专利名称:煤层厚度探测仪的制作方法
本发明属于矿井地球物理探测仪器。系一种适用于各种瓦斯矿井的本安电路型高分辨率反射地震仪;同时，又是适合地面进行浅层、表层地质调查的便携式工程地震仪。
我国煤炭生产中，快速准确地探测煤层厚度，是当前急待解决的问题。厚煤层上分层开采后，只有准确地探测剩余煤层的厚度才能进行经济合理的采掘布置。而现有的矿井物探仪器均难以解决探煤厚问题。世界上有不少先进的工程地震仪器，虽已进入了采用微处理机控制的智能仪器水平，却无法用于爆炸环境中。例被称为八十年代先进产品的美国Bison公司的Geopro-8012型地震仪等，均由微机、大光屏阴极射线示波管(CRT)、磁带机与打印机等主要部分构成。由微机控制信号采集与处理、分辨能力强、记录显示直观、醒目。但由于这类产品功耗大，不防爆、无法用于井下煤层厚度探测。而国内现有一些矿井地震仪器，尚处于光点仪与磁带模拟仪器水平，分辨率较低，不适于用来进行煤层厚度探测。这是因为地震激发的弹性波是瞬变的，加上井下机械干扰严重，信号提取方法和数据处理方法复杂，一般的模拟电路难以实现。因此我国绝大多数矿井大都采用人工接杆电钻测煤厚，劳动强度大、效率低，特别是由于其它很多原因无法使用电钻时，只好人工开拓洞眼，工程耗费巨大。
一九八四年九月，在中国电子学会、中国仪器仪表学会、信号处理分会举办的“第一届全国信号处理学术会议”上，由本发明人发表了《微电脑煤层厚度探测仪的程序设计》一文，披露了一种由CMC-80微型电脑、A/D转换器、平板荧光显示器、点阵式打印机、盒式磁带机，随机锤击震源、拾震器、通道窄带放大器、启动电路、电源构成的井下便携式煤层厚度探测仪的初步构思，以及准备开发仪器功能的程序框图。但因CMC-80电脑采用中小规模集成电路高达46片，元件总数高达262个，功耗达5V×1.5A;当时选用的显示器为128×128象素的栅控阳栅结构，而这种平板显示器的驱动，其接口电路必须是负脉冲(而微机是正脉冲)，致使整机电路十分复杂，且要8位并行送数，显示器功耗高达12W，使这一方案尚有待于进一步改进。
一九八五年五月，本发明者单位在煤炭工业部首届科学技术成果交易会，展出了用CMC-80电脑构成煤层厚度探测仪的原理样机照片，还很简要的介绍了一种以Z80A电脑为基础的MH-1型煤层厚度探测仪及其外观照片。
此时的MH-1型原理样机只有一个CPU和一个总线结构的微电脑系统，操作者不能通过按键与机器(屏幕)对话式操作，而是采用发光二极管数码内容与键次多少进行对话;仪器虽有电脑数据处理，但其工作方式仍属传统的旋钮式操作方法，使用不方便;该仪器选用的平板荧光显示器仍系栅控阳栅结构，显示器为负脉冲工作，而主机CPU是正脉冲工作，要实现会话式操作，尚必须改变显示器的结构;同时该显示器接口电路十分复杂，加上某些元件选用不当，电路功耗大;工艺、结构上尚有缺陷等，使得它要达到生产实用阶段尚有一段距离。
本发明是在上述基础上的根本改进，目的在于改变仪器系统，实现会话式操作，同时简化、优化电路，减少器件数，降低功耗;改进工艺与结构，方便操作和维修;并进一步开发软件、扩展仪器功能;提高仪器的可靠性、实用性及技术先进性，使之成为一种多功能、智能化的便携式工程探测仪器。
本发明的技术解决方法如下一、本发明为单CPU、双总线结构的会话式操作仪器系统，有下列部分组成
1.担负整机测试控制、进行实时数据采集与处理的单CPU、双总线结构的专用电脑;
2.由5MA以下弱电流控制的防爆稳压电源、防爆电子开关阵列及锤击同步启动电路;
3.由电子开关控制阵列控制其增益和频带，并受专用电脑总线控制的多道通道放大器;
4.采用总象素为64×256、阳控阳栅结构的新式平板荧光显示器;
5.平板荧光显示器的接口电路与驱动电路主要由总线隔离器、显示循环与并串变换器组成，它采用时空分割的方法将主机与显示分成总线Ⅰ与总线Ⅱ两套总线。
6.连接在专用电脑并行PIO接口B口上可将屏幕内容全部打印出来的微型点阵式打印机。
二、本发明固化有该仪器的整套监控程序，使本机具有“监控”、“预参”、“背检”、“采样”、“左移”、“右移”、“道处理”、“迭加”、“变面积”、“求V”、“存检”、“打印”十二个命令键，所有操作均由键令实现。
本发明完全符合国家标准《GB3836、4-83》爆炸性环境用防爆电器设备本安电路和电气设备“i”的要求，安全防爆并具备瞬态波形贮存、实时噪声背景检测、信息增强、通道间数据处理、测速度、波形变面积处理、计算煤层厚度，显示、打印仪器工作参数及计算结果等多种功能，基本上接近、有些达到美国Geopro-8012型线层地震仪水平。由于采用低功耗、低电压、小体积的平板荧光显示器，可以在爆炸环境中使用，使本发明在这一点上优于世界上普遍采用CRT为显示终端的工程地震仪;尤其这种单CPU、双总线会话式操作的仪器系统，较之国外传统的双CPU、双总线的操作系统线路或平板显示器自治CPU的方案要科学、先进的多。本发明较之85年5月简要介绍的原理性样机，在实现智能化的同时，大大减少了器件、优化了线路、降低了功耗，从而提高整机可靠性并降低了成本，进一步增强了仪器功能，使体积缩小了三分之二，重量减少了三分之二，为井下测煤厚及工程地质调查提供了一种方便、可靠、安全的手段。
下面结合附图对发明作详细的说明。
图一为煤层厚度探测仪电原理框图;
图二为煤层厚度探测仪专用电脑电原理图;
图三为煤层厚度探测仪平板荧光显示器接口电路图;
图四为煤层厚度探测仪平板荧光显示器驱动电路图;
图五为煤层厚度探测仪通道放大器与电子开关阵列控制电路图;
图六为煤层厚度探测仪锤击同步启动电路图;
图七为煤层厚度探测仪防爆稳压电源电路图;
本发明可以按如下方案实施如图一所述，本发明是单CPU、双总线结构会话式操作的仪器系统，利用CPU工作的时空关系，把测试与会话式操作分别在总线Ⅰ和总线Ⅱ中进行。工作时，仪器由软件设定仪器工作条件，按“预参”键，将仪器工作条件(如通道数M、扫描时延T、已知波速V、测点编号N、各放大器增益K1～3和通道频率f1～3等)置入电脑(1)中，在总线Ⅱ的部件(总线隔离器(6)、显示循环与并串变换器(7)及平板荧光显示器(8))中，将上述工作状态进行显示，以便等待下达新的命令。待上述仪器工作条件置定后，揿“采样”键，系统便等待外界人工激发信号(11)的到来，锤击(或爆炸)后，启动电路(5)立刻启动专用电脑(1)工作，将拾震器(12)所接收到的地震信号按电子开关(4)设定的予置条件，经通道放大器(2)放大选频后，由A/D转换器(3)量化，并储存在专用电脑(1)中。上述过程在总线Ⅰ中进行。测试完成后，系统立刻将上述结果送入总线Ⅱ中，并在总线Ⅱ的系统中进行显示，腾出总线Ⅰ的系统接受新的键令。这时，可通过控制命令键，对被测信号进行必要的数据处理，在识别波形的基础上，移动光标对准被测点，电脑便自动完成数值计算，并显示其过程。新的命令总是在总线Ⅰ中进行，而执行结果总是送总线Ⅱ的系统中进行显示。最后可用“打印”键，将整个仪器工作条件、记录波形和测试结果全部由微型点阵式打印机(10)打印出来，作为永久记录和供室内进一步分析。综上所述，本发明是采用硬件与软件相结合的方法，完成仪器的测试功能的。
本发明的软件是一套较为完整的微电脑小系统程序。它主要包括键扫描及键分析程序和十二个命令键处理程序，程序采用Z80机器指令编制而成，约占内存4K字节。其主监控工作流程如下
程序的设计思想是通过监控程序控制键的输入，当输入的是“命令”键，则转去执行相应的“命令”键处理程序;若是“数字”键，则送显示屏并将键入的数字显示在光标处。预置仪器工作参数是通过“预参”键处理程序控制，当显示屏上依次出现M＝一，T＝一，V＝一，N＝一，f1＝一，f2＝一，f3＝一时，通过“数字”键便可输入相应数字。波形的采集与显示是通过“采样”键处理程序处理，用PIO接口程序控制检测有无激发信号输入，有则按预置的工作参数进行软件延时后，启动ADC进行波形数据采集，并根据时标位置计算显示波形和各种参数。信息增强功能是通过“迭加”键处理程序，将每次采集的数据与迭加区的数据相迭加，然后再存入迭加区。掀“迭加”键之前，显示屏显示当次实测波形;掀“迭加”键之后，显示屏显示迭加之后的波形。通道间的数据处理是由“道处理”键处理程序控制，它包括三种处理方式置工作2时，则将(1通道的数据+2通道的数据)/2存入1通道数据区，并在1通道的位置上显示处理后的波形;置工作方式3时，则将(1通道数据+2通道数据+3通道数据)/3存入1通道数据区，并在1通道位置显示处理后的波形;置工作方式4时，则将(1通道数据-2通道数据)/2存入1通道数据区，并在1通道位置显示处理后的波形。“左移”、“右移”键处理程序是将时标基线左、右移动，每移动一点，计算一次各参数，并显示波形、时标基线位置和即刻的参数。“背检”键处理程序是利用PIO口循环检测由外部各通道输入的噪声信号。“求V”键处理程序，是利用输入的激发与接收点的距离值l和“左移”、“右移”键处理程序计算出的初至时间t，按V＝l/t计算波传播的速度。“存检”键(存储器检查键)处理程序，是根据输入的要检查的内存地址，显示包括检查地址在内的64个内存单元的数据。被检单元的数据显示为阴码，可对阴码处进行修改，阴光标自动右移一字节。“打印”键处理程序是将显示区的内容送打印缓冲区，将显示屏上的内容原样打印出来。“变面积”处理程序是置变面积标志后，将波形上半周全变为亮点，显示成为波形变面积记录。
仪器因固化有这套监控程序及其子程序库，所有操作均由键令实现。该程序使本仪器系统具有的十二个命令键，各具功能如下1.“监控”键使仪器返回初始工作状态。
2.“预参”键把仪器工作条件置入仪器中，并在平板荧光显示器(8)上分别显示各次参数情况。
3.“背检”键能将当时环境噪声按每秒采样一次送平板荧光显示器(8)显示，以便选择放大器选择增益和频带。
4.“采样”键使仪器进入工作状态，这时只要激发信号来到，一方面将预置工作条件下所测得的信号波形量化在电脑中储存，另一方面又将电脑中的数据送平板荧光显示器(8)显示出口波形曲线，同时还将上述仪器工作条件也显示在屏幕上。
5.“左移”、“右移”键每按该键一次，时标在记录波形上左移或右移一个点，超过一秒而不抬起按键，时标快速左或右移动，移动终止，自动将时标点的测量时间填入屏幕中的t＝××，××〔秒〕中，同时按H＝ 1/2 Vt，立刻计算出厚度H＝××，××〔米〕中。
6.“道处理”键可将各通道波形进行相加或相减，同时按上条所述方式进行计算与显示。
7.“迭加”键用于将多次锤击所接收的信号进行相关迭加，以提高信号噪声比。
8.“变面积”键可将波形显示变成波形加变面积显示，以提供波形加变面积显示的时间剖面，以供进一步地震解释使用。
9.“求V”键测试波形得到后，揿“左移”、“右移”键，使光标对准所测波的初至点，按该键一次，置入距离参数l＝××，××〔厘米〕，再按该键一次，立刻求出声速V，并自动填入测试条件栏中的声速V中。
10.“存检”键键入四位地址后，按该键可将存储器内容送屏幕显示，供检查读写数据用。
11.“打印”键按该键，除打印固定记录格式“煤层厚度探测仪实测记录”及时标刻度外，该键还将屏幕内容同时一、一打印出，以作永久性记录。
图二所示的专用电脑担负整机的测试控制和数据采集、处理。它可采用Z80CPU〔5U1〕作中央处理单元，与随机存贮器(RAM)、程序固化器(EPROM)、并行接口PIO、28个按键的键盘与其接口电路、以及地址译码器、复位电路、晶振与时钟电路成电气联接构成。其中，随机存贮器(RAM)可由低功耗、单片容量为2K字节的芯片5U3、5U4、5U5、5U6构成，5U3、5U4最好能与同容量的可改写的只读存储器互换，而不影响仪器功能。程序固化器可选单片容量为8K的芯片5U2，除本机监控占用4K外，尚留4K给用户开发、使用。5U7为A/D转换器(3)，可采用ADC芯片构成。可设5U9为地址译码器，一方面作内存地址分配，同时还作外设地址选择。复位电路可由5R1、5R2、5C1和5U12组成;晶振与时钟电路可由5J1、5U11、5R6、5R7、5R8、5C2、5C3组成;键盘接口电路可由5U8、5U10及R9～13组成，5U8为Z80PIO并行接口，5U8的PB口作打印接口电路、PA6口作锤击同步启动输入、PA7口作A/D转换器(3)的工作启动。本专用电脑(1)仅用一个CPU、总共十三片大规模集成电路构成双总线结构，使本机实现会话式操作，各个部件均发挥了最有效的应用。
本机采用具有国际先进水平的平板荧光显示器(8)作显示终端，其总象素为64×256＝16834个，显示器(8)的字库与数字、曲线等的程序均固化在专用电脑(1)的程序固化器5U2中，并与打印共用，使显示能与打印一、一对应，所用内存容量又极少。图三为显示器(8)的具体接口电路，它可由总线隔离器、显示地址计数器、显示储存器、并串变换器以及场行同步信号发生器组成。其中，总线隔离器可由6U1、6U2、6U3、6U6、6U10组成;显示地址计算器可由6U3、6U4、6U5组成;6U9可作为显示存储器，6U11可作为本接口电路的并串变换器;场行同步信号发生器则可由6U12～14、8R1～5、8C1～5组成。
平板荧光显示器(8)的驱动电路如图四所示，它可由直流变换器、数据锁存器和场扫描电路组成。其中，直流变换器可由7T1和7V1～9、7R6～9、7C3～11组成，将直流电源变成供显示屏阳极、栅极、灯丝使用的几组电源;数据锁存器可由7U1～8组成，场扫描电路可由7U9～12，7R1～5，7C1～2组成。7U1～10为32位移位寄存器。
本发明具有三个如图五所示的通道放大器(2)和电子开关控制阵列(4)电路(通道放大器根据需要可以扩展)。该通道放大器可由前置放大级、可变增益放大级、分八档可调通带的有源滤波级组成。电子开关阵列(4)可由锁存器及其控制的一组可变增益开关与两组可变频率开关构成。其中，8T1为耦合变压器，与运算放大器8N1、8R1～10、8C1～4构成前置放大级，8N2与8R11～15、8C5～8构成可变增益放大级，8N3与8W1、8R16～26、8C9～12构成两阶有源带通滤波器。可变增益电子开关可由8U1及8R27～34组成;可变频率电子开关一组由8U2、8C13～20组成，另一组则由8U3及8C21～28组成。可变频率、可变增益均受锁存器8U4的输出端控制，而锁存器8U4的输入端接在专用电脑的数据总线上，从而，整个通道放大器(2)受专用电脑(1)控制。
图六所示的锤击启动电路是一个正或负脉冲前沿均可触发产生单个脉冲的电路。可由前置放大级、负脉冲产生电路、反相放大级、单脉冲发生器组成。其中，前置放大级由9V1～3、9R1～3、9C1组成。9V1、9V2为保护二极管、9V3为前置放大器。负脉冲产生电路由9V3～5、9R4～7、9C2～3组成，不论输入脉冲正负均只产生负脉冲，再经9V6、9R8～9及9C4构成的反相放大器放大，触发由9U19R10、9C5构成的单脉冲发生器产生单脉冲。由于本发明专用电脑的接口电路与软件的独有设计，使只要接收到启动脉冲的正沿便开始工作，并使仪器处于自锁定状态。
图七所示的防爆稳压电源(10)可由主电流回路、晶体管主电流电子开关、单脉冲发生器、D型锁存器、辅电子开关组成，其电子开关启动电流小于5mA，电路具有过温和过流保护。其主电流电路可由蓄电池10E1，10E2，限流电阻10R1～2，快速熔断器10F1～2，及二极管10V1～4组成;晶体管主电流电子开关可由晶体管10V6～9和三端稳压集成块10D3～5及10R3～5、10R9～11、10C2～9组成;10D6、10D7与10K1、10R6、10R7、10C1可组成单脉冲发生器，可设10D1为D型锁存器，10D2为辅电子开关。当第一次揿电源键10K1，产生第一个单脉冲，使10D1锁存在“1”状态，打开辅电子开关10D2，辅电子开关又接通主电流电子开关而开通总电源，第二次揿电源键10K1，产生第二个单脉冲，使10D1锁存在“0”状态，按上述相反过程而关掉主电流电子开关。
本发明采用整块双面印刷线路板及双列直插结构组装上述线路，使得结构简单、易于维修。并采用平面密封按键操作，将微型点阵式打印机置入机内一抽屉式装置中，既可使整机处于全封闭状态，又可方便地更换打印纸。并将电池组、稳压电源及显示部分均用硅橡胶注封，保证仪器能在爆炸、潮湿、尖埃环境中可靠地工作。
权利要求
1.一种由微型电脑、平板荧光显示器、点阵式打印机、随机锤击震源、拾震器、通道放大器、A/D转换器、启动电路、本质安全型电源构成的煤层厚度探测仪，其特征在于①本发明为单CPU、双总线结构的会话式操作仪器系统，有下列部分组成a、担负整机测试控制、进行实时数据采集与处理的单CPU、双总线结构的专用电脑(1)；b、由5mA以下弱电流控制的防爆稳压电源(10)、防爆电子开关阵列(4)及锤击同步启动电路(5)；c、由电子开关控制阵列(4)控制其增益和频带，并受专用电脑总线控制的多道通道放大器(2)；d、采用总象素为64×256、阳控阳栅结构的新式平板荧光显示器(8)；e、平板荧光显示器(8)的接口电路与驱动电路主要由总线隔离器(6)、显示循环与并串变换器(7)组成，它采用时空分割的方法将主机与显示分为总线Ⅰ与总线Ⅱ两套总线。f、连接在专用电脑(1)并行PIO接口B口上、能将屏幕内容完全打印的微型点阵式打印机(9)。②本发明固化有该仪器的整套监控程序，具有“监控”、“预参”、“背检”、“采样”、“左移”、“右移”、“道处理”、“迭加”、“变面积”、“求V”、“存检”、“打印”十二个命令键，所有操作均由键令实现。
2.一种如权利要求
1所说的煤层厚度探测仪，其特征在于①专用电脑(1)由Z80CPU作中央处理单元，与随机存贮器(RAM)、程序固化器(EPROM)、并行接口PIO、28个按键的键盘与其接口电路、以及地址译码器、复位电路、晶振与时钟电路成电气联接构成;②平板荧光显示器(8)的接口电路由总线隔离器、显示地址计算器、显示存储器、并串变换器和场行同步信号发生器组成;③平板荧光显示器(8)的驱动电路由直流变换器、数据锁存器、场扫描电路组成;④多道通道放大器(2)由多个同样的通道放大器组成，该通道放大器由前置放大级、可变增益放大级、分档可调通带的有源滤波级组成;⑤电子开关控制阵列(4)由锁存器及其控制的一组可变增益开关和两组可变频率开关构成;⑥锤击同步启动电路(5)是一个正或负脉冲前沿均可触发产生单个脉冲的电路，由前置放大级、负脉冲产生电路、反相放大级、单脉冲发生器组成，只要收到启动脉冲的正沿便开始工作，并处于自锁定状态;⑦防爆稳压电源(10)由主电流回路、晶体管主电流电子开关、单脉冲发生器、D型锁存器、辅电子开关组成，其电子开关启动电流小于5mA，电路具有过温和过流保护。
3.一种如权利要求
2所说的煤层厚度探测仪，其特征在于①专用电脑(1)各单元电路构成方案如下a、随机存贮器(RAM)由低功耗、单片容量为2K字节的芯片5U3、5U4、5U5、5U6构成，其中5U3、5U4能与同容量的可改写的只读存储器互换，而不影响仪器功能;b程序固化器为单片容量为8K的芯片5U2，本机监控占用4K，留给用户4K以供其开发、使用;c、地址译码器5U9，一方面作内存地址分配，同时还作外设地址选择;d、键盘接口电路由5U8、5U10及5R9～13组成，5U8为Z80PIO并行接口，5U8的PB口作打印接口电路、PA6口作锤击同步启动输入，PA7口作A/D转换器(3)工作启动;e、5U7为A/D转换器(3)，可采用ADC芯片构成。②平板荧光显示器(8)的接口电路中总线隔离器(6)由6U1、6U2、6U3、6U6、6U10组成;显示地址计算器由6U3、6U4、6U5组成;显示储存器为6U9;并串变换器为6U11，场行同步信号发生器由6U12～14、8R1～5及8C1～5组成;③平板荧光显示器(8)的驱动电路中直流变换器由7T1、7V1～9、7R6～9、7C3～11组成;数据锁存器由7U1～8组成;场扫描电路由7U9～12、7R1～5及7C1～2组成。其中，7U1～10为32位移位寄存器。④电子开关控制阵列(4)的可变增益电子开关是由8U1及8R27～34组成;可变频率电子开关一组由8U2、8C13～20组成;另一组则由8U3及8C21～28组成。这两种开关均与锁存器8U4输出端相连，受其控制。而8U4的输入端则接在专用电脑的数据总线上。⑤锤击同步启动电路(5)中前置放大级由保护二极管9V1、9V2、三极管9V3及9R1～3、9C1组成;负脉冲产生电路由9V3～5、9R4～7、9C2～3组成;9V6、9R8～9、9C4组成反相放大器;9U1、9R10、9C5则组成单脉冲发生器。⑥防爆稳压电源(10)中主电流回路由蓄电池10E1、10E2，限流电阻10R1～2，快速熔断器10F1、10F2，及二极管10V1～4组成;晶体管主电流电子开关由晶体管10V6～9和三端稳压集成块10D3～5及10R3～5、10R9～11、10C2～9组成;单脉冲发生器由10D6、10D7与10K1、10R6～7、10C1组成;10D1为D型锁存器;10D2为辅电子开关。
4.一种如权利要求
1至3之一所说的煤层厚度探测仪，其特征在于将微型点阵式打印机置入机内一抽屉装置中，既可使整机处于全封闭状态，又可方便地更换打印纸。
专利摘要
煤层厚度探测仪系一种本安电路型便携式高分辨率反射地震仪。由专用电脑(1)、多道通道放大器(2)、A/D转换器(3)、电子开关控制阵列(4)、启动电路(5)、总线隔离器(6)、显示循环与并串变换器(7)、平板荧光显示器(8)、点阵式打印机(9)、防爆稳压电源(10)、随机震源(11)和拾阵器(12)组成。本发明主要用于煤矿井下煤层厚度的探测，及矿井地震勘探、浅层工程地质调查。仪器功能齐全、性能稳定、结构简单、使用、维修方便，是智能型工程探测仪器。
文档编号G01V3/00GK86102593SQ86102593
公开日1987年1月24日 申请日期1986年4月21日
发明者王鹤龄, 杨治元 申请人:淮南矿业学院, 湘潭无线电厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan