矿用地震仪测试系统研制*

刘彦君

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

矿用地震仪是为煤矿井下含有瓦斯、煤尘爆炸性危险环境中探测含水和导水地质小构造而设计制造的勘探仪器。主要用于煤矿井下工作面的构造弹性波探测、超前探测、“三带”监测以及矿震监测[1-2]。地震仪由矿用本安型地震仪主机和地震检波器两部分组成，其中地震仪主机具有接收和存储振动信号的功能，同时与计算机在地面通过以太网口进行通信和数据传输。

矿用地震仪是煤矿地震勘探中的主要设备，且施工过程中的仪器需求量大[3-4]，因此地震仪每年要投入大量的人力进行生产和测试，单批次生产数量多，生产过程繁琐，测试过程长，测试合格率低，测试结果受人为测试条件等因素的影响较大，一台矿用地震仪主机的生产测试时间大约为3天，耗费大量的人工成本，因此实现矿用地震仪自动化测试是非常有必要的。

1 系统设计方案

矿用地震仪测试系统必须能够提供20 Hz峰值为6 V和20 μV的正弦信号，能够提供GPS时间信息给地震仪授时，能够在地震仪外接触点上输入和输出信号，能实现自动按键功能并自动化测试。根据技术要求，为了完成测试系统测试信号自动输入、自动化检测、检测数据自动上传与分析、给出测试结论并提示用户更换被测产品等功能[5]，将测试系统分为测试台主机、显示器、机械手臂和测试工装4部分。其中测试台主机完成测试系统供电、测试信号的自动输入、检测数据的上传分析、测试系统的电气控制；机械手臂配合测试工装完成自动化检测；显示器显示测试过程；测试工装完成地震仪自动上下料、固定矿用地震仪等功能。

测试台主机内嵌1套NI的PXI设备、2个函数信号发生器、1个图像处理器、1个机械手控制器、1个供电单元、1个PLC电气控制单元和1个综合控制器单元。整套设备的主要功能是为测试系统供电；为地震仪主机提供可靠的输入信号；实现地震仪主机的测试信号切换；实现测试系统中的电气控制；实现机械手臂运动和按键；通过测试针床输入测试信号，进行GPS授时；通过网口读取多台地震仪主机的测试数据；对地震仪主机的测试数据进行分析计算，给出测试结论，输出测试报表。

为了实现测试自动化，本测试系统采用机械手臂配合视觉识别系统来实现，避免人工干预测试。考虑到机械手臂要完成物料抓取、按键、物料归位等一系列动作，而且每个产品上的按键位置都有差异性，机械手臂选用一款六轴机械手臂，并采用PLC电气控制单元控制视觉定位系统和机械手控制器共同完成测试自动化。

测试系统一次要完成5台地震仪主机的自动化测试，就需要一个专用的测试工装来完成地震仪主机的卡位。同时需要一个可以自动上下物料的托架来辅助自动化测试。测试工装由产品定位台架、背板针床两部分组成。产品定位台架是一个可以放置5台地震仪主机的弧形定位板，上面设计有5个卡位，可以将5台地震仪主机定位锁紧，机械手放置在产品定位台架的圆心位置，确保到每台地震仪主机的距离相等，方便机械手操作地震仪主机的面板按键；背板针床是定位台架后背板上的针床设备，针床对应地震仪主机后背板上的4个网口通信点、6个信号输入点和3个GPS授时点，地震仪主机卡位锁紧与地震仪主机紧密接触好后可以将输入信号接入系统，也可以通过网口将测试数据上传测试台主机。上下料托架用于放置被测产品或存放测试完的产品，方便机械手抓取物料或将物料归位。机械手臂在其下方的转动盘上按照设定的角度转动，完成一台地震仪主机的定位放置、按键操作、物料分类归位，随后转向下一个卡位操作下一台地震仪主机。

测试台主机内部的2台函数信号发生器为地震仪主机提供地震仪主机所需的输入信号；PXI设备按照要求进行信号切换，同时获取5台地震仪主机采集的测试数据，并对测试数据进行分析计算；图像处理控制器和机械手控制器联合控制机械手的动作，PLC电气控制单元控制图像处理器和机械手控制器的指令传输以及测试工装上的气缸、电动机、传动轴等电气设备的动作；显示器显示测试过程和结果。测试系统的工作示意图如图1所示。

2 地震仪测试主机设计

地震仪测试台主机由NI的PXI设备、函数信号发生器、图像处理控制器、机械手控制器、供电单元、PLC电气控制单元和综合控制器单元组成[6-7]。其中，PXI设备控制其内部板卡间的通信和命令交互，同时通过网口读取各个被测产品的测试数据，并对测试数据进行分析计算；PLC电气控制单元控制图像处理器、机械手控制器的指令传输，同时控制气缸、电动机、传动轴等电气设备的工作；综合控制器单元负责整个测试系统各个子设备之间的信息交互和数据传输；供电单元为整个测试系统供电；函数信号发生器为地震仪主机提供信号输入。

地震仪主机在测试过程中需要根据不同的测试要求，将输入信号进行短接，这就需要一块矩阵开关板来进行信号切换。本测试系统的矩阵开关选择了NI的PXI-2532B。PXI-2532B是一款多配置、高密度PXI矩阵开关模块，可使用不同的接线盒配件，将其配置为1线4×128、8×64、2组4×64、2组8×32、2组16×16以及4组4×32。2线配置包括4×64、8×32、16×16和4组4×32。可使用定制连接解决方案来实现其他拓扑。测试完成后，PXI主控制器通过测试工装上每个地震仪主机的网口，将测试数据通过PXI设备上的交换机板传送到主控制器，进行数据分析计算，并得出测试结论。测试工装上设计有设备在位检测装置，测试前先检测地震仪主机是否安装到位，测试完成后提示用户更换新的被测产品，设备在位检测装置由PXI设备上的数字IO板控制。

3 地震仪测试系统自动控制设计

为了实现测试自动化，本测试系统采用机械手臂配合视觉识别系统来实现，避免人工干预测试[8-10]。机械手臂选用一款六轴机械手臂，并采用视觉定位系统配合机械手控制器共同完成测试自动化。

机械手放置在测试台架的圆心位置，确保到每台地震仪主机的距离相等，机械手臂在其下方的转动盘上按照设定的角度转动，完成一台地震仪主机的定位放置、按键操作后转向下一个卡位操作下一台地震仪主机。待5台地震仪主机均测试完成后再从第1台设备开始下载测试数据，数据下载完成后，将产品归位，再抓取新的被测品放置到第1个卡位上，开始下一轮产品的定位放置、按键操作等一系列动作。

4 地震仪测试工装的设计

为了实现自动化测试，需要将5台地震仪主机的位置固定，并有效接触地震仪主机后侧的触点，需要设计一个测试工装。测试工装包含产品定位台架和背板针床。测试工装示意图如图2所示。

产品定位台架是一个可放置5台地震仪主机的弧形定位板，上面设计有5个产品定位夹具，每个夹具上有3个位置固定的水平定位块，产品放置时紧挨定位块放置，然后由水平锁紧气缸推动水平锁紧器将产品水平锁紧；再转动两侧的旋转气缸将产品垂直锁紧。产品锁紧后，再由针床推进气缸推动背板针床，让针床上的触针与产品后侧的信号触点紧密接触。每个卡位下方设计有设备在位检测装置，可以检测被测产品是否安装到位，并在测试完成后通知客户更换产品。

5 地震仪测试系统软件设计

地震仪测试系统软件按功能分为两部分：一部分是产品测试软件，主要完成地震仪主机的功能测试，读取采集数据，并对采集数据进行分析计算，得出测试结论并输出测试报表；另一部分是进行测试系统内部数据信息管理，测试系统内部有PLC电气控制信息、视频监控信息、机械手的运动信息及视觉识别信息等，所有的信息需要进行统一管理。

产品测试软件是基于LabVIEW平台开发的，其系统具有体积小巧、功能强大、处理速度快等优点。其设计模式是基于事件结构的人机界面(UI EventLoop)，即用控件的事件结构来响应用户操作。它可以避免因轮询导致的CPU浪费，而且会自动产生事件队列，从而避免丢失事件。事件结构不仅使软件变得简单，也大大提高了CPU的利用率，而且可以使几个子软件同时运行，从而在LabVIEW中实现多线程操作模式。产品测试软件流程如图3所示。

6 结语

矿用地震仪测试系统的硬件与软件采用模块化设计思想，使用机械臂完成了地震仪的自动抓取，测试工装完成了多台地震仪的固定，测试主机通过输出不同测试信号与内部切换完成不同信号的采集测试，同时引入了自动化测试设计，并采用了隔离、安全性、热设计等可靠性设计方法，方案合理可行，提高了地震仪测试系统的稳定性。使用该测试系统，单台测试时间为3 min，降低了人力成本，提高了生产效率，为地震仪的生产提供了可靠的数据基础。