一种巷道变形数据在线监测装置及方法
【专利摘要】本发明一种巷道变形数据在线监测装置及方法，属于矿山安全监测【技术领域】；该装置包括多个超声波发射传感器、多个超声波接收传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；中央控制器包括电源模块、温度传感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；本发明利用超声波传感器测距，抗干扰能力强、测量精度高；通过对温度和硬件设备本身对测量造成的误差的修正，测量精度明显提高，测量量程扩大；采用SD卡将数据实时储存，降低人工抄录的劳动强度，测量原始数据丰富，给巷道变形规律分析提供了充足的依据。
【专利说明】一种巷道变形数据在线监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于矿山安全监测【技术领域】，特别涉及一种巷道变形数据在线监测装置及 方法。
【背景技术】
[0002] 随着矿井转入深部开采后将面临地应力增大、岩体粘结性差、巷道容易变形破坏 等问题，巷道一旦破坏就会给运输、通风、工人等方面造成严重的困扰，严重影响煤矿的正 常生产；巷道变形是深部矿井动力灾害预测预报的一项重要参数，加强对巷道变形的监测， 准确了解巷道的变形及规律对指导煤矿的安全生产有着非常重要的意义。
[0003] 目前对于巷道变形监测设备和方法主要包括激光指向仪、钢尺式收敛计、水准仪、 经纬仪、全站仪、位移计、光纤传感监测、表面位移监测、近景摄像机等，但现有的设备和方 法存在成本较高、抗干扰能力差、操作繁琐、劳动强度大、技术要求高、测量数据少、数据访 问不方便等局限性，不能在巷道中广泛布置。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出一种巷道变形数据在线监测装置及方法，以达 到简化结构、降低成本、提高抗干扰能力、提高测量精度、提高操作方便性、便于访问数据的 目的。
[0005] -种巷道变形数据在线监测装置，包括多个超声波发射传感器、多个超声波接收 传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；所述的中央控制器包括电源模块、温度传 感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；其中，
[0006] 超声波发射传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，发射超声波至反射点，并将 发射时间发送至微处理器中；
[0007] 超声波接收传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，接收从反射点反射的超声 波，并将接收时间发送至微处理器中；
[0008] 电源模块：用于对微处理器供电；
[0009] 温度传感器：用于采集被测巷道内环境温度，并将采集的温度发送至微处理器 中；
[0010] 微处理器：用于根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，根据各超声波发射 传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声 波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，再根据上述夹角、修正 后的波速和超声波发射与接收时间差，获得各个目标监测点与反射点之间的距离，并获得 每秒内监测点与其反射点之间距离的平均值，将上述平均值作为巷道监测数据发送至基站 和存储模块中；
[0011] 信号控制模块：当手动工作时，用于发送开启或关断信号至超声波发射传感器、超 声波接收传感器和温度传感器；当自动工作时，用于接收微处理器发送的开启或关断信号， 并转发至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器；
[0012] 显示模块：用于实时显示巷道监测数据和环境温度；
[0013] 储存模块：用于储存不同时间点的环境温度和巷道监测数据；
[0014] 基站：用于接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至 地面监测中心；
[0015] 地面监测中心：用于接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测 曲线图，实现数据在线监测。
[0016] 所述的超声波传感器的个数根据实际需求而定，设置于目标监测点处，所述目标 监测点的间隔距离和设置位置根据实际需求而定；所述基站的个数和设置的间隔距离根据 实际需求而定。
[0017] 所述的存储模块采用SD存储卡。
[0018] 采用巷道变形数据在线监测装置进行的监测方法，包括如下步骤：
[0019] 步骤1、启动装置，采用微处理器通过信号控制模块发送启动信号至超声波发射传 感器、超声波接收传感器和温度传感器；
[0020] 步骤2、采用超声波发射传感器发射超声波，超声波经反射发送至超声波接收传感 器中，并将超声波发射时间和接收时间发送至微处理器中；
[0021] 步骤3、采用温度传感器采集被测巷道内的环境温度，并发送至微处理器中；
[0022] 步骤4、采用微处理器，根据采集的环境温度对超声波波速进行修正，并根据超声 波发射与接收的时间差，获取目标监测点到反射点之间的距离，具体步骤如下：
[0023] 步骤4. 1、根据采集的环境温度对超声波速度进行修正；
[0024] 步骤4. 2、根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声 波发射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的 二分之一夹角；
[0025] 步骤4. 3、根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离；
[0026] 步骤4. 4、每秒内对各个目标监测点的超声波发射时间与接收时间测试多次，采用 微处理器对获得的目标监测点与反射点之间的距离求出平均值，将平均值作为巷道监测数 据发送至基站和存储模块中；
[0027] 步骤5、采用基站接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发 送至地面的监测中心；
[0028] 步骤6、地面监测中心接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测 曲线图，实现数据在线监测。
[0029] 所述的步骤4. 1、根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，采用如下公式：
[0030] v= 331. 4+0. 61T (1)
[0031] 其中，v为修正后的超声波波速，T为采集的环境温度。
[0032] 所述的步骤4. 2、确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，采用如下 公式：
【权利要求】
1. 一种巷道变形数据在线监测装置，其特征在于：该装置包括多个超声波发射传感 器、多个超声波接收传感器、中央控制器、多个基站和地面监测中心；所述的中央控制器包 括电源模块、温度传感器、微处理器、信号控制模块、显示模块和储存模块；其中， 超声波发射传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，发射超声波至反射点，并将发射 时间发送至微处理器中； 超声波接收传感器：用于在不同巷道截面的监测点处，接收从反射点反射的超声波，并 将接收时间发送至微处理器中； 电源模块：用于对微处理器供电； 温度传感器：用于采集被测巷道内环境温度，并将采集的温度发送至微处理器中； 微处理器：用于根据采集的环境温度对超声波速度进行修正，根据各超声波发射传感 器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发射与接收时间差和修正后的超声波传 播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，再根据上述夹角、修正后的 波速和超声波发射与接收时间差，获得各个目标监测点与反射点之间的距离，并获得每秒 内监测点与其反射点之间距离的平均值，将上述平均值作为巷道监测数据发送至基站和存 储模块中； 信号控制模块：当手动工作时，用于发送开启或关断信号至超声波发射传感器、超声波 接收传感器和温度传感器；当自动工作时，用于接收微处理器发送的开启或关断信号，并转 发至超声波发射传感器、超声波接收传感器和温度传感器； 显示模块：用于实时显示巷道监测数据和环境温度； 储存模块：用于储存不同时间点的环境温度和巷道监测数据； 基站：用于接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至地面 监测中心； 地面监测中心：用于接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线 图，实现数据在线监测。
2. 根据权利要求1所述的巷道变形数据在线监测装置，其特征在于：所述的超声波传 感器的个数根据实际需求而定，设置于目标监测点处，所述目标监测点的间隔距离和设置 位置根据实际需求而定；所述基站的个数和设置的间隔距离根据实际需求而定。
3. 根据权利要求1所述的巷道变形数据在线监测装置，其特征在于：所述的存储模块 采用SD存储卡。
4. 采用权利要求1所述的巷道变形数据在线监测装置进行的监测方法，其特征在于： 包括如下步骤： 步骤1、启动装置，采用微处理器通过信号控制模块发送启动信号至超声波发射传感 器、超声波接收传感器和温度传感器； 步骤2、采用超声波发射传感器发射超声波，超声波经反射发送至超声波接收传感器 中，并将超声波发射时间和接收时间发送至微处理器中； 步骤3、采用温度传感器采集被测巷道内的环境温度，并发送至微处理器中； 步骤4、采用微处理器，根据采集的环境温度对超声波波速进行修正，并根据超声波发 射与接收的时间差，获取目标监测点到反射点之间的距离，具体步骤如下： 步骤4. 1、根据采集的环境温度对超声波速度进行修正； 步骤4. 2、根据各超声波发射传感器与对应超声波接收传感器之间的距离、各超声波发 射与接收时间差和修正后的超声波传播速度，确定超声波发射信号与接收信号之间的二分 之一夹角； 步骤4. 3、根据上述夹角获得各个目标监测点与反射点之间的距离； 步骤4. 4、每秒内对各个目标监测点的超声波发射时间与接收时间测试多次，采用微处 理器对获得的目标监测点与反射点之间的距离求出平均值，将平均值作为巷道监测数据发 送至基站和存储模块中； 步骤5、采用基站接收微处理器发送的不同时间点的巷道监测数据，并通过网络发送至 地面的监测中心； 步骤6、地面监测中心接收基站发送的不同时间点的巷道监测数据，绘制巷道监测曲线 图，实现数据在线监测。
5. 根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：步骤4. 1所述的根据采集的环境温 度对超声波速度进行修正，采用如下公式： V = 331. 4+0. 61T (1) 其中，V为修正后的超声波波速，T为采集的环境温度。
6. 根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：步骤4. 2所述的确定超声波发射信 号与接收信号之间的二分之一夹角，采用如下公式：
其中，a为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角，L为超声波发射传感器 和超声波接收传感器之间的距离，At为超声波发射和接收时间差。
7. 根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：步骤4. 3所述的根据上述夹角获得 各个目标监测点与反射点之间的距离，采用如下公式：
其中，s为各个目标监测点与反射点之间的距离，V为修正后的超声波波速，△ t为超声 波发射和接收时间差，a为超声波发射信号与接收信号之间的二分之一夹角。
【文档编号】G01B17/04GK104330064SQ201410691757
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】陈学华, 匡坤华, 罗明坤, 刘思杨 申请人:辽宁工程技术大学