多功能岩体声发射监测仪

陈继海 周凤星

(武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北 武汉 430081)

0 引言

矿山生产有其特殊性，矿工赖以生产的空间——井下巷道以及有毒气体、机电设施、火、水等方面的安全隐患广泛存在于巷道中。每年由于矿井冒顶、坍塌等事故所引起的人员伤亡和财产损失不可计量。为此，科学地分析事故、积极地采取切实可行的措施来预防事故的发生，对于降低矿山伤亡事故、保护劳动者的生命安全、促进安全生产具有重要的意义。随着国内外研究学者对声发射(acoustic emission，AE)研究的不断深入［1］，利用岩体受荷载时所辐射的声发射信号的能量、振幅、波长和频度等特性，可以研究各种岩体灾害的破坏过程和机理，判断岩体的抗断裂性能，使得岩体声发射技术成为研究岩体稳定性及预测预报地下工程岩爆、崩塌等灾难性事故的一种重要手段［2］。

1 岩体声发射监测原理

材料在受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波并发出声响，称为声发射［3］。目前对声发射的表征参数都是通过对仪器输出波形的处理得到的，这些参数主要有声发射事件与振铃计数率和总数、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效电压值、频谱和波形等［4］。本文所研究的声发射主要参数是基于振铃计数法的大事件率、总事件率和能率。声发射信号波形如图1所示，设置某一阈值电压，当声发射信号波形超过这个阈值电压时计作一次事件。

图1 声发射信号波形Fig.1 AE signal waveform

在实际应用中，声发射事件率一般采用单位时间的AE事件数进行计数。AE累计振铃数是声发射变化的时间效应的表现，能准确表示测试对象AE特征的变化趋势［5］。在实际声发射监测中，利用A/D转换得到的数据与设定的阈值电压值进行比较判断，从而累计求出事件个数。具体实现方法是当第一次监测数值大于所设置的阈值时，做一个标志;直到第一次数据小于所设置的阈值时，计作一个事件。这样轮循监测1 min，得到大事件率和总事件率。声发射能率反映声发射源以弹性波形式释放的能量，这里的能量分析是针对仪器输出的信号进行的。瞬态信号能率E可定义为:

式中:V(t)为随时间变化的电压;R为电压测量电路的输入阻抗。如采用数字处理方法，则取分立式，即:

式中:Vi为取样点的电压;Δt为取样点的间隔时间;m为取样点数。

能率反映出了单位时间(1 min)内材料释放出来的声发射信号能量的相对累计值。根据式(2)可知，能率与采样点的电压值的平方成正比。考虑到这一点，可以利用峰值估算出E值相对地衡量能量的大小，这样的变相测量大大提高了单片机的数据处理速度。

2 系统硬件设计

2.1 硬件系统原理

硬件系统原理图如图2所示。

图2 硬件系统原理图Fig.2 Schematic of hardware system

单片机具有集成度高、体积小、可靠性强、价格低、面向控制等优点。在此，选择STC89C58RD+单片机。该款单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机［6］，32 kB的Flash存储器;并且不需要依靠任何烧录器，直接通过电脑上的串口以ISP方式进行烧录。这为今后产品的改进和升级提供了方便，特别是本系统中的修改阈值参数、校正时间等就显得特别方便。

图2中，三路传感器的模拟电压信号进入数据采集单元，转换成数字量传送给单片机;单片机通过定时器T0定时1 min，对输入的信号进行判断，从而得到所需的特征参数;单片机端口扩展芯片8255的C口控制3片数码管驱动芯片CH452，每片驱动8个数码管显示。阈值选择旋钮作为输入量送入8255，通过单片机读取并调用存储在Ε2ΡRΟΜ中的参数作为设定的阈值;监测周期旋钮作为输入量控制自动模式下每次监测的间隔时间。根据对监测点的需求，试验中选择两位BCD拨码盘，取值范围为00～99。串行时钟芯片DS1302提供系统时钟［7］，以便实时记录事件发生的时刻。

由于工程上需要长时间连续的自动监测，并存储设置参数、监测点、时间、三路信号的主要参数值等，因此，选用单片机的4个I/O口控制8片AT24C512(共4 Mbit存储空间)。其中两个I/O口控制4片AT24C512的电路图如图3所示，另4片控制电路与图3相同。

图3 数据存储电路Fig.3 Circuit of data storage

2.2 数据采集单元硬件实现

数据采集单元主要由滤波电路、可调放大器、采样保持器、电压跟随器、模拟多路开关和A/D转换电路构成，如图4所示。

图4 数据采集单元Fig.4 Data acquisition unit

其中滤波电路选择由美国Burr-Brown公司推出的高集成度通用有源滤波器UAF42，它具有设计方便、使用灵活的特点［8］。通过改变UAF42的电路参数，可以构成各种满足工程实际需要的滤波器，且生产厂家还提供FILTER42软件，设计人员只需要根据电路的要求输入参数到FILTER42，就可以计算出相应的元件值，这样大大提高了对UAF42有源滤波器的设计效率。

式中:fosc为截止频率;C=1000 pF，为芯片内部所给电容值;RF为外接电阻。由式(3)可得:

在此系统中，采用低通滤波器设计了5个不同的截止频率 fosc，分别为 500 Hz、1 kHz、2 kHz、3 kHz、5 kHz，用于适应不同的岩体。

采样保持器选择LF398，它具有直流精度高、采样速度快和下降速度低的特点［9］，这样使用三路同步采样可以更精确地对地质情况进行预测。模拟多路开关选用PC817光电耦合器作为3路信号的切换。该耦合器的响应速度快，典型值为3～4 μs，且光耦能很好地将模拟信号与数字信号隔离，提高了系统的抗干扰能力。为提高对信号监测的精度，采用AD公司的16位A/D转换器AD976。该转换器的输入电压范围－10～+10 V，单极5 V电压供电，采样速率可达100 kS/s，对信号分辨率可达 0.3 mV［10］。

3 系统软件设计

3.1 数据处理及通信协议

根据系统要求，本文通过软件得到声发射的特征参数，节省了硬件处理的开支。数据采集及处理流程图如图5所示。

图5 数据采集及处理流程图Fig.5 Flowchart of data acquisition and processing

此外，通过规定单片机与PC机间的通信协议，两者可以进行相互通信。通信协议如表1所示。

表1 串口通信协议Tab.1 Serial communication protocol

3.2 系统工作软件设计

在系统软件设计中，为实现能够适应多种岩体、人工自动监测模式可切换、阈值可调、数据可存储下载、长时间连续监测且能与PC机间通信等功能，软件的设计主要包括系统初始化、时钟芯片控制、数据采集及处理、数码管驱动和串口中断等。主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Flowchart of the main program

4 结束语

多功能岩体声发射监测仪，实现了实时数据采集、通过调整参数适应不同岩体、人工自动模式切换、阈值可调整、数据可存储下载、长时间无人监测等功能。采用STC单片机，只需要串口就可以烧写程序，这为今后参数修改、软件升级等提供了方便。该仪器能够很好地解决人工记录繁琐的问题，同时为矿山的开采提供了大量的数据依据，为减少生命和财产损失、提高生产效率奠定了基础。

［1］沈功田，戴光，刘时凤.中国声发射检测技术进展——学会成立25周年纪念［J］.无损检测，2003，25(6):302－307.

［2］刘威.岩体稳定性声发射预测预报新技术［D］.绵阳:西南科技大学，2006.

［3］蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩体力学与工程［M］.北京:科学出版社，2006:146－148.

［4］袁振明，马羽宽，何泽云.声发射技术及其应用［M］.北京:机械工业出版社，1985:37－45.

［5］曹树刚，刘延保，张立强.突出煤体变形破坏声发射特征的综合分析［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(z1):2794 －2799.

［6］谢卫华，宋蛰存.家庭智能防火防盗系统［J］.自动化仪表，2010，31(6):70 －72.

［7］邹向阳，李锋，刘戎.智能仪器仪表中数字温度实时时钟功能的设计［J］.自动化仪表，2009，30(2):60 －62.

［8］颜良，陈儒军，刘石，等.基于UAF42通用滤波芯片的50Hz陷波器设计［J］.仪器仪表学报，2006，27(8):924 －927.

［9］崔焱，秦颖.基于LF398的采样保持放大电路的设计要点［J］.山西电子技术，2009(3):22－23.

［10］徐玲，宋文龙，崔浩.利用高精度AD976实现的数据采集系统［J］.自动化技术与应用，2005，24(11):69 －71.