基于虛擬儀器的微震實(shí)時(shí)監測系統

　　在詳細介紹96路前端微震信號處理單元、PCI數據采集卡DAQ2208和LabVIEW平臺下軟件設計的基礎上，提出了一種基于虛擬儀器微震實(shí)時(shí)檢測的設計方案。

　　系統通過(guò)軟、硬件技術(shù)結合，實(shí)現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(shí)監測及分析。

　　隨著(zhù)社會(huì )與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源問(wèn)題成了世界關(guān)注的焦點(diǎn)，而時(shí)常發(fā)生的煤礦礦難，使得礦區的安全問(wèn)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(kāi)采后應力的重新分布引起的覆巖破裂有關(guān)系，巖石破裂會(huì )伴隨產(chǎn)生強度較弱的地震波，稱(chēng)為“微震”。

　　微震安全監測系統是通過(guò)監測巖體破裂產(chǎn)生的震動(dòng)或其他物體的震動(dòng)，對監測對象的破壞狀況、安全狀況等做出評價(jià)，從而為預報和控制災害提供依據。微震檢測系統可廣泛應用于礦山巖體破裂的定位監測，是預報礦山壓力、礦井突水、煤與瓦斯突出、沖擊地壓的有效工具，也可根據監測到的巖體破裂的范圍和程度，確定導水裂隙帶高度、開(kāi)采上限、巷道布置的合理位置等。因此，設計開(kāi)發(fā)出一套安全有效的微震安全監測系統，成為當務(wù)之急。

　　目前，有的微震監測系統是基于DSP[1]或其他單片機的，其資源的有限性很難達到理想的采集效果，也難以完成先進(jìn)算法的實(shí)現。本文設計的微震安全監測系統在工控機的基礎上，通過(guò)96路PCI采集卡進(jìn)行微震信號數據采集，同時(shí)利用LabVIEW軟件強大的圖形化編程能力以及靈活多樣的數據處理功能，結合先進(jìn)的小波變換等數字信號處理技術(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(shí)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，由此系統設計了不同位置的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(lái)，以便確定震源位置，充分分析地質(zhì)結構，將采集到的96路信號送給PC工控機進(jìn)行數據處理與分析，如圖1所示。

　　1.1 硬件總體設計

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

　　1.2 前置信號處理單元

　　系統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用中，通常只要透過(guò)差動(dòng)放大電路即可滿(mǎn)足需求，然而基本的差動(dòng)放大電路精密度較差，且差動(dòng)放大電路中變更放大增益時(shí)，必須調整兩個(gè)電阻，影響整個(gè)信號放大精確度的原因就更加復雜。儀表放大電路則無(wú)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電壓、低失調電壓漂移和低噪聲等性能指標；具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，并且放大倍數只需要調節一個(gè)電阻就可設定，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?？紤]實(shí)際情況，調整電路中的電阻電容參數，將該濾波電路的截止頻率設置為500Hz。

　　1.3 發(fā)爆器

　　地震發(fā)爆器是一種專(zhuān)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(shí)發(fā)出一個(gè)爆炸信號傳遞到微震監測儀。爆炸信號標準電壓一般為±5V。

　　本系統采用MFB-100防爆型煤礦專(zhuān)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)引出一路標準爆炸信號，作為系統開(kāi)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(jiǎn)單，計時(shí)比較準確。圖5中R2為大功率限流電阻，R3為分壓輸出電阻，用以調節輸出爆炸信號電壓。

　　1.4 PCI采集卡DAQ2208

　　PCI 總 線(xiàn) 是一種高性能32/64位地址數據線(xiàn)復用的局部總線(xiàn)，可以支持多種外圍設備，其設計獨立于微處理器，為CPU及高速外圍設備的通信提供了一座橋梁，提高了數據傳輸率。此外，PCI總線(xiàn)采用線(xiàn)性突發(fā)的數據傳輸模式，確?？偩€(xiàn)不斷滿(mǎn)載數據，完全兼容現有PC機軟硬件能力。因此在CPU與高速緩沖存儲器(Cache)、高速圖像處理及高速數據采集等需要高速傳輸信息的場(chǎng)合得到了廣泛應用。

　　在本系統中，為了實(shí)現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)行設計與研究，完成數據采集。DAQ-2208具有96路模擬量輸入接口，同步采樣率達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接口的驅動(dòng)程序，可以方便地在LabVIEW平臺下實(shí)現對信號的實(shí)時(shí)采集與處理。