一種基於超聲波技術的圍巖監測系統及方法與流程
2023-05-11 23:19:16
本發明涉及超聲波領域，特別涉及一種基於超聲波技術的圍巖監測系統及方法。
背景技術：
巷道的安全支護在煤礦安全生產中起到重要的作用，也是煤礦安全生產中的難點。對巷道的安全支護的關鍵是要實時地掌握圍巖鬆動圈的破碎狀態。
巷道開挖後破壞了原巖的應力平衡狀態，從而導致：第一，巷道周邊徑向應力下降為零，圍巖強度明顯下降；第二，圍巖中出現應力集中現象。當這種應力超過圍巖強度之後，在巷道周邊圍巖所形成的破碎帶便是圍巖鬆動圈。其物理狀態表現為破裂縫的增加及巖體應力水平的降低。
鬆動圈測試就是測試開巷後新的破壞裂縫及其分布範圍，圍巖中有新破裂縫與沒有破裂縫的界面位置就是鬆動圈的邊界。參考文獻介紹了基於鬆動圈測試的檢測原理相應的測試方法，包括超聲波探測法、多點位移計量測法和地質雷達探測法。
同時，由於礦井的特殊構造，使得監測的難度較大，而且即便監測到的問題，也難以獲取出問題的實際位置，導致安全隱患不斷疊加，導致釀成嚴重的後果。
技術實現要素：
鑑於此，本發明提供了一種基於超聲波技術的圍巖監測系統及方法，本發明具有安全性高、具備定位功能，監測準確和響應及時等優點。
本發明採用的技術方案如下：
一種基於超聲波技術的圍巖監測系統，其特徵在於，所述系統包括：用於實時監測圍巖狀況的監測端；所述監測端信號連接於用於接收來自監測端數據信息的監控端；所述監測端包括：用於控制監測端運行狀態的主控制器；所述主控制器分別信號連接於用於獲取實時定位信息的定位裝置、用於連通監測端和監控端數據通信的數據通信裝置、用於發射超聲波的超聲波發射裝置、用於接收超聲波的超聲波接收裝置，以及用於存儲數據信息的存儲裝置；所述監控端包括：用於連通監控端和監測端數據通信的數據接收裝置；所述數據接收裝置分別信號連接於用於預警的預警裝置和用於顯示監控數據信息的顯示裝置。
所述超聲波發射裝置包括：用於產生矩形波的脈衝產生單元；所述脈衝產生電路信號連接於用於將矩形波進行放大的高壓電路；所述高壓電路信號連接於用於利用放大後的矩形波超聲產生超聲波的超聲波發送換能器。
所述超聲波接收電路包括：用於去除接收到的超聲波中的噪聲的去噪電路；所述去噪電路信號連接於用於將接收到的超聲波進行放大的信號放大電路；所述信號放大電路信號連接於用於將信號進行整形的信號整形電路；所述信號整形電路信號連接於主控制器。
所述主控制包括4個子處理器，分別為：用於定時採集數據信息並上傳給監控端的第一處理器、用於處理來自監控端的命令的第二處理器、用於實時接收伺服器的命令的第三處理器、以及用於計數的第四處理器。
所述定位裝置包括：用於感應其他定位裝置發送過來信號強度的無線傳感器組和根據無線傳感器的感應結果進行位置計算的定位處理器。
一種基於超聲波技術的圍巖監測系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：系統啟動，系統初始化；
步驟2：監測端發出超聲波，根據返回超聲波的狀況判斷圍巖的狀態；
步驟3：監測端將圍巖的狀態相關的數據信息發送至監控端，監控端根據接收到的數據信息判斷圍巖是否有安全隱患；
步驟4：當監測端監測到圍巖的數據明顯存在問題時，發送預警命令和圍巖的相關數據信息到監控端；
步驟5：監控端接收到數據信息後，若需要判斷發生問題的位置則發送位置獲取命令至監測端；
步驟6：監測端的定位裝置實時獲取位置信息，將獲取到的位置信息發送至監控端。
所述監測端對圍巖進行監測的方法包括以下步驟：
步驟1：監測端將超聲波射入圍巖的巖石內；
步驟2：在巖石內，將會產生橫波、縱波和表面波三種波，其中縱波的速度為： ；
橫波的速度為： ；
其中E為楊氏模量，ρ為密度，μ為泊松比。
步驟3：根據接收到的波的數據信息和標準數據信息進行對比，監測端得出巖石的狀態信息。
所述定位裝置獲取位置信息的方法包括以下步驟：
步驟1：無線傳感器組中的信標傳感器組中的傳感器兩兩通信，記錄到達對方的最短路徑的距值，記為ξ。然後根據各個信標傳感器的位置信息，以三個信標傳感器為一組，計算三角形三邊距離總和L和平均最短路徑l，記三個傳感器分別為：A、B、C，則其坐標分別為： , , ,有：
步驟2：其次，未知傳感器通過跳段式的傳播方式與信標傳感器通信，記錄到達3個信標傳感器所需要的最少跳數，記為λ；則估算出未知傳感器和信標傳感器的距離為：
通過三邊測量法建立方程組為：
通過該方程組，即可計算出未知傳感器的位置。
採用以上技術方案，本發明產生了以下有益效果：
1、響應及時：本發明的監測系統利用了四個處理器構成主控制器，在處理問題時，四個處理器分別並行處理，實時控制，提升了響應速度。
2、具備定位功能：本發明的監測系統除了能夠監測圍巖的狀態以外，還能具備定位功能，定位裝置能夠實時獲取出問題的圍巖位置，使得工作人員能夠迅速定位問題位置。
採用以上技術方案，本發明產生了以下有益效果：
1、監測準確：本發明的圍巖監測系統，通過超聲波產生的縱波和橫波兩種波的數據信息綜合分析判斷圍巖的狀態，保證了監測結果的準確性，比起單一的根據一種波監測圍巖狀態，基於兩種波的監測更加準確。
2、安全性高：本發明的圍巖監測系統，在出現問題時，能夠及時預警；同時也能無須人員進入出事地點就提供大量的相關信息，提升了系統的安全性。
3、響應及時：本發明的監測系統利用了四個處理器構成主控制器，在處理問題時，四個處理器分別並行處理，實時控制，提升了響應速度。
4、具備定位功能：本發明的監測系統除了能夠監測圍巖的狀態以外，還能具備定位功能，定位裝置能夠實時獲取出問題的圍巖位置，使得工作人員能夠迅速定位問題位置。
附圖說明
圖1是本發明的一種基於超聲波技術的圍巖監測系統及方法的系統結構示意圖。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書（包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
本發明實施例1中提供了一種基於超聲波技術的圍巖監測系統，系統結構如圖1所示：
一種基於超聲波技術的圍巖監測系統，其特徵在於，所述系統包括：用於實時監測圍巖狀況的監測端；所述監測端信號連接於用於接收來自監測端數據信息的監控端；所述監測端包括：用於控制監測端運行狀態的主控制器；所述主控制器分別信號連接於用於獲取實時定位信息的定位裝置、用於連通監測端和監控端數據通信的數據通信裝置、用於發射超聲波的超聲波發射裝置、用於接收超聲波的超聲波接收裝置，以及用於存儲數據信息的存儲裝置；所述監控端包括：用於連通監控端和監測端數據通信的數據接收裝置；所述數據接收裝置分別信號連接於用於預警的預警裝置和用於顯示監控數據信息的顯示裝置。
所述超聲波發射裝置包括：用於產生矩形波的脈衝產生單元；所述脈衝產生電路信號連接於用於將矩形波進行放大的高壓電路；所述高壓電路信號連接於用於利用放大後的矩形波超聲產生超聲波的超聲波發送換能器。
所述超聲波接收電路包括：用於去除接收到的超聲波中的噪聲的去噪電路；所述去噪電路信號連接於用於將接收到的超聲波進行放大的信號放大電路；所述信號放大電路信號連接於用於將信號進行整形的信號整形電路；所述信號整形電路信號連接於主控制器。
所述主控制包括4個子處理器，分別為：用於定時採集數據信息並上傳給監控端的第一處理器、用於處理來自監控端的命令的第二處理器、用於實時接收伺服器的命令的第三處理器、以及用於計數的第四處理器。
所述定位裝置包括：用於感應其他定位裝置發送過來信號強度的無線傳感器組和根據無線傳感器的感應結果進行位置計算的定位處理器。
本發明實施例2中提供了一種基於超聲波技術的圍巖監測系統的方法，
一種基於超聲波技術的圍巖監測系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：系統啟動，系統初始化；
步驟2：監測端發出超聲波，根據返回超聲波的狀況判斷圍巖的狀態；
步驟3：監測端將圍巖的狀態相關的數據信息發送至監控端，監控端根據接收到的數據信息判斷圍巖是否有安全隱患；
步驟4：當監測端監測到圍巖的數據明顯存在問題時，發送預警命令和圍巖的相關數據信息到監控端；
步驟5：監控端接收到數據信息後，若需要判斷發生問題的位置則發送位置獲取命令至監測端；
步驟6：監測端的定位裝置實時獲取位置信息，將獲取到的位置信息發送至監控端。
所述監測端對圍巖進行監測的方法包括以下步驟：
步驟1：監測端將超聲波射入圍巖的巖石內；
步驟2：在巖石內，將會產生橫波、縱波和表面波三種波，其中縱波的速度為： ；
橫波的速度為： ；
其中E為楊氏模量，ρ為密度，μ為泊松比。
步驟3：根據接收到的波的數據信息和標準數據信息進行對比，監測端得出巖石的狀態信息。
所述定位裝置獲取位置信息的方法包括以下步驟：
步驟1：無線傳感器組中的信標傳感器組中的傳感器兩兩通信，記錄到達對方的最短路徑的距值，記為ξ。然後根據各個信標傳感器的位置信息，以三個信標傳感器為一組，計算三角形三邊距離總和L和平均最短路徑l，記三個傳感器分別為：A、B、C，則其坐標分別為： , , ,有：
步驟2：其次，未知傳感器通過跳段式的傳播方式與信標傳感器通信，記錄到達3個信標傳感器所需要的最少跳數，記為λ；則估算出未知傳感器和信標傳感器的距離為：
通過三邊測量法建立方程組為：
通過該方程組，即可計算出未知傳感器的位置。
本發明實施例3中提供了一種基於超聲波技術的圍巖監測系統及方法，系統結構如圖1所示：
一種基於超聲波技術的圍巖監測系統，其特徵在於，所述系統包括：用於實時監測圍巖狀況的監測端；所述監測端信號連接於用於接收來自監測端數據信息的監控端；所述監測端包括：用於控制監測端運行狀態的主控制器；所述主控制器分別信號連接於用於獲取實時定位信息的定位裝置、用於連通監測端和監控端數據通信的數據通信裝置、用於發射超聲波的超聲波發射裝置、用於接收超聲波的超聲波接收裝置，以及用於存儲數據信息的存儲裝置；所述監控端包括：用於連通監控端和監測端數據通信的數據接收裝置；所述數據接收裝置分別信號連接於用於預警的預警裝置和用於顯示監控數據信息的顯示裝置。
所述超聲波發射裝置包括：用於產生矩形波的脈衝產生單元；所述脈衝產生電路信號連接於用於將矩形波進行放大的高壓電路；所述高壓電路信號連接於用於利用放大後的矩形波超聲產生超聲波的超聲波發送換能器。
所述超聲波接收電路包括：用於去除接收到的超聲波中的噪聲的去噪電路；所述去噪電路信號連接於用於將接收到的超聲波進行放大的信號放大電路；所述信號放大電路信號連接於用於將信號進行整形的信號整形電路；所述信號整形電路信號連接於主控制器。
所述主控制包括4個子處理器，分別為：用於定時採集數據信息並上傳給監控端的第一處理器、用於處理來自監控端的命令的第二處理器、用於實時接收伺服器的命令的第三處理器、以及用於計數的第四處理器。
所述定位裝置包括：用於感應其他定位裝置發送過來信號強度的無線傳感器組和根據無線傳感器的感應結果進行位置計算的定位處理器。
一種基於超聲波技術的圍巖監測系統的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：
步驟1：系統啟動，系統初始化；
步驟2：監測端發出超聲波，根據返回超聲波的狀況判斷圍巖的狀態；
步驟3：監測端將圍巖的狀態相關的數據信息發送至監控端，監控端根據接收到的數據信息判斷圍巖是否有安全隱患；
步驟4：當監測端監測到圍巖的數據明顯存在問題時，發送預警命令和圍巖的相關數據信息到監控端；
步驟5：監控端接收到數據信息後，若需要判斷發生問題的位置則發送位置獲取命令至監測端；
步驟6：監測端的定位裝置實時獲取位置信息，將獲取到的位置信息發送至監控端。
所述監測端對圍巖進行監測的方法包括以下步驟：
步驟1：監測端將超聲波射入圍巖的巖石內；
步驟2：在巖石內，將會產生橫波、縱波和表面波三種波，其中縱波的速度為： ；
橫波的速度為： ；
其中E為楊氏模量，ρ為密度，μ為泊松比。
步驟3：根據接收到的波的數據信息和標準數據信息進行對比，監測端得出巖石的狀態信息。
所述定位裝置獲取位置信息的方法包括以下步驟：
步驟1：無線傳感器組中的信標傳感器組中的傳感器兩兩通信，記錄到達對方的最短路徑的距值，記為ξ。然後根據各個信標傳感器的位置信息，以三個信標傳感器為一組，計算三角形三邊距離總和L和平均最短路徑l，記三個傳感器分別為：A、B、C，則其坐標分別為： , , ,有：
步驟2：其次，未知傳感器通過跳段式的傳播方式與信標傳感器通信，記錄到達3個信標傳感器所需要的最少跳數，記為λ；則估算出未知傳感器和信標傳感器的距離為：
通過三邊測量法建立方程組為：
通過該方程組，即可計算出未知傳感器的位置。
本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。