一种矿井音频电透视快速数据采集装置及数据采集方法与流程

1.本发明属于矿井电法勘探技术，尤其涉及一种矿井音频电透视快速数据采集装置及数据采集方法。


背景技术：

2.矿井工作面回采过程中常常受到地下水的威胁，特别是水文地质条件比较复杂的矿井，时常受到矿井突水的威胁，必须探测地下水的赋存情况，消除水害。目前，矿井工作面水害的探测采用物探和钻探相结合的方法，确保矿井安全生产。由于地下各种岩(矿)石之间存在导电差异，影响着人工电场的分布形态。矿井音频电透视法就是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律来达到解决地质问题的目的。音频电透视是探测矿井工作面富水区最有效的物探方法。该方法沿矿井工作面两条巷道底板分别布置发射电极和接收电极，发射电极发射电流，接收电极组测量相邻电极间的电位值，通过该电位值可以反映工作面内部附近相对富水区的展布情况。
3.但目前音频电透发射端电极、接收端电极组都采用间隔一定距离人工跑极的方式，人员劳动强度大，施工效率低。随着电子技术发展及计算机软件水平的提高，这种人工跑极的施工方式已很难适应矿井工程的需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种矿井音频电透视快速数据采集装置及数据采集方法，以解决以往人工跑极带来的施工效率低下以及探测数据质量低等问题，能同时满足高精度和快速探测的要求。本发明施工效率高，可以在短时间内获取更多的数据量；采集装置灵活，可灵活变换采集装置，进行工作面内部探测；获取参数多，一次探测可以采集发射端供电电流、接收端电位差等信息；采集信号的信噪比高，一次供电，所有测量电极同步测量，获取整个电场信号，将该数据采集方法运用到工作面探测中可提高现场工作效率与效果。
5.为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
6.一种矿井音频电透视快速数据采集装置，包括发射电极组、电极自动切换模块、信号发射电路、接收电极组、信号接收电路、信号处理电路以及微控制器集成电路；发射电极组与电极自动切换模块连接，电极自动切换模块与信号发射电路连接，接收电极组与信号接收电路连接，信号接收电路与信号处理电路连接，信号处理电路与微控制器集成电路连接；
7.所述电极自动切换模块用于实现发射电极组间自动切换发射信号；信号发射电路用于给发射电极供电，向煤/岩层发射固定频率的电流信号；信号接收电路用于测量接收电极之间的电位差；信号处理电路能对接收到的电流与电压信号进行数据信号处理；微控制器集成电路控制信号处理电路工作，信号通过信号处理电路处理后，再通过微控制器集成电路传输至接收机。
8.本发明还包括如下技术特征：
9.可选地，所述发射电极组和接收电极组分别布设在两条平行巷道中，发射电极组通过电缆与电极自动切换模块连接，电极自动切换模块与信号发射电路连接，信号发射电路与音频电透发射主机连接，发射主机能发射电流信号；接收电极组通过电缆与信号接收电路连接，信号接收电路与信号处理电路连接，信号处理电路与音频电透接收主机连接，接收主机能接收电压信号。
10.可选地，所述发射电极组包括发射电极组a和无穷远电极b且二者组成发射回路以产生发射信号；所述接收电极组有多组，多组接收电极组沿其所在巷道等间距依次布设，每组接收电极组包括接收电极m和n且二者连线垂直于其所在巷道。
11.可选地，所述发射电极组a包括沿其所在巷道依次等间距布设的发射电极组a1、a2、a3；所述接收电极组有三组：接收电极组1对应的接收电极m1和n1、接收电极组2对应的接收电极m2和n2、接收电极组3对应的接收电极m3和n3。
12.可选地，所述信号处理电路进行数据信号处理包括数据信号放大、信号滤波及程控增益放大。
13.可选地，所述电极自动切换模块包括三组开关、继电器k1、继电器k2、继电器k3、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6；每组开关分别与继电器k1、k2、k3连接；继电器k1与二极管d1、d2并联组成一路回路；继电器k2与二极管d3、d4并联组成一路回路；继电器k3与二极管d5、d6并联组成一路回路。
14.可选地，所述信号接收电路包括集成电路及电容和供电电源，集成电路包括5个管脚，其中：管脚1定义为in，连接电容c1一端，电容c1第二端接地；管脚2定义为gnd，管脚2接地，管脚3定义为shd，管脚3连接供电电源；管脚4定义为byp，管脚4连接电容c2一端，电容c2第二端连接供电电源；管脚5定义为out，管脚5连接电容c3一端，电容c3第二端接地。
15.可选地，所述信号处理电路包括集成电路u1、集成电路u2、集成电路u3、集成电路u4、电阻r1，发射电极组a和发射电极b分别连接集成电路u1管脚a、管脚b，接收电极m和n分别连接集成电路u4的管脚m、管脚n；发射电极组a和发射电极b之间连接电阻r1以进行电流分流保护；集成电路u1用于数据信号放大，集成电路u2用于程控增益放大，集成电路u3用于信号滤波；
16.所述集成电路u1管脚1定义为ro，连接集成电路u3管脚x0；集成电路u1管脚2定义为re，集成电路u1管脚3定义为oe，集成电路u1管脚re与管脚oe连接后与集成电路u2管脚2和管脚3连接；集成电路u1管脚4定义为di并连接集成电路u3管脚y0；集成电路u1管脚5接地，集成电路u1管脚8连接供电电源，集成电路u1管脚6定义为管脚b，集成电路u1管脚7定义为管脚a；集成电路u2管脚1定义为ro并连接集成电路u3管脚x1，管脚2定义为re，管脚3定义为oe，集成电路u2管脚re与管脚oe连接后与集成电路u1管脚2和管脚3连接；管脚4定义为di并连接集成电路u3管脚y1；管脚5接地，管脚8连接供电电源；集成电路u2管脚6定义为管脚b，集成电路u2管脚7定义为管脚a；集成电路u3的管脚vdd连接电源，管脚inh与管脚b连接后接地，管脚vee与vss连接后接地。
17.可选地，所述微控制器集成电路包括32个管脚，其中管脚3-管脚6并联，管脚15连接mosi，管脚16连接msio，管脚17连接pb5，管脚23连接pc0，管脚24连接pc1，管脚25连接pc2，管脚29连接reset，管脚30连接rdd，管脚31连接pxd，管脚32连接pd2。
18.一种矿井音频电透视快速数据采集方法，该方法通过所述的矿井音频电透视快速数据采集装置实现，包括以下步骤：
19.步骤一、仪器上电运行，驱动信号发射电路、信号接收电路、电极自动切换模块开始运行，发射电极组通电，接收电极组等待接收电压信号；
20.步骤二、设定探测数据采集方式，根据需要选择工作面探测方式；
21.步骤三、监测发射电流通路是否正常，监测接收电流通路是否正常；
22.步骤四、设置发射电极组数、发射电极距；
23.步骤五、根据巷道现场条件，确定接收电极组数、接收电极距；
24.步骤六、电极自动切换模块切换发射电路由其中一组发射电极组发射电流，由各组接收电极组分别接收多组电位差数据；电极自动切换模块切换发射电路由另外一组或多组发射电极组分别发射电流，每组发射电极组分别由各组接收电极组接收多组电位差数据；
25.步骤七、移动接收电极组，然后重复进行步骤六，直至与发射电极组对应位置的接收数据完成，信号处理电路对采集的信号进行数据信号处理，然后进行存储；
26.步骤八、移动发射电极组，重复进行步骤六-七，信号处理电路对采集的信号进行数据信号处理，然后进行存储，直至整条巷道数据接收完成。
27.本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
28.本发明在进行矿井巷道工作面探测时，数据发射与接收可以快速完成，在施工中避免了人工跑极的施工方式，提高了施工效率，提高了探测精度。
29.在工作面施工中采用电极自动切换模块，可快速切换发射电极进行信号发射以及信号采样，极大地提高了探测效率。实现发射电极任意自由选择，也可以按照顺序进行排序选择发射与接收，有利于信号的输出与输入管理，降低劳动强度，减少人工操作引起的出错的概率，能同时满足高精度和快速探测的要求。
附图说明
30.图1为本发明装置原理框图；
31.图2本发明发射电极组和接收电极组布设方式示意图；
32.图3本发明电极自动切换模块电路图；
33.图4本发明信号接收电路图；
34.图5本发明信号处理电路图；
35.图6本发明微控制器集成电路图；
36.图7本发明数据采集方法流程图。
37.以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
38.遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
39.实施例1：
40.本实施例提供一种矿井音频电透视快速数据采集装置，如图1所示，包括发射电极组、电极自动切换模块、信号发射电路、接收电极组、信号接收电路、信号处理电路以及微控制器集成电路；发射电极组与电极自动切换模块连接，电极自动切换模块与信号发射电路连接，接收电极组与信号接收电路连接，信号接收电路与信号处理电路连接；信号处理电路与微控制器集成电路连接。
41.电极自动切换模块用于实现发射电极组间自动切换发射信号；信号发射电路用于给发射电极供电，向煤(岩)层发射固定频率的电流信号；信号接收电路用于测量接收电极之间的电位差；信号处理电路能对接收到的电流与电压信号进行数据信号处理；该数据信号处理包括数据信号放大、信号滤波及程控增益放大；数据信号放大是将接收到的电位差信号利用信号放大电路进行电信号放大；信号滤波是将放大后的电信号进行低通滤波以及工频去噪滤波；程控增益放大是将转换后的数字信号进行再次放大，达到处理的要求。微控制器集成电路控制信号处理电路工作，信号通过信号处理电路处理后，再通过微控制器集成电路传输至接收机。
42.如图2所示，发射电极组和接收电极组分别布设在两条平行巷道中，发射电极组通过电缆与电极自动切换模块连接，电极自动切换模块与信号发射电路连接，信号发射电路与音频电透发射主机连接，发射主机作用是发射电流信号；接收电极组通过电缆与信号接收电路连接，信号接收电路与信号处理电路连接，信号处理电路与音频电透接收主机连接，接收主机的作用是接收电压信号。
43.所述发射电极组包括发射电极组a和无穷远电极b且二者组成发射回路以产生发射信号，发射电极组a包括沿其所在巷道依次等间距布设的发射电极组a1、a2、a3，在本实施例中，发射电极组a1、a2、a3的间距均为50m(即发射电极距为50m)；更具体的，发射电极组a中每组发射电极组都包括两根电极，如发射电极组a1由两根电极组成，且两根电极之间间距为10cm，电极组a2由两根电极组成，且两根电极之间间距为10cm，电极组a3由两根电极组成，且两根电极之间间距为10cm。电极材质为纯铜质；无穷远电极b包括两根电极，两根电极间距10cm，电极材质为纯铜质。
44.所述接收电极组有多组，多组接收电极组沿其所在巷道等间距依次布设，每组接收电极组包括接收电极m和n且二者连线垂直于其所在巷道，相邻两组接收电极组之间的距离为10m，接收电极m和n之间的距离为3m，接收电极材质为铜质，接收电极长度30cm，直径3cm；本实施例布设三组接收电极组，三组接收电极组可同时接收，也可以分时接收；三组接收电极组为：接收电极组1对应的接收电极m1和n1、接收电极组2对应的接收电极m2和n2、接收电极组3对应的接收电极m3和n3。
45.所述电极自动切换模块连接发射电极组以控制各发射电极间的自动切换发射；电极自动切换模块用于实现发射电极通道在发射电极组间自动切换发射，能根据数据采集状态判断数据采集完成情况，实现发射电极自动切换。如图3所示，电极自动切换模块包括三组开关、继电器k1、继电器k2、继电器k3、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5、二极管d6；每组开关分别与继电器k1、k2、k3连接；继电器k1与二极管d1、d2并联组成一路回路；继电器k2与二极管d3、d4并联组成一路回路；继电器k3与二极管d5、d6并联组成一路回路；具体的，第一组开关包括开关触点11、开关触点12、开关触点13，其与继电器k1连接；第二组开关包括开关触点21、开关触点22、开关触点23，其与继电器k2连接；第三组开关
包括开关触点31、开关触点32、开关触点33，其与继电器k3连接；通过电极自动切换模块可以灵活控制每组发射、接收电极的发射、接收顺序，实现发射、接收信号自动执行。
46.所述信号接收电路用于测量接收电极之间的电位差，通过该电路测量信号发射电路发出的穿过煤(岩)层后能够接收到的固定频率电源信号电位差。如图4为信号接收电路，包括集成电路及电容和供电电源，集成电路包括5个管脚，其中：管脚1定义为in，连接电容c1一端，电容c1第二端接地；管脚2定义为gnd，管脚2接地，管脚3定义为shd，管脚3连接供电电源；管脚4定义为byp，管脚4连接电容c2一端，电容c2第二端连接供电电源；管脚5定义为out，管脚5连接电容c3一端，电容c3第二端接地。
47.所述信号处理电路是进行数据的信号的进一步处理，处理后的信号形成可以进行数据计算的数据文件。信号处理电路是将采集到的电流与电压信号进行数据处理，信号处理电路能对接收到的电信号依次进行如下处理：数据信号放大，信号滤波，程控增益放大；数据信号放大是将接收到的电位差信号利用信号放大电路进行电信号放大；信号滤波是将放大后的电信号进行低通滤波以及工频去噪滤波；程控增益放大是将转换后的数字信号进行再次数据放大，达到数据处理的要求。如图5所示，信号处理电路包括集成电路u1、集成电路u2、集成电路u3、集成电路u4、电阻r1，发射电极组a和发射电极b分别连接集成电路u1管脚a、管脚b，接收电极m和n分别连接集成电路u4的管脚m、管脚n；发射电极组a和发射电极b之间连接电阻r1以进行电流分流保护。集成电路u1的作用是数据信号放大，集成电路u2的作用是程控增益放大，集成电路u3的作用是信号滤波。
48.具体的，图5中，集成电路u1管脚1定义为ro，连接集成电路u3管脚x0；集成电路u1管脚2定义为re，集成电路u1管脚3定义为oe，集成电路u1管脚re与管脚oe连接后与集成电路u2管脚2和管脚3连接；集成电路u1管脚4定义为di并连接集成电路u3管脚y0；集成电路u1管脚5接地，集成电路u1管脚8连接供电电源，集成电路u1管脚6定义为管脚b，集成电路u1管脚7定义为管脚a。集成电路u2管脚1定义为ro并连接集成电路u3管脚x1，管脚2定义为re，管脚3定义为oe，集成电路u2管脚re与管脚oe连接后与集成电路u1管脚2和管脚3连接；管脚4定义为di并连接集成电路u3管脚y1；管脚5接地，管脚8连接供电电源；集成电路u2管脚6定义为管脚b，集成电路u2管脚7定义为管脚a。集成电路u3的管脚vdd连接电源，管脚inh与管脚b连接后接地，管脚vee与vss连接后接地。集成电路u4其他管脚分别连接集成电路u2的管脚a接地，管脚b连接供电电源。
49.如图6所示，微控制器集成电路的作用是控制接收电路系统工作，微控制器集成电路包括32个管脚，其中管脚3-管脚6并联，管脚15连接mosi，管脚16连接msio，管脚17连接pb5，管脚23连接pc0，管脚24连接pc1，管脚25连接pc2，管脚29连接reset，管脚30连接rdd，管脚31连接pxd，管脚32连接pd2。
50.实施例2：
51.本实施例提供一种矿井音频电透视快速数据采集方法，如图7所示，数据采集分为发射信号数据采集与接收信号数据采集；数据采集流程是由开始、采集板初始化、配置采集任务、设置采集参数、开始采集、自动切换电极采集、检测数据质量、采集数据保存组成。发射信号采集流程中设置采集参数时，工作面探测时设置发射电极数为3个，设置发射电极距为50m。接收信号采集流程中设置采集参数时，工作面探测时设置接收电极数为3个，设置接收电极距为10m。在完成一组数据采集后系统提示是否完成数据采集任务，如果完成则进行
下一步，如果未完成则重新进行数据采集。在完成所有数据采集后系统自动进行数据检测，系统提示数据质量是否合格，如果数据质量合格则进行下一步，如果数据质量不合格则重新进行数据采集。所有数据采集完成且检测数据质量合格后进行数据保存。
52.探测数据采集方法流程首先是仪器上电运行；设定采集方式，所述的采集方式为工作面探测方式，即在两条平行的巷道中的一条发射电流信号，在另外一条巷道接收电压信号；然后检测发射与接收通路是否正常，若通路不正常则仪器重新上电运行，检查发射与接收通路问题，若通路正常则开始设定采集参数；工作面探测采集参数包括发射电极个数、接收电极个数、发射电极距、接收电极距、发射波形周期、放大增益模式；参数设置完成后，确认探测参数设置是否正确，若设置准确则开始进行信号发射，同时进行发射与接收数据采集；在确认探测完成后将数据保存。
53.具体包括以下步骤：
54.步骤一、仪器上电运行，驱动信号发射电路、信号接收电路、电极自动切换模块开始运行，发射电极组通电，接收电极组等待接收电压信号；
55.步骤二、设定探测数据采集方式，根据需要选择工作面探测方式，即在两条平行的巷道中的一条发射电流信号，在另外一条巷道接收电压信号；
56.步骤三、监测发射电流通路是否正常，监测接收电流通路是否正常；
57.步骤四、设置发射电极组数、发射电极距，布置三组发射电极组；
58.步骤五、根据巷道现场条件，确定接收电极组数、接收电极距，布置三组接收电极组；
59.步骤六、电极自动切换模块切换发射电路由其中一组发射电极组发射电流，分别由各组接收电极组接收多组电位差数据；电极自动切换模块切换发射电路由另外一组或多组发射电极组分别发射电流，每组发射电极组分别由各组接收电极组接收多组电位差数据；
60.具体的，电极自动切换模块切换发射电路由发射电极组a1发射电流，分别由接收电极组1、接收电极组2、接收电极组3进行接收三组电位差数据；电极自动切换模块切换发射电路由发射电极组a2发射电流，分别由接收电极组1、接收电极组2、接收电极组3进行接收三组电位差数据；电极自动切换模块切换发射电路由发射电极组a3发射电流，分别由接收电极组1、接收电极组2、接收电极组3进行接收三组电位差数据；
61.步骤七、移动接收电极组，然后重复进行步骤六，直至与发射电极组对应位置的接收数据完成，信号处理电路对采集的信号进行数据信号处理，然后进行存储；
62.步骤八、移动发射电极组，重复进行步骤六-七，信号处理电路对采集的信号进行数据信号处理，然后进行存储，直至整条巷道数据接收完成。
63.通过实施例1中的采集装置实现了上述采集方法，该采集方法最终采集到发射机发射的电流信号，接收机接到的电位差信号；电流信号、电位差信号通过地面数据处理软件进行处理、成图。