基于虛擬儀器的微震實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)

　　在詳細(xì)介紹96路前端微震信號處理單元、PCI數(shù)據(jù)采集卡DAQ2208和LabVIEW平臺下軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬儀器微震實(shí)時檢測的設(shè)計方案。

　　系統(tǒng)通過軟、硬件技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對多路模擬量的微震信號采集及其先進(jìn)的小波變換處理算法，充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢，很好地完成了對微震的實(shí)時監(jiān)測及分析。

　　隨著社會與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源問題成了世界關(guān)注的焦點(diǎn)，而時常發(fā)生的煤礦礦難，使得礦區(qū)的安全問題成為了企業(yè)與政府關(guān)注的重點(diǎn)。這些事故的發(fā)生一般與開采后應(yīng)力的重新分布引起的覆巖破裂有關(guān)系，巖石破裂會伴隨產(chǎn)生強(qiáng)度較弱的地震波，稱為“微震”。

　　微震安全監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測巖體破裂產(chǎn)生的震動或其他物體的震動，對監(jiān)測對象的破壞狀況、安全狀況等做出評價，從而為預(yù)報和控制災(zāi)害提供依據(jù)。微震檢測系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于礦山巖體破裂的定位監(jiān)測，是預(yù)報礦山壓力、礦井突水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓的有效工具，也可根據(jù)監(jiān)測到的巖體破裂的范圍和程度，確定導(dǎo)水裂隙帶高度、開采上限、巷道布置的合理位置等。因此，設(shè)計開發(fā)出一套安全有效的微震安全監(jiān)測系統(tǒng)，成為當(dāng)務(wù)之急。

　　目前，有的微震監(jiān)測系統(tǒng)是基于DSP[1]或其他單片機(jī)的，其資源的有限性很難達(dá)到理想的采集效果，也難以完成先進(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計的微震安全監(jiān)測系統(tǒng)在工控機(jī)的基礎(chǔ)上，通過96路PCI采集卡進(jìn)行微震信號數(shù)據(jù)采集，同時利用LabVIEW軟件強(qiáng)大的圖形化編程能力以及靈活多樣的數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合先進(jìn)的小波變換等數(shù)字信號處理技術(shù)，完成微震信號的采集與濾波處理、記錄分析等，從而可確定裂隙帶的高度和空間位置，以反演出破裂源的空間位置和破裂時刻破裂源的性質(zhì)，為礦山的地下安全檢測提供可能。

　　1 系統(tǒng)組成

　　從地下深、淺層界面反射的微地震信號，其能量相差很大，由此系統(tǒng)設(shè)計了不同位置的96路采集點(diǎn)以保證把深、淺層反射的微地震信號都記錄下來，以便確定震源位置，充分分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將采集到的96路信號送給PC工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，如圖1所示。

　　1.1 硬件總體設(shè)計

　　微震信號是一種低頻微弱信號，它的主頻率約為100Hz，本系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺下的微震信號采集與處理系統(tǒng)，它主要由微震檢波器、前置放大器、低通濾波器、PCI數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)組成。系統(tǒng)硬件組成原理如圖2所示。

　　1.2 前置信號處理單元

　　系統(tǒng)的前置信號處理單元包括放大電路和濾波電路。

　　（1）放大電路

　　在一般信號放大的應(yīng)用中，通常只要透過差動放大電路即可滿足需求，然而基本的差動放大電路精密度較差，且差動放大電路中變更放大增益時，必須調(diào)整兩個電阻，影響整個信號放大精確度的原因就更加復(fù)雜。儀表放大電路則無上述缺點(diǎn)。本文采用AD620儀表放大IC進(jìn)行前端信號的放大處理。AD620能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo)；具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，并且放大倍數(shù)只需要調(diào)節(jié)一個電阻就可設(shè)定，如圖3所示。

　　（2）濾波電路

　　微震信號是低頻信號，它的有效頻率范圍大約在 20Hz～300Hz之間，針對采集信號的特點(diǎn)，本文采用6階巴特沃斯低通濾波器，如圖4所示。考慮實(shí)際情況，調(diào)整電路中的電阻電容參數(shù)，將該濾波電路的截止頻率設(shè)置為500Hz。

　　1.3 發(fā)爆器

　　地震發(fā)爆器是一種專用雷管引爆器，它不僅是要觸發(fā)雷管，而且必須在觸發(fā)雷管的同時發(fā)出一個爆炸信號傳遞到微震監(jiān)測儀。爆炸信號標(biāo)準(zhǔn)電壓一般為±5V。

　　本系統(tǒng)采用MFB-100防爆型煤礦專用發(fā)爆器。但是，該發(fā)爆器只能引發(fā)雷管，作為地震發(fā)爆器使用需要進(jìn)行改造。圖5是發(fā)爆器的改造原理圖，其主要目的是從雷管觸發(fā)電壓輸出端并聯(lián)引出一路標(biāo)準(zhǔn)爆炸信號，作為系統(tǒng)開始微震信號采集的外部觸發(fā)信號。

　　本文采用電阻分壓法引出爆炸信號，優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，計時比較準(zhǔn)確。圖5中R2為大功率限流電阻，R3為分壓輸出電阻，用以調(diào)節(jié)輸出爆炸信號電壓。

　　1.4 PCI采集卡DAQ2208

　　PCI 總 線 是一種高性能32/64位地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的局部總線，可以支持多種外圍設(shè)備，其設(shè)計獨(dú)立于微處理器，為CPU及高速外圍設(shè)備的通信提供了一座橋梁，提高了數(shù)據(jù)傳輸率。此外，PCI總線采用線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù)，完全兼容現(xiàn)有PC機(jī)軟硬件能力。因此在CPU與高速緩沖存儲器(Cache)、高速圖像處理及高速數(shù)據(jù)采集等需要高速傳輸信息的場合得到了廣泛應(yīng)用。

　　在本系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)96路模擬信號的輸入，采用了AD-LINK公司生產(chǎn)的DAQ-2208系列PCI板卡進(jìn)行設(shè)計與研究，完成數(shù)據(jù)采集。DAQ-2208具有96路模擬量輸入接口，同步采樣率達(dá)3MSps, A/D分辨率為12位，板卡上載有1K采樣點(diǎn)A/D FIFO。另外該板卡附帶有與LabVIEW接口的驅(qū)動程序，可以方便地在LabVIEW平臺下實(shí)現(xiàn)對信號的實(shí)時采集與處理。