基于虛擬儀器的微震實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

在詳細(xì)介紹96路前端微震信號(hào)處理單元、PCI數(shù)據(jù)采集卡DAQ2208和LabVIEW平臺(tái)下軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于虛擬儀器微震實(shí)時(shí)檢測的設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)通過軟、硬件技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路模擬量的微震信號(hào)采集及其先進(jìn)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(duì)微震的實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析。

隨著社會(huì)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(diǎn)，而時(shí)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(diǎn)。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(huì)伴隨產(chǎn)生強(qiáng)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(dòng)或其他物體的震動(dòng)，對(duì)監(jiān)測對(duì)象的破壞狀況、安全狀況等做出評(píng)價(jià)，從而為預(yù)報(bào)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(bào)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(jì)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(jī)的，其資源的有限性很難達(dá)到理想的采集效果，也難以完成先進(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的微震安全監(jiān)測系統(tǒng)在工控機(jī)的基礎(chǔ)上，通過96路PCI采集卡進(jìn)行微震信號(hào)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)利用LabVIEW軟件強(qiáng)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(jìn)的小波變換等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，完成微震信號(hào)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(shí)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(hào)，其能量相差很大，由此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了不同位置的96路采集點(diǎn)以保證把深、淺層反射的微地震信號(hào)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(hào)送給PC工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，如圖1所示。

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

微震信號(hào)是一種低頻微弱信號(hào)，它的主頻率約為100Hz，本系統(tǒng)是基于LabVIEW平臺(tái)下的微震信號(hào)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(jī)組成。系統(tǒng)硬件組成原理如圖2所示。

1.2 前置信號(hào)處理單元

系統(tǒng)的前置信號(hào)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(hào)放大的應(yīng)用中，通常只要透過差動(dòng)放大電路即可滿足需求，然而基本的差動(dòng)放大電路精密度較差，且差動(dòng)放大電路中變更放大增益時(shí)，必須調(diào)整兩個(gè)電阻，影響整個(gè)信號(hào)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(diǎn)。本文采用AD620儀表放大IC進(jìn)行前端信號(hào)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(diǎn)，并且放大倍數(shù)只需要調(diào)節(jié)一個(gè)電阻就可設(shè)定，如圖3所示。

(2)濾波電路

微震信號(hào)是低頻信號(hào)，它的有效頻率范圍大約在 20Hz～300Hz之間，針對(duì)采集信號(hào)的特點(diǎn)，本文采用6階巴特沃斯低通濾波器，如圖4所示。考慮實(shí)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(shí)發(fā)出一個(gè)爆炸信號(hào)傳遞到微震監(jiān)測儀。爆炸信號(hào)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(jìn)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(hào)，作為系統(tǒng)開始微震信號(hào)采集的外部觸發(fā)信號(hào)。

本文采用電阻分壓法引出爆炸信號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，計(jì)時(shí)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(hào)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(jì)獨(dú)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(jī)軟硬件能力。因此在CPU與高速緩沖存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)96路模擬信號(hào)的輸入，采用了AD-LINK公司生產(chǎn)的DAQ-2208系列PCI板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)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(dá)3MSps, A/D分辨率為12位，板卡上載有1K采樣點(diǎn)A/D FIFO。另外該板卡附帶有與LabVIEW接口的驅(qū)動(dòng)程序，可以方便地在LabVIEW平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)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(gè)功能強(qiáng)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(dòng)有趣。本文應(yīng)用美國NI 公司LabVIEW 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)并結(jié)合PCI數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)，對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和波形的再現(xiàn)和分析。由于LabVIEW 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、豐富的數(shù)據(jù)表達(dá)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(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測微震信號(hào)隨時(shí)間變化的過程，并將波形在PC機(jī)上顯示。

(2)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)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(hào)中帶入的噪聲濾除。

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

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(hào)的采集部分在整個(gè)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(shí)現(xiàn)。LabVIEW本身提供了大量的控制對(duì)象，包含有專門用于設(shè)計(jì)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(dòng)控制程序，本文采用的就是NI公司的LabVIEW PnP 1.24驅(qū)動(dòng)程序。

數(shù)據(jù)采集部分的參數(shù)設(shè)置主要包括：

①Device：用來控制PCI2208數(shù)據(jù)采集板在計(jì)算機(jī)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;

③Scan Rate：用來控制系統(tǒng)的采樣頻率;

④Buffer 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。

(2)波形顯示模塊

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

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取模塊

將通過PCI采集卡96路AI口采集來的信號(hào)存儲(chǔ)到工控PC機(jī)上,本系統(tǒng)采用的是EXCEL文件存儲(chǔ)，可以方便地將多路微震信號(hào)同時(shí)記錄或保存到一個(gè)文件中，便于以后的波形再現(xiàn)和分析，也可以接打印機(jī)直接將數(shù)據(jù)或再現(xiàn)的波形打印出來，供將來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)密的后期分析。

圖8是微震信號(hào)的波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)采集的信號(hào)中帶入的高頻噪聲的去除與原始信號(hào)的還原來進(jìn)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(tái)下的小波去噪系統(tǒng)采用了以下三種消噪處理方法：

①強(qiáng)制消噪處理：將采集到的微震信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)處理。

②默認(rèn)閾值消噪處理：對(duì)微震信號(hào)利用Matlab中默認(rèn)閾值確定函數(shù)產(chǎn)生信號(hào)的默認(rèn)值，對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，由系統(tǒng)產(chǎn)生的默認(rèn)參數(shù)有：軟硬閾值的選取、閾值的確定、信號(hào)低頻部分的處理方式。

③自定義自動(dòng)消噪處理：由默認(rèn)產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行信號(hào)消噪有時(shí)不如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得參數(shù)消噪具有可信度，本文同時(shí)設(shè)計(jì)了利用Matlab中自動(dòng)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(hào)消噪的前面板的設(shè)計(jì)如圖9所示。

本系統(tǒng)在LabVIEW平臺(tái)下實(shí)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(duì)象，從而使開發(fā)復(fù)雜的先進(jìn)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(hào)分析的準(zhǔn)確及可靠性。

本文設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器的微震檢測系統(tǒng)，信號(hào)處理功能強(qiáng)大，信息表達(dá)豐富、多樣，人機(jī)界面友好，同時(shí)實(shí)時(shí)性好，準(zhǔn)確性高，在實(shí)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(kuò)展性，為系統(tǒng)的完善開發(fā)與設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

1王東霞， 夏慶觀. 基于DSP技術(shù)的微震實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2005;(3)：15～18

2 竇林名.多功能一體化微震系統(tǒng)[J].煤礦設(shè)計(jì)，1999;(6)：44～46

3 陳 棟，岳 林.LabVIEW和PCI_4472虛擬測試儀器的研制[J].中國測試技術(shù)，2005;31(3)：118～120

4 謝建軍，薛平貞.基于NILabVIEW和DAQ卡的液位控制系統(tǒng) [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004;25(4)：889～891

5 耿宇缽，張曉東，陳 曦.基于PCI總線的高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2005;18(5)：32～33

6 范留明，黃潤秋，吉隨旺.地震動(dòng)信號(hào)的小波分析[J]. 物探化探計(jì)算技術(shù)，2000;22(1)：1～4