專利名稱：礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種礦山炮孔測(cè)量的便攜式智能儀器，尤其是采礦中深孔炮孔深度和傾角的測(cè)量?jī)x器。
背景技術(shù)：
在采用中深孔采礦方法的礦山，炮孔深度和傾角的測(cè)量是一項(xiàng)必需而又繁重的工作。早在上世紀(jì)六十年代，在瑞典出現(xiàn)了類似回聲水深儀的機(jī)電式炮孔測(cè)深儀。八十年代初長(zhǎng)沙礦山研究院分別研制了電子式炮孔測(cè)深儀和炮孔測(cè)角儀，并在我國(guó)礦山推廣應(yīng)用，結(jié)束了該工作手工體力勞動(dòng)的歷史。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這些儀器都是采用CMOS數(shù)字集成電路為主體構(gòu)成，構(gòu)造較復(fù)雜，可靠性不夠高。另外，其測(cè)深的聲波換能器較容易損壞，測(cè)角的電感移相器既易損壞也不易準(zhǔn)確反映孔口傾角，市場(chǎng)期待更新?lián)Q代。
不同礦山的炮孔的巖石地質(zhì)條件差異甚大，其孔壁的致密和光滑性，孔內(nèi)的裂隙和溶洞的大小、多少及其分布，孔底的平整和反射性，孔徑大小和深度范圍都會(huì)對(duì)聲回波信號(hào)的幅度、品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致難以識(shí)別孔深信號(hào)，從而正確測(cè)出炮孔深度。近年雖公開有以微處理器為基礎(chǔ)，采用類似的聲回波測(cè)深原理的專利，但未見其對(duì)上述
問題的解決提出辦法，另外，其所采用的重錘-光電編碼器式測(cè)角傳感器也難以做到輕巧而可靠。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的所要解決的技術(shù)問題是提供一種礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用方便并且可以與外部通信。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為
一種礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，由儀器本體和探頭組成，儀器本體和探頭通過線纜連接，其特征在于，所述的探頭上設(shè)有聲波換能器和加速度傳感器；所述的儀器本體包括微處理器、諧振單元、發(fā)射電路以及整形和閾值電路；所述的微處理器通過諧振單元與發(fā)射電路串聯(lián)組成的支路發(fā)出信號(hào)給聲波換能器；所述的微處理器通過接收放大器與整形和閾值電路串聯(lián)組成的支路從聲波換能器接收信號(hào)；所述的微處理器連接所述的加速度傳感器的輸出端。
所述的儀器本體還包括時(shí)間增益控制單元，所述的微處理器通過所述的時(shí)間增益控制單元連接所述的接收放大器的控制端。
所述的儀器本體還包括與微處理器連接的裂隙顯示器。
所述的儀器本體還包括與微處理器連接的用于顯示深度、傾角以及發(fā)射強(qiáng)度參數(shù)的顯示器。
所述的儀器本體還包括與微處理器連接的通信接口 。所述的通信接口為RS232接口 。
根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其特征在于，所述聲波換能器的發(fā)射頻率在900~1500Hz。
本實(shí)用新型的目的是只用一個(gè)探頭、 一根測(cè)桿、 一根電纜、 一臺(tái)儀器和一個(gè)人員即可完成炮孔深度和傾角的測(cè)量任務(wù)。該儀器適用于直徑0-80mm或更大的炮孔，測(cè)深范圍2-40米，測(cè)角范圍0-95°。
本實(shí)用新型采用聲回波測(cè)距原理測(cè)量炮孔深度，聲波換能器發(fā)出的聲波在炮孔底端產(chǎn)生反射回波，再反向傳播到聲波換能器表面被其接收，測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔即可計(jì)算炮孔深度，其關(guān)系式是
d=(l/2)Ct
式中d是炮孔深度，C是聲波在空氣中的聲速常數(shù)，t是聲波信號(hào)往返的時(shí)間間隔。為了獲得最大的發(fā)射功率和最強(qiáng)的回波信號(hào)，在電路和探頭結(jié)構(gòu)上均作了諧振處理。
本實(shí)用新型采用加速度傳感器測(cè)量炮孔傾角，測(cè)量人員借助于測(cè)桿的延伸將探頭前端伸入炮孔內(nèi)并緊貼孔壁。加速度傳感器裝在一體化探頭的后部，可以精確地反映孔口傾角。加速度傳感器是以可移動(dòng)的熱對(duì)流小氣團(tuán)作為重力塊器件，通過測(cè)量由加速度引起的內(nèi)部溫度的變化來(lái)測(cè)量加速度，再通過感知地球重力加速度在其測(cè)量軸上的分量的大小來(lái)確定探頭的傾角。這種高集成度半導(dǎo)體傳感器比之任何實(shí)體質(zhì)量塊傾角傳感器在測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性上有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。儀器采用微處理器MPU作為核心部件，結(jié)合相應(yīng)的硬件單元，在軟件的控制下，通過MPU的各I/0口實(shí)施各種輸入/輸岀功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)射強(qiáng)度控制、頻率微調(diào)、時(shí)間增益控制、裂隙顯示、角度零位校正，以及炮孔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)出、清除和上傳串口通訊等功能。
本實(shí)用新型所具有的有益效果有
本實(shí)用新型以微處理器為核心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且采用時(shí)間增益控制單元來(lái)調(diào)節(jié)接收放大器的強(qiáng)度，能使得測(cè)量深度更為準(zhǔn)確。
采用裂隙顯示器向操作員提供較豐富的炮孔地質(zhì)信息，有利于在復(fù)雜情況下對(duì)孔深測(cè)量作出正確判斷。
釆用RS232接口 ，能使得本儀器能方便的與外部設(shè)備通信。

圖l是本實(shí)用新型的各部分組成及使用示意圖。圖2是本實(shí)用新型的探頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是儀器各功能單元的原理方框圖。圖4是儀器面板布置圖。
在上述圖中(l)-探頭、(2)-測(cè)桿、(3)-連接電纜、(4)-儀器、(5)-炮孔、(6)-聲波換能器、(7)-加速度傳感器、(8)-MPU微處理器、(9)-諧振單元、(10)-發(fā)射電路、(ll)-整形和閾值電路、(12)-接收放大器、(13)-時(shí)間增益控制單元、(14)-E2PROM電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器、(15)-譯碼器、(16)-深度顯示器、(17)-傾角顯示器、(18)-裂隙顯示器、(19)-發(fā)射強(qiáng)度指示器、(20)-鍵盤、(21)-RS-232接口、 (22)-穩(wěn)壓器、(23)-電池。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。實(shí)施例l :
由圖1可見，測(cè)試人員用測(cè)桿2將探頭1前端伸入炮孔5內(nèi)并緊貼孔壁。加速度傳感器7裝在一體化探頭的后部(見圖2)，可以精確地反映孔口傾角。聲波換能器6裝在探頭1的前部(見圖2)，它發(fā)出的聲波在炮孔5底端產(chǎn)生反射回波，再反向傳播到聲波換能器表面被其接收，測(cè)量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔即可獲得炮孔深度。
參見圖3，儀器的核心部件是微處理器MPU (8)，在軟件的控制下，通過MPU的各I/0口，實(shí)現(xiàn)各種輸入/輸出功能。下面分別敘述這些功能。
MPU的輸出口①間歇地發(fā)出burst信號(hào)(即脈沖束信號(hào))，由發(fā)射電路IO進(jìn)行推挽式功率放大，該信號(hào)經(jīng)過諧振單元9的電氣和機(jī)械的雙重諧振處理，再經(jīng)壓電換能器發(fā)射最強(qiáng)聲波信號(hào)。本實(shí)用新型的一個(gè)特點(diǎn)是操作員可根據(jù)炮孔深度和巖石的地質(zhì)條件，選擇聲波換能器的發(fā)射頻率和發(fā)射強(qiáng)度，通過鍵盤20的設(shè)置操作，實(shí)現(xiàn)諧振匹配，抑制雜波干擾。研究表明最佳發(fā)射頻率在lKHz左右。
孔底回波由同一壓電換能器接收，經(jīng)接收放大器12放大，再經(jīng)整形和閾值電路ll的處理，變?yōu)镸PU可以識(shí)別的信號(hào)，由輸入口②進(jìn)入MPU。
由于聲波在空氣中按指數(shù)規(guī)律急劇衰減，近距回波信號(hào)與遠(yuǎn)距回波信號(hào)之比超過40，如此之大的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍不是一般放大器所能適應(yīng)的，為此設(shè)計(jì)了時(shí)間增益控制單元13，與接收放大器12—起構(gòu)成可控增益放大器。由MPU的輸出口③提供按時(shí)間函數(shù)的指數(shù)規(guī)律控制信號(hào)，使可控增益放大器的增益隨時(shí)間推移而自動(dòng)增大，從而使不同深度的回波信號(hào)能在burst信號(hào)束幾乎相同的序列位置觸發(fā)MPU的輸入口②，提高深度測(cè)量的精確度。
本實(shí)用新型的另一個(gè)特點(diǎn)是有裂隙顯示器18，在其標(biāo)尺上顯示孔內(nèi)所有產(chǎn)生較大回波的裂隙、凸塊或溶洞的位置，從而向操作員提供較豐富的炮孔地質(zhì)信息，有利于在復(fù)雜情況下對(duì)孔深測(cè)量作出正確判斷。
MPU的輸入口④用于接收加速度傳感器7發(fā)出的傾角調(diào)制信號(hào)。并通過軟件算法減少硬件開支，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
MPU的輸入/輸出口⑤用于與E2PROM (14)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在E2PROM中存放了菜單設(shè)置參數(shù)以及400個(gè)炮孔的測(cè)量數(shù)據(jù)。
MPU的輸出口⑥輸出一組信號(hào)，通過譯碼器15的變換，在深度顯示器16和傾角顯示器17上分時(shí)顯示炮孔的深度和傾角數(shù)據(jù)，在裂隙顯示器18上顯示裂隙位置，在發(fā)射強(qiáng)度指示器19上顯示發(fā)射強(qiáng)度的等級(jí)。
MPU的輸入口⑦用于接收4個(gè)按鍵的鍵控信號(hào)，以便用菜單方式對(duì)儀器下達(dá)發(fā)射強(qiáng)度控制、頻率微調(diào)、傾角調(diào)零、炮孔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)出、清除和上傳等操作指令。
MPU的輸入/輸出口⑧連接RS-232接口電路21，用于與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通訊，上傳炮孔的測(cè)量數(shù)據(jù)。
借助于可控穩(wěn)壓器22和可充電高能電池23， 二者構(gòu)成儀器的高效高品質(zhì)供電單元，以保證儀器得以長(zhǎng)時(shí)間在井下工作。
參見圖4，在儀器面板上布置了四個(gè)顯示器16、 17、 18和19，分別指示炮孔深度、炮孔傾角、孔內(nèi)裂隙位置和發(fā)射強(qiáng)度。另外有五個(gè)按鍵，ON/OFF鍵用來(lái)開啟或關(guān)閉電池供電，SET鍵用來(lái)進(jìn)入或退出操作菜單，A或V鍵用來(lái)改變聲波發(fā)射強(qiáng)度，SET+A鍵用來(lái)微調(diào)探頭的發(fā)射頻率，SET+V鍵用來(lái)對(duì)傾角的零位偏差進(jìn)行校正，ENT鍵用來(lái)對(duì)炮孔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、取出、清除和上傳操作進(jìn)行確認(rèn)。面板上還有三個(gè)接口探頭插座、電池插座和RS-232串口插座。
權(quán)利要求1、一種礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，由儀器本體和探頭組成，儀器本體和探頭通過線纜連接，其特征在于，所述的探頭上設(shè)有聲波換能器和加速度傳感器；所述的儀器本體包括微處理器、諧振單元、發(fā)射電路以及整形和閾值電路；所述的微處理器通過諧振單元與發(fā)射電路串聯(lián)組成的支路發(fā)出信號(hào)給聲波換能器；所述的微處理器通過接收放大器與整形和閾值電路串聯(lián)組成的支路從聲波換能器接收信號(hào)；所述的微處理器連接所述的加速度傳感器的輸出端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其特征在于，所述聲波換能器的 發(fā)射頻率在900 1500Hz。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其特征在于，所述的儀器本體還 包括時(shí)間增益控制單元，所述的微處理器通過所述的時(shí)間增益控制單元連接所述的接收 放大器的控制端。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其特征在于，所述的儀器本體還 包括與微處理器連接的裂隙顯示器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其特征在于，所述的儀 器本體還包括與微處理器連接的用于顯示深度、傾角以及發(fā)射強(qiáng)度參數(shù)的顯示器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其特征在于，所述的儀器本體還 包括與微處理器連接的RS232接口 。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種礦山炮孔測(cè)深測(cè)角儀，其回波深度探測(cè)聲波換能器和傾角探測(cè)加速度傳感器安裝在一體化探頭內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而可靠，攜帶方便而輕巧。通過儀器核心部件微處理器的軟件控制以及相應(yīng)的硬件單元，實(shí)現(xiàn)發(fā)射強(qiáng)度控制、頻率微調(diào)、時(shí)間增益控制、裂隙顯示、角度零位校正，以及炮孔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、調(diào)出和上傳串口通訊等功能，為惡劣而復(fù)雜的礦山使用環(huán)境提供了測(cè)深量程寬、測(cè)角準(zhǔn)確、能存取大量數(shù)據(jù)的工具。該儀器能同時(shí)測(cè)量中深炮孔深度和傾角。
文檔編號(hào)E21B47/02GK201301702SQ20082017952
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者宇 彭, 炫 彭, 彭元元 申請(qǐng)人:彭 炫;彭 宇;彭元元