多功能巖體聲發射監測儀

陳繼海 周鳳星

(武漢科技大學冶金自動化與檢測技術教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081)

0 引言

礦山生產有其特殊性，礦工賴以生產的空間——井下巷道以及有毒氣體、機電設施、火、水等方面的安全隱患廣泛存在于巷道中。每年由于礦井冒頂、坍塌等事故所引起的人員傷亡和財產損失不可計量。為此，科學地分析事故、積極地采取切實可行的措施來預防事故的發生，對于降低礦山傷亡事故、保護勞動者的生命安全、促進安全生產具有重要的意義。隨著國內外研究學者對聲發射(acoustic emission，AE)研究的不斷深入［1］，利用巖體受荷載時所輻射的聲發射信號的能量、振幅、波長和頻度等特性，可以研究各種巖體災害的破壞過程和機理，判斷巖體的抗斷裂性能，使得巖體聲發射技術成為研究巖體穩定性及預測預報地下工程巖爆、崩塌等災難性事故的一種重要手段［2］。

1 巖體聲發射監測原理

材料在受到外荷載作用時，其內部貯存的應變能快速釋放產生彈性波并發出聲響，稱為聲發射［3］。目前對聲發射的表征參數都是通過對儀器輸出波形的處理得到的，這些參數主要有聲發射事件與振鈴計數率和總數、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效電壓值、頻譜和波形等［4］。本文所研究的聲發射主要參數是基于振鈴計數法的大事件率、總事件率和能率。聲發射信號波形如圖1所示，設置某一閾值電壓，當聲發射信號波形超過這個閾值電壓時計作一次事件。

圖1 聲發射信號波形Fig.1 AE signal waveform

在實際應用中，聲發射事件率一般采用單位時間的AE事件數進行計數。AE累計振鈴數是聲發射變化的時間效應的表現，能準確表示測試對象AE特征的變化趨勢［5］。在實際聲發射監測中，利用A/D轉換得到的數據與設定的閾值電壓值進行比較判斷，從而累計求出事件個數。具體實現方法是當第一次監測數值大于所設置的閾值時，做一個標志;直到第一次數據小于所設置的閾值時，計作一個事件。這樣輪循監測1 min，得到大事件率和總事件率。聲發射能率反映聲發射源以彈性波形式釋放的能量，這里的能量分析是針對儀器輸出的信號進行的。瞬態信號能率E可定義為:

式中:V(t)為隨時間變化的電壓;R為電壓測量電路的輸入阻抗。如采用數字處理方法，則取分立式，即:

式中:Vi為取樣點的電壓;Δt為取樣點的間隔時間;m為取樣點數。

能率反映出了單位時間(1 min)內材料釋放出來的聲發射信號能量的相對累計值。根據式(2)可知，能率與采樣點的電壓值的平方成正比。考慮到這一點，可以利用峰值估算出E值相對地衡量能量的大小，這樣的變相測量大大提高了單片機的數據處理速度。

2 系統硬件設計

2.1 硬件系統原理

硬件系統原理圖如圖2所示。

圖2 硬件系統原理圖Fig.2 Schematic of hardware system

單片機具有集成度高、體積小、可靠性強、價格低、面向控制等優點。在此，選擇STC89C58RD+單片機。該款單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機［6］，32 kB的Flash存儲器;并且不需要依靠任何燒錄器，直接通過電腦上的串口以ISP方式進行燒錄。這為今后產品的改進和升級提供了方便，特別是本系統中的修改閾值參數、校正時間等就顯得特別方便。

圖2中，三路傳感器的模擬電壓信號進入數據采集單元，轉換成數字量傳送給單片機;單片機通過定時器T0定時1 min，對輸入的信號進行判斷，從而得到所需的特征參數;單片機端口擴展芯片8255的C口控制3片數碼管驅動芯片CH452，每片驅動8個數碼管顯示。閾值選擇旋鈕作為輸入量送入8255，通過單片機讀取并調用存儲在Ε2ΡRΟΜ中的參數作為設定的閾值;監測周期旋鈕作為輸入量控制自動模式下每次監測的間隔時間。根據對監測點的需求，試驗中選擇兩位BCD撥碼盤，取值范圍為00～99。串行時鐘芯片DS1302提供系統時鐘［7］，以便實時記錄事件發生的時刻。

由于工程上需要長時間連續的自動監測，并存儲設置參數、監測點、時間、三路信號的主要參數值等，因此，選用單片機的4個I/O口控制8片AT24C512(共4 Mbit存儲空間)。其中兩個I/O口控制4片AT24C512的電路圖如圖3所示，另4片控制電路與圖3相同。

圖3 數據存儲電路Fig.3 Circuit of data storage

2.2 數據采集單元硬件實現

數據采集單元主要由濾波電路、可調放大器、采樣保持器、電壓跟隨器、模擬多路開關和A/D轉換電路構成，如圖4所示。

圖4 數據采集單元Fig.4 Data acquisition unit

其中濾波電路選擇由美國Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源濾波器UAF42，它具有設計方便、使用靈活的特點［8］。通過改變UAF42的電路參數，可以構成各種滿足工程實際需要的濾波器，且生產廠家還提供FILTER42軟件，設計人員只需要根據電路的要求輸入參數到FILTER42，就可以計算出相應的元件值，這樣大大提高了對UAF42有源濾波器的設計效率。

式中:fosc為截止頻率;C=1000 pF，為芯片內部所給電容值;RF為外接電阻。由式(3)可得:

在此系統中，采用低通濾波器設計了5個不同的截止頻率 fosc，分別為 500 Hz、1 kHz、2 kHz、3 kHz、5 kHz，用于適應不同的巖體。

采樣保持器選擇LF398，它具有直流精度高、采樣速度快和下降速度低的特點［9］，這樣使用三路同步采樣可以更精確地對地質情況進行預測。模擬多路開關選用PC817光電耦合器作為3路信號的切換。該耦合器的響應速度快，典型值為3～4 μs，且光耦能很好地將模擬信號與數字信號隔離，提高了系統的抗干擾能力。為提高對信號監測的精度，采用AD公司的16位A/D轉換器AD976。該轉換器的輸入電壓范圍－10～+10 V，單極5 V電壓供電，采樣速率可達100 kS/s，對信號分辨率可達 0.3 mV［10］。

3 系統軟件設計

3.1 數據處理及通信協議

根據系統要求，本文通過軟件得到聲發射的特征參數，節省了硬件處理的開支。數據采集及處理流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集及處理流程圖Fig.5 Flowchart of data acquisition and processing

此外，通過規定單片機與PC機間的通信協議，兩者可以進行相互通信。通信協議如表1所示。

表1 串口通信協議Tab.1 Serial communication protocol

3.2 系統工作軟件設計

在系統軟件設計中，為實現能夠適應多種巖體、人工自動監測模式可切換、閾值可調、數據可存儲下載、長時間連續監測且能與PC機間通信等功能，軟件的設計主要包括系統初始化、時鐘芯片控制、數據采集及處理、數碼管驅動和串口中斷等。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flowchart of the main program

4 結束語

多功能巖體聲發射監測儀，實現了實時數據采集、通過調整參數適應不同巖體、人工自動模式切換、閾值可調整、數據可存儲下載、長時間無人監測等功能。采用STC單片機，只需要串口就可以燒寫程序，這為今后參數修改、軟件升級等提供了方便。該儀器能夠很好地解決人工記錄繁瑣的問題，同時為礦山的開采提供了大量的數據依據，為減少生命和財產損失、提高生產效率奠定了基礎。

［1］沈功田，戴光，劉時鳳.中國聲發射檢測技術進展——學會成立25周年紀念［J］.無損檢測，2003，25(6):302－307.

［2］劉威.巖體穩定性聲發射預測預報新技術［D］.綿陽:西南科技大學，2006.

［3］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖體力學與工程［M］.北京:科學出版社，2006:146－148.

［4］袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發射技術及其應用［M］.北京:機械工業出版社，1985:37－45.

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［6］謝衛華，宋蟄存.家庭智能防火防盜系統［J］.自動化儀表，2010，31(6):70 －72.

［7］鄒向陽，李鋒，劉戎.智能儀器儀表中數字溫度實時時鐘功能的設計［J］.自動化儀表，2009，30(2):60 －62.

［8］顏良，陳儒軍，劉石，等.基于UAF42通用濾波芯片的50Hz陷波器設計［J］.儀器儀表學報，2006，27(8):924 －927.

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［10］徐玲，宋文龍，崔浩.利用高精度AD976實現的數據采集系統［J］.自動化技術與應用，2005，24(11):69 －71.