陸明春，陳文輝，王舒嫻，夏贊軍

(廣西工學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州545006)

礦震是指礦井高應(yīng)力區(qū)內(nèi)煤體、巖體及斷層在受外界擾動(dòng)瞬間失穩(wěn)破壞時(shí)，釋放出很大能量而引起的以猛烈震動(dòng)和爆發(fā)式破壞為特征的礦山動(dòng)力現(xiàn)象［1］。采礦行業(yè)是我國(guó)的高危行業(yè)，每年發(fā)生的礦震造成巨大損失，而導(dǎo)致事故發(fā)生的主要因素是瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、工作面震動(dòng)等;隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)礦井的生產(chǎn)，然而大多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被用于監(jiān)測(cè)瓦斯、水災(zāi)或者火災(zāi)，目前還沒(méi)有一種較為理想的監(jiān)測(cè)礦井巷道和工作面震動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文中設(shè)計(jì)一種基于三軸加速度傳感器MMA7260Q的礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)視礦井巷道和工作面內(nèi)各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)位置的震動(dòng)情況，以便事故發(fā)生時(shí)對(duì)礦震位置進(jìn)行快速定位，使地面工作人員及時(shí)了解礦井內(nèi)的情況，作 出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1 礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)、CAN總線、測(cè)量節(jié)點(diǎn)1、測(cè)量節(jié)點(diǎn)2、測(cè)量節(jié)點(diǎn)3和測(cè)量節(jié)點(diǎn)n組成，礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，圖中測(cè)量節(jié)點(diǎn)安置在礦井巷道支護(hù)和工作面附近，各測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同，測(cè)量節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間通過(guò)CAN總線連接，上位機(jī)由PC機(jī)和插在PC機(jī)內(nèi)PCI總線擴(kuò)展槽上的CAN接口卡組成。測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的震動(dòng)信息通過(guò)CAN總線傳送到地面上位機(jī)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)視礦井內(nèi)各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的震動(dòng)強(qiáng)度、時(shí)間和位置等信息。

圖1 礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

傳感器采用三軸加速度傳感器MMA7260Q，其以重力為輸入矢量來(lái)決定物體在空間的姿態(tài)。把加速度傳感器固定在物體的水平面上，當(dāng)物體姿態(tài)改變時(shí)，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會(huì)發(fā)生改變，因此可通過(guò)測(cè)量加速度的變化來(lái)反映物體姿態(tài)的變化［2］。測(cè)量物體正交兩個(gè)軸向的傾角關(guān)系如圖2所示。圖中，X0、Y0、Z0為初始位置時(shí)加速度傳感器3個(gè)軸向上的輸出信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)傳感器3個(gè)方向的加速度信息X、Y、Z方向上的角度變化，便可獲知物體在空間的姿態(tài)變化。

圖2 坐標(biāo)變換示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量節(jié)點(diǎn)的硬件原理如圖3所示，傳感器采用飛思卡爾公司的MMA7260Q三軸加速度傳感器。微控制器選用NXP公司的LPC1788，微控制器內(nèi)部有雙通道的CAN接口、8通道的12位ADC，STN或TFT LCD控制器，512 kB Flash ROM和96KB的SRAM，片上資源豐富。

圖3 測(cè)量節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖

MMA7260Q是一款微型電容式三軸加速度傳感器，內(nèi)部采用信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)。該傳感器將加速度值按不同量程轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓值，而且線性度高，用戶(hù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器便可以求出準(zhǔn)確的加速度值。MMA7260Q內(nèi)部使用開(kāi)關(guān)電容作為濾波器，為降低時(shí)鐘帶來(lái)的噪聲，在輸出通道上使用1 kΩ的電阻和0.1μF的電容構(gòu)成RC濾波器，可以通過(guò)改變g－select1、g－select2的值來(lái)選擇800 mV/g、600 mV/g、300 mV/g、200 mV/g不同的靈敏度。

LCD選用ILI9325液晶顯示器直接和LPC1788的內(nèi)部LCD控制器連接，LED、蜂鳴器構(gòu)成系統(tǒng)的聲光報(bào)警裝置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量節(jié)點(diǎn)礦震數(shù)據(jù)的采集

三軸加速度傳感器輸出的模擬電壓與X－Z兩正交軸夾角θ的關(guān)系［3］如式(1)所示

其中，Sen為靈敏度;g為重力加速度;θ為兩個(gè)正交軸的夾角。

表1 X－Z(Y－Z)平面傾斜角度數(shù)據(jù)表

如果已知輸出模擬電壓VOUT，則可以通過(guò)式(1)求出兩正交軸的夾角θ，由傾角原理可知，兩正交軸夾角越大，則物體的加速度越大，所以可以通過(guò)兩個(gè)正交軸角度的變化來(lái)反映物體姿態(tài)的變化。

通過(guò)采集傳感器在X和Z軸的模擬電壓，就可以得到傳感器在這個(gè)平面的傾斜角，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。同理也可以通過(guò)測(cè)量傳感器在Y和Z軸的模擬電壓，從而計(jì)算出Y－Z兩個(gè)正交軸角度變化。通過(guò)角度的變化來(lái)說(shuō)明物體加速度的變化，從而反映物體震動(dòng)的變化。因此可以將角度的變化作為震動(dòng)強(qiáng)度的依據(jù)，角度變化越大，則說(shuō)明這個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)測(cè)量到的震動(dòng)強(qiáng)度越強(qiáng)。

測(cè)量節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖4所示，通過(guò)定時(shí)采集三軸傳感器X、Y、Z三軸的模擬電壓，計(jì)算X－Z軸平面的夾角和Y－Z軸平面的夾角，從而獲得兩個(gè)軸平面的震動(dòng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示震動(dòng)參數(shù)，如果超過(guò)設(shè)定極限則立即報(bào)警，同時(shí)震動(dòng)參數(shù)、時(shí)間以及報(bào)警信息通過(guò)CAN總線送至上位機(jī)。

3.2 礦震位置的定位

當(dāng)?shù)V震發(fā)生時(shí)，如果能快速地定位礦震發(fā)生的位置，將為引導(dǎo)井下人員撤離贏得寶貴時(shí)間，也是礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)只收到一個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)有異常震動(dòng)信號(hào)時(shí)，說(shuō)明礦震的位置在有震動(dòng)信號(hào)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的附近，測(cè)量節(jié)點(diǎn)的位置就是礦震的位置;當(dāng)收到兩個(gè)或兩個(gè)以上測(cè)量節(jié)點(diǎn)有異常震動(dòng)信號(hào)時(shí)，采用直線方程法［4］對(duì)礦震進(jìn)行定位分析，認(rèn)為礦震波從震源點(diǎn)到各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)以射線傳播，射線所在直線的交點(diǎn)或異面直線公垂線的中點(diǎn)，即可作為震源坐標(biāo)位置，從而定位礦震的中心位置［5－6］。

圖4 測(cè)量節(jié)點(diǎn)工作流程圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VB開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)操作界面，通過(guò)配置和初始化CAN接口卡，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)CAN總線上位機(jī)與井下各測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互［7］。上位機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖5所示，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示震動(dòng)數(shù)據(jù)、顯示震動(dòng)位置、設(shè)置震動(dòng)強(qiáng)度極限和超限報(bào)警等，對(duì)震動(dòng)數(shù)據(jù)曲線實(shí)現(xiàn)保存、回放、縮放等功能。

圖5 上位機(jī)人機(jī)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

基于三軸加速度傳感器MMA7260Q的礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的傳感器體積小、靈敏度高，井下測(cè)量節(jié)點(diǎn)整體集成度高，可靈活安裝于礦井巷道和工作面。測(cè)量節(jié)點(diǎn)具有測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示和越限報(bào)警功能，通過(guò)CAN總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各測(cè)量節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離震動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控程序的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以查詢(xún)各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)震動(dòng)曲線和歷史曲線，用于分析震動(dòng)原因和預(yù)測(cè)等，系統(tǒng)可用于中、小型礦井的監(jiān)視。由于CAN總線的通信距離有限，如果通過(guò)CAN總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)便通過(guò)以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

［1］ 潘一山，李忠華，章夢(mèng)濤.我國(guó)沖擊礦壓分布、類(lèi)型、機(jī)理及防治研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(11):l844－l851.

［2］ 蘇維嘉，王旭輝.新型加速度傳感器在傾角測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2007，20(5):62－65.

［3］ 張永紅，高曉梅.遮風(fēng)板角度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(7):83－88.

［4］ 邴紹丹，潘一山.礦山微震定位方法及應(yīng)用研究［J］.煤礦開(kāi)采，2007，12(5):1－4.

［5］ 李明勃，蘇維嘉.基于新型MEMS三軸加速度傳感器的礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(11):410－412.

［6］ 孫安青.ARM Cortex－M3嵌入式開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解——基于NXPLPC1768［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［7］ 李長(zhǎng)林.Visual Basic串口通信技術(shù)與典型實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.