一种同源监测的位移和声发射集成传感器制造技术

本发明专利技术属于岩石开采技术领域，公开了一种同源监测的位移和声发射集成传感器，位移监测固定端内部放置压电陶瓷晶体和放大器，位移监测固定端下端固定有外露端；外露端内部安装声发射信息采集器和多点位移传感器、存储器以及结果显示线路板，外露端外侧设置有显示窗。位移监测固定端通过连接钢丝绳分别与第一位移监测锚固头和第二位移监测锚固头连接。本发明专利技术集成传感器可将现场检测钻孔数量减半，大幅降低了监测安装成本和钻孔施工成本。与原有多种单一传感器布置不能反映同一位置监测信息相比，本发明专利技术实现了位移和声发射的集成监测，即同源(同一监测点)的位移信息和声发射信息可以同时采集和反馈。

【技术实现步骤摘要】
一种同源监测的位移和声发射集成传感器
本专利技术属于岩石开采
，尤其涉及一种同源监测的位移和声发射集成传感器。
技术介绍
目前，地下开采的围岩或露天边坡，在原生应力、开采扰动应力、岩体结构以及外部环境的综合影响下，经常出现离层、开裂甚至岩体移动，最终导致岩体结构性失稳破坏。直接威胁矿山回采的安全性。现阶段对于岩体移动破坏的监测方法主要包括位移监测、声发射监测和微震监测。位移监测传感器主要包括收敛仪和多点位移计。收敛仪主要监测临空面之间的相对位移，并不能直接反应岩体内部的活动情况。而多点位移计直接安装于岩体内部，利用各个监测点的相对位移，反映岩体内部不同区域岩体的位移状况，从而综合判别围岩的移动规律。该方法通常在传感器上设定阈值，当实际位移值超过阈值后，传感器报警，从而实现岩移预警。但岩体移动规律与岩体结构面方位、岩体性质及暴露面积等多种因素密切相关，不同岩体在不同的环境下，其失稳之前所产生的位置值并非固定值。统一设定的阈值并无明确的理论依据，利用位移阈值预警岩体移动破坏具有很大的不确定性，常常造成预警失败。声发射监测的原理是岩体破裂产生的弹性波被传感器接受，通过对声发射次数、能量以及波形进行分析，对比实验室得到的岩石破裂声发射指标变化规律，从而实现岩体破坏声发射信息预警。现场多依靠声发射次数、频度以及能量的大小等综合判断结果实施预警。但从岩石移动破坏的过程可知，只要岩石发生变形，就极有可能伴随声发射信号的出现，从岩石发生变形到最终破裂先后经历多个阶段相似的声发射特征信号变化规律，单纯利用声发射监测结果实施预警具有较大的随意性，同时声发射信号受岩体结构和现场环境噪声的影响极大，预警准确性较差。微震监测主要依靠对岩石破裂过程产生的中低频声信号实施监测，利用中低频声信息衰减速度慢，传输距离远的特点，利用微震检波器实现远距离监测，并利用多个传感器对声信号进行空间定位，从而判断灾害危险源，实现危险源定位和超前预警。其监测原理和声发射传感器类似。从现场的应用来看，由于地下开采形成了大量的空区、破碎介质岩体、松散充填体等多种非连续介质，危险源发出的声信号在传输过程中经过不同介质和岩体结构，散失和衰减非常严重，到达微震检波器后信号的真实性大为降低。同时也严重影响定位的准确性。因此，单纯微震监测预警矿岩体失稳破坏准确性不高。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有的位移监测传感器利用位移阈值预警岩体移动破坏具有很大的不确定性，常常造成预警失败。(2)现有的声发射监测技术单纯利用声发射监测结果实施预警具有较大的随意性，同时声发射信号受岩体结构和现场环境噪声的影响极大，预警准确性较差。(3)现有的微震监测技术监测预警矿岩体失稳破坏准确性不高。解决以上问题及缺陷的难度为：目前所使用的位移传感器或者声发射传感器仅仅能单独表征围岩在承载过程中的位移变化值或者破裂过程中的声信息。但仅凭单独的位移或声音等伴生信息并不能准确反映岩石破坏，极易造成预警失败。如何使得同一监测源同时、同步采集位移和声发射两种伴生信息，并实现上述两种信息的协调存储和传输是解决上述问题的主要难点。解决以上问题及缺陷的意义为：通过同源监测位移和声发射集成传感器研发，实现了围岩同一监测源位移和声发射数据的同步采集、记录、存储和传输，使得同一监测点围岩移动破坏过程的两种伴生信息同步获取，利用后续的耦合分析模式，实现了围岩破坏真实预警，有效解决了单一传感器设置预警阈值的不确定性和预警盲目性。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种同源监测的位移和声发射集成传感器。本专利技术摒除单一传感器预警随意性大、准确性差的技术难题，主要针对矿岩体顶板或边帮移动破坏，提出集成传感器的思路，将位移和声发射两种岩体移动破坏的伴生信息集成于统一的传感器，实现同源集成传感器耦合监测，从而提高预警的准确性。本专利技术是这样实现的，整个集成传感器采用触发式采集方法，一旦锚固头和固定端之间发生相对移动激发位移传感器，并触发采集芯片实施位移数值记录和存储，在此过程中声发射传感器(压电陶瓷晶体)感知围岩移动过程中的声发射信息，并触发采集器上的芯片实时记录声发射参数。所记录的位移和声发射数值超过四小时时长，则触发时间控制器，统一上传至地表服务器，数据上传完成后，触发控制芯片自动清空存储器中的数据。一种同源监测的位移和声发射集成传感器，所述同源监测的位移和声发射集成传感器设置有位移监测固定端；位移监测固定端内部放置压电陶瓷晶体和放大器，位移监测固定端下端固定有外露端；外露端内部安装声发射信息采集器和多点位移传感器、存储器以及结果显示线路板，外露端外侧设置有显示窗。进一步，所述位移监测固定端为圆柱状空心刚体结构，直径为35mm，长度200mm。进一步，所述外露端为长方体刚体结构，长150mm，宽和高均为100mm。进一步，所述外露端右端设置有电源接口，电源接口连接有传输线路。进一步，所述位移监测固定端通过连接钢丝绳分别与第一位移监测锚固头和第二位移监测锚固头连接。进一步，所述多点位移传感器和声发射信息采集器分别通过通讯线路(485)与存储器连接.进一步，所述显示窗设置有显示仪表外壳，显示仪表外壳上侧设置有仪器编码显示窗口、声发射采集信息显示窗口、位移监测值显示窗口、电源接口、安装模式按钮、调试模式按钮、采集模式按钮和传输线路螺纹连接装置。进一步，所述围岩下端为开采空间，围岩钻凿直径为38～42mm的钻孔，孔深在20～30m范围之内，利用安装装置将位移监测锚固头和锚固头安装到指定位置；锚固头1安装在孔底位置，锚固头2安装在测孔的中间位置，位移监测固定端安装在孔口位置，孔口采用水泥砂浆耦合，使得整个测孔周围岩石离层破坏产生的声发射信号传入固定端内部的声发射探头；同时岩石离层产生的位移诱发锚固头和固定端发生相对移动，被位移传感器感知，二者统一被外露端的信息采集器采集、存储。进一步，所述采集器用以声发射信息采集和位移数据信息采集，采用触发式采集方式，通过单片机控制，实现两种信息集成采集；采集器工作模式分为调试模式、安装模式和正常采集模式；调试模式用于传感器初始校准；安装模式用于现场安装时显示传感器前端与耦合剂的接触性；正常采集模式包括声发射参数采集和位移值采集，利用单片机控制声发射采集以秒为间隔，位移数值采集以小时为间隔；声发射次数、能量、振幅在声发射采集信息窗口显示，位移值在位移采集窗口显示，多点位移采用交替轮流显示的方式实现。声发射和位移采集数据直接存储于存储器中，每隔4小时通过光纤上传数据至地表服务器，数据上传后，存储器内所存储的数据自动清空。进一步，所述采集器和存储器封装于外露端钢化防爆外壳之内。结合上述的所有技术方案，本专利技术所具备的优点及积极效果为：图4是本专利技术在某矿山井下监测区域所取得的声发射参数变化曲线图，从监测的全过程可以看出，在监测周期一个月本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述同源监测的位移和声发射集成传感器设置有：/n位移监测固定端；/n位移监测固定端内部放置压电陶瓷晶体和放大器，位移监测固定端下端固定有外露端；/n外露端内部安装声发射信息采集器和多点位移传感器、存储器以及结果显示线路板，外露端外侧设置有显示窗。/n

【技术特征摘要】
1.一种同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述同源监测的位移和声发射集成传感器设置有：
位移监测固定端；
位移监测固定端内部放置压电陶瓷晶体和放大器，位移监测固定端下端固定有外露端；
外露端内部安装声发射信息采集器和多点位移传感器、存储器以及结果显示线路板，外露端外侧设置有显示窗。


2.如权利要求1所述同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述位移监测固定端为圆柱状空心刚体结构，直径为35mm，长度200mm。


3.如权利要求1所述同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述外露端为长方体刚体结构，长150mm，宽和高均为100mm。


4.如权利要求1所述同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述外露端右端设置有电源接口，电源接口连接有传输线路。


5.如权利要求1所述同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述位移监测固定端通过连接钢丝绳分别与第一位移监测锚固头和第二位移监测锚固头连接。


6.如权利要求1所述同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述多点位移传感器和声发射信息采集器分别通过通讯线路与存储器连接。


7.如权利要求1所述同源监测的位移和声发射集成传感器，其特征在于，所述显示窗设置有显示仪表外壳，显示仪表外壳上侧设置有仪器编码显示窗口、声发射采集信息显示窗口、位移监测值显示窗口、电源接口、安装模式按钮、调试模式按钮、采集模式按钮和传输线路螺纹连接装置。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓军，刘健，郭鹏，赵奎，胡凯建，钟文，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：江西;36