一种基于磁谐振的井下矿工搜救系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于磁谐振的井下矿工搜救系统及方法。本发明专利技术的系统由地上搜救端与地下矿工穿戴感应端组成，地上搜救端通过感应线圈发射特定频率磁场，地下矿工穿戴感应端内置感应线圈，其固有频率与地面搜救端产生磁场频率相同。当矿工穿戴的感应线圈处于地上搜救端发射的磁场中时，产生磁耦合谐振，从而给地上搜救端与地下的矿工穿戴端同时反馈信号，辅助搜救。本发明专利技术无需复杂的信号处理算法，系统构成简单。基于磁耦合谐振原理，磁场携带较高的能量，利于穿透较厚的地质层，并在搜救时能给矿工传达简单的信息，弥补了传统搜救装置不能给被搜救者传达信息的不足。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电磁场技术、信息技术等领域，具体涉及一种基于磁耦合谐振的井下矿工搜救方法与矿工服装置。
技术介绍
矿井事故或矿难发生时，对矿工的搜救是一项重要而艰巨的任务。现有的搜救设备主要有探地雷达和生命探测仪等对地探测装置，主要是利用电磁波的反射原理制成,通过对反射回波的分析处理，对搜救目标进行定位。但是这种搜救设备受地层介质对信号的干扰影响大,且这些设备需复杂的信号处理算法及高性能的处理硬件，设备组成精密，专业性强，成本也较高。再者，这些搜救方法只能帮助搜救人员了解被救矿工的位置情况，而井下的被困矿工却无法收到相应的反馈信息，比如：被困矿工很难获知搜救人员是否到达、被困矿工自己是否已被搜救人员找到、以及搜救人员距离自己远近等的信息。这些信息虽然简单，但对被困矿工来说，是积极的刺激因素，会给其困难条件下的生存几率带来积极影响。磁耦合谐振技术，最初是一种无线能量传输技术，该技术的基本原理为：发射端感应线圈通入交变电流，产生振荡频率的感应磁场，当接收装置的固有频率与振荡频率相同时，接收线圈会产生最强的感应电流，从而将磁能转化为电能。在本专利中，我们基于磁耦合谐振技术，利用次耦合谐振现象中的一些特点，给出一种对地探测的方法，进而提出一种可用于井下矿工搜救方法与装备。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术给提供一种基于磁谐振的井下矿工搜救系统及方法。其具体特征如下。一种基于磁谐振的井下矿工搜救系统，由地上搜救端与地下矿工穿戴感应端组成，地上搜救端产生设定频率的磁场，地下矿工穿戴感应端内置感应线圈，其固有频率与地上搜救端产生磁场频率相同；当地下矿工穿戴感应端内置的感应线圈处于该磁场中时，会产生耦合谐振，从而给地上搜救端和地下矿工穿戴感应端发出提示信号。进一步地，地上搜救端包括发射模块、处理模块、反馈模块及显示输出模块；其中发射模块包括感应线圈；处理模块负责产生发射磁信号，以及处理反馈模块监测的电流信号完成对矿工方位的确定；反馈模块含有电流监测元件，用于监测发射端电流信息，并反馈给处理模块，处理模块判断是否有接收线圈达到耦合谐振；显示输出模块用于将反馈信息处理后，输出结果给搜救人员，输出结果包括是否发现目标，以及目标方位，距离的估计值。进一步地，地下矿工穿戴感应端的感应线圈分布在矿工服和矿工帽的各个方向和位置，从而保证接收感应线圈有尽量大的感应面积和尽量多的有效感应方向；位于矿工服的线圈为平面线圈，通过柔性PCB电路板布置；矿工服还配备地下矿工穿戴感应端的通知模块，通知模块包括LED灯和/或蜂鸣器，当感应线圈与地上搜救端产生谐振后，能完成无线输能，得到的电能用来触发蜂鸣器或LED灯以给矿工传达搜救人员是否已经找到被困矿工，另外，感应电流的强弱对应蜂鸣器声音及LED亮度的强弱，用于传达搜救人员距离的远近的信息；并且矿工服和矿工帽不需要携带额外电源。利用所述基于磁谐振的井下矿工搜救系统的地下矿工搜救方法，其包括如下步骤：步骤1：控制参数设置，地上搜救端设置的参数包括：发射功率，发射频率，初始方向，反馈电流信息检测门限；步骤2：根据步骤1的参数，处理模块给发射模块通入信号，发射模块发射设定频率和功率的磁场；步骤3：若发射模块中在当前方向感应到检测门限以上的电流变化，发出警报声提示，则判定该方向有矿工，应指示搜救人员在该方向进行搜寻；如发射端在当前方向无明显反馈电流变化，则调整方向后，按步骤2和3继续完成对空间区域的扫描。上述的搜救方法中，当地面搜救端与地下的矿工服及矿工帽内的线圈达到耦合谐振后，触发LED灯和/或蜂鸣器，告知矿工已被地面搜救端发现，矿工也能根据LED灯的亮度或蜂鸣器的声音强度判断搜救人员距离的远近。本专利技术根据磁耦合谐振技术原理，发射端产生特定振荡频率的感应场，当接收的感应线圈的固有频率与振荡频率相同时，接收端会产生最强的感应电流，从而将磁能转化为电能。同时，达到耦合谐振后，于发射端来说，相当于实现了负载匹配，从而发射端电路的电流会产生变化，并且能量向负载传输。因此，通过监测发射端电流的变化，可以知道是否有接收端与发射端达到耦合谐振状态。另外，由于磁场是是矢量场，本身携带有方向信息，当接收端感应线圈正对发射感应线圈时感应电流最大。根据以上原理，本专利技术考虑在地面上放置一电磁发射装置，在地下，矿工配备内置有特定固有频率感应线圈的矿工服和矿工帽，这样，发射端在某一方向发射交变电磁场时，如果有反馈电流的变化，便可以判断这个方向是否有矿工存在，进而指导搜救的进行。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和技术效果：(1)无需复杂信号处理算法，本专利技术以磁耦合谐振为基本原理，软、硬件构成简单，无需传统雷达探测仪复杂的信号处理算法及高性能运算模块。(2)专利技术基于磁耦合谐振原理，最初是一种无线能量传输方法，用于井下搜救，高能量的磁场利于穿透各种地质结构，实现更有效的探测。(3)可以给矿工反馈搜救信息。本专利技术在实施搜救时，当地上搜救端与地下矿工服（帽）中的感应线圈产生谐振时，不但搜救端会收到提示，而且地下的矿工服（帽）也会收到能量从而触发LED和蜂鸣器等，给矿工反馈信息。还可以通过信号的强弱频率等信息判断搜救人员距离矿工的距离远近，并反馈给矿工。附图说明图1是实施例中的基于磁谐振的井下矿工搜救系统的原理框图；图2是基于磁谐振的井下矿工搜救系统的一种实例示意图；图3是实例中基于磁谐振的井下矿工搜救方法的流程图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步描述说明，但本专利技术的实施方式和保护不限于此。实施例如图1所示，是本专利技术所述的一种基于磁耦合谐振的矿工搜救系统原理框图。系统分为地面搜救系统与地下矿工穿戴感应系统。如图2，地面的搜救系统主要组成包括：发射模块、处理模块，反馈模块以及显示输出模块104。发射模块101主要包含发射线圈，功放等硬件，负责向外发射低频磁场。发射线圈的尺寸和功放的功率影响搜救系统的有效距离，应根据矿井的深度选用尺寸足够大的线圈和足够高功率的功放模块；处理模块102包含数字信号的产生、采集与处理终端，负责提供发射模块的激励信号，接收反馈模块的电流信息并进行处理；反馈模块可以为霍尔电流计等电信号传感器103，负责感知地面系统内电流的变化。输出显示模块104用于将处理模块处理后得到的信息输出给搜救者，包括是否发现目标，以及目标的方位信息等。地下的矿工穿戴系统内置在矿工帽以及矿工服中，主要组成包括：感应线圈105以及通知模块106。感应线圈应具有与地面发射系统相同的谐振频率，并且分布在矿工帽与矿工服尽量多的地方，使其覆盖尽量多的感应方向，达到任意方向来的磁场，都会有至少一个感应线圈与之达到谐振。通知模块含有LED灯或蜂鸣器等装置，当感应线圈与地面搜救端形成谐振后，利用谐振后所供应的电能触发LED灯或蜂鸣器，从而向矿工传达已经被搜救端找到以及距离搜救人员的远近等信息。地下矿工穿戴感应系统主要为内置有感应线圈的矿工服和矿工帽，其感应线圈分布在矿工服和矿工帽的各个方向和位置，从而保证接收感应线圈有尽量大的感应面积和尽量多的有效感应方向。矿工服的线圈一般应为平面线圈，可以由柔性PCB电路板布置，从而保证内嵌在矿工服后整体良好的柔性。矿工服（帽）可以配备LED灯和蜂鸣器等通知模块，当感应线圈与地上搜救端产生谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁谐振的井下矿工搜救系统，其特征在于由地上搜救端与地下矿工穿戴感应端组成，地上搜救端产生设定频率的磁场，地下矿工穿戴感应端内置感应线圈，其固有频率与地上搜救端产生磁场频率相同；当地下矿工穿戴感应端内置的感应线圈处于该磁场中时，会产生耦合谐振，从而给地上搜救端和地下矿工穿戴感应端发出提示信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于磁谐振的井下矿工搜救系统，其特征在于由地上搜救端与地下矿工穿戴感应端组成，地上搜救端产生设定频率的磁场，地下矿工穿戴感应端内置感应线圈，其固有频率与地上搜救端产生磁场频率相同；当地下矿工穿戴感应端内置的感应线圈处于该磁场中时，会产生耦合谐振，从而给地上搜救端和地下矿工穿戴感应端发出提示信号。2.根据权利要求1所述的基于磁谐振的井下矿工搜救系统，其特征在于地上搜救端包括发射模块、处理模块、反馈模块及显示输出模块；其中发射模块包括感应线圈；处理模块负责产生发射磁信号，以及处理反馈模块监测的电流信号完成对矿工方位的确定；反馈模块含有电流监测元件，用于监测发射端电流信息，并反馈给处理模块，处理模块判断是否有接收线圈达到耦合谐振；显示输出模块用于将反馈信息处理后，输出结果给搜救人员，输出结果包括是否发现目标，以及目标方位，距离的估计值。3.根据权利要求1所述的基于磁谐振的井下矿工搜救系统，其特征在于地下矿工穿戴感应端的感应线圈分布在矿工服和矿工帽的各个方向和位置，从而保证接收感应线圈有尽量大的感应面积和尽量多的有效感应方向；位于矿工服的线圈为平面线圈，通过柔性PCB电路板布置；矿工服还配备地下矿工穿戴感应端的通知...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦岗，李杰，马碧云，刘娇蛟，杨萃，曹燕，王一歌，赵明剑，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44