一種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置及方法，屬于礦山安全監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】；該裝置包括多個(gè)超聲波發(fā)射傳感器、多個(gè)超聲波接收傳感器、中央控制器、多個(gè)基站和地面監(jiān)測中心；中央控制器包括電源模塊、溫度傳感器、微處理器、信號控制模塊、顯示模塊和儲存模塊；本發(fā)明利用超聲波傳感器測距，抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高；通過對溫度和硬件設(shè)備本身對測量造成的誤差的修正，測量精度明顯提高，測量量程擴(kuò)大；采用SD卡將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲存，降低人工抄錄的勞動強(qiáng)度，測量原始數(shù)據(jù)豐富，給巷道變形規(guī)律分析提供了充足的依據(jù)。
【專利說明】一種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于礦山安全監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置及 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著礦井轉(zhuǎn)入深部開采后將面臨地應(yīng)力增大、巖體粘結(jié)性差、巷道容易變形破壞 等問題，巷道一旦破壞就會給運(yùn)輸、通風(fēng)、工人等方面造成嚴(yán)重的困擾，嚴(yán)重影響煤礦的正 常生產(chǎn)；巷道變形是深部礦井動力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)的一項(xiàng)重要參數(shù)，加強(qiáng)對巷道變形的監(jiān)測， 準(zhǔn)確了解巷道的變形及規(guī)律對指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)有著非常重要的意義。
[0003] 目前對于巷道變形監(jiān)測設(shè)備和方法主要包括激光指向儀、鋼尺式收斂計(jì)、水準(zhǔn)儀、 經(jīng)緯儀、全站儀、位移計(jì)、光纖傳感監(jiān)測、表面位移監(jiān)測、近景攝像機(jī)等，但現(xiàn)有的設(shè)備和方 法存在成本較高、抗干擾能力差、操作繁瑣、勞動強(qiáng)度大、技術(shù)要求高、測量數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)訪 問不方便等局限性，不能在巷道中廣泛布置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置及方法，以達(dá) 到簡化結(jié)構(gòu)、降低成本、提高抗干擾能力、提高測量精度、提高操作方便性、便于訪問數(shù)據(jù)的 目的。
[0005] -種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置，包括多個(gè)超聲波發(fā)射傳感器、多個(gè)超聲波接收 傳感器、中央控制器、多個(gè)基站和地面監(jiān)測中心；所述的中央控制器包括電源模塊、溫度傳 感器、微處理器、信號控制模塊、顯示模塊和儲存模塊；其中，
[0006] 超聲波發(fā)射傳感器：用于在不同巷道截面的監(jiān)測點(diǎn)處，發(fā)射超聲波至反射點(diǎn)，并將 發(fā)射時(shí)間發(fā)送至微處理器中；
[0007] 超聲波接收傳感器：用于在不同巷道截面的監(jiān)測點(diǎn)處，接收從反射點(diǎn)反射的超聲 波，并將接收時(shí)間發(fā)送至微處理器中；
[0008] 電源模塊：用于對微處理器供電；
[0009] 溫度傳感器：用于采集被測巷道內(nèi)環(huán)境溫度，并將采集的溫度發(fā)送至微處理器 中；
[0010] 微處理器：用于根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波速度進(jìn)行修正，根據(jù)各超聲波發(fā)射 傳感器與對應(yīng)超聲波接收傳感器之間的距離、各超聲波發(fā)射與接收時(shí)間差和修正后的超聲 波傳播速度，確定超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的二分之一夾角，再根據(jù)上述夾角、修正 后的波速和超聲波發(fā)射與接收時(shí)間差，獲得各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離，并獲得 每秒內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)與其反射點(diǎn)之間距離的平均值，將上述平均值作為巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至基站 和存儲模塊中；
[0011] 信號控制模塊：當(dāng)手動工作時(shí)，用于發(fā)送開啟或關(guān)斷信號至超聲波發(fā)射傳感器、超 聲波接收傳感器和溫度傳感器；當(dāng)自動工作時(shí)，用于接收微處理器發(fā)送的開啟或關(guān)斷信號， 并轉(zhuǎn)發(fā)至超聲波發(fā)射傳感器、超聲波接收傳感器和溫度傳感器；
[0012] 顯示模塊：用于實(shí)時(shí)顯示巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度；
[0013] 儲存模塊：用于儲存不同時(shí)間點(diǎn)的環(huán)境溫度和巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)；
[0014] 基站：用于接收微處理器發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至 地面監(jiān)測中心；
[0015] 地面監(jiān)測中心：用于接收基站發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制巷道監(jiān)測 曲線圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。
[0016] 所述的超聲波傳感器的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際需求而定，設(shè)置于目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)處，所述目標(biāo) 監(jiān)測點(diǎn)的間隔距離和設(shè)置位置根據(jù)實(shí)際需求而定；所述基站的個(gè)數(shù)和設(shè)置的間隔距離根據(jù) 實(shí)際需求而定。
[0017] 所述的存儲模塊采用SD存儲卡。
[0018] 采用巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置進(jìn)行的監(jiān)測方法，包括如下步驟：
[0019] 步驟1、啟動裝置，采用微處理器通過信號控制模塊發(fā)送啟動信號至超聲波發(fā)射傳 感器、超聲波接收傳感器和溫度傳感器；
[0020] 步驟2、采用超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)反射發(fā)送至超聲波接收傳感 器中，并將超聲波發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間發(fā)送至微處理器中；
[0021] 步驟3、采用溫度傳感器采集被測巷道內(nèi)的環(huán)境溫度，并發(fā)送至微處理器中；
[0022] 步驟4、采用微處理器，根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波波速進(jìn)行修正，并根據(jù)超聲 波發(fā)射與接收的時(shí)間差，獲取目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)到反射點(diǎn)之間的距離，具體步驟如下：
[0023] 步驟4. 1、根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波速度進(jìn)行修正；
[0024] 步驟4. 2、根據(jù)各超聲波發(fā)射傳感器與對應(yīng)超聲波接收傳感器之間的距離、各超聲 波發(fā)射與接收時(shí)間差和修正后的超聲波傳播速度，確定超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的 二分之一夾角；
[0025] 步驟4. 3、根據(jù)上述夾角獲得各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離；
[0026] 步驟4. 4、每秒內(nèi)對各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)的超聲波發(fā)射時(shí)間與接收時(shí)間測試多次，采用 微處理器對獲得的目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離求出平均值，將平均值作為巷道監(jiān)測數(shù) 據(jù)發(fā)送至基站和存儲模塊中；
[0027] 步驟5、采用基站接收微處理器發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā) 送至地面的監(jiān)測中心；
[0028] 步驟6、地面監(jiān)測中心接收基站發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制巷道監(jiān)測 曲線圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。
[0029] 所述的步驟4. 1、根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波速度進(jìn)行修正，采用如下公式：
[0030] v= 331. 4+0. 61T (1)
[0031] 其中，v為修正后的超聲波波速，T為采集的環(huán)境溫度。
[0032] 所述的步驟4. 2、確定超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的二分之一夾角，采用如下 公式：

【權(quán)利要求】
1. 一種巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置，其特征在于：該裝置包括多個(gè)超聲波發(fā)射傳感 器、多個(gè)超聲波接收傳感器、中央控制器、多個(gè)基站和地面監(jiān)測中心；所述的中央控制器包 括電源模塊、溫度傳感器、微處理器、信號控制模塊、顯示模塊和儲存模塊；其中， 超聲波發(fā)射傳感器：用于在不同巷道截面的監(jiān)測點(diǎn)處，發(fā)射超聲波至反射點(diǎn)，并將發(fā)射 時(shí)間發(fā)送至微處理器中； 超聲波接收傳感器：用于在不同巷道截面的監(jiān)測點(diǎn)處，接收從反射點(diǎn)反射的超聲波，并 將接收時(shí)間發(fā)送至微處理器中； 電源模塊：用于對微處理器供電； 溫度傳感器：用于采集被測巷道內(nèi)環(huán)境溫度，并將采集的溫度發(fā)送至微處理器中； 微處理器：用于根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波速度進(jìn)行修正，根據(jù)各超聲波發(fā)射傳感 器與對應(yīng)超聲波接收傳感器之間的距離、各超聲波發(fā)射與接收時(shí)間差和修正后的超聲波傳 播速度，確定超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的二分之一夾角，再根據(jù)上述夾角、修正后的 波速和超聲波發(fā)射與接收時(shí)間差，獲得各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離，并獲得每秒 內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)與其反射點(diǎn)之間距離的平均值，將上述平均值作為巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至基站和存 儲模塊中； 信號控制模塊：當(dāng)手動工作時(shí)，用于發(fā)送開啟或關(guān)斷信號至超聲波發(fā)射傳感器、超聲波 接收傳感器和溫度傳感器；當(dāng)自動工作時(shí)，用于接收微處理器發(fā)送的開啟或關(guān)斷信號，并轉(zhuǎn) 發(fā)至超聲波發(fā)射傳感器、超聲波接收傳感器和溫度傳感器； 顯示模塊：用于實(shí)時(shí)顯示巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度； 儲存模塊：用于儲存不同時(shí)間點(diǎn)的環(huán)境溫度和巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)； 基站：用于接收微處理器發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至地面 監(jiān)測中心； 地面監(jiān)測中心：用于接收基站發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制巷道監(jiān)測曲線 圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置，其特征在于：所述的超聲波傳 感器的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際需求而定，設(shè)置于目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)處，所述目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)的間隔距離和設(shè)置 位置根據(jù)實(shí)際需求而定；所述基站的個(gè)數(shù)和設(shè)置的間隔距離根據(jù)實(shí)際需求而定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置，其特征在于：所述的存儲模塊 采用SD存儲卡。
4. 采用權(quán)利要求1所述的巷道變形數(shù)據(jù)在線監(jiān)測裝置進(jìn)行的監(jiān)測方法，其特征在于： 包括如下步驟： 步驟1、啟動裝置，采用微處理器通過信號控制模塊發(fā)送啟動信號至超聲波發(fā)射傳感 器、超聲波接收傳感器和溫度傳感器； 步驟2、采用超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)反射發(fā)送至超聲波接收傳感器 中，并將超聲波發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間發(fā)送至微處理器中； 步驟3、采用溫度傳感器采集被測巷道內(nèi)的環(huán)境溫度，并發(fā)送至微處理器中； 步驟4、采用微處理器，根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波波速進(jìn)行修正，并根據(jù)超聲波發(fā) 射與接收的時(shí)間差，獲取目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)到反射點(diǎn)之間的距離，具體步驟如下： 步驟4. 1、根據(jù)采集的環(huán)境溫度對超聲波速度進(jìn)行修正； 步驟4. 2、根據(jù)各超聲波發(fā)射傳感器與對應(yīng)超聲波接收傳感器之間的距離、各超聲波發(fā) 射與接收時(shí)間差和修正后的超聲波傳播速度，確定超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的二分 之一夾角； 步驟4. 3、根據(jù)上述夾角獲得各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離； 步驟4. 4、每秒內(nèi)對各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)的超聲波發(fā)射時(shí)間與接收時(shí)間測試多次，采用微處 理器對獲得的目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離求出平均值，將平均值作為巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā) 送至基站和存儲模塊中； 步驟5、采用基站接收微處理器發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至 地面的監(jiān)測中心； 步驟6、地面監(jiān)測中心接收基站發(fā)送的不同時(shí)間點(diǎn)的巷道監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制巷道監(jiān)測曲線 圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟4. 1所述的根據(jù)采集的環(huán)境溫 度對超聲波速度進(jìn)行修正，采用如下公式： V = 331. 4+0. 61T (1) 其中，V為修正后的超聲波波速，T為采集的環(huán)境溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟4. 2所述的確定超聲波發(fā)射信 號與接收信號之間的二分之一夾角，采用如下公式：
其中，a為超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的二分之一夾角，L為超聲波發(fā)射傳感器 和超聲波接收傳感器之間的距離，At為超聲波發(fā)射和接收時(shí)間差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟4. 3所述的根據(jù)上述夾角獲得 各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離，采用如下公式：
其中，s為各個(gè)目標(biāo)監(jiān)測點(diǎn)與反射點(diǎn)之間的距離，V為修正后的超聲波波速，△ t為超聲 波發(fā)射和接收時(shí)間差，a為超聲波發(fā)射信號與接收信號之間的二分之一夾角。
【文檔編號】G01B17/04GK104330064SQ201410691757
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】陳學(xué)華, 匡坤華, 羅明坤, 劉思楊 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)