基于虛擬儀器的微震實時監(jiān)測系統(tǒng) - 全文

　　在詳細介紹96路前端微震信號處理單元、PCI數(shù)據(jù)采集卡DAQ2208和LabVIEW平臺下軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬儀器微震實時檢測的設(shè)計方案。

　　系統(tǒng)通過軟、硬件技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了對多路模擬量的微震信號采集及其先進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時監(jiān)測及分析。

　　隨著社會與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源問題成了世界關(guān)注的焦點，而時常發(fā)生的煤礦礦難，使得礦區(qū)的安全問題成為了企業(yè)與政府關(guān)注的重點。這些事故的發(fā)生一般與開采后應(yīng)力的重新分布引起的覆巖破裂有關(guān)系，巖石破裂會伴隨產(chǎn)生強度較弱的地震波，稱為“微震”。

　　微震安全監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測巖體破裂產(chǎn)生的震動或其他物體的震動，對監(jiān)測對象的破壞狀況、安全狀況等做出評價，從而為預(yù)報和控制災(zāi)害提供依據(jù)。微震檢測系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于礦山巖體破裂的定位監(jiān)測，是預(yù)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(jù)監(jiān)測到的巖體破裂的范圍和程度，確定導(dǎo)水裂隙帶高度、開采上限、巷道布置的合理位置等。因此，設(shè)計開發(fā)出一套安全有效的微震安全監(jiān)測系統(tǒng)，成為當(dāng)務(wù)之急。

　　目前，有的微震監(jiān)測系統(tǒng)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，也難以完成先進算法的實現(xiàn)。本文設(shè)計的微震安全監(jiān)測系統(tǒng)在工控機的基礎(chǔ)上，通過96路PCI采集卡進行微震信號數(shù)據(jù)采集，同時利用LabVIEW軟件強大的圖形化編程能力以及靈活多樣的數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合先進的小波變換等數(shù)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計了不同位置的96路采集點以保證把深、淺層反射的微地震信號都記錄下來，以便確定震源位置，充分分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將采集到的96路信號送給PC工控機進行數(shù)據(jù)處理與分析，如圖1所示。

　　1.1 硬件總體設(shè)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(tǒng)是基于LabVIEW平臺下的微震信號采集與處理系統(tǒng)，它主要由微震檢波器、前置放大器、低通濾波器、PCI數(shù)據(jù)采集卡、工控機組成。系統(tǒng)硬件組成原理如圖2所示。

　　1.2 前置信號處理單元

　　系統(tǒng)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(yīng)用中，通常只要透過差動放大電路即可滿足需求，然而基本的差動放大電路精密度較差，且差動放大電路中變更放大增益時，必須調(diào)整兩個電阻，影響整個信號放大精確度的原因就更加復(fù)雜。儀表放大電路則無上述缺點。本文采用AD620儀表放大IC進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(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo);具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低功耗等優(yōu)點，并且放大倍數(shù)只需要調(diào)節(jié)一個電阻就可設(shè)定，如圖3所示。

　?。?）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，本文采用6階巴特沃斯低通濾波器，如圖4所示。考慮實際情況，調(diào)整電路中的電阻電容參數(shù)，將該濾波電路的截止頻率設(shè)置為500Hz。

　　1.3 發(fā)爆器

　　地震發(fā)爆器是一種專用雷管引爆器，它不僅是要觸發(fā)雷管，而且必須在觸發(fā)雷管的同時發(fā)出一個爆炸信號傳遞到微震監(jiān)測儀。爆炸信號標(biāo)準(zhǔn)電壓一般為±5V。

　　本系統(tǒng)采用MFB-100防爆型煤礦專用發(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(biāo)準(zhǔn)爆炸信號，作為系統(tǒng)開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)點是電路簡單，計時比較準(zhǔn)確。圖5中R2為大功率限流電阻，R3為分壓輸出電阻，用以調(diào)節(jié)輸出爆炸信號電壓。

　　1.4 PCI采集卡DAQ2208

　　PCI 總 線是一種高性能32/64位地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的局部總線，可以支持多種外圍設(shè)備，其設(shè)計獨立于微處理器，為CPU及高速外圍設(shè)備的通信提供了一座橋梁，提高了數(shù)據(jù)傳輸率。此外，PCI總線采用線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，確?？偩€不斷滿載數(shù)據(jù)，完全兼容現(xiàn)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(shù)據(jù)采集等需要高速傳輸信息的場合得到了廣泛應(yīng)用。

　　在本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)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板卡進行設(shè)計與研究，完成數(shù)據(jù)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A/D FIFO。另外該板卡附帶有與LabVIEW接口的驅(qū)動程序，可以方便地在LabVIEW平臺下實現(xiàn)對信號的實時采集與處理。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言。它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。本文應(yīng)用美國NI 公司LabVIEW 系統(tǒng)開發(fā)平臺并結(jié)合PCI數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），對微震信號進行實時采集和波形的再現(xiàn)和分析。由于LabVIEW 強大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的數(shù)據(jù)表達方式和高效率，有力地支持和加快了系統(tǒng)的研制速度。

　　監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能包括：

　　（1）通過PCI采集卡經(jīng)由工控機實時監(jiān)測微震信號隨時間變化的過程，并將波形在PC機上顯示。

　?。?）對采集信號進行數(shù)字處理。本系統(tǒng)采用小波變換的分析方法，將微震信號中帶入的噪聲濾除。

　?。?）顯示和打印采集到的微震信號和分析獲得的數(shù)據(jù)、圖形，并存儲歸檔。

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖如圖6所示。

　　根據(jù)上述虛擬儀器功能的需要，本系統(tǒng)程序包含以下模塊：

　　（1）數(shù)據(jù)采集模塊

　　信號的采集部分在整個程序中至關(guān)重要。其參數(shù)設(shè)置正確與否，直接影響到后面的分析、處理、顯示等功能能否實現(xiàn)。LabVIEW本身提供了大量的控制對象，包含有專門用于設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序和控制程序的功能庫和開發(fā)工具庫。其中，LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序庫包括了許多NI公司數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動控制程序，本文采用的就是NI公司的LabVIEW PnP 1.24驅(qū)動程序。

　　數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)設(shè)置主要包括：

　?、貲evice：用來控制PCI2208數(shù)據(jù)采集板在計算機內(nèi)的初始化信息;

　　②Channels：用來設(shè)置所有定義的數(shù)據(jù)采集通道的工作情況;

　?、跾can Rate：用來控制系統(tǒng)的采樣頻率;

　?、蹷uffer Size：用來控制數(shù)據(jù)緩存區(qū)的大小;

　　⑤Trigger：用來控制采集卡開始采集的觸發(fā)方式。

　　數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖7所示。

　?。?）波形顯示模塊

　　該部分可選擇時域信號顯示或頻域信號顯示，可選擇原始采集信號和消噪后的信號顯示，還可根據(jù)需要進行線性或?qū)?shù)顯示。

　?。?）數(shù)據(jù)存儲讀取模塊

　　將通過PCI采集卡96路AI口采集來的信號存儲到工控PC機上，本系統(tǒng)采用的是EXCEL文件存儲，可以方便地將多路微震信號同時記錄或保存到一個文件中，便于以后的波形再現(xiàn)和分析，也可以接打印機直接將數(shù)據(jù)或再現(xiàn)的波形打印出來，供將來對數(shù)據(jù)進行嚴密的后期分析。

　　圖8是微震信號的波形數(shù)據(jù)存儲和讀取部分程序框圖。

　　4）數(shù)據(jù)分析模塊

　　這部分主要是針對采集的信號中帶入的高頻噪聲的去除與原始信號的還原來進行的，本系統(tǒng)采用的是小波變換的分析方法。在基于LabVIEW平臺下的小波去噪系統(tǒng)采用了以下三種消噪處理方法：

　　①強制消噪處理：將采集到的微震信號數(shù)據(jù)進行小波分解，把分解結(jié)構(gòu)中的高頻系數(shù)全部變?yōu)?，即把高頻部分全部濾除掉，然后對信號進行重構(gòu)處理。

　?、谀J閾值消噪處理：對微震信號利用Matlab中默認閾值確定函數(shù)產(chǎn)生信號的默認值，對信號進行消噪處理，由系統(tǒng)產(chǎn)生的默認參數(shù)有：軟硬閾值的選取、閾值的確定、信號低頻部分的處理方式。

　?、圩远x自動消噪處理：由默認產(chǎn)生的參數(shù)進行信號消噪有時不如根據(jù)經(jīng)驗獲得參數(shù)消噪具有可信度，本文同時設(shè)計了利用Matlab中自動消噪函數(shù)來自定義確定消噪的參數(shù)，如：閾值選取規(guī)則、軟硬閾值的選取、閾值的調(diào)整形式等。信號消噪的前面板的設(shè)計如圖9所示。

　　本系統(tǒng)在LabVIEW平臺下實現(xiàn)的小波算法是采用與Matlab接口的編程技術(shù)，通過在Matlab模塊中編寫消噪程序并發(fā)布COM組件，再通過LabVIEW引用其生成的COM對象，從而使開發(fā)復(fù)雜的先進算法的周期大大縮短，并且采用這種方法有效地保證了系統(tǒng)的信號分析的準(zhǔn)確及可靠性。

　　本文設(shè)計的基于虛擬儀器的微震檢測系統(tǒng)，信號處理功能強大，信息表達豐富、多樣，人機界面友好，同時實時性好，準(zhǔn)確性高，在實際應(yīng)用中取得了很好的效果，在礦區(qū)的安全事業(yè)上有著廣闊的應(yīng)用前景。另外，系統(tǒng)的軟件部分在LabVIEW上有很好的可擴展性，為系統(tǒng)的完善開發(fā)與設(shè)計提供了一個良好的平臺。