本發(fā)明屬于煤礦開采技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于煤礦巷道圍巖超聲波檢測的測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

煤炭作為我國的主體能源，為我國的經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻了巨大力量，在世界范圍內(nèi)的一次能源消費結(jié)構(gòu)當(dāng)中，化石能源仍然占據(jù)了主導(dǎo)地位，并且將持續(xù)很長一段時間。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，以能源換效益的粗放式發(fā)展模式短期內(nèi)無法根本改變，這就導(dǎo)致了工業(yè)市場對煤炭資源的大量需求?，F(xiàn)今為止，隨著煤炭開采強度的加大，地表淺層資源已近枯竭，礦產(chǎn)資源已由淺層開采轉(zhuǎn)入深部開采，可采優(yōu)質(zhì)煤層厚度逐漸變小、品位變低、地壓增大、巖爆現(xiàn)象顯現(xiàn)，開采的技術(shù)難度在不斷增大，礦山安全問題也越來越突出。巷道圍巖失穩(wěn)一直是主要原因之一。巷道圍巖的安全性關(guān)乎著礦山生產(chǎn)準(zhǔn)備的順利進行，礦山巷道支護質(zhì)量很大程度上關(guān)系著礦山的安全生產(chǎn)。因此，如何對煤礦圍巖巷道進行安全高效的檢測，加強對巷道坍塌的防患工作，是減少煤礦事故，保證煤礦安全高效生產(chǎn)的重要前提?，F(xiàn)有的檢測方式多為對巷道圍巖進行鉆孔并取樣，在對樣品進行單獨檢測，一方面效率較低，另一方面樣品本身脫離實際環(huán)境會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)與真實情況存在誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于煤礦巷道圍巖超聲波檢測的測量系統(tǒng)，本發(fā)明設(shè)計巧妙，從取樣時所打出的孔道內(nèi)進入煤礦巷道圍巖中，能夠高效、精準(zhǔn)地對煤礦巷道圍巖的數(shù)據(jù)進行檢測和傳輸。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種用于煤礦巷道圍巖超聲波檢測的測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)由數(shù)個測量模組組成，每個測量模組包括兩個測量單元，測量單元包括纏繞于放線架的放線輪上的數(shù)據(jù)線以及與數(shù)據(jù)線一端連接的管道機器人，數(shù)據(jù)線另一端與第一無線信號收發(fā)器連接，第一無線信號收發(fā)器與控制終端的第二無線信號收發(fā)器無線信號連接。

優(yōu)選的，所述管道機器人包括筒狀機架，機架的兩端面分別設(shè)有超聲波檢測器和數(shù)據(jù)處理器，機架外壁上開設(shè)有安裝缺口，數(shù)個安裝缺口沿機架外壁周向排列；機架內(nèi)設(shè)有舵機，舵機的輸出軸穿過安裝缺口后與輪架連接，輪架上設(shè)有自驅(qū)輪；數(shù)據(jù)處理器與數(shù)據(jù)線連接，超聲波檢測器的輸入、輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器的輸出、輸入端信號連接，自驅(qū)輪的輸入端與數(shù)據(jù)處理器的輸出端連接。

優(yōu)選的，所述機架上設(shè)有用于測量輪架轉(zhuǎn)動角度的輪架角位移傳感器，輪架上設(shè)有用于測量自驅(qū)輪轉(zhuǎn)動角度的輪角位移傳感器；輪架角位移傳感器和輪角位移傳感器的輸出端與數(shù)據(jù)處理器的輸入端連接。

優(yōu)選的，所述機架外壁還周向設(shè)有數(shù)個等間距的激光測距器。

優(yōu)選的，所述超聲波檢測器上設(shè)有照明燈；所述超聲波檢測器上有超聲波接受器和超聲波發(fā)射器，機架靠近超聲波檢測器的一側(cè)設(shè)有攝像頭，攝像頭的輸入、輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器的輸出、輸入端信號連接。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)線包括由外至內(nèi)包覆設(shè)置的織物抗拉層、信號抗干擾層和數(shù)據(jù)傳輸線芯，數(shù)據(jù)傳輸線芯為兩根并分別用于輸入、輸出數(shù)據(jù)信號。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)線外壁上設(shè)有長度刻度線。

優(yōu)選的，所述放線輪的輪軸通過扭矩傳感器與放線架上的線輪電機輸出軸連接，扭矩傳感器與第一無線信號收發(fā)器信號連接。

優(yōu)選的，所述放線架下方設(shè)有伸縮支腿。

優(yōu)選的，所述管道機器人和放線架上分別設(shè)有蓄電池。

本發(fā)明工作原理如下：

將管道機器人放入煤礦巷道圍巖上鉆打出的孔道中，然后控制終端通過無線信號收發(fā)器發(fā)出信號，并通過數(shù)據(jù)線傳遞至管道機器人的數(shù)據(jù)處理器中，數(shù)據(jù)處理器控制自驅(qū)輪轉(zhuǎn)動，自驅(qū)輪轉(zhuǎn)動并帶動輪架和機架沿孔道向內(nèi)移動，實現(xiàn)管道機器人沿孔道向內(nèi)的移動，管道機器人移動的同時，控制終端遙控超聲波檢測器啟動，超聲波檢測器對孔道處的圍巖進行超聲波檢測，并將檢測后的數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)處理器，進而通過數(shù)據(jù)線和無線信號收發(fā)器傳遞至控制終端進行顯示和記錄。

由于孔道的孔徑存在變化，所以本發(fā)明為了保證管道機器人的適應(yīng)性，通過舵機對自驅(qū)輪的角度進行調(diào)整，首先利用激光測距器測量管道機器人周邊孔道的直徑，機器人的舵機可以進行相應(yīng)的主動轉(zhuǎn)動動作來適應(yīng)孔道直徑，同時攝像頭配合照明燈也可以拍攝相應(yīng)的圖像并傳遞至控制終端，工作人員根據(jù)相應(yīng)的圖像和數(shù)據(jù)，遙控舵機進行工作，當(dāng)孔道孔徑變小時，舵機的輸出軸帶動輪架進行周向轉(zhuǎn)動，使得輪架與機架的徑向夾角發(fā)生改變，使得管道機器人的整體直徑縮小，可以適應(yīng)孔道的孔徑變小并實現(xiàn)通過。同時，輪架角位移傳感器和輪角位移傳感器對輪架和自驅(qū)輪的轉(zhuǎn)動角度進行測量和數(shù)據(jù)傳輸，方便管道機器人返回時利用舵機快速調(diào)整。

當(dāng)然，在管道機器人行進過程中，線輪電機轉(zhuǎn)動放線輪，使得數(shù)據(jù)線不斷被放出延長，同時扭矩傳感器測量放線輪所承受的扭矩，對線輪電機形成閉環(huán)控制，使數(shù)據(jù)線拉直且所受拉力在一定范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)線上的長度刻度可以記錄管道機器人伸入孔道中的長度。數(shù)據(jù)線采用抗信號干擾設(shè)計，防止數(shù)據(jù)線中的數(shù)據(jù)收到外界的干擾進而保證測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

在工程現(xiàn)場巷道內(nèi)存在多個測量點時，可以同時布置數(shù)套管道機器人測量系統(tǒng)，多套測量模組的最終測量結(jié)果可以同時反饋給控制終端，實現(xiàn)高效作業(yè)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

1)首次采用管道機器人從煤礦巷道圍巖的鉆孔進入，并對煤礦巷道圍巖的數(shù)據(jù)進行實地測量，確保數(shù)據(jù)與實際工況的一致性，而且所述超聲波檢測器上有超聲波接受器和超聲波發(fā)射器，可以同時控制多個管道機器人于不同的位置進行數(shù)據(jù)采集作業(yè)，對煤礦巷道圍巖進行多點測量，大大提高測量效率；

2)管道機器人的對孔道的直徑變化適應(yīng)性強，可以針對即時孔道直徑的不同而快速對管道機器人的直徑做出調(diào)整，確保測量過程的穩(wěn)定性；

3)測量數(shù)據(jù)獲取便捷，無需對采樣樣品進行測量即可得到煤礦巷道圍巖的參數(shù)數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1為具體實施方式中用于煤礦巷道圍巖超聲波檢測的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為測量模組的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為管道機器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為管道機器人另一視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為管道機器人的輪架與舵機的連接關(guān)系示意圖；

圖6為輪架處于初始狀態(tài)下的管道機器人結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為輪架角度變化后的管道機器人結(jié)構(gòu)示意圖；

注：圖5中的箭頭代表輪架轉(zhuǎn)動方向。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1-7所示，一種用于煤礦巷道圍巖超聲波檢測的測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)由數(shù)個測量模組2組成，每個測量模組2包括兩個測量單元，測量單元包括纏繞于放線架23的放線輪25上的數(shù)據(jù)線22以及與數(shù)據(jù)線22一端連接的管道機器人3，數(shù)據(jù)線22另一端與第一無線信號收發(fā)器21連接，放線輪25的輪軸通過扭矩傳感器26與放線架23上的線輪電機27輸出軸連接，扭矩傳感器26與第一無線信號收發(fā)器21信號連接，第一無線信號收發(fā)器21與控制終端1的第二無線信號收發(fā)器12無線信號連接，所述數(shù)據(jù)線22包括由外至內(nèi)包覆設(shè)置的織物抗拉層221、信號抗干擾層222和數(shù)據(jù)傳輸線芯223，數(shù)據(jù)傳輸線芯223為兩根并分別用于輸入、輸出數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)線22外壁上設(shè)有長度刻度線，放線架23下方設(shè)有伸縮支腿24；

所述管道機器人3包括筒狀機架31，機架31的兩端面分別設(shè)有超聲波檢測器32和數(shù)據(jù)處理器33，超聲波檢測器32上設(shè)有照明燈322，機架31靠近超聲波檢測器32的一側(cè)設(shè)有攝像頭321；機架31外壁上開設(shè)有安裝缺口34，數(shù)個安裝缺口34沿機架31外壁周向排列；機架31內(nèi)設(shè)有舵機37，舵機37的輸出軸穿過安裝缺口34后與輪架35連接，輪架35上設(shè)有自驅(qū)輪36；機架31上設(shè)有用于測量輪架35轉(zhuǎn)動角度的輪架角位移傳感器310，輪架35上設(shè)有用于測量自驅(qū)輪36轉(zhuǎn)動角度的輪角位移傳感器39；機架31外壁還周向設(shè)有數(shù)個等間距的激光測距器38；

數(shù)據(jù)處理器33與數(shù)據(jù)線22連接，超聲波檢測器32和攝像頭322的輸入、輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器33的輸出、輸入端信號連接，自驅(qū)輪36的輸入端與數(shù)據(jù)處理器33的輸出端連接，輪架角位移傳感器310和輪角位移傳感器39的輸出端與數(shù)據(jù)處理器33的輸入端連接。所述管道機器人3和放線架23上分別設(shè)有蓄電池，并通過蓄電池供電。

本發(fā)明工作原理如下：

將管道機器人放入煤礦巷道圍巖上鉆打出的孔道中，然后控制終端通過無線信號收發(fā)器發(fā)出信號，并通過數(shù)據(jù)線傳遞至管道機器人的數(shù)據(jù)處理器中，數(shù)據(jù)處理器控制自驅(qū)輪轉(zhuǎn)動，自驅(qū)輪轉(zhuǎn)動并帶動輪架和機架沿孔道向內(nèi)移動，實現(xiàn)管道機器人沿孔道向內(nèi)的移動，管道機器人移動的同時，控制終端遙控超聲波檢測器啟動，超聲波檢測器對孔道處的圍巖進行超聲波檢測，并將檢測后的數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)處理器，進而通過數(shù)據(jù)線和無線信號收發(fā)器傳遞至控制終端進行顯示和記錄。

由于孔道的孔徑存在變化，所以本發(fā)明為了保證管道機器人的適應(yīng)性，通過舵機對自驅(qū)輪的角度進行調(diào)整，首先利用激光測距器測量管道機器人周邊孔道的即時環(huán)境，同時攝像頭配合照明燈也可以拍攝相應(yīng)的圖像并傳遞至控制終端，工作人員根據(jù)相應(yīng)的圖像和數(shù)據(jù)，遙控舵機進行工作，當(dāng)孔道孔徑變小時，舵機的輸出軸帶動輪架進行周向轉(zhuǎn)動，使得輪架與機架的徑向夾角發(fā)生改變，使得管道機器人的整體直徑縮小，可以適應(yīng)孔道的孔徑變小并實現(xiàn)通過。同時，輪架角位移傳感器和輪角位移傳感器對輪架和自驅(qū)輪的轉(zhuǎn)動角度進行測量和數(shù)據(jù)傳輸，方便管道機器人返回時利用舵機快速調(diào)整。

當(dāng)然，在管道機器人行進過程中，線輪電機轉(zhuǎn)動放線輪，使得數(shù)據(jù)線不斷被放出延長，數(shù)據(jù)線上的長度刻度可以記錄管道機器人伸入孔道中的長度，同時扭矩傳感器測量放線輪所承受的扭矩，對線輪電機形成閉環(huán)控制，使數(shù)據(jù)線拉直且所受拉力在一定范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)線采用抗信號干擾設(shè)計，防止數(shù)據(jù)線中的數(shù)據(jù)收到外界的干擾進而保證測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。同一測量模組的兩個超聲波探測器配合工作：其中一超聲波探測器的超聲波接收器接收另一超聲波探測器超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波信號，本發(fā)明利用超聲波的穿透性能對巖石的相應(yīng)參數(shù)進行測量。

其中：數(shù)據(jù)處理器為基于單片機的微型計算電路，型號為stm32；

自驅(qū)輪的型號為57bl-0730n1-ls-b；

舵機的型號為rds3115機器人專用舵機；

超聲波檢測器的型號為ks109收發(fā)一體超聲波測距模塊；

輪架角位移傳感器的型號為wdd35d-4；

輪角位移傳感器的型號為wdj36-2。