專利名稱：礦山炮孔測深測角儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種礦山炮孔測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量儀器。
背景技術：
在采用中深孔采礦方法的礦山，炮孔深度和傾角的測量是一項必需而又繁重的工作。早在上世紀六十年代，在瑞典出現了類似回聲水深儀的機電式炮孔測深儀。八十年代初長沙礦山研究院分別研制了電子式炮孔測深儀和炮孔測角儀，并在我國礦山推廣應用，結束了該工作手工體力勞動的歷史。限于當時的技術水平，這些儀器都是采用CMOS數字集成電路為主體構成，構造較復雜，可靠性不夠高。另外，其測深的聲波換能器較容易損壞，測角的電感移相器既易損壞也不易準確反映孔口傾角，市場期待更新換代。
不同礦山的炮孔的巖石地質條件差異甚大，其孔壁的致密和光滑性，孔內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對聲回波信號的幅度、品質產生嚴重影響，導致難以識別孔深信號，從而正確測出炮孔深度。近年雖公開有以微處理器為基礎，采用類似的聲回波測深原理的專利，但未見其對上述
問題的解決提出辦法，另外，其所采用的重錘-光電編碼器式測角傳感器也難以做到輕巧而可靠。

實用新型內容
本實用新型的所要解決的技術問題是提供一種礦山炮孔測深測角儀，該儀器結構簡單、實用方便并且可以與外部通信。
為解決上述技術問題，本實用新型所采用的技術方案為
一種礦山炮孔測深測角儀，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射電路串聯組成的支路發出信號給聲波換能器；所述的微處理器通過接收放大器與整形和閾值電路串聯組成的支路從聲波換能器接收信號；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間增益控制單元，所述的微處理器通過所述的時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、傾角以及發射強度參數的顯示器。
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 。
根據權利要求1所述的礦山炮孔測深測角儀，其特征在于，所述聲波換能器的發射頻率在900~1500Hz。
本實用新型的目的是只用一個探頭、 一根測桿、 一根電纜、 一臺儀器和一個人員即可完成炮孔深度和傾角的測量任務。該儀器適用于直徑0-80mm或更大的炮孔，測深范圍2-40米，測角范圍0-95°。
本實用新型采用聲回波測距原理測量炮孔深度，聲波換能器發出的聲波在炮孔底端產生反射回波，再反向傳播到聲波換能器表面被其接收，測量發射信號與接收信號之間的時間間隔即可計算炮孔深度，其關系式是
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，t是聲波信號往返的時間間隔。為了獲得最大的發射功率和最強的回波信號，在電路和探頭結構上均作了諧振處理。
本實用新型采用加速度傳感器測量炮孔傾角，測量人員借助于測桿的延伸將探頭前端伸入炮孔內并緊貼孔壁。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的熱對流小氣團作為重力塊器件，通過測量由加速度引起的內部溫度的變化來測量加速度，再通過感知地球重力加速度在其測量軸上的分量的大小來確定探頭的傾角。這種高集成度半導體傳感器比之任何實體質量塊傾角傳感器在測量準確度和可靠性上有無可比擬的優越性。儀器采用微處理器MPU作為核心部件，結合相應的硬件單元，在軟件的控制下，通過MPU的各I/0口實施各種輸入/輸岀功能，實現發射強度控制、頻率微調、時間增益控制、裂隙顯示、角度零位校正，以及炮孔數據的存儲、調出、清除和上傳串口通訊等功能。
本實用新型所具有的有益效果有
本實用新型以微處理器為核心，結構簡單，而且采用時間增益控制單元來調節接收放大器的強度，能使得測量深度更為準確。
采用裂隙顯示器向操作員提供較豐富的炮孔地質信息，有利于在復雜情況下對孔深測量作出正確判斷。
釆用RS232接口 ，能使得本儀器能方便的與外部設備通信。

圖l是本實用新型的各部分組成及使用示意圖。圖2是本實用新型的探頭結構示意圖。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)-發射電路、(ll)-整形和閾值電路、(12)-接收放大器、(13)-時間增益控制單元、(14)-E2PROM電可擦可編程只讀存儲器、(15)-譯碼器、(16)-深度顯示器、(17)-傾角顯示器、(18)-裂隙顯示器、(19)-發射強度指示器、(20)-鍵盤、(21)-RS-232接口、 (22)-穩壓器、(23)-電池。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。實施例l :
由圖1可見，測試人員用測桿2將探頭1前端伸入炮孔5內并緊貼孔壁。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)，它發出的聲波在炮孔5底端產生反射回波，再反向傳播到聲波換能器表面被其接收，測量發射信號與接收信號之間的時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，實現各種輸入/輸出功能。下面分別敘述這些功能。
MPU的輸出口①間歇地發出burst信號(即脈沖束信號)，由發射電路IO進行推挽式功率放大，該信號經過諧振單元9的電氣和機械的雙重諧振處理，再經壓電換能器發射最強聲波信號。本實用新型的一個特點是操作員可根據炮孔深度和巖石的地質條件，選擇聲波換能器的發射頻率和發射強度，通過鍵盤20的設置操作，實現諧振匹配，抑制雜波干擾。研究表明最佳發射頻率在lKHz左右。
孔底回波由同一壓電換能器接收，經接收放大器12放大，再經整形和閾值電路ll的處理，變為MPU可以識別的信號，由輸入口②進入MPU。
由于聲波在空氣中按指數規律急劇衰減，近距回波信號與遠距回波信號之比超過40，如此之大的信號動態范圍不是一般放大器所能適應的，為此設計了時間增益控制單元13，與接收放大器12—起構成可控增益放大器。由MPU的輸出口③提供按時間函數的指數規律控制信號，使可控增益放大器的增益隨時間推移而自動增大，從而使不同深度的回波信號能在burst信號束幾乎相同的序列位置觸發MPU的輸入口②，提高深度測量的精確度。
本實用新型的另一個特點是有裂隙顯示器18，在其標尺上顯示孔內所有產生較大回波的裂隙、凸塊或溶洞的位置，從而向操作員提供較豐富的炮孔地質信息，有利于在復雜情況下對孔深測量作出正確判斷。
MPU的輸入口④用于接收加速度傳感器7發出的傾角調制信號。并通過軟件算法減少硬件開支，提高測量準確度。
MPU的輸入/輸出口⑤用于與E2PROM (14)進行數據交換，在E2PROM中存放了菜單設置參數以及400個炮孔的測量數據。
MPU的輸出口⑥輸出一組信號，通過譯碼器15的變換，在深度顯示器16和傾角顯示器17上分時顯示炮孔的深度和傾角數據，在裂隙顯示器18上顯示裂隙位置，在發射強度指示器19上顯示發射強度的等級。
MPU的輸入口⑦用于接收4個按鍵的鍵控信號，以便用菜單方式對儀器下達發射強度控制、頻率微調、傾角調零、炮孔數據的存儲、調出、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，用于與上位機實現串口通訊，上傳炮孔的測量數據。
借助于可控穩壓器22和可充電高能電池23， 二者構成儀器的高效高品質供電單元，以保證儀器得以長時間在井下工作。
參見圖4，在儀器面板上布置了四個顯示器16、 17、 18和19，分別指示炮孔深度、炮孔傾角、孔內裂隙位置和發射強度。另外有五個按鍵，ON/OFF鍵用來開啟或關閉電池供電，SET鍵用來進入或退出操作菜單，A或V鍵用來改變聲波發射強度，SET+A鍵用來微調探頭的發射頻率，SET+V鍵用來對傾角的零位偏差進行校正，ENT鍵用來對炮孔數據的存儲、取出、清除和上傳操作進行確認。面板上還有三個接口探頭插座、電池插座和RS-232串口插座。
權利要求1、一種礦山炮孔測深測角儀，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射電路串聯組成的支路發出信號給聲波換能器；所述的微處理器通過接收放大器與整形和閾值電路串聯組成的支路從聲波換能器接收信號；所述的微處理器連接所述的加速度傳感器的輸出端。
2、 根據權利要求l所述的礦山炮孔測深測角儀，其特征在于，所述聲波換能器的 發射頻率在900 1500Hz。
3、 根據權利要求1所述的礦山炮孔測深測角儀，其特征在于，所述的儀器本體還 包括時間增益控制單元，所述的微處理器通過所述的時間增益控制單元連接所述的接收 放大器的控制端。
4、 根據權利要求1所述的礦山炮孔測深測角儀，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、 根據權利要求1 4任一項所述的礦山炮孔測深測角儀，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、傾角以及發射強度參數的顯示器。
6、 根據權利要求5所述的礦山炮孔測深測角儀，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 。
專利摘要本實用新型公開了一種礦山炮孔測深測角儀，其回波深度探測聲波換能器和傾角探測加速度傳感器安裝在一體化探頭內，結構簡單而可靠，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的硬件單元，實現發射強度控制、頻率微調、時間增益控制、裂隙顯示、角度零位校正，以及炮孔數據的存儲、調出和上傳串口通訊等功能，為惡劣而復雜的礦山使用環境提供了測深量程寬、測角準確、能存取大量數據的工具。該儀器能同時測量中深炮孔深度和傾角。
文檔編號E21B47/02GK201301702SQ20082017952
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月25日 優先權日2008年3月19日
發明者宇 彭, 炫 彭, 彭元元 申請人:彭 炫;彭 宇;彭元元