多功能巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀

陳繼海 周鳳星

(武漢科技大學(xué)冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081)

0 引言

礦山生產(chǎn)有其特殊性，礦工賴以生產(chǎn)的空間——井下巷道以及有毒氣體、機電設(shè)施、火、水等方面的安全隱患廣泛存在于巷道中。每年由于礦井冒頂、坍塌等事故所引起的人員傷亡和財產(chǎn)損失不可計量。為此，科學(xué)地分析事故、積極地采取切實可行的措施來預(yù)防事故的發(fā)生，對于降低礦山傷亡事故、保護勞動者的生命安全、促進安全生產(chǎn)具有重要的意義。隨著國內(nèi)外研究學(xué)者對聲發(fā)射(acoustic emission，AE)研究的不斷深入［1］，利用巖體受荷載時所輻射的聲發(fā)射信號的能量、振幅、波長和頻度等特性，可以研究各種巖體災(zāi)害的破壞過程和機理，判斷巖體的抗斷裂性能，使得巖體聲發(fā)射技術(shù)成為研究巖體穩(wěn)定性及預(yù)測預(yù)報地下工程巖爆、崩塌等災(zāi)難性事故的一種重要手段［2］。

1 巖體聲發(fā)射監(jiān)測原理

材料在受到外荷載作用時，其內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波并發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射［3］。目前對聲發(fā)射的表征參數(shù)都是通過對儀器輸出波形的處理得到的，這些參數(shù)主要有聲發(fā)射事件與振鈴計數(shù)率和總數(shù)、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效電壓值、頻譜和波形等［4］。本文所研究的聲發(fā)射主要參數(shù)是基于振鈴計數(shù)法的大事件率、總事件率和能率。聲發(fā)射信號波形如圖1所示，設(shè)置某一閾值電壓，當(dāng)聲發(fā)射信號波形超過這個閾值電壓時計作一次事件。

圖1 聲發(fā)射信號波形Fig.1 AE signal waveform

在實際應(yīng)用中，聲發(fā)射事件率一般采用單位時間的AE事件數(shù)進行計數(shù)。AE累計振鈴數(shù)是聲發(fā)射變化的時間效應(yīng)的表現(xiàn)，能準確表示測試對象AE特征的變化趨勢［5］。在實際聲發(fā)射監(jiān)測中，利用A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值電壓值進行比較判斷，從而累計求出事件個數(shù)。具體實現(xiàn)方法是當(dāng)?shù)谝淮伪O(jiān)測數(shù)值大于所設(shè)置的閾值時，做一個標(biāo)志;直到第一次數(shù)據(jù)小于所設(shè)置的閾值時，計作一個事件。這樣輪循監(jiān)測1 min，得到大事件率和總事件率。聲發(fā)射能率反映聲發(fā)射源以彈性波形式釋放的能量，這里的能量分析是針對儀器輸出的信號進行的。瞬態(tài)信號能率E可定義為:

式中:V(t)為隨時間變化的電壓;R為電壓測量電路的輸入阻抗。如采用數(shù)字處理方法，則取分立式，即:

式中:Vi為取樣點的電壓;Δt為取樣點的間隔時間;m為取樣點數(shù)。

能率反映出了單位時間(1 min)內(nèi)材料釋放出來的聲發(fā)射信號能量的相對累計值。根據(jù)式(2)可知，能率與采樣點的電壓值的平方成正比?？紤]到這一點，可以利用峰值估算出E值相對地衡量能量的大小，這樣的變相測量大大提高了單片機的數(shù)據(jù)處理速度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)原理

硬件系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of hardware system

單片機具有集成度高、體積小、可靠性強、價格低、面向控制等優(yōu)點。在此，選擇STC89C58RD+單片機。該款單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機［6］，32 kB的Flash存儲器;并且不需要依靠任何燒錄器，直接通過電腦上的串口以ISP方式進行燒錄。這為今后產(chǎn)品的改進和升級提供了方便，特別是本系統(tǒng)中的修改閾值參數(shù)、校正時間等就顯得特別方便。

圖2中，三路傳感器的模擬電壓信號進入數(shù)據(jù)采集單元，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給單片機;單片機通過定時器T0定時1 min，對輸入的信號進行判斷，從而得到所需的特征參數(shù);單片機端口擴展芯片8255的C口控制3片數(shù)碼管驅(qū)動芯片CH452，每片驅(qū)動8個數(shù)碼管顯示。閾值選擇旋鈕作為輸入量送入8255，通過單片機讀取并調(diào)用存儲在Ε2ΡRΟΜ中的參數(shù)作為設(shè)定的閾值;監(jiān)測周期旋鈕作為輸入量控制自動模式下每次監(jiān)測的間隔時間。根據(jù)對監(jiān)測點的需求，試驗中選擇兩位BCD撥碼盤，取值范圍為00～99。串行時鐘芯片DS1302提供系統(tǒng)時鐘［7］，以便實時記錄事件發(fā)生的時刻。

由于工程上需要長時間連續(xù)的自動監(jiān)測，并存儲設(shè)置參數(shù)、監(jiān)測點、時間、三路信號的主要參數(shù)值等，因此，選用單片機的4個I/O口控制8片AT24C512(共4 Mbit存儲空間)。其中兩個I/O口控制4片AT24C512的電路圖如圖3所示，另4片控制電路與圖3相同。

圖3 數(shù)據(jù)存儲電路Fig.3 Circuit of data storage

2.2 數(shù)據(jù)采集單元硬件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集單元主要由濾波電路、可調(diào)放大器、采樣保持器、電壓跟隨器、模擬多路開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元Fig.4 Data acquisition unit

其中濾波電路選擇由美國Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42，它具有設(shè)計方便、使用靈活的特點［8］。通過改變UAF42的電路參數(shù)，可以構(gòu)成各種滿足工程實際需要的濾波器，且生產(chǎn)廠家還提供FILTER42軟件，設(shè)計人員只需要根據(jù)電路的要求輸入?yún)?shù)到FILTER42，就可以計算出相應(yīng)的元件值，這樣大大提高了對UAF42有源濾波器的設(shè)計效率。

式中:fosc為截止頻率;C=1000 pF，為芯片內(nèi)部所給電容值;RF為外接電阻。由式(3)可得:

在此系統(tǒng)中，采用低通濾波器設(shè)計了5個不同的截止頻率 fosc，分別為 500 Hz、1 kHz、2 kHz、3 kHz、5 kHz，用于適應(yīng)不同的巖體。

采樣保持器選擇LF398，它具有直流精度高、采樣速度快和下降速度低的特點［9］，這樣使用三路同步采樣可以更精確地對地質(zhì)情況進行預(yù)測。模擬多路開關(guān)選用PC817光電耦合器作為3路信號的切換。該耦合器的響應(yīng)速度快，典型值為3～4 μs，且光耦能很好地將模擬信號與數(shù)字信號隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。為提高對信號監(jiān)測的精度，采用AD公司的16位A/D轉(zhuǎn)換器AD976。該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍－10～+10 V，單極5 V電壓供電，采樣速率可達100 kS/s，對信號分辨率可達 0.3 mV［10］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)處理及通信協(xié)議

根據(jù)系統(tǒng)要求，本文通過軟件得到聲發(fā)射的特征參數(shù)，節(jié)省了硬件處理的開支。數(shù)據(jù)采集及處理流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集及處理流程圖Fig.5 Flowchart of data acquisition and processing

此外，通過規(guī)定單片機與PC機間的通信協(xié)議，兩者可以進行相互通信。通信協(xié)議如表1所示。

表1 串口通信協(xié)議Tab.1 Serial communication protocol

3.2 系統(tǒng)工作軟件設(shè)計

在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，為實現(xiàn)能夠適應(yīng)多種巖體、人工自動監(jiān)測模式可切換、閾值可調(diào)、數(shù)據(jù)可存儲下載、長時間連續(xù)監(jiān)測且能與PC機間通信等功能，軟件的設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、時鐘芯片控制、數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)碼管驅(qū)動和串口中斷等。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of the main program

4 結(jié)束語

多功能巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集、通過調(diào)整參數(shù)適應(yīng)不同巖體、人工自動模式切換、閾值可調(diào)整、數(shù)據(jù)可存儲下載、長時間無人監(jiān)測等功能。采用STC單片機，只需要串口就可以燒寫程序，這為今后參數(shù)修改、軟件升級等提供了方便。該儀器能夠很好地解決人工記錄繁瑣的問題，同時為礦山的開采提供了大量的數(shù)據(jù)依據(jù)，為減少生命和財產(chǎn)損失、提高生產(chǎn)效率奠定了基礎(chǔ)。

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