可攜式多通道微地震監測系統的製作方法
2023-11-30 02:23:41 2
專利名稱：可攜式多通道微地震監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及微地震信號實時檢測與記錄系統。該系統特別適用於礦山開採而導致的巖體運動及破裂規律的監測與評價。對於探測推斷採礦過程中瓦斯和水體運移的巖體破裂通道、預測和圈定採礦危險區以及評價採礦設計等具有十分重要的意義。
該系統除用於礦山安全監測報警外，還可以用於工程、爆破、安全和勘探等領域的監測以及科學研究。該系統也可以作為多通道數據採集儀器使用。
背景技術：
現有技術的缺點體積大；通道數少；耗電量大；操作複雜，需要專業人員管理；價格昂貴；國內沒有與本設計類似的商業產品。
發明內容
本實用新型的目的在於克服現有技術通道數少、耗電量大、操作複雜、需要專業人員管理、價格昂貴的缺點，解決國內沒有與本實用新型類似的商業產品的問題，提供一種可攜式多通道微地震監測系統。
見圖1，本實用新型多通道可攜式微地震監測系統原理框圖。
可攜式多通道微地震監測系統由一臺可攜式多通道數據採集儀、多個傳感器、一臺普通PC(筆記本或臺式)電腦和控制軟體部分組成；可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於多個傳感器與多通道數據採集儀連接，多通道數據採集儀與PC(筆記本或臺式)電腦或工控機連接。
所述的可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於多通道數據採集儀有多個採集單元插件，每個採集單元插件內部具有多個通道；每個採集單元插件包括多通道傳感器及屏蔽電纜1、一個可編程放大器2、一個去假頻濾波器3、一個多路復用器4、一個A/D轉換器5、一個速度控制與信號緩衝區6、一個先進精簡指令控制器7、一個程控增益選擇電路8；每個單元採集插件末端的速度控制與信號緩衝區6均與共用的CPU中央處理器9連接，CPU中央處理器9與FIFO緩存器和USB接口10連接；多個傳感器及屏蔽電纜1連接可編程放大器2，可編程放大器2的輸出端連接去假頻濾波器3，去假頻濾波器3的輸出端連接多路復用器4，多路復用器4的輸出端連接A/D轉換器5，A/D轉換器5的輸出端連接速度控制與信號緩衝區6，速度控制與信號緩衝區6的輸出端分別連接先進精簡指令控制器7和CPU中央處理器9，先進精簡指令控制器7的輸出端連接程控增益選擇電路8，程控增益選擇電路8的輸出端連接可編程放大器2，CPU中央處理器9連接FIFO緩存器與USB接口10，USB接口連接PC電腦，電源調整電路12與各部分連接，CPU中央處理器9安裝有採樣監控軟體11，PC電腦嵌入採樣監控控制軟體13；所述的可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於PC電腦接移動存儲器14，做實時採集數據備份，PC電腦與電話網或INTER網絡15連接；可攜式多通道微地震監測系統各部分功能可攜式多通道數據採集儀用於對多路輸入信號採集和判別，並將滿足預設參數的信號通過USB接口和電纜送入PC電腦。
採樣監控軟體11進行數據採集與觸發判斷運算。
PC電腦及採樣監控控制軟體13PC電腦的作業系統為WINDOWS作業系統。通過採樣監控控制軟體13設置或修改儀器監測的各項參數、可設置監測系統工作狀態的顯示、接收USB接口傳輸數據並對其做預處理和分析、可設置信號圖形、信號頻譜顯示並進行數據存儲。
傳感器用於微地震信號採集。用戶應根據實際應用要求配置傳感器。
本實用新型具有以下特點和優點；·各通道增益、採樣頻率可單獨設置。具有去假頻濾波功能，並具可選擇陷波功能。
·採用CPU中央處理器。增強了可靠性和實時動態數據處理能力。
·具有外部和內部自動觸發選擇。
·具有數據連續記錄和事件記錄選擇。數據記錄長度由用戶確定。數據直接硬碟存儲並可同時採用移動盤對數據實時備份，便於用戶隨時對數據下載分析。
·採用WINDOWS作業系統。實時波形顯示並有印表機輸出功能。參數設置界面友好，操作簡便。
·具有斷電後來電系統自動啟動功能·可對歷史事件的數據波形回放·儀器結構簡單，維修方便，體積小，重量輕，便於攜帶。
主要技術指標最大輸入通道數量 96通道A/D轉換器分辯率24bit增益 ×1，×2，×10，×50，×100，×500，×1000倍(每通道可單獨設置)採樣率 1Hz，10Hz，100Hz，1kHz，10kHz(每通道可單獨設置)輸入信號通道帶寬0.5-5KHz
輸入阻抗 2MΩ輸入電容 20pF陷波頻率(陷波可選)50Hz或60Hz(可選)通道竄擾 ＜-100dB觸發方式 內觸發(自動)、外觸發(手動、短路、開路)供電電壓 110/240V，50/60Hz交流或12V直流通訊接口 USB2.0
圖1本實用新型可攜式多通道微地震監測系統原理框圖。
圖2可攜式多通道數據採集儀總原理框圖。
圖3單元採集插件(PAU)原理框圖。
圖4本實用新型電路原理圖單元採集插件ARM控制器，以及速度控制與信號緩衝區6，速度控制與信號緩衝區6為基於CPLD的A/D轉換器5的時鐘產生與轉換速度切換控制電路。此圖為第一部分。
圖5本實用新型電路原理圖單元採集插件ARM控制器，以及速度控制與信號緩衝區6，速度控制與信號緩衝區6為基於CPLD的A/D轉換器5的時鐘產生與轉換速度切換控制電路。此圖為第二部分。
圖6本實用新型電路原理圖主控ARM及其與USB接口電路。
圖7本實用新型電路原理圖單通道PGA與去假頻濾波器3。
圖8；本實用新型電路原理圖多路復用器4與A/D轉換器5，包括基準電壓源與A/D轉換器5專用低噪聲電源。
圖9本實用新型電路原理圖電源調整電路12，包括電瓶充電控制電路。+5V、±7.5V變換與穩壓電路。此圖為第一部分。
圖10本實用新型電路原理圖電源調整電路12，包括電瓶充電控制電路。+5V、±7.5V變換與穩壓電路。此圖為第二部分。
圖11本實用新型電路原理圖程控增益選擇電路8的電路圖。用於增益控制串行/並行控制數據轉換器，能滿足16通道各8種增益的控制要求。
圖12本實用新型電路原理圖16通道PGA與程控增益選擇電路8，及其與後續多路復用器4、A/D轉換器5與ARM控制器的連接工程圖。此圖為第一部分。
圖13本實用新型電路原理圖16通道PGA與程控增益選擇電路8，及其與後續多路復用器4、A/D轉換器5與ARM控制器的連接工程圖。此圖為第二部分。
具體實施方式
見圖1，本實用新型可攜式多通道微地震監測系統原理框圖。各部分功能如下
多個傳感器及屏蔽電纜1將微地震的信號傳輸給可編程放大器2，傳感器採用速度傳感器。
可編程放大器2將信號放大，採用的集成電路為NE5532；去假頻濾波器3將消除高頻信號的疊加，採用的集成電路為LTC1065；多路復用器4實現通道間轉換，採用的集成電路為MAX4052；A/D轉換器5將模擬信號轉換成數位訊號，採用的集成電路為ADS1252；速度控制與信號緩衝區6對ADC轉換速度切換控制和採集數據緩存，採用的集成電路為EPM7128S、MAX708、MAX3232；先進精簡指令控制器7按一定速率控制多路復用器4與A/D轉換器5工作，順序獲取1~16通道的採樣數據，並進行這16個通道觸發判斷所需的運算。採用的集成電路為LPC2104；程控增益選擇電路8對各通道增益程控選擇，採用的集成電路為MAX4051、74HC164；CPU中央處理器9實現採樣監控指令，採用的集成電路為LPC2104；USB接口實現可攜式多通道微地震監測儀與PC間的通信，採用的集成電路為CY7C68013；電源調整電路12將110~240伏交流電轉換為儀器各電路需要的工作電壓，採用的集成電路為NCP1117DT，MC33063、LM317；見圖2，可攜式多通道數據採集儀原理框圖，為了提高儀器配置與使用的靈活性，每16個通道設計為一個「單元採集插件」(PAUPlug-in Acquisition Unit)。最大配置96通道時，一共需要6個「單元採集插件」。每個「單元採集插件」內置一隻獨立的「先進精簡控制器」7(ARMAdvance RISC Machine)，按一定速率控制多路復用器4與A/D轉換器5工作，順序獲取1~16通道的採樣數據，並進行這16個通道觸發判斷所需的運算。
見圖2，可攜式多通道數據採集儀總原理框圖，系統工作過程 用戶通過PC電腦輸入採集控制參數，通過USB2.0傳至CPU中央處理器9，再由CPU中央處理器9根據目標通道號定位具體的單元採集插件PAU電路並轉發命令； 各PAU電路根據CPU中央處理器9轉發的命令，分別設置各通道的增益。在接收到開始採樣命令後，按用戶的採樣速率要求進行數據採集與觸發判斷運算； 在某一通道滿足觸發時，該PAU電路通知CPU中央處理器9。CPU中央處理器9通知所有單元採集插件PAU電路按順序提供該時刻前後的相關採樣數據，並將數據寫入FIFO緩存器。
USB2.0接口將FIFO緩存器巾數據傳輸至PC電腦，PC電腦顯示並存儲數據。見圖3，單元採集插件原理框圖
單元採集插件主要包括可編程放大器2(PGA)、去假頻濾波器3、多路復用器4(MUX)、A/D轉換器5、「先進精簡指令控制器」7與基於CPLD的ADC時鐘產生與轉換的速度控制與信號緩衝區6。為了提高放大器的共模抑制比，減小共模幹擾信號的影響，放大器採用儀表放大器形式。不同增益由模擬開關切換不同反饋電阻實現。
圖4本實用新型電路原理圖單元採集插件ARM控制器，以及速度控制與信號緩衝區6，速度控制與信號緩衝區6為基於CPLD的A/D轉換器5的時鐘產生與轉換速度切換控制電路。此圖為第一部分。
圖5本實用新型電路原理圖單元採集插件ARM控制器，以及速度控制與信號緩衝區6，速度控制與信號緩衝區6為基於CPLD的A/D轉換器5的時鐘產生與轉換速度切換控制電路。此圖為第二部分。
圖6本實用新型電路原理圖主控ARM及其與USB接口電路。
圖7本實用新型電路原理圖單通道PGA與去假頻濾波器3。
圖8本實用新型電路原理圖多路復用器4與A/D轉換器5，包括基準電壓源與A/D轉換器5專用低噪聲電源。
圖9本實用新型電路原理圖電源調整電路12，包括電瓶充電控制電路。+5V、±7.5V變換與穩壓電路。此圖為第一部分。
圖10本實用新型電路原理圖電源調整電路12，包括電瓶充電控制電路。+5V、±7.5V變換與穩壓電路。此圖為第二部分。
圖11本實用新型電路原理圖程控增益選擇電路8的電路圖。用於增益控制串行/並行控制數據轉換器，能滿足16通道各8種增益的控制要求。
圖12本實用新型電路原理圖16通道PGA與程控增益選擇電路8，及其與後續多路復用器4、A/D轉換器5與ARM控制器的連接工程圖。此圖為第一部分。
圖13本實用新型電路原理圖16通道PGA與程控增益選擇電路8，及其與後續多路復用器4、A/D轉換器5與ARM控制器的連接工程圖。此圖為第二部分。
電路所需要的集成塊型號及數量NE553296片，NE553496片，MAX405196片，LTC106596片，74HC16436片，ADS125224片，MAX405212片，OP28524片，NCP1117DT506片，MAX33512片，MC140316片，EMP71286片，LPC21047片，MAX70812片，MAX3232CPE12片，NCP1117DT337片，NCP1117DT187片，CY7C68013-56PVC1片，LT11291片，24LC641片，MC330633片，LM3171片。
圖1中各部分編號如下多通道傳感器及屏蔽電纜1、可編程放大器2、去假頻濾波器3、多路復用器4、A/D轉換器5、速度控制與信號緩衝區6、先進精簡指令控制器7、程控增益選擇電路8、CPU中央處理器9、FIFO緩存器和USB接口10、CPU中央處理器9安裝有採樣監控軟體11、電源調整電路12、PC電腦嵌入採樣監控控制軟體13、移動存儲器14、電話網或INTER網絡15、外部觸發信號16、PC電腦17。
權利要求1.可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於多個傳感器與多通道數據採集儀連接，多通道數據採集儀與PC電腦或PC筆記本電腦或工控機連接。
2.根據權利要求1所述的可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於多通道數據採集儀有多個採集單元插件，每個採集單元插件內部具有多個通道；每個採集單元插件包括多通道傳感器及屏蔽電纜(1)、一個可編程放大器(2)、一個去假頻濾波器(3)、一個多路復用器(4)、一個A/D轉換器(5)、一個速度控制與信號緩衝區(6)、一個先進精簡指令控制器(7)、一個程控增益選擇電路(8)；每個單元採集插件末端的速度控制與信號緩衝區(6)均與共用的CPU中央處理器(9)連接，CPU中央處理器(9)與FIFO緩存器和USB接口(10)連接；多個傳感器及屏蔽電纜(1)連接可編程放大器(2)，可編程放大器(2)的輸出端連接去假頻濾波器(3)，去假頻濾波器(3)的輸出端連接多路復用器(4)，多路復用器(4)的輸出端連接A/D轉換器(5)，A/D轉換器(5)的輸出端連接速度控制與信號緩衝區(6)，速度控制與信號緩衝區(6)的輸出端分別連接先進精簡指令控制器(7)和CPU中央處理器(9)，先進精簡指令控制器(7)的輸出端連接程控增益選擇電路(8)，程控增益選擇電路(8)的輸出端連接可編程放大器(2)，CPU中央處理器(9)連接FIFO緩存器與USB接口(10)，USB接口連接PC電腦，電源調整電路(12)與各部分連接，CPU中央處理器(9)安裝有採樣監控軟體(11)，PC電腦嵌入採樣監控控制軟體(13)。
3.根據權利要求2所述的可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於PC電腦接移動存儲器(14)做實時採集數據備份，PC電腦與電話網或INTER網絡(15)連接。
4.根據權利要求2或3所述的可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於多個傳感器通過屏蔽電纜將微地震的信號傳輸給可編程放大器(2)，傳感器採用速度傳感器；可編程放大器(2)將信號放大，採用的集成電路為NE5532；去假頻濾波器(3)將消除高頻信號的疊加，採用的集成電路為LTC1065；多路復用器(4)實現通道間轉換，採用的集成電路為MAX4052；A/D轉換器(5)將模擬信號轉換成數位訊號，採用的集成電路為ADS1252；速度控制與信號緩衝區(6)對ADC轉換速度切換控制和採集數據緩存，採用的集成電路為EPM7128S、MAX708、MAX3232；先進精簡指令控制器(7)按一定速率控制多路復用器(4)與A/D轉換器(5)工作，順序獲取1~16通道的採樣數據，並進行這16個通道觸發判斷所需的運算，採用的集成電路為LPC2104；程控增益選擇電路(8)對各通道增益程控選擇，採用的集成電路為MAX4051、74HC164；CPU中央處理器(9)實現採樣監控指令，採用的集成電路為LPC2104；USB接口實現可攜式多通道微地震監測儀與PC間的通信，採用的集成電路為CY7C68013；電源調整電路(12)將110~240伏交流電轉換為儀器各電路需要的工作電壓，採用的集成電路為NCP1117DT，MC33063、LM317。
5.根據權利要求4所述的可攜式多通道微地震監測系統，其特徵在於多通道數據採集儀中，一個單元採集插件包括16個通道，最大配置96通道時，多通道數據採集儀一共有6個單元採集插件，每個單元採集插件內置一隻獨立的先進精簡指令控制器(7)按一定速率控制多路復用器(4)與A/D轉換器(6)工作，順序獲取1~16通道的採樣數據，並進行這16個通道觸發判斷所需的運算。
專利摘要可攜式微地震監測系統，其特徵在於多個傳感器與多通道數據採集儀、普通電腦或PC筆記本電腦或工控機連接。多通道數據採集儀包括可編程放大器2、去假頻濾波器3、多路復用器4、A/D轉換器5、速度控制與信號緩衝區6、先進精簡指令控制器7、程控增益選擇電路8、CPU中央處理器9、FIFO緩存器與USB接口10、採樣監控軟體11、電源調整電路12。該系統特別適用於礦山開採而導致的巖體運動及破裂規律的監測與評價。對於探測推斷採礦過程中瓦斯和水體運移的巖體破裂通道、預測和圈定採礦危險區以及評價採礦設計等具有十分重要的意義。還可以用於工程、爆破、安全和勘探等領域的監測以及科學研究。
文檔編號G01V1/18GK2793750SQ20052003342
公開日2006年7月5日 申請日期2005年3月10日 優先權日2005年3月10日
發明者駱循, 羅淳 申請人:駱循, 羅淳