一种冲击矿压微震信号处理电路的制作方法
【专利摘要】一种冲击矿压微震信号处理电路，属于微震信号处理电路。该信号处理电路包括：24V开关电源模块U1、升压模块U2、电压自动调节及传感器短路检测模块U3、传感器U4和传感器信号放大滤波模块U5；24V开关电源模块U1经过升压模块U2与电压自动调节及传感器短路检测模块U3连接，传感器短路检测模块U3与传感器U4连接，传感器U4与传感器信号放大滤波模块U5连接，传感器信号放大滤波模块U5采用双光耦实现输入端与输出端电气隔离；各模块连接方式是级联连接。每个冲击矿压微震信号处理电路拾取一路冲击矿压微震信号，输入电流范围为0～4mA，输出电压可放大到±10V。实现监测信号平稳性好和抗干扰性强的目标，提高井下安全监测微震信号的可靠性和准确性。
【专利说明】一种冲击矿压微震信号处理电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微震信号处理电路，特别是一种冲击矿压微震信号处理电路。
【背景技术】
[0002]煤岩在应力作用下发生破坏，岩层破裂后会造成顶板垮落、巷道堵塞、矿井突水、煤与瓦斯突出、冲击地压和人身伤亡等一系列矿井重大灾害。矿震已成为威胁矿井生产的主要动力灾害之一。一种冲击矿压微震信号处理电路主要用来处理传感器监测煤岩破裂产生的震动信号或其他物体的震动信号，其处理信号的准确性、平稳性为准确预报和有效控制矿井灾害提供前提保障，是微震实时监控系统中重要的组成部分之一。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种性能稳定可靠、抗干扰性强的冲击矿压微震信号处理电路。
[0004]本发明解决技术问题采用的技术方案是:该信号处理电路包括:24V开关电源模块U1、升压模块U2、电压自动调节及传感器短路检测模块U3、传感器U4和传感器信号放大滤波模块U5 ；24V开关电源模块Ul经过升压模块U2与电压自动调节及传感器短路检测模块U3连接，传感器短路检测模块U3与传感器U4连接，传感器U4与传感器信号放大滤波模块U5连接,传感器信号放大滤波模块U5米用双光稱实现输入端与输出端电气隔离；各模块连接方式是级联连接。
[0005]所述的传感器信号放大滤波模块U5包括:双光耦线性隔离放大模块U51、电压跟随器及信号频率检测模块U52和滤波整形模块U53，各模块连接方式是级联连接。
[0006]所述的滤波整形模块U53包括:二阶有源高通滤波模块U531、一阶放大模块U532、二阶低通有源滤波模块U533、放大倍数选择模块U534、50Hz滤波模块U535和二阶高通滤波模块U536，各模块连接方式是级联连接。
[0007]所述的电压自动调节及传感器短路检测模块对不高于64v输入电压自动调节至40?42v输出电压。
[0008]所述的电压自动调节及传感器短路检测模块检测传感器短路情况。
[0009]所述的传感器信号放大滤波模块米用双光稱实现输入端与输出端电气隔离。
[0010]所述的电压跟随器及信号检测电路模块检测有无传感器信号输入。
[0011]有益效果，由于采用了上述方案，通过对微震信号的放大、滤波处理，本发明为煤矿的安全生产提供安全可靠的数据，减少煤矿微震带来的损失，具有抗干扰行强、信噪比高、平稳性好、可靠性强的特点。当电路接通后，24V开关电源模块Ul为本实施例提供24V直流电压，经过升压模块U2，将输入电压24V升压至传感器工作电压48V。电压自动调节及传感器短路检测模块U3可防止出现升压模块损坏导致传感器供电电压升高损害传感器的现象，并能检测出传感器短路问题。电压自动调节及传感器短路检测模块U3以比较器U102脚为基准点。当电源输入电压升高，电流经三极管T2增大，三极管T2发射极电压上升，使得三极管Tl基极电压上升，导致三极管Tl发射极电流增大，从而降低三极管Tl发射极电压，实现电压自动调节功能。当传感器发生短路故障时，三极管T2发射极电压增大，使得三极管T3基极电压升高，导致三极管T3导通，红绿双色发光二极管D20呈绿色，以此表示传感器发生短路故障。当传感器U4监测到煤层微振信号时，传感器U4将煤层微振信号以电阻R60两端电压作为源信号进入滤波整形模块U53中双光耦线性隔离放大电路U531光耦Ol，微震信号通过光耦01耦合输出，进入运算放大器UlA输出电压，使三极管Ql导通，经电阻R16产生电压使光耦02导通，在光耦02形成反馈，实现对微震信号的线性放大隔离。三极管Q2与电阻R13、R5、红绿双色发光二极管D3形成信号检测电路，可检测O?500Hz输入信号。无信号时，三极管Q2不导通，红绿双色发光二极管D3呈红色；有信号输入时，三极管Q2导通，红绿双色发光二极管D3同时点亮，呈微黄色。经过电压跟随器及信号检测电路处理的微震信号再经过滤波整形模块U53输出±10V电压信号。
[0012]优点:每个冲击矿压微震信号处理电路拾取一路冲击矿压微震信号,输入电流范围为O?4mA,输出电压可放大到±10V。处理煤矿微震信号,可实现处理信号平稳性好和抗干扰性强的目标，提高井下安全监测微震信号的可靠性和准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明冲击矿压微震信号处理电路的原理框图。
[0014]图2是本发明传感器信号放大滤波电路的原理框图。
[0015]图3是本发明滤波整形电路的原理框图。
[0016]图4是本发明升压模块的电路图。
[0017]图5是本发明电压自动调节及传感器短路检测的电路图。
[0018]图6是本发明滤波整形电路的电路图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实验例对本发明进行详细描述。
[0020]实施例1:在图1中，一种冲击矿压微震信号处理电路由24V开关电源模块U1、升压模块U2、电压自动调节及传感器短路检测模块U3、传感器U4、传感器信号放大滤波模块U5组成。24V开关电源模块Ul为本实施例提供24V直流电压，经过升压模块U2，将输入电压24V升压至传感器工作电压48V。电压自动调节及传感器短路检测模块U3可防止出现升压模块损坏导致传感器供电电压升高从而损害传感器的现象，并能检测出传感器短路问题。O?4mA传感器电流监测信号作为传感器信号放大滤波模块U5的输入，U5采用双光耦实现输入端与输出端电气隔离，经过传感器滤波整形电路后，输出±10V的电压信号。
[0021]所述的电压自动调节及传感器短路检测模块对不高于64v输入电压自动调节至40?42v输出电压。
[0022]所述的电压自动调节及传感器短路检测模块检测传感器短路情况。
[0023]所述的传感器信号放大滤波模块采用双光耦实现输入端与输出端电气隔离。
[0024]所述的电压跟随器及信号检测电路模块检测有无传感器信号输入。
[0025]在图2中，所述的传感器信号放大滤波模块U5由双光耦线性隔离放大模块U51、电压跟随器及信号频率检测模块U52、滤波整形模块U53组成。[0026]在图3中，所述的滤波整形模块U53由二阶有源高通滤波模块U531、一阶放大模块U532、二阶低通有源滤波模块U533、放大倍数选择模块U534、50Hz滤波模块U535、二阶高通滤波模块U536组成,实现对传感器信号放大滤波。
[0027]在图4中，所述的升压模块U2由升压芯片U9、电容C50?C56、电阻R52?R54，二极管VI，电感L6组成，实现将输入电压24V升压至传感器工作电压48V。电解电容C53、C54、C55并联后接在24V开关电源输入端+24V_S与地SGND之间。升压芯片U91脚经电阻R53、电容C56接地。升压芯片U95脚接24V开关电源输入端+24V_S。升压芯片U94脚经二极管Vl接输出端。电感L6接在升压芯片U94脚、5脚之间。升压芯片U92脚接电阻R52、R54之间。电阻R52另一端接二极管阴极。电阻R54另一端接地SGND。电容C50?C52并联后接升压模块输出端+48V和地SGND之间。所述的升压芯片U9型号为UC2577。
[0028]在图5中，所述的电压自动调节及传感器短路检测模块U3由电压自动调节模块和传感器短路检测模块两部分组成，由运算放大器U10、三极管Tl?T3、电阻R55?R76、可调电阻W5、二极管D7?D9、D12、D15?D17、TVS4，红绿双色发光二极管D20组成。电压自动调节模块由运算放大器U10、电阻R55?R59、R64，R67?R72、R74，二极管D8、D16，三极管Tl、T2组成，可将升压模块因芯片或电路损坏导致升压模块输出64V以内电压自动调节至40?42V电压，实现传感器过压保护自动调节功能。传感器短路检测模块由三极管T3、电阻 R60 ?R62、R65、R66、R73, R75、R76，可调电阻 W5, 二极管 D9、D12、D15、D17、TVS4,红绿双色发光二极管D20组成，可实现检测传感器短路的功能。电阻R55?R58级联后接+48V输入端和三极管T12脚之间。三极管Tl发射极经电阻R59接二极管D7阴极。二极管D7阳极接电阻R68与R70之间。电阻R67接三极管Tl发射极与T2基极之间。电阻R72接三极管T2基极和地SGND之间。三极管Tl基极接三极管T2集电极。电阻R68 —端接运算放大器U102脚，另一端接电阻R70和二极管D7阳极之间。二极管D7阴极接三极管T2发射极。运算放大器U103脚接电阻R64与R71之间。电阻R64另一端接三极管T2发射极。电阻R71另一端接地SGND。运算放大器U104脚接电阻R74与二极管D16阳极之间。电阻R74另一端接地SGND。运算放大器U107脚分两路分别接二极管D16阴极和D8阳极。二极管D16阳极经电阻R74接地SGND。二极管D8阴极接+48V输入电压。运算放大器U106脚经电阻R69接三极管Tl基极。电阻R66接三极管T3集电极和+48V输入电压之间。三极管T3基极接可调电阻W5抽头。三极管T3发射极接红绿双色发光二极管D20中绿色发光二极管阳极。二极管D15阴极接三极管T3集电极，阳极接红绿双色发光二极管D20中红色发光二极管阳极。红绿双色发光二极管D20共阴极接地SGND。电阻R63—端接三极管T2发射极，另一端接可调电阻W5的固定端。电阻R73 —端接可调电阻W5的另一固定端，另一端接地SGND。二极管D9、D12、D17串联接三极管T2发射极和地SGND之间。电阻R65接三极管T2发射极和传感器输入信号S_AIN之间。电阻R60接三极管T2发射极和传感器输入信号G_AIN之间。电阻R61、R62串联后接传感器输入信号G_AIN和输出信号AIN+之间。电阻R75、R76串联后接输出信号AIN-和地SGND之间。所述的运算放大器UlO型号为0P2177。
[0029]在图6中，所述的双光耦线性隔离放大模块U51由光电耦合器01、02、运算放大器U1A、三极管 Ql 及电阻 Rll、R3、R4、R12、R16、R19、R20,可调电阻 W2、电容 C3、C6、C7、C11、C15、C18,稳压二极管Dl、D2组成,米用双光稱实现输入端与输出端的电气隔离。光电I禹合器011脚和2脚分别接传感器信号S_AIN和G_AIN，光电耦合器013脚经电阻Rll接-12V电压，光电耦合器014脚串联稳压二极管Dl、D2接-12V电源。光电耦合器014脚接光电耦合器023脚，光电耦合器024脚经电阻R4接+12V电压，光电耦合器021脚经电阻Rl2接三极管Ql发射极，光电耦合器022脚经电阻R16接三极管Ql发射极。运算放大器U1A2脚经电容Cll接地GND，电容C6接在运算放大器UlAl脚和2脚之间，U1A3脚接地GND，电阻R3接在运算放大器U1A8脚和+12V电压之间，电容C3、C7并联后接在运算放大器U1A8脚和地GND之间。运算放大器U1A4脚经电阻R19接-12V电压，电容C15、C18并联后接在运算放大器U1A4脚与地GND之间。运算放大器UlAl脚接三极管Ql基极，三极管Ql集电极接+12V电压，Ql发射极依次经电阻R16、可调电阻W2、电阻R20接-12V电压。双光耦线性隔离放大电路U51实现了输入端与输出端电气隔离及放大作用。所述的运算放大器UlA的型号为 0P2177。
[0030]在图6中，所述的电压跟随器及信号检测模块U52分为电压跟随器和信号检测模块两部分，由运算放大器U1B、三极管Q2、电阻R13、R5，红绿双色发光二极管D3组成。运算放大器U1B5脚接在双光耦线性隔离放大模块U531光耦022脚，运算放大器U1B6脚接U1B7脚，构成电压跟随器，对前后级电路起到隔离作用。信号检测模块由三极管Q2、电阻R13、R5，红绿双色发光二极管D3组成，可用于检测有无传感器信号输入。三极管Q2基极经电阻R13接红绿双色发光二极管D3中红色二极管阳极，Q2发射极经电阻R5接+12V电压，Q2集电极接红绿双色发光二极管D3中绿色二极管阳极，红绿双色发光二极管D3阴极接地GND。所述的运算放大器UlB型号为0P2177。
[0031]如图3所示，本实施例的滤波整形模块U53由二阶有源高通滤波模块U531、一阶放大模块U532、二阶低通有源滤波模块U533、放大倍数选择模块U534、50Hz滤波模块U535、二阶高通滤波模块U536组成，实现对传感器信号放大滤波。
[0032]在图6中，所述的二阶有源高通滤波模块U531由运算放大器U2A，电容C1、C4、C9、CIO、C13、C16，电阻Rl、R7、R14、R17组成。电容C9接在Q2发射极与电阻R7之间。电容ClO 一端接在电容C9和电阻R7之间，另一端接运算放大器U2A3脚。电阻R14接运算放大器U2A3脚与地GND之间。运算放大器U2A2脚接U2A1脚，运算放大器U2A8脚经电阻Rl接+12V电压。运算放大器U2A4脚经电阻R17接-12V电压。电容C13、C16并联后接在运算放大器U2A4脚与地GND之间。所述的运算放大器U2A型号为0P2177。
[0033]在图6中，所述的一阶放大模块U532由运算放大器U2B、电阻R6、R8、R15，可调电阻Wl组成。电阻R8接在运算放大器U2A1脚与U2B6脚之间，电阻R6接在运算放大器U2B6脚和可调电阻Wl之间，可调电阻Wl的抽头与可调电阻Wl的另一固定端接在电阻R6与运算放大器U2B7脚之间。所述的运算放大器U2B型号为0P2177。
[0034]在图6中，所述的二阶低通有源滤波模块U533由运算放大器U3B，电阻R2、R9、R10、R18，%WC2、C5、C8、C12、C14、C17组成。电阻R9接在运算放大器U2B7脚和电阻RlO之间。电阻RlO另一端接运算放大器U3B5脚，运算放大器U3B6脚接电容C8，电容C8另一端接电阻R9和RlO之间，运算放大器U3B5脚经电容C12接地GND，运算放大器U3B6脚与U3B7脚相接，运算放大器U3B8脚经电阻R2接+12V电压，运算放大器U3B4脚经R18接-12V电压。电容C2与C5并联后接在运算放大器U3B8脚与地GND之间，电容C14与C17并联后接在运算放大器U3B4脚与地GND之间。所述的运算放大器U3B型号为0P2177。
[0035]在图6中，所述的放大倍数选择模块U534由运算放大器U3A、运算放大器U4A，电容 C19、C20、C24、C29、C30、C33，电阻 R21、R23、R24、R26、R28、R30、R31、R36、R38、R42、R43，四路选择开关SWl组成。电容C24接在运算放大器U3A3脚与地GND之间。U3A3脚经电阻R36和电容C29接U3A1脚。电阻R42 —端接电阻R36和电容C29之间，另一端接U3B7脚。运算放大器U3A2脚接U3A1脚。电阻R23、R26、R28、R31 —端并联后接运算放大器U3A2脚，电阻R23、R26、R28、R31另一端分别接四路选择开关SWl 1、2、3、4脚，四路选择开关的输出端
5、6、7、8脚接于U4A2脚。电阻R24接在运算放大器U4A2脚和I脚之间。运算放大器U4A3脚经电阻R38接地GND。运算放大器U4A8脚经电阻R21接+12V电压，电容C19和C20并联后接在运算放大器U4A8脚和地GND之间。运算放大器U4A4脚经电阻R43接-12V电压，电容C30和C33并联后接在运算放大器U4A4脚和地GND之间。运算放大器U3A和U4A型号为 0P2177。
[0036]在图6中，所述的50Hz滤波模块U535由运算放大器U4B、运算放大器U5A，电容C21、C22、C23、C25、C31、C32,电阻 R22、R25、R29、R30、R32、R35、R37、R40、R44，可调电阻W3、W4，二路选择开关SW2组成。运算放大器U4B6脚经电容C25、电阻R30接U4A1脚。电阻R35 —端接在电阻R30与电容C25之间，另一端经可调电阻W4接地。运算放大器U4B5脚接地GND。电阻R25接在运算放大器U4B6脚与7脚之间，电容C21 —端接在电阻R30与电容C25之间，另一端接运算放大器U4B7脚。运算放大器U4B7脚经电阻R32、可调电阻W3接运算放大器U5A2脚，U5A2脚经电阻R37接U4A1脚。U5A3脚经电阻R40接地GND。电阻R29接在运算放大器U5A2脚与I脚之间。运算放大器U5A8脚经电阻R22接+12V电压，电容C22、C23并联后接在运算放大器U5A8脚与地之间。运算放大器U5A4脚经电阻R44接-12V电压，电容C31、C32并联后接在运算放大器U5A4脚与地之间。运算放大器U5A1脚接二路选择开关SW21脚，运算放大器U4A1脚接二路选择开关SW22脚。二路选择开关SW23脚、4脚连接后经电容C26作为二阶有源高通滤波电路U536输入。所述的运算放大器U4B和U5A型号为0P2177。
[0037]在图6中，所述的二阶有源高通滤波模块U536由运算放大器U5B、电容C26、C27、C28,电阻R27、R33、R41，二极管D5、D10组成。运算放大器U5B5脚经电容C27、C26接二路选择开关SW23脚和4脚。运算放大器U5B5脚经电阻R41接地GND。电阻R27—端接运算放大器U5B6脚和7脚，另一端接在电容C26、C27之间。运算放大器U5B6脚接7脚形成反馈。二极管D5阳极接DlO阳极，D5阴极接输出A0UT，二极管DlO阴极接地GND。电容C28接输出AOUT与地GND之间。运算放大器U5B7脚经电阻R33输出-1OV?+IOV电压信号AOUT0所述的运算放大器U5B型号为0P2177。
[0038]本实施例的工作原理如下:
[0039]当电路接通后，24V开关电源模块Ul为本实施例提供24V直流电压，经过升压模块U2，将输入电压24V升压至传感器工作电压48V。电压自动调节及传感器短路检测模块U3可防止出现升压模块损坏导致传感器供电电压升高损害传感器的现象，并能检测出传感器短路问题。电压自动调节及传感器短路检测模块U3以运算放大器UlO即比较器2脚为基准点。当电源输入电压升高，电流经三极管T2增大，三极管T2发射极电压上升，使得三极管Tl基极电压上升，导致三极管Tl发射极电流增大，从而降低三极管Tl发射极电压，实现电压自动调节功能。当传感器发生短路故障时，三极管T2发射极电压增大，使得三极管T3基极电压升高，导致三极管T3导通，红绿双色发光二极管D20呈绿色，以此表示传感器发生短路故障。当传感器U4监测到煤层微振信号时，传感器U4将煤层微振信号以电阻R60两端电压作为源信号进入滤波整形模块U53中双光耦线性隔离放大电路U531光耦01，微震信号通过光耦013、4脚耦合输出，进入运算放大器U1A2脚、I脚输出电压，使三极管Ql导通，经R16产生电压使光耦02导通，在光耦023脚形成反馈，实现对微震信号的线性放大隔离。三极管Q2与电阻R13、R5、红绿双色发光二极管D3形成信号检测电路，可检测O?500Hz输入信号。无信号时，三极管Q2不导通，红绿双色发光二极管D3呈红色；有信号输入时，三极管Q2导通，红绿双色发光二极管D3同时点亮，呈微黄色。经过电压跟随器及信号检测电路处理的微震信号再经过滤波整形模块U53输出±10V电压信号。
[0040]本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例，凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种冲击矿压微震信号处理电路，其特征是:该信号处理电路包括:24V开关电源模块U1、升压模块U2、电压自动调节及传感器短路检测模块U3、传感器U4和传感器信号放大滤波模块U ；24V开关电源模块Ul经过升压模块U2与电压自动调节及传感器短路检测模块U3连接，传感器短路检测模块U3与传感器U4连接，传感器U4与传感器信号放大滤波模块U5连接,传感器信号放大滤波模块U5米用双光稱实现输入端与输出端电气隔离；各模块连接方式是级联连接； 所述的传感器信号放大滤波模块U5包括:双光耦线性隔离放大模块U51、电压跟随器及信号频率检测模块U52和滤波整形模块U53，各模块连接方式是级联连接。
2.根据权利要求1所述的一种冲击矿压微震信号处理电路，其特征是:所述的滤波整形模块U53包括:二阶有源高通滤波模块U531、一阶放大模块U532、二阶低通有源滤波模块U533、放大倍数选择模块U534、50Hz滤波模块U535和二阶高通滤波模块U536，各模块连接方式是级联连接。
3.根据权利要求1所述的一种冲击矿压微震信号处理电路，其特征是:电压自动调节及传感器短路检测模块对不高于64v输入电压自动调节至40?42v输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种冲击矿压微震信号处理电路，其特征是:电压自动调节及传感器短路检测模块检测传感器短路情况。
5.根据权利要求2所述的一种冲击矿压微震信号处理电路，其特征是:传感器信号放大滤波模块米用双光稱实现输入端与输出端电气隔离。
6.根据权利要求2所述的一种冲击矿压微震信号处理电路，其特征是:电压跟随器及信号检测电路模块检测有无传感器信号输入。
【文档编号】G01V1/28GK103760601SQ201410018848
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】孙彦景, 施文娟, 李松, 胡力章, 左海维 申请人:中国矿业大学