本發(fā)明涉及超聲波檢測(cè)儀器，尤其涉及一種基于超聲波的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
煤礦井下巷道掘進(jìn)和工作面開采過程中將產(chǎn)生大量的煤塵，特別是在瓦斯突出過程中產(chǎn)生的大量煤塵在達(dá)到一定條件會(huì)導(dǎo)致煤塵爆炸事故，因此準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)定礦井生產(chǎn)空間的煤塵濃度對(duì)防治煤塵爆炸事故具有重要的意義。
超聲波在穿透分布有粉塵或煤塵的氣體時(shí)，其超聲波速度和聲強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生較大的變化。超聲波速度的變化是由于氣體中煤塵粿粒的存在使超聲波穿透路徑長度與無煤塵時(shí)的直線路徑長度不同而造成的；超聲波聲強(qiáng)的變化是由于氣體中煤塵粿粒對(duì)超聲波能量的吸收衰減造成的。超聲波速度和聲強(qiáng)與煤塵濃度的關(guān)系可以通過實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場標(biāo)定的方法獲得。
煤塵在地下空間的分布是極不均勻的，且是動(dòng)態(tài)變化的。目前的各種粉塵和煤塵濃度檢測(cè)裝置主要是某一區(qū)域范圍的平均濃度值。現(xiàn)有的超聲波粉塵檢測(cè)儀采用單發(fā)單收工作方式，其檢測(cè)結(jié)果是單一射線路徑的平均濃度值，往往造成實(shí)測(cè)濃度值低于局部實(shí)際濃度值，不能滿足實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)煤塵濃度空間分布的要求，導(dǎo)致局部區(qū)域煤塵濃度超限時(shí)而不能準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)報(bào)的現(xiàn)象。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲波的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，通過循環(huán)超聲波單發(fā)多收的方式滿足圖像重建的檢測(cè)方式，解決了礦井空間煤塵濃度分布的實(shí)時(shí)檢測(cè)問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明方案包括：
一種基于超聲波的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其包括煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體，其中，該煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組成，十六個(gè)超聲波傳感器等角度固定在內(nèi)環(huán)的內(nèi)壁，每個(gè)超聲波傳感器同時(shí)具有發(fā)射超聲波和接收超聲波的功能；內(nèi)環(huán)的外壁上均勻布置有多個(gè)安裝槽，超聲波傳感器的信號(hào)線敷設(shè)于對(duì)應(yīng)安裝槽內(nèi)，所有信號(hào)線共同連接于固定在外環(huán)上的多芯插頭上，多芯插頭通過多芯屏蔽電纜與一程控多路切換開關(guān)相連接，程控多路切換開關(guān)分別與電壓脈沖發(fā)生器、超聲波數(shù)據(jù)采集裝置線路連接，電壓脈沖發(fā)生器與超聲波數(shù)據(jù)采集裝置線路連接，超聲波數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)處理中心線路連接。
所述的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其中，上述超聲波數(shù)據(jù)采集裝置包括A/D采集板、電荷放大器、第一I/O接口、第二I/O接口與第三I/O接口，A/D采集板通過第三I/O接口與數(shù)據(jù)處理中心線路連接，電荷放大器通過第二I/O接口與數(shù)據(jù)處理中心線路連接，電荷放大器與A/D采集板線路連接，電荷放大器與程控多路切換開關(guān)線路連接，電壓脈沖發(fā)生器通過同步電路與A/D采集板線路連接，電壓脈沖發(fā)生器通過第一I/O接口與數(shù)據(jù)處理中心線路連接。
所述的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其中，上述數(shù)據(jù)處理中心為計(jì)算機(jī)。
一種使用所述礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其包括以下步驟：
A、程控多路切換開關(guān)控制一個(gè)超聲波傳感器處于發(fā)射狀態(tài)，控制與該超聲波傳感器輻射面法線與發(fā)射接收對(duì)連線的夾角小于45°的另外七個(gè)超聲波傳感器處于接收狀態(tài)；十六個(gè)超聲波傳感器中的每個(gè)超聲波傳感器都遍歷一次發(fā)射狀態(tài)后形成滿足CT圖像重建的檢測(cè)模式；
B、電壓脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的高壓脈沖信號(hào)通過程控多路切換開關(guān)輸入到對(duì)應(yīng)超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波模擬信號(hào)，與該對(duì)應(yīng)超聲波傳感器對(duì)應(yīng)的另外七個(gè)處于接收狀態(tài)的超聲波傳感器接收到的超聲波模擬信號(hào)通過程控多路切換開關(guān)輸入到超聲波數(shù)據(jù)采集裝置，在超聲波數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)進(jìn)行電荷放大、衰減、A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)，超聲波數(shù)據(jù)采集裝置將該數(shù)字信號(hào)傳輸出到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
所述的煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其中，上述步驟B具體的還包括：
上述數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)設(shè)定的初值閾值和分析時(shí)間窗口區(qū)間，自動(dòng)識(shí)別超聲波初至?xí)r間ti和最大峰值，形成走時(shí)數(shù)據(jù)文件和幅值數(shù)據(jù)文件，再由CT圖像重建算法得到煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體區(qū)域內(nèi)煤塵的速度分布和吸收系數(shù)分布，最后根據(jù)煤塵濃度與超聲波速度和吸收系數(shù)的標(biāo)定結(jié)果轉(zhuǎn)換得到煤塵濃度分布圖像。
本發(fā)明提供的一種基于超聲波的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，將目前的單發(fā)單收檢測(cè)方式改進(jìn)為循環(huán)單發(fā)多收CT檢測(cè)模式，采用超聲波速度CT和吸收系數(shù)CT兩種圖像反映煤塵濃度分布，提高了其檢測(cè)的準(zhǔn)確性，通過對(duì)超聲波信號(hào)的頻譜分析，獲得不同頻率的信號(hào)峰值，利用不同粒徑煤塵對(duì)超聲波頻率的選擇性特征可以檢測(cè)出不同粒徑煤塵的空間分布，獲得更精準(zhǔn)的煤塵濃度分布圖像，是現(xiàn)有技術(shù)的極大進(jìn)步。
附圖說明
圖1為本發(fā)明中礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種基于超聲波的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)及煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明提供了一種基于超聲波的礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，其包括煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體10，如圖1所示的，該煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體10由內(nèi)環(huán)1和外環(huán)2組成，十六個(gè)超聲波傳感器3等角度固定在內(nèi)環(huán)的內(nèi)壁，每個(gè)超聲波傳感器3同時(shí)具有發(fā)射超聲波和接收超聲波的功能；內(nèi)環(huán)1的外壁上均勻布置有多個(gè)安裝槽11，超聲波傳感器3的信號(hào)線12敷設(shè)于對(duì)應(yīng)安裝槽11內(nèi)，所有信號(hào)線12共同連接于固定在外環(huán)2上的多芯插頭4上，多芯插頭4通過多芯屏蔽電纜5與一程控多路切換開關(guān)6相連接，程控多路切換開關(guān)6分別與電壓脈沖發(fā)生器7、超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8線路連接，電壓脈沖發(fā)生器7與超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8線路連接，超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8與數(shù)據(jù)處理中心9線路連接。
在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施例中，上述超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8包括A/D采集板13、電荷放大器14、第一I/O接口15、第二I/O接口16與第三I/O接口17，A/D采集板13通過第三I/O接口17與數(shù)據(jù)處理中心9線路連接，電荷放大器14通過第二I/O接口16與數(shù)據(jù)處理中心8線路連接，電荷放大器14與A/D采集板13線路連接，電荷放大器14與程控多路切換開關(guān)6線路連接，電壓脈沖發(fā)生器7通過同步電路與A/D采集板13線路連接，電壓脈沖發(fā)生器7通過第一I/O接口15與數(shù)據(jù)處理中心9線路連接。而且上述數(shù)據(jù)處理中心9為計(jì)算機(jī)、工業(yè)計(jì)算等設(shè)備。
本發(fā)明還提供了一種使用所述礦井煤塵濃度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的煤塵濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其包括以下步驟：
步驟一，程控多路切換開關(guān)6控制一個(gè)超聲波傳感器3處于發(fā)射狀態(tài)，控制與該超聲波傳感器3輻射面法線與發(fā)射接收對(duì)連線的夾角小于45°的另外七個(gè)超聲波傳感器處于接收狀態(tài)；十六個(gè)超聲波傳感器3中的每個(gè)超聲波傳感器3都遍歷一次發(fā)射狀態(tài)后形成滿足CT圖像重建的檢測(cè)模式；
步驟二，電壓脈沖發(fā)生器7產(chǎn)生的高壓脈沖信號(hào)通過程控多路切換開關(guān)6輸入到對(duì)應(yīng)超聲波傳感器3產(chǎn)生超聲波模擬信號(hào)，與該對(duì)應(yīng)超聲波傳感器3對(duì)應(yīng)的另外七個(gè)處于接收狀態(tài)的超聲波傳感器接收到的超聲波模擬信號(hào)通過程控多路切換開關(guān)6輸入到超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8，在超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8內(nèi)進(jìn)行電荷放大、衰減、A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)，超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8將該數(shù)字信號(hào)傳輸出到數(shù)據(jù)處理中心9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
更進(jìn)一步的，上述步驟二具體的還包括：
上述數(shù)據(jù)處理中心9根據(jù)設(shè)定的初值閾值和分析時(shí)間窗口區(qū)間，自動(dòng)識(shí)別超聲波初至?xí)r間ti和最大峰值，形成走時(shí)數(shù)據(jù)文件和幅值數(shù)據(jù)文件，再由CT圖像重建算法得到煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體10區(qū)域內(nèi)煤塵的速度分布和吸收系數(shù)分布，最后根據(jù)煤塵濃度與超聲波速度和吸收系數(shù)的標(biāo)定結(jié)果轉(zhuǎn)換成得到煤塵濃度分布圖像。
為了更進(jìn)一步描述本發(fā)明，以下列舉更為詳盡的實(shí)施例進(jìn)行說明。設(shè)定，檢測(cè)腔體直徑根據(jù)實(shí)際需要可在200-1000mm范圍內(nèi)靈活設(shè)計(jì)，設(shè)檢測(cè)腔體最大檢測(cè)距離為1m，超聲波初至走時(shí)約為3ms；若傳感器發(fā)射頻率為500KHz，電壓脈沖信號(hào)發(fā)生器按周期T＝3.5ms設(shè)計(jì)完全滿足對(duì)采集信號(hào)的要求，這樣完成一次檢測(cè)所需時(shí)間約為400ms，即實(shí)現(xiàn)了煤塵濃度的動(dòng)態(tài)檢測(cè)又實(shí)現(xiàn)了煤塵濃度的空間分布檢測(cè)。其具體的如下：
數(shù)據(jù)處理中心9對(duì)十六個(gè)超聲波傳感器3進(jìn)行十六進(jìn)制順序編碼(0#-F#)，分別對(duì)應(yīng)十六路程控多路切換開關(guān)6的通道號(hào)；
數(shù)據(jù)處理中心9首先控制0#超聲波傳感器為發(fā)射傳感器，與程控多路切換開關(guān)6的0#通道接通電壓脈沖發(fā)生器7；按周期T產(chǎn)生七個(gè)高壓脈沖信號(hào)，通過程控多路切換開關(guān)6輸入到0#超聲波傳感器產(chǎn)生七次超聲波信號(hào)，周期為T；與0#超聲波傳感器相對(duì)應(yīng)的七個(gè)處于接收狀態(tài)的超聲波傳感器編號(hào)分別是5#-B#；第1個(gè)周期由5#傳感器接收，第2個(gè)周期由6#傳感器接收，……，第七個(gè)周期由B#傳感器接收；接收完畢后數(shù)據(jù)處理中心9再控制1#超聲波傳感器為發(fā)射傳感器，與此對(duì)應(yīng)的處于接收狀態(tài)的超聲波傳感器傳感器為6#-C#，以此類推，至致F#傳感器發(fā)射，對(duì)應(yīng)的4#-A#接收完畢，完成一次完整的數(shù)據(jù)采集；
所有超聲波傳感器3接收到的超聲波模擬信號(hào)通過程控多路切換開關(guān)6輸入到超聲波數(shù)據(jù)采集裝置8，經(jīng)電荷放大、衰減、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)處理中心9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)處理中心9根據(jù)設(shè)定的初值閾值和分析時(shí)間窗口區(qū)間，自動(dòng)識(shí)別超聲波初至?xí)r間ti和最大峰值，形成CT成像格式的走時(shí)數(shù)據(jù)文件和幅值數(shù)據(jù)文件，直接調(diào)用CT處理軟件實(shí)時(shí)成像，最終得到煤塵濃度檢測(cè)圓柱形腔體10內(nèi)部的煤塵濃度分布結(jié)果，最后根據(jù)煤塵濃度與超聲波速度和吸收系數(shù)的標(biāo)定結(jié)果轉(zhuǎn)換成得到煤塵濃度分布圖像。
當(dāng)然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)說明的是，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本說明書的教導(dǎo)下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實(shí)質(zhì)范圍之內(nèi)，理應(yīng)受到本發(fā)明的保護(hù)。