礦用本安數(shù)字化地質羅盤儀的設計范文

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摘要：為解決傳統(tǒng)機械指針式羅盤儀在煤礦井下誤差大、效率低等問題，采用數(shù)字化儀表技術設計實現(xiàn)了礦用本安型地質羅盤儀。其數(shù)據(jù)采集技術采用了磁阻與加速度傳感器，在結構上采用光電一體化設計，軟件方面設計了專門的地質體產(chǎn)狀測量程序，使得測量地質體產(chǎn)狀可以半智能化。試驗結果表明，該羅盤可進行0°~360°方位測量和0°~90°傾斜測量，消除了讀數(shù)誤差，提高了使用者在礦山井下、野外等危險環(huán)境中的安全系數(shù)、工作效率和測量精度，可廣泛用于礦井地質、地質勘查等領域。

關鍵詞：羅盤儀；礦用本安型；雙軸感應補償；產(chǎn)狀測量

引言

地質羅盤儀是根據(jù)古代的指南針改進設計的，被廣泛地應用于地質勘查、野外勘測等領域，也常被用于對礦井地質條件的分析。地質羅盤儀從最初發(fā)明應用到現(xiàn)在已經(jīng)有上百年的時間，常規(guī)采用的均為指針式機械羅盤儀，這種儀器輕巧便攜，但使用時存在操作麻煩、誤差較大且測量效率低等顯著問題。隨著當前電子化、信息化的不斷普及發(fā)展，傳統(tǒng)的低效機械式羅盤儀已經(jīng)很難滿足工作需要，亟需與數(shù)字化進行結合改進[1]。目前，國內外已經(jīng)有很多專家學者及研發(fā)機構在研究數(shù)字電子指南針，但對于地質常用的羅盤尤其是礦用本安型數(shù)字羅盤儀很少出現(xiàn)。基于此，根據(jù)多年的礦井地質工作經(jīng)驗和大量的試驗，結合市場上現(xiàn)有的數(shù)字羅盤儀，研發(fā)出具有顯著特色的礦用本安型數(shù)字地質羅盤儀。本羅盤儀已經(jīng)過礦用設備檢測檢驗中心防爆檢測認證，并獲得了煤安認證。

1結構和原理

1.1結構組成

本羅盤儀中電路設計結構圖如圖1所示，其核心數(shù)字控制主要由方位角及傾角信息采集處理部分、激光發(fā)射部分、存儲控制部分、電源部分及顯示部分五部分組合而成；羅盤儀的外觀等整體設計主要包括LCD顯示器、開關、按鍵、非金屬殼體、激光發(fā)射指向區(qū)域等。1）數(shù)字控制結構。方位角及傾角信息采集處理部分原理是A/D轉換器對磁感應器、加速度感應器采集到的數(shù)據(jù)信息進行整理后傳輸?shù)酱鎯刂撇糠帧４鸥袘鞯牡卮欧较蚝图す獍l(fā)射的激光線一致，加速度感應器感應的X或Y軸與激光線一致或平行。2）外形結構。本地質羅盤儀采用非金屬防靜電外殼；設置可調亮度液晶LCD彩色顯示屏；儀器右上方設開關按鈕；右下角設置數(shù)據(jù)傳輸與充電一體孔，并設置防塵防水蓋；儀器側端設有激光指向發(fā)射孔，可發(fā)射激光輔助指向及傾角測量；儀器上方布置不同功能的按鍵區(qū)，使操作更加舒適便捷。3）數(shù)字顯示界面。顯示界面結合了現(xiàn)有的數(shù)字羅盤優(yōu)點及人們的使用習慣，使數(shù)字顯示和界面仿真同步實現(xiàn)。例如方位角的顯示設置類似于機械指針式，可以直觀、形象地顯示方位，為了更精確地描述，表盤旁邊同時設有數(shù)值顯示；在橫縱兩個側邊依次設置橫滾和俯仰兩個方向的刻度顯示，實時顯示當時的傾斜角度，同時也有數(shù)值顯示。

1.2工作原理

本地質羅盤儀的工作原理是利用磁阻傳感器來感應測出地磁場變化。地磁場磁感線由南極指向北極，在赤道附近磁感線與地面平行，故北半球磁場沿地面傾斜走向。一般來說地磁場強度通常在0.4~0.6A/m之間。地磁場是矢量，其可以分解為與水平平行及與水平垂直的兩個分量。在測量時將電子羅盤與實際現(xiàn)場的水平面保持水平，則羅盤的磁力計中的三維軸即和空間中三個分量一一對應。

2性能特點

為了全面考察本數(shù)字化礦用本安地質羅盤儀各方面的性能是否合格，委托國家安全生產(chǎn)礦用設備檢驗中心對本設備進行監(jiān)測，結果顯示本設備測量方位角誤差范圍為1.8°，傾斜角度測量誤差范圍為0.1°~0.4°，完全可以達到地質工作者的使用要求。本設備具有測量方位角、傾斜角、激光指向測斜、產(chǎn)狀自動測量等多重功能，且具有時間、秒表，可以進行數(shù)據(jù)存儲輸出、警報磁場異常。與傳統(tǒng)常用的機械指針羅盤相比，有許多顯著優(yōu)勢：表盤數(shù)字結合顯示，直觀準確。利用表盤顯示可以直觀地感受判斷出方向，結合數(shù)字精確顯示數(shù)字，有效地消除了讀數(shù)時產(chǎn)生的誤差，快速獲取產(chǎn)狀信息。本設備針對礦山地質產(chǎn)狀監(jiān)測進行針對性的算法編制和設計，根據(jù)現(xiàn)場地質狀況僅需一次測量即可得到有效數(shù)據(jù)，避免了冗雜的反復測量，減小了工作量同時提高了測量效率和精確度，激光指向測斜。利用激光指向測斜有助于精確標定、指向被測對象方位，有效降低了被測對象局部形變或對被測對象標定不準而出現(xiàn)的誤差。本設備兩側均有激光指向投線，若在測量時出現(xiàn)斷層或巷道異常等情況時可直接進行測量。此外，如需測量井下危險場所、無法進入?yún)^(qū)域或構造面不完全、不具備代表性等情況時，利用激光器顯示的線即可實現(xiàn)不接觸測量，保證了測量的精度。雙軸傾斜補償。利用雙軸傾角感應法補償原理對方位角進行測量，不需完全放置水平也可很精確地測出角度，有效地減小了操作難度和操作誤差。實時數(shù)據(jù)存儲與導出[3]。羅盤儀芯片可存儲最近測量出的120組結果，且含有較為詳細全面的信息及測量時間，便于先測量后統(tǒng)計計算。具有浮標法流量測量功能。磁干擾報警裝置。當所處測量環(huán)境中存在強磁場或有干擾磁場出現(xiàn)時儀器會自動發(fā)出警報，提示數(shù)據(jù)有錯誤，提醒用戶查找原因或離開干擾磁場。

3結論

本羅盤儀具有小巧便捷、高精度、本安防爆、便捷操作等顯著優(yōu)點，功能全面，經(jīng)在礦山、地質勘測考察中多次試驗使用后反映良好，具有很好的推廣價值。同時，對其他礦用測量設備的數(shù)字化設計也具有很好的參考意義。

參考文獻

[1]劉成維，孫輝光.地質羅盤儀磁偏角的設置[J].河北地質，2015（1）：45-47.

[2]徐磊.利用地質羅盤儀測量斷層產(chǎn)狀的誤差校正方法[J].數(shù)字化用戶，2014（8）：90-91.

[3]黃宏偉.羅盤儀在林業(yè)野外調查中的改進應用[J].林業(yè)勘查設計，2016（2）：103-104.

作者：岳晉平 單位：陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責任公司