，利用现有测距仪装配的激光式收敛计装置，专利本身并不包含激光测距仪，与离线测量方式相同，该装置测量的是单个测点收敛量，不能实现巷道全断面收敛量监测，且不具备通讯、在线监测功能；一种精密钢索式数显收敛计(CN 102494627B)公开了一种巷道表面收敛计，该收敛计测量时钩头可以自锁在隧道收敛监测的两个测点钩头上，钢索伸缩过程中绕过滚轮，带动滚轮滚动，滚轮通过齿轮机构传动到多孔滚轮，多孔滚轮的转动遮挡安装在其两面的红外发射和接收感应器，红外发射和接收感应器连接计数器进行计数，采用数字显示屏显示，从本质上来说，该发明公开的是一种机械测绳式收敛量测量装置，测量收敛量时仍需布置测绳，与离线测量方式相同，该收敛计测量的是单个测点收敛量，不能实现巷道全断面收敛量监测，不具有通讯、在线监测功能，无法构成在线监测系统。


【发明内容】

[0005]本发明的目的旨在克服上述缺点，提供一种巷道全断面收敛量非接触在线监测的超声巷道表面收敛分析仪，对巷道表面收敛量进行全断面监测，有效解决矿井巷道全断面收敛量的在线监测问题。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下解决方案:一种超声巷道表面收敛分析仪，包括安装杆和仪器舱，仪器舱内设置处理器，处理器上设有RS485电路、能量限制电路、ZigBee电路、外部供电及能量限制电路、电池供电及能量限制电路和供电互斥电路，其特征在于:安装杆固定在矿井巷道顶、底板或两帮；仪器舱的左侧、下面和右侧分别设置左超声收发换能器、下超声收发换能器和右超声收发换能器，其中，左超声收发换能器包括左超声发射装置和左超声接收装置，下超声收发换能器包括下超声发射装置和下超声接收装置，右超声收发换能器包括右超声发射装置和右超声接收装置；左超声发射装置、下超声发射装置和右超声发射装置包括三套相互独立的超声驱动电路和超声发射换能电路，左超声接收装置、下超声接收装置和右超声接收装置包括三套相互独立的超声接收换能电路、放大电路和A/D转换电路；超声驱动电路和超声发射换能电路、超声接收换能电路、放大电路和A/D转换电路均与处理器连接。
[0007]本发明的工作原理为:安装杆固定在矿井巷道顶、底板或两帮，初始化后，记录矿井巷道的初始断面形状及尺寸，得到巷道断面初始图像；进入正常工作状态后，处理器定时产生方波信号，左超声发射装置、下超声发射装置和右超声发射装置分别向巷道顶、底板及两帮发出连续超声信号，左超声接收装置、下超声接收装置和右超声接收装置的A/D转换电路分别采集连续超声复合回波信号，采集到的连续超声复合回波信号通过处理器得到巷道全断面合成图像，巷道全断面合成图像与巷道全断面初始图像相比较，得到巷道顶、底板及两帮的全断面收敛量。该仪器安装简单，测量稳定可靠，可以实现非接触在线监测矿井巷道顶、底板及两帮的全断面收敛量，为矿井巷道表面收敛量监测专项提供全断面收敛量的在线监测数据。
[0008]本发明一种超声巷道表面收敛分析仪与现有煤层巷道表面收敛量监测仪器相比较，具有以下突出的实质性特点和显著的效果:
1、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，其特征在于是一种巷道全断面收敛量非接触在线监测的超声巷道表面收敛分析仪，是在矿井巷道表面收敛量监测过程中，对巷道表面收敛量进行全断面监测，有效解决矿井巷道全断面收敛量的在线监测问题。
[0009]2、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，处理器定时产生30~50KHz方波信号，超声驱动电路采用MAX232电路，省去了通常的升压电路，简化了电路，提高了可靠性。
[0010]3、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，在数据处理流程中，三套超声发射装置发出连续超声信号，该信号经过反射-叠加-再反射等一系列过程后，在三套超声接收装置处叠加，形成了一系列复杂的连续超声复合回波信号，采用A/D转换电路采集连续超声复合回波信号，可以进行超声覆盖的全断面收敛量监测。
[0011]4、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，在数据处理流程中，先进行全数据采集，然后进行巷道全断面收敛量分析，当超声覆盖范围内的巷道全断面收敛量发生变化且超过顶、底及两帮收敛量门限时，连续超声复合回波信号在超声接收装置处的叠加波形将发生变化，处理器不断比较接收到的超声复合回波信号，当发现两次接收到的超声复合回波信号明显不一致时，则说明超声覆盖范围内的巷道全断面收敛量发生了变化；变化后，先关闭三套超声发射装置，然后采用超声测距方法依次监测顶、底及两帮的收敛量，并利用接收到的连续超声复合回波信号，用算法形成巷道全断面合成图像，该图像与巷道全断面初始图像相比较，得到巷道顶、底板及两帮的全断面收敛量。
[0012]5、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，在空间反射过程中，这些连续超声复合回波信号在三套超声接收装置处收到的信号均是一个多点发射的叠加，叠加后的波形可以反映超声覆盖范围内巷道全断面的收敛量，当巷道全断面收敛量没有变化时，这些信号具有一定的周期性，在巷道断面尺寸为5X5m范围内时，信号周期不大于20ms。
[0013]6、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，具有无线(ZigBee)和有线(RS485)两种通讯模式，其中，有线(RS485)通讯模式增加了能量限制电路，可以防止本发明故障时对外提供超过本安防爆要求的能量，也能防止关联设备损坏时，向本发明灌入超过本安防爆要求的能量。
[0014]7、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，采用电池和外部供电两种供电方式，供电电路互斥，采用电池供电时，增加了电池能量输出限制电路，确保电路短路故障时，电池能量的输出限制不超过本安防爆要求。
[0015]8、本发明一种超声巷道表面收敛分析仪，广泛用于矿井巷道、隧道、地下建筑物或构筑物的全断面收敛量在线监测等方面。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1、本发明的整机结构示意图。
[0017]图中:1 一安装杆2—仪器舱3—左超声发射装置4一左超声接收装置
5—下超声发射装置 6—下超声接收装置 7—右超声发射装置 8—右超声接收装置
图2、本发明电路框图。
[0018]图中:9一处理器 10—超声驱动电路 11 一超声发射换能电路 12—超声接收换能电路 13—放大电路 14一A/D转换电路 15 — RS485电路 16—能量限制电路17 — ZigBee电路18—外部供电及能量限制电路19一电池供电及能量限制电路20—供电互斥电路
图3、本发明空间反射示意图。

【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0020]实施例1:
某矿15#煤层一采区15109工作面为孤岛工作面，顺槽长度700m，在回采过程中需对其运输顺槽进行矿井巷道表面收敛量专项监测，受该矿委托，设计一种能够实现顺槽全断面收敛量在线监测的巷道表面收敛分析仪，有线(RS485)通讯模式，设有RS485电路和能量限制电路；采用外部供电及能量限制电路设计；包括安装杆、仪器舱、左超声收发换能器、下超声收发换能器和右超声收发换能器等部分，其中，左超声收发换能器包括左超声发射装置和左超声接收装置，下超声收发换能器包括下超声发射装置和下超声接收装置，右超声收发换能器包括右超声发射装置和右超声接收装置，安装杆固定在矿井巷道顶板；左超声发射装置、下超声发射装置和右超声发射装置包括三套相互独立的超声驱动电路和超声发射换能电路，左超声接收装置、下超声接收装置和右超声接收装置包括三套相互独立的超声接收换能电路、放大电路和A/D转换电路；初始化后，记录矿井巷道的初始断面4.2X3.5m，得到巷道全断面初始图像；进入正常工作状态后，处理器定时产生方波信号，左超声发射装置、下超声发射装置和右超声发射装置分别向巷道顶、底板及两帮发出连续超声信号，左超声接收装置、下超声接收装置和右超声接收装置的A/D转换电路分别采集连续超声复合回波信号，采集到的连续超声复合回波信号通过处理器得到巷道全断面合成图像，巷道全断面合成图像与巷道全断面初始图像相比较，得到巷道顶、底板及两帮的全断面收敛量。
[0021]实际顺槽全断面收敛量在线监测良好，运输顺槽顶、底板移进量为24~75mm，两帮移近量为180~350mmo
[0022]实施例2:
某矿3#煤层一采区3101工作面运输顺槽长度540m，设计能够实现巷道全断面收敛量在线监测的巷道表面收敛分析仪对其进行矿井巷道表面收敛量专项监测，无线(ZigBee)通讯模式，包括ZigBee电路；采用电池供电及能量限制电路设计，初始化后，记录矿井巷道的初始断面5X4.8m，实际顺槽全断面收敛量在线监测良好，运输顺槽顶、底板移进量为5~12mm，两帮移近量为0~7mm。其它同实施例1。
【权利要求】
1.一种超声巷道表面收敛分析仪，包括安装杆和仪器舱，仪器舱内设置处理器，处理器上设有RS485电路、能量限制电路、ZigBee电路、外部供电及能量限制电路、电池供电及能量限制电路和供电互斥电路，其特征在于:安装杆固定在矿井巷道顶、底板或两帮；仪器舱的左侧、下面和右侧分别设置左超声收发换能器、下超声收发换能器和右超声收发换能器，其中，左超声收发换能器包括左超声发射装置和左超声接收装置，下超声收发换能器包括下超声发射装置和下超声接收装置，右超声收发换能器包括右超声发射装置和右超声接收装置；左超声发射装置、下超声发射装置和右超声发射装置包括三套相互独立的超声驱动电路和超声发射换能电路，左超声接收装置、下超声接收装置和右超声接收装置包括三套相互独立的超声接收换能电路、放大电路和A/D转换电路；超声驱动电路和超声发射换能电路、超声接收换能电路、放大电路和A/D转换电路均与处理器连接。
【文档编号】G01B17/04GK104457638SQ201410842213
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】王东, 李风珍, 何小刚, 鲁伟, 邵祥, 朱跃琴, 倪嘉, 李忠福 申请人:晋能集团有限公司, 山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司