井筒变形监测.docx

矿井井筒变形监测预警系统 姓名：姜明明 班级：电子信息工程14级4班 学号：201401101115摘要：本文依据煤矿开采过程中遇到的安全问题，首先提出井筒变形监测的必要性；然后提出了运用激光测距法实时监测矿井内部各个高度处结构的变化以监测矿井变形的方案，最后提出了实时数据传输及分析方案。关键词：激光垂准 激光测距 数据通信1、监测方案的基本框架2、井筒变形监测原理及大体方案 在矿筒底部安装一个传感器，矿筒由上到下，每隔一定距离，对矿筒周围作一标记点，利用激光测距传感器，对这些标记点进行测距，确定各个标记点到传感器的距离，当矿筒发生偏移时，标记点的位置必定发生改变，通过传感器即可确定出哪一位置发生变化。矿筒由上到下，每隔一段距离，在矿筒周围安装一些激光测距传感器，测量时，将一定质量的重锤在矿筒中央放下，则激光传感器所检测到的到重锤的距离应基本上保持一致，当矿筒某一位置发生变化时，可由传感器推断出来。如下图所示：3、监测具体方案的提出3.1垂线基准的确定为了不影响矿井生产，利用检修时间，可以摒弃传统的钢丝铅垂基准，采用激光垂准基准，激光垂准基准主要具有以下优势： (1)需要的安装条件简单，安装容易，可以选择较小空间安置相关仪器； (2）由于垂准仪采用的激光，其穿透性能好，可以穿透超过 1000m 的距离，在电源性能强劲的情况下，基本可以满足井筒观测对距离的要求； (3）垂直度高，一般仪器其垂直度每 45000m 约有 1m 的垂直误差，在几百米深度的井内使用，其精度高于传统的钢丝铅垂基准； (4）具有上、下投光的功能，可以大大地降低垂准仪的安置高度条件及方便联测点的设置。在实施时充分运用了激光垂准的优势，基准线安置地点如下图所示：（连线ac和连线bd相互垂直，同时两条线也是圆的直径）由于井筒观测条件的限制，分别利用激光垂准仪在井下水平和地面进行了上投和下投。确定基准点a、b、c、d后，在井底和地面之间连接基准钢丝，在每根钢丝的外侧安装上轴，要求轴不能和钢丝所在的直线有相对移动稳定性、可靠性要达标。3.2观测与采集3.2.1超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T。式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。本设计打算采用压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 3.2.2测量数据的选定?? 在每个观测点（每个轴外）安置三个激光测距仪组成一个测距仪组，三个测距仪的安置方式如下图所示，每个观测点都要测定三条蓝色线段的长度（观测点到井壁的距离）。这样测定的好处：一是尽可能测得够多的间距，同时保证井壁上各个点均匀分布，以便能够得到科学有效的数据用以反映井筒各个层面的结构特点；二是缩短测量距离，使测得的数据精度够高，减少测量误差；三是尽量保证在矩形外测量，避免了箕斗或者罐笼对测量的影响。3.3机械滑动装置在每个轴上安装上滑动装置，以使激光测距仪组能够上下自由滑动。同时在每根钢丝（轴）的地面水平处安置一个垂直向下的激光测距仪（最好选择一个量程在一千米左右的）