变频法煤巷超前探测仪发射模块仿真.pdf

第3 9卷第8 期 2 0 1 1 年8月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V0 L 3 9 No ． 8 Aug ． 2 011 变频法煤巷超 前探测仪发射模块仿真 郝明锐 ，张伟杰 ，张维振 ，任 洁 。 ， 吴 淼 1 ．中国矿业大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．河北工程大学，河北 邯郸0 5 6 0 3 8 ； 3 ．太原理工大学，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 为解决 当前煤巷掘进过程 中严重制约掘进效率的探、掘之间速度不匹配问题 ，研制 了变频 法煤巷超前探测仪。仪器 主要由发射模块和接收模块构成。利用 S I MU L I N K强大的仿真建模 能力 ， 先完成仪器 的仿真开发、模拟试验、改进设计等，再进行样机制造 ，从而节约成本，缩短开发周 期。阐述 了仪器 的基本原理 ，重点介绍发射模块 的仿真研究工作，包括发射模块的功能、构成和模 型，完成 了发射模块 的 S I M U L I N K仿真，得到 了设计 的发射电流波形。 关键词 超前探测 ； S I MU L I N K；仿真研究；发射模块 ；探测仪器 中图分类号 T D 1 6 6 文献标志码 A 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 0 8 0 0 9 0 0 3 Si m u l a t i o n o f Tr a ns mi s s i o n M o d ul e o f M i n e S e a m Ga t e wa y Pi l o t De t e c t o r wi t h Fr e qu e nc y Co nv e r s i o n HA O Mi n g r u i ， Z H A N G We i - j i e ’ ， Z H A N G We i z h e n ， R E N J i e ， WU Mi a o 1 ．C h i n a U n iv e r s i ty o fMi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i i i n g ， B e ifi n g 1 0 0 0 8 3 ，Chi n a ；2 ．H e b e i U n i v e r s i t yofE n g i n e e r i n g， H a n d a n 0 5 6 0 3 8， C h i na ；3 ．T a i y u a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e t h e s p e e d u n ma t c h e d p r o b l e m b e t we e n t h e d e t e c t i o n a n d e x c a v a t i o n s e r i o u s l y r e s t ric t e d t h e mi n e s e a m g a t e w a y d riv i n g e ffi c i e n c y i n t h e p r e s e n t mi n e s e a m g a t e wa y d ri v i n g p r o c e s s ，a s e a m g a t e wa y p i l o t d e t e c t i o n i n s t r u me n t w i t h t h e f r e q u e n c y c o n v e r - s i o n me t h o d w a s d e v e l o p e d ．T h e p i l o t d e t e c t i o n n s t r u me n t wa s c o n s i s t e d w i t h a t r a n s mi s s i o n mo d u l e，r e c e i v i n g mo d u l e a n d e x p l a n a t i o n s o f t wa r e ．W i t h t h e p o we r f u l s i mu l a t i o n mo d e l i n g c a p a c i t y o f t h e S I MUL I NK，t h e s i mu l a t i o n d e v e l o p me n t ，s i mi l a r e x p e ri me n t ，i mp r o v e d d e s i g n a n d o t h e r s o f t h e i n s t r u me n t wa s fi r s t l y d e v e l o p e d a n d t h e n t h e p r o t o t y p e W as ma n u f a c t u r e d ．T h e c o s t c o u l d b e s a v e d a n d t h e d e v e l o p me n t p e ri o d c o u l d b e r e d u c e d ．T h e p a p e r s t a t e d t h e b a s i c p ri n c i p l e o f t h e i n s t r u me n t a n d i n d e t a i l i n t r o d u c e d t h e t h e s i mu l a t i o n s t u d y w o r k o f t h e t r a n s mi s s i o n mo d u l e ，i n c l u d i n g t h e f u n c t i o n，c o mp o s i t i o n a n d mo d e l o f t h e t r an s mi s s i o n mo d u l e ．T h e S I MU L I NK s i mu l a t i o n Was c o mp l e t e d f o r t h e t r a n s mi s s i o n mo d u l e a n d t h e d e s i g n e d t r a n s mi s s i o n c u r r e n t w a v e for ms w e r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s p i l o t d e t e c t i o n；S I MUL I NK；s i mu l a t i o n s t u d y ；t r a n s mi s s i o n mo d u l e ；d e t e c t i o n i n s t r u me n t 当前 ，随着我国煤矿采掘方式的机械化程度逐 渐增强 ，对掘进工作面的工作效率要求越来越 高。 在掘进过 程 中必须 遵循 “ 预测 预报 ，有掘 必探 ， 先探后 掘 ，先治后采 ” 的原则 ，来 保证工作 面 内 人员和机器 的安全。然而，目前用于煤巷超前探测 的仪器和方法与掘进工作之间存在严重 的速度不匹 配问题，极大地影响了掘进工作面的工作效率。因 此，研发适用于煤巷掘进超前探测的技术与装备， 提高掘进工作 的效率，具有重要的现实意义⋯。 变频法煤巷超前探测仪是以岩石的激发极化效 应 _ 2 为理论基础 ，利 用发射装置 向掘 进工作面前 方的煤岩发射变频 电流 ，使其发生激发极化效应 ， 再通过接收装置接收并分析煤岩极化后产生的电流 信号 ，从而判断前方隐藏的地质构造 。仪器能够适 应煤巷掘进的特殊工作环境 ，以锚杆充当发射装置 中的屏蔽 电极 ，发 射电极可 以安装在 掘进机机身 上，从而 提 高探 测 和掘 进 效 率。仪 器 研 发 利 用 S I M U L I N K强大的仿真建模功能 j ，首先完成仪器 各组成部分的建模工作，在达到预期的设计要求之 后，再转入实际样机的制造。仪器主要由发射模块 收稿 日期 2 0 1 1 0 2 1 9 责任编辑 赵瑞 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划重点资助项 目 2 0 0 8 A A 0 6 2 2 0 1 作者简介郝明锐 1 9 8 5 一 ，男，山西太原人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为机电一体化。T e l 1 3 8 1 0 4 8 5 4 3 9 ， E - m a i l h a o m i n g r u i 1 6 3 ． c o l n 9 0 郝明锐等 变频法煤巷超前探测仪发射模块仿真 2 0 1 1 年第 8 期 和接收模块 2部分组成 ，本文主要介绍该仪器的发 射模块基于 S I M U L I N K的仿真建模工作。 1 发射模块 设计 的理论基础 掘进工作面前方地质体的二次电场信息 激 发极化后的电流信号是判断前方地质异常的重 要依据。找到一种适当的激发电流，使得待测区域 发生较为明显的激发极化现象，是获得二次电场信 息的必要条件。为了获得明显的激发极化效应，激 发信号 中必须至少包含 2种频率的激发电流 低频 电流的频率 充分低，这时前方地质体得到充分激 化 ，通过接收装置测得 的电位差 △ 包含足够 的 二次电位；高频电流的频率 充分高，它不能使前 方地质体发生极化，在其作用下，可测得电位差 △ 。此时 ，二次电场的特性就可 以用百分频率效 应即P F E 值表示 J 。 P 1 0 0 ％ 1 这种通过发射包含高低 2种频率的激发电流使 掘进工作面前方地质体发生激发极化效应 ，从而获 得待测 区域二 次 电场信 息的方法 ，称为变频 激 电 法 ，简称变频法。 2 发射模块的主要功能 变频法煤巷超前探测仪发射模块的主要任务是 将直流供电电流转变成探测所需的、包含高低 2 种 频率交流信号的发射电流，使掘进工作面前方地质 体产生激发极化效应。发射模块的基本参数主要有 发射电流的波形和幅值、发射 电流 的频率和周期、 发射电流的功率等 。发射模块同时发射高、低 2种 频率的激发电流 ，高低频相差在 1 0倍左右为宜 j 。 该仪器选取高频 为 8 H z 、低频为 8 ／ 1 2 H z 作为 发射电流的频率，高低频转换的间隔为 6 S ，即前 6 s 发射高频 电流 ，后 6 s发射低频 电流 ，一个整 周期为 1 2 s ，拟实现的波形如图 1 所示。 ， H 图1 变频法发射电流设计波形 为了适应井下特殊环境 ，基于安全 的考虑 ，发 射电流强度不宜过大。在试验条件下，该仪器发射 电流的电压值暂定为 2 4 V，在以后的试验中可以 根据需要进行调整。发射电流强度范围定为 0 ． 1～ 1 0 0 0 m A。电流强度越大 ，探测深度越大 。 3 发射模块的基本结构及原理 变频法煤巷超前探测仪的发射模块主要由程序 控制系统 、逆变 系统、发 射 电极、保 护 电路 、电 源、液晶显示模块 和数据存储模块等部分组成 图 2 。其中工作 电源提供探测所需的 2 4 V直流 电；程序控制系统发出控制信号，逆变系统把电源 提供的直流 电转变成含 2种频率的交流 电；最后 由 发射电极发射到待测区域；液晶显示模块可显示仪 器工作状态和参数 ，数据存储模块负责记录数据 。 液 晶显 示模块 保 护 I I 直 工 作 l皇 塑 普 逆 路 一 Z 一 发 射 电 极 图2 发 射模 块 发射模块的核心部分包含能提供控制信号的信 号发生器和能把直流供电电流转变为所需频率交流 电的逆变电路。图 3为发射模块的逆变 电路 ，由程 序控制系统提供的控制信号 d r i v e 1 4分别控制 电 力 电子开关 Q 1 一Q 4的开断，把由直流电压源提供 的直流电逆变为探测所需的交流 电，再 由 O U T 和 O U T 一 端输出。其中 Q l 与 Q 4为一组，Q 2与 Q 3为 一 组。当Q 1 与 Q 4 接通时，Q 2与 Q 3断开；当Q 1 与 Q 4断开时，Q 2与 Q 3接通 。这样就把电源输送 的直流电转变为交流电，并可以通过改变控制信号 来得到所需交流电的工作频率 。 昌 Q 1 Q 2 _ 』 l O U T l 一 Q3 d r i v e 4q l O U T 图3 发射模块的逆变电路 4 发射模块的 S I MU L I N K仿真 S I MU L I N K是 MA T L A B中的一种可视化 的仿真 工具 ，在 MA T L A B的框 图设计环境下 ，能够实现 动态系统建模、仿真和分析的一个软件包。该仪器 发射模块的建模主要选取 S I M U L I N K中 S i m P o w e r - 91 2 0 1 1 年第8 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 S y s t e m s 模 块库 中的模 型进 行 搭建 。S i m P o w e r S y s t e ms 模块库 中包含 了常用 的电源、电力 电子器件 和模块 、电机模型以及相应 的驱动、控制和测量模 块 。根据煤巷掘进超前 实时探测仪 发射模块 的 基本结构，利用 S I M U L I N K强大的仿真建模能力， 便可 以完成发射模块的模型建模 ，得到探测所需的 发射 电流。 4 ． 1 程序控制系统的仿真 在第 2节 中介绍了高低频发射电流的频率 、转 换间隔及波形。为了得到设计的电流波形 ，需要由 程序控制系统中的信号发生器产生要求的脉冲控制 信号 ，对逆变系统中的开关进行控制 ，以得到所需 的发射电流 。 利用 s i m P o w e r s y s t e m s中的脉冲信号发生器 P u l s e G e n e r a t o r 和逻辑控制开关 S w i t c h便可模拟出 所需的控制信号。图 4所示为一组逆变系统的控制 单元 ，3个 P u l s e G e n e r a t o r通过逻辑控 制开关来 实 现不同时段对可控 电力电子开关 I G B T的控制 。其 中 P G 1 为高频信号发生器，产生频率为 8 H z 的高 频信号；P G 3为低频信号发生器，产生频率为 8 ／ l 2 Hz 的低频 信号 ；P G 2则 是控 制 逻辑控 制开 关 S w i t c h ，使前 6 S 为高频控制信号接通 ，后 6 S 为低 频控制信号接通 。这样的控制单元共有 4个 ，分别 控制逆变电路中 4个开关 ，通过对信号发生器延时 的控制 ，使其 两两为一组 ，便 可得到所需 的发射 电流 。 图4 变频法的一组控制单元 4 ． 2发射模块的模型和仿真结果 用 4个控 制单元 控制逆变 电路实现 电源 的逆 变 ，便可得到所需 的发射电流。图 5为变频法模式 下的仿真模型。在模型中用 1 个电阻表示待测区 域 。在模 型中可以根据需要 ，很方便地修改输入电 流的幅值 ，或是调整控制信号，来改变发射电流的 波形和功率 ，以利于开展模拟试验 ，找出适合探测 所需的发射电流。运行该模 型，便可以通过 S I MU L I N K中的示波器模块 S c o p e ，观察到所得发射电流 的一个整周期 1 2 S 输出波形 ，其输出结果如图 6所示。 92 u R 一通过待测区域 R发射电流的电压幅值； I R 一电流幅值 ， d 一 直流电源提供 的电流强度 图5 发 射模块 的 S I MU L I N K模 型 5 0 - s o 0 ≤8 21 O 2 4 6 8 l 0 l 2 时间／ s 图6 变频法发射电流的输出结果 5 结 语 在开发煤巷掘进超前实时探测仪的过程中，使 用 S I MU L I N K仿真建模工具 ，极大地方便了仪器的 设计工作 ，避免 了传统仪器设计 方法 中 “ 设计一 焊接一调试一改线” 的多次反复 而造成的大量 时 间和精力的浪费，降低仪器开发的成本和风险，便 于进行模拟试验 ，优化仪器设计。通过对仪器发射 模块的仿真建模 ，获得了探测地质异常所需的发射 电流 ，并能根据需要 随时更改发 射 电流 的各项参 数 ，以达到最好 的探测效果 ，方便开展模拟试验 ， 极大地节省了开发成本 ，简化了仪器设计的程序， 是仪器开发工作的一条行之有效的技术途径 。通过 对发射模块的 S I MU L I N K仿真，成功地实现了把直 流电源提供的直流电转变为探测所需的交流信号， 并可以方便地修改模型 中各元件的参数 ，从而改变 发射电流的幅值、波形、功率等参数，方便了模拟 试验 的开展 ，从而得到探测效果最佳的激发电流。 下转第 9 9页 孙超等 图像匹配技术在井下机车监控系统中的应用 2 0 1 1 年第 8期 ■ 一 a 灰度 图 b 区配结果 图4 第 2帧匹配图 ■ ■ a 灰度 图 b 区配结果 图5 第3帧匹配图 缘 ，即机车往前移动。从 图 4 b匹配结果来看 ，和 预期的结果相 同，同样 匹配到 图像 中的 “ 1 ” ，然 后被矩形框起来 ，匹配成功 。 很显然图5和图3 、图4有着明显的差别，随 着机车的移动 ，图 3 、图 4中的数字牌 “ 1 ” 已经 消失。对图5进行匹配的目的是不同的数字牌， 看匹配 的结果 如何 。由图 5 b可 以看 出，数 字牌 “ 2 ” 已被成功框 出，即匹配成 功，所 以不 同的模 板和不同数字牌 ，模板匹配成功 。 在机车运动的监控中，如果图像匹配的结果， 即井下隧道 中机 车运行 的信号 _ 1 。 。 准确 ，系统返 回 一 个真信号，传输到地面上的调度中心机车模拟画 面中 ，在地 面上 的调度 中心，就可 以知道机车 的运行位置；如果匹配不成功，则返回一个假信 号 ，此信号不执行运动的命令 。 4结 语 从试验中可看出模 板的选取基本上符合要求 ， 在待匹配的图像中都可找到要匹配的目标。在用差 值法进行匹配的缺点是匹配的精度不高 ，如果模板 选取不好 ，很容易出现大的误差 ，所以模板 的选取 显得尤其重要。在应用这个方法来监控模拟机车的 时候有一个缺点 ，即如果机车停止了 ，但是摄像机 继续工作 ，继续有画面进行匹配 ，地面的调度监控 中心就会以为机车还在继续运动，这样就会造成事 故，对机车的跟踪失败 ，针对这个问题笔者认为可 以加一个判断语句 ，根据现场机车运行的速度 ，规 定一个时间段，如果机车在这段时间内一直采集一 个数据牌，则说明机车是停止不动的。针对试验中 存在的问题，笔者还将作进一步的研究与改进。 参考文献 李 玉 良 ．矿 井机 车监控[ M] ．徐 州 中国矿 业大 学 出版 社 ，2 0 0 3 1 1 0 ． 李玉 良 ．井下车 场机车视 觉定位技 术研究 [ J ] ．煤炭 科学 技术 ，2 0 0 9，3 7 4 5 0 5 6 ． 李玉 良．本安无线摄像发射仪 ．中国，Z L 2 0 0 7 2 0 0 3 5 4 6 7 ． 5 [ P ] ． 2 0 0 8 - 0 2 0 6 ． 曹茂永 ．数字图像处理 [ M] ．北京 北京大学出版社， 2 0 0 7 1 8 01 9 0 ． 冈萨雷斯 ． 数字图像处理 [ M] ．2 版 ．阮秋琦， 译 ． 北京 电子工业 出版社 ，2 0 0 65 6 8 5 7 2 ． 余成波． 数字图像处理及 M A T L A B实现 [ M] ．重庆 重庆 大学出版社 ，2 0 0 31 5 6 1 6 8 ． 李弼程 ．智能图像处理技术 [ M] ．北京电子工业出版 社 ，2 0 0 32 3 9 2 6 4 ． 谷 I 1 庆治 ．数 字 图像处 理[ M] ．朱 虹，廖学 成， 乐静， 译 ． 北京科学出版社，2 0 0 2 1 2 7 1 3 2 ． 孙超， 李玉良，王蓓蓓，等 ．图像处理在井下机车监控 系统中的应用 [ J ] ．矿山机械， 2 0 1 0 ，3 8 2 0 3 8 4 1 ． 孙超， 李玉良，王蓓蓓 ，等．基于无线信道的井下大巷 与斜巷信号传输 比较 [ J ] ．淮阴工学院学报，2 0 1 0 ，1 9 5 3 1 - 3 5 ． 孙超，李玉良，王蓓蓓，等 ．图像识别技术在矿井机车 监控系统中应用 [ J ] ．煤矿机械，2 0 1 1 ，3 2 2 1 9 9 2 O 0 上接第 9 2页 仿真软件在电路设计的过程中能够起到极大的辅助 作用， 但是并不能完全代替实际电路。如逆变电路 的死区保护、输出负载容性或感性负载对输出电流 波形的影响等内容还需要等实际电路完成后 ， 开展 相关试验来进一步验证 ，以便完善仪器 的设计。 参考文献 田劫，韩光 ，吴淼，等 ． 矿井独头巷道掘进超前探 测技术现状 [ J ] ．煤炭科学技术， 2 0 0 6 ，3 4 8 1 7 2 0 ． 庄德玉 ．直流 电三点三极探 资料解 释及 电法实 时探 测技术 研究 [ D ] ．北京中国矿业大学 北京 ， 2 0 0 9 ． 张葛祥 ，李娜 ． M A T I B仿真技术与应用 [ M] ．北京 清华大学出版社，2 0 0 3 ． 刘天放，李志聃 ． 矿井地球物理勘探 [ M] ．北京煤炭工 业 出版社 ，1 9 9 3 ． 何继善 ．双频激电法 [ M] ． 北京高等教育出版社， 2 0 0 6 ． 傅良魁 ． 电法勘探教程 [ M ] ． 北京地质出版社， 1 9 8 3 ． 林 飞，杜 欣 ．电力 电子应 用技术的 M A T L A B仿真 [ M] ．北京 中国电力出版社 ，2 0 0 9 ． j j j O l 二 l ⋯