一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超声波测距系统，尤其涉及一种基于超声波的岩石层状态实时监 控系统，属于测距领域。
【背景技术】
[0002] 超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，它是由与介质相接触的震荡源所引起 的，其频率在20kHz以上。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易 检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而利用超声波测距在很多距离探测应 用中有很重要的用途，包括无损检测、过程测量、机器人测量和定位，以及流体液面高度测 里寺。
[0003] 巷道的安全支护在煤矿安全生产中起到重要的作用，也是煤矿安全生产中的难 点。对巷道的安全支护的关键是要实时地掌握嗣岩松动圈的破碎状态。
[0004] 巷道开挖后破坏了原岩的应力平衡状态，从而导致：第一，巷道周边径向应力下降 为零，围岩强度明显下降；第二，围岩中出现应力集中现象。当这种应力超过围岩强度之后， 在巷道周边围岩所形成的破碎带便是围岩松动圈。其物理状态表现为破裂缝的增加及岩体 应力水平的降低。松动圈测试就是测试开巷后新的破坏裂缝及其分布范围，围岩中有新破 裂缝与没有破裂缝的界面位置就是松动圈的边界。参考文献介绍了基于松动圈测试的检测 原理相应的测试方法，包括超声波探测法、多点位移计量测法和地质雷达探测法。
[0005] 例如申请号为"201210126584. 8"的一种超声波测距方法，属于电子测量技术领 域，超声波发射器与脉冲激光器处于发射端，发射端接收到测量命令后，脉冲激光器触发一 束脉冲激光，同时超声波发射器触发超声波，将触发的超声波与外部时钟源进行锁相；超声 波接收器与光电二极管处于接收端，光电二极管接收到脉冲激光后，启动计时器，超声波接 收器获取接收的超声波后，计时器停止，获取渡越时间；渡越时间乘以修正后的声速获取 被测距离粗测值；获取相位差，则精测部分为获取实测距离本发明使得接收器不易受发射 器干扰，测量盲区大大减小，提高了超声测距的指向性，将测距精度提高到一个超声波长以 内，该发明虽然能够通过超声波进行测距，但是尚未考虑温度的影响且测量精度有待进一 步提尚。
[0006] 又如申请号为"201210169354. X"的一种压电式超声波测距系统，采用单片机 STC12C5202AD产生超声波方波信号；采用六反相器⑶4069作为发射系统的前置驱动和整 理电路；采用集成电路CX20106A作为接收系统的信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和 波形整形电路；采用软件分别控制超声波发射器的开启时间和超声波接收器的开启时间； 超声波频率为40kHz，波长为34000/40000 = 0. 85cm ;超声波发生器和接收器的间隔距离 在5cm以上，且平行于电路板放置。该发明测距系统虽然提高了压电式超声波测距系统的 灵敏度和抗干扰能力，并且，体积小，易于集成化。但是尚未考虑温度的影响且测量精度有 待进一步提尚。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的不足提供了一种方便、灵活、易于 操作的基于超声波的岩石层状态实时监控系统。
[0008] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0009] 一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，包含微控制器模块以及与其连接的 超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块、报警模块和电源模块，所述微控制器模块包 含计算单元、比较单元和控制单元，所述超声波发射模块包含依次连接的高压电路、脉冲产 生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收模块包含依次连接的滤除噪声电路、接收信号 放大电路、信号整形电路；
[0010] 其中，计算单元，用于根据以下公式分别计算出超声波的纵波、横波和表面波在岩 石中的正常速度，进而通过显示模块显示；具体如下：
【主权项】
1. 一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，其特征在于：包含微控制器模块以及 与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块、报警模块和电源模块，所述微控 制器模块包含计算单元、比较单元和控制单元，所述超声波发射电路包含依次连接的高压 电路、脉冲产生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收电路包含依次连接的滤除噪声电 路、接收信号放大电路、信号整形电路； 其中，计算单元，用于根据以下公式分别计算出超声波的纵波、横波和表面波在岩石中 的正常速度，进而通过显示模块显示；具体如下：
其中，va，vs，^分别为超声波的纵波、横波和表面波在岩石中的正常速度，E为杨氏模 量，μ为泊松比，p为岩石密度； 对比单元，用于将计算出的va，vs，V1Ji行对比：若不满足V a= 2ν 3且V 0. 9v s，则发 送信号至控制单元； 控制单元，用于根据对比单元发送的信号控制报警模块发出警报。
2. 根据权利要求1所述的一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，其特征在于： 所述微控制器模块为AVR系列单片机。
3. 根据权利要求1所述的一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，其特征在于： 所述显不1?块为IXD显不屏。
4. 根据权利要求1所述的一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，其特征在于： 所述脉冲产生电路的频率为40kHZ。
5. 根据权利要求1所述的一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，其特征在于： 所述电源模块为可充电蓄电池。
【专利摘要】本发明公开了一种基于超声波的岩石层状态实时监控系统，包含微控制器模块以及与其连接的超声波发射模块、超声波接收模块、岩石浓度检测模块、显示模块、报警模块和电源模块，所述微控制器模块包含计算单元、比较单元和控制单元，所述超声波发射模块包含依次连接的高压电路、脉冲产生电路、超声波发送换能器，所述超声波接收模块包含依次连接的滤除噪声电路、接收信号放大电路、信号整形电路，本发明利用超声波在岩体中的传播速度与岩体的受力状态和裂隙程度的关系来实时地监测围岩松动圈的情况，具有方便、灵活、易于操作。
【IPC分类】G01N29-07
【公开号】CN104730147
【申请号】CN201510150337
【发明人】叶强, 陈伟新, 潘琳
【申请人】无锡市崇安区科技创业服务中心
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月31日