煤岩破坏电荷感应设备设计

【摘 要】煤矿动力灾害主要发生在地质构造比较复杂、地应力较大、断裂活动比较显著的矿区。煤矿动力灾害的发生机理十分复杂，其机理为岩体储存的弹性能大于岩体破坏的塑性耗能，剩余能量以动能形式产生冲击波向周围传播，在动力灾害发生孕育过程变形、应力、电、磁、声等信息发生变化。通过对煤岩变形破裂产生电荷（电场）进行检测分析就可以掌握煤岩变形破裂的力学过程，是一种很有潜力的煤岩变形破裂的预报方法。

【关键词】煤矿动力灾害；电荷传感器；电荷感应

1 电荷传感器的研制

传感器是感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置和器件。传感器的基本功能是检测信号和信号变换。

传感器作为获取信息的手段，是实现测试和自动控制的首要环节，具有重要的地位和作用。传感器获取和转换信息的正确与否，关系到整个测试系统或控制系统的准确度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、信息处理设备再好，也难以实现准确的测试和控制。

电荷感应探头是感应外界产生的电荷（电场）的部件，在外界电荷（电场）作用下，能感应出一定量的电荷，然后经过电荷放大器进行放大，变为电压信号。因为岩石变形破裂过程产生的电荷量很小，其放大器原理如图1-1所示。

图1-1 电荷放大器原理图

电荷放大器具有深度电容负反馈的高开环增益的运算放大器。它把传感器高输出阻抗转变为低输出阻抗，把输入电荷量转变为输出电压量，把传感器的微弱信号放大到一个适当的规一化数值。

输出电压 （1-1）

如果增益K足够大

输出电压 （1-2）

放大器输出电压只与传感器的电荷量及反馈电容有关。无需考虑电缆的电容，为远距离测试提供了很大的方便。

电荷感应探头是电荷传感器的重要部件，要求探头材料对电荷有较高的灵敏度，即在同一电场或等量电荷下，探头能感应到较多的电荷；剩磁小，也即矫顽力小。因此选中材料：软磁合金材料，对电荷（电场）有较高的灵敏度，矫顽力也仅1.0～1.2。

传感器部分分为接收电荷信号的敏感材料即电荷感应部分和信号调理放大电路两部分。其电荷感应材料为薄膜合金。信号调理电路是模拟电路，所接收信号是电荷信号，由于信号微弱，为防止电荷漏掉，需要高输入阻抗的多级放大并去噪，选取AD8066为放大器。为减少噪声，选择反馈电容为低温漂系数的高压陶瓷电容，反馈电阻为高阻值的低噪声电阻，电路板采用聚四氟乙烯，绝缘性能好。其中，C6为1PF高压陶瓷零温度系数电容，R4为1G的低噪声电容。UIA为AD8066，双电源供电。输入信号为电荷信号，信号微弱，所以需要二级放大。

2 电荷感应监测设备

电荷感应监测设备采用KJ377煤矿安全监测设备、监控系统主要是监测煤矿井下各种煤矿动力灾害和监控设备运行，系统的简单组成如下图。

图2-1

3 电荷感应监测传输网络和管理网络

图3-1监测管理系统有数据采集层、数据监测层、数据传输层、数据处理层和数据发布层组成。

（1）数据采集层设计及主要功能：采集层由敏感元件、放大器、模数转换、单片机、通讯接口和电源模块组成。

（2）数据监测层设计及主要功能：数据监测层由各个分机组成。完成数据的处理存储传输。

（3）数据传输层设计及主要功能：数据传输层由串口服务器和工业监测网组成。

（4）数据处理层设计及主要功能：数据处理层由工业监测网网监测中心通过微机分析传输到WEB数据库发布危险程度、办公网发布中心管理人员通过WEB数据库发布危险信息和互联网专家技术人员分析危险程度。

（5）数据发布层设计及主要功能：数据发布层由监测中心通过工业监测网、发布中心通过办公网、分析中心通过互联网的WEB数据库发布危险程度信息。

参考文献：

[1] 潘一山，李国臻.岩体电荷检测仪的研制付琳，[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2008年第27卷第z1期

[2] 郭自强，周大庄，施行觉，等.岩石破裂中的电子发射[J].地球物理学报，1988，31（5）：566-571

[3] 唐治；潘一山；李忠华；阎海鹏；李国臻；赵扬锋.岩石变形破裂过程中电荷感应信号的检测[J].防灾减灾工程学报2010-06-15

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