РЕГИСТРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ И АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области неразрушающих методов контроля, в частности к контролю изменения напряженно-деформированного состояния горных массивов и может быть использована для прогноза геодинамических явлений в шахтах и в других подземных и наземных сооружениях.
Наиболее близким, принятым за прототип, является регистратор импульсного потока электромагнитной эмиссии АИП-4 (Ю.П.Похолков, Б.С.Рыбаков, Н.Н.Хорсов. Статистические методы прогноза коревых землетрясений по измеренным параметрам импульсной электромагнитной активности. Изв. ТПУ, том 33, вып.3., 2000.) Он состоит из последовательно соединенных антенны, предварительного усилителя, фильтров верхних и нижних частот, усилителя, пикового детектора, аналого-цифровой преобразователя, интерфейсного блока. Пиковый детектор соединен последовательно с амплитудным селектором и измерителем интервала, который связан с интерфейсным блоком. Этот регистратор принимает сигнал с магнитной или электрической антенны, фильтрами верхних и нижних частот формирует полосу пропускания, далее выделяют полезный сигнал по нижнему порогу, измеряют амплитуду и длительность сигнала (импульса), которые через интерфейсный блок поступают в ЭВМ.
В этом регистраторе полоса пропускания составляет 0,8-40 кГц, что ограничивает информативность сигнала; из всего потока сигналов осуществляют обработку лишь 100 сигналов в секунду; регистрируют только электромагнитный сигнал и два его параметра: амплитуду и длительность импульса; во время работы регистратора обязательно наличие ЭВМ и сети электропитания.
Задачей полезной модели является расширение полосы пропускания канала приема сигналов, увеличение числа регистрируемых параметров, возможность одновременной регистрации электромагнитных и акустических сигналов, возможность автономной работы.
Поставленная задача решена за счет того, что регистратор электромагнитных и акустических сигналов, так же, как в прототипе, содержит предварительный усилитель и фильтры верхних и нижних частот.
В отличие от прототипа два емкостных и два индукционных приемника связаны со своими повторителями, соединенными соответственно с двумя дифференциальными
усилителями, которые подключены к коммутатору, к которому подсоединены три полосовых фильтра и фильтр верхних и нижних частот, которые связаны со своими регулируемыми усилителями, к которым подключены усреднители, связанные с микроконтроллером. При этом четвертый регулируемый усилитель подключен к компаратору, который соединен с микроконтроллером и счетчиком, связанным с микроконтроллером. Акустический приемник связан со своим повторителем, который подключен ко второму фильтру верхних и нижних частот, который связан со своим регулируемым усилителем, подключенным к усреднителю, соединенным с микроконтроллером, который связан с коммутатором, со всеми регулируемыми усилителями, с запоминающим устройством, интерфейсом связи, дисплеем, клавиатурой и блоком реального времени.
За счет использования фильтров верхних и нижних частот появилась возможность расширить полосу пропускания канала приема сигналов до 1-100 кГц.
Использование полосовых фильтров с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц и компаратора позволило увеличить число регистрируемых параметров электромагнитной эмиссии.
Использование элементов схемы с малым энергопотреблением позволяет регистратору электромагнитных и акустических сигналов работать автономно от аккумуляторов емкостью 9 ВА/ч в течение 7 суток.
Использование внутреннего запоминающего устройства позволяет накапливать данные в течение 7 суток и с помощью интерфейса связи передавать данные на компьютер.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого регистратора электромагнитных и акустических сигналов.
Регистратор электромагнитных и акустических сигналов содержит два емкостных приемника 1 (ЕП1) и 2 (ЕП2), выходы которых соответственно связаны с входами повторителей 3 (П1) и 4 (П2), выходы которых подключены к входу первого дифференциального усилителя 5 (ДУ1), выход которого связан с входом коммутатора 6. Два индукционных приемника 7 (ИП1) и 8 (ИП2), выходы которых соответственно подключены к входам повторителей 9 (П3) и 10 (П4), выходы которых подключены к входу второго дифференциального усилителя 11 (ДУ2), выход которого подключен к входу коммутатора 6. Выход коммутатора 6 подключен к входам трех полосовых фильтров 12 (ПФ1), 13 (ПФ2), 14 (ПФ3) и к входу первого фильтра верхних и нижних частот 15 (Ф1). Выходы полосовых фильтров 12 (ПФ1), 13 (ПФ2), 14 (ПФ3) и первого фильтра верхних и нижних частот 15 (Ф1) соответственно связаны с входами
регулируемых усилителей 16 (РУ1), 17 (РУ2), 18 (РУ3), 19 (РУ4), выходы которых соответственно связаны с входами усреднителей 20 (У1), 21 (У2), 22 (У3), 23 (У4), выходы которых связаны с аналоговыми входами микроконтроллера 24. Кроме того, выход четвертого регулируемого усилителя 19 (РУ4) связан с входом компаратора 25, который подключен к микроконтроллеру 24 и соединен с входом счетчика 26 (С), выход которого связан с цифровым входом микроконтроллера 24. Микроконтроллер 24 соединен с коммутатором бис регулируемыми усилителями 16 (РУ1), 17 (РУ2), 18 (РУ3), 19 (РУ4).
Выход акустического преобразователя 27 (АП) связан с входом пятого повторителя 28 (П5), выход которого связан с входом второго фильтра верхних и нижних частот 29 (Ф2), выход которого связан с входом пятого регулируемого усилителя 30 (РУ5), который соединен с выводом микроконтроллера 24. Выход пятого регулируемого усилителя 30 (РУ5) связан с входом пятого усреднителя 31 (У5), выход которого соединен с аналоговым входом микроконтроллера 24.
К микроконтроллеру 24 подключены блок интерфейса связи 32 (ИС), запоминающее устройство 33 (ЗУ), дисплей 34 (Д), клавиатура 35 (К), блок реального времени 36 (Ч). Блок интерфейса связи 32 (ИС) может быть связан с компьютером.
Блок питания (не показано на фиг.1) связан со всеми элементами схемы регистратора кроме емкостных приемников 1 (ЕП1), 2 (ЕП2), индукционных приемников 7 (ИП1), 8 (ИП2) и акустического приемника 27 (АП).
В качестве емкостных приемников 1 (ЕП1), 2 (ЕП2) может быть использован плоскопараллельный воздушный конденсатор.
В качестве индукционных приемников 7 (ИП1), 8 (ИП2) можно использовать катушки индуктивности.
В качестве акустического приемника 27 (АП) можно использовать преобразователь на базе пьезокерамики ЦТС-19 или аналогичного.
Повторители 3 (П1), 4 (П2), 9 (П3), 10 (П4), 28 (П5) могут быть выполнены на базе типового элемента 140УД12 или аналогичного.
Дифференциальные усилители 5 (ДУ1), 11 (ДУ2) могут быть выполнены на базе типового элемента AD8032 или аналогичного.
Коммутатор 6 может быть выполнен на базе элемента CD4051 или аналогичного.
Полосовые фильтры 12 (ПФ1), 13 (ПФ2), 14 (ПФ3), фильтры верхних и нижних частот 15 (Ф1), 29(Ф2) и регулируемые усилители 16 (РУ1), 17 (РУ2), 18 (РУ3), 19 (РУ4), 30 (РУ5) могут быть выполнены на базе элемента AD8032 или аналогичного.
Усреднители 20 (У1), 21 (У2), 22 (У3), 23 (У4), 31 (У5) могут быть выполнены на базе элемента 157ДА1 или аналогичного.
Компаратор 25 может быть выполнен на базе элемента LM2903 или аналогичного.
Счетчик 26 может быть выполнен на базе элемента 561IE10 или аналогичного.
В качестве микроконтроллера 24 можно использовать элемент ADUC812 или аналогичный.
В качестве запоминающего устройства 33 (ЗУ) может быть использован элемент HY628400A или аналогичный.
Интерфейс связи 32 (ИС) может быть выполнен на базе элемента МАХ232А или аналогичного.
Дисплей 34 (Д) может быть выполнен на базе элемента PC 1602 или аналогичного.
Клавиатура 35 (К) может быть выполнена на базе элементов ПКН125 или аналогичных.
Блок реального времени 36 (Ч) может быть выполнен на базе элемента DS1302 или аналогичного.
Используя клавиатуру 35 (К) и дисплей 34 (Д), выбирают режим работы регистратора электромагнитных и акустических сигналов. Это либо зарядка аккумуляторов регистратора от электрической сети с помощью преобразователя в 12 В, что позволит ему работать в автономном режиме в течение 7 суток, либо установление связи с компьютером через интерфейс связи 32 (ИС) для съема данных, записанных в запоминающее устройство 33 (ЗУ), и синхронизации блока реального времени 36 (Ч) с компьютером, либо режим мониторинга. Для работы регистратора электромагнитных и акустических сигналов в режиме мониторинга, используя клавиатуру 35 (К) и дисплей 34 (Д), задают: интервал выборки, тип используемого приемника электромагнитных сигналов для настройки коммутатора 6 на прием сигнала с емкостных или индукционных приемников, коэффициент усиления электромагнитного сигнала для настройки четырех регулируемых усилителей 16 (РУ1), 17 (РУ2), 18 (РУ3), 19 (РУ4), коэффициент усиления сигнала с акустического приемника для настройки пятого регулируемого усилителя 30 (РУ5) и уровень отсчета импульсов для настройки компаратора 25.
В режиме мониторинга регистратора электромагнитных и акустических сигналов с акустического приемника 27 (АП) получают сигнал, который поступает на повторитель 28 (П5) для усиления по мощности, с выхода которого идет на второй фильтр верхних и нижних частот 29 (Ф2), который формирует полосу пропускания сигнала от 1 до 100 кГц, затем сигнал усиливается с заданным коэффициентом на регулируемом усилителе 30 (РУ5) и далее поступает на усреднитель 31 (У5), с выхода которого сигнал поступает на вход микроконтроллера, где оцифровывается и записывается в запоминающее устройство 33 (ЗУ) с заданным ранее интервалом выборки.
С выбранной с помощью коммутатора 6 пары электромагнитных приемников 1 (ЕП1) и 2 (ЕП2) или 7 (ИП1) и 8 (ИП2), получают сигналы, которые усиливается по мощности в соответствующих повторителях 3 (П1) и 4 (П2) или 9 (П3) и 10 (П4) и поступают на соответствующий дифференциальный усилитель 5 (ДУ1) или 11 (ДУ2), далее сигнал через коммутатор 6 поступает на полосовые фильтры 12 (ПФ1), 13 (ПФ2), 14 (ПФ3), где формируются полосы пропускания с центральными частотами 2, 15 и 100 кГц соответственно, и на первый фильтр верхних и нижних частот 15 (Ф1), который формирует полосу пропускания сигнала от 1 до 100 кГц. Далее сигналы поступают на соответствующие регулируемые усилители 16 (РУ1), 17 (РУ2), 18 (РУ3), 19 (РУ4), где усиливаются с заданным коэффициентом и поступают на соответствующие усреднители 20 (У1), 21 (У2), 22 (У3), 23 (У4), с выводов которых сигнал поступает на микроконтроллер 24, где оцифровывается и записывается в запоминающее устройство 33 (ЗУ) с заданным ранее интервалом выборки. Кроме того, с четвертого регулируемого усилителя 19 (РУ4) сигнал поступает на компаратор 25, который выдает импульс, когда сигнал превышает заданный уровень. Счетчик 26 (С) считает поступающие импульсы с компаратора 25 и передает значение на микроконтроллер 24, где записывается в запоминающее устройство 33 (ЗУ) с заданным интервалом. Дисплей 34 (Д) отображает все записываемые в запоминающее устройство 33 (ЗУ) данные. С помощью блока реального времени 36 (Ч) учитывают время поступления сигналов.