[發明專利]地下工程施工過程中多通道聲發射監測系統及定位方法

有效

• 申請號: 201610034383.3
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105652315B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 李術才;許新驥;劉斌;王靜;張法業;隋青美;李堯;聶利超;劉征宇
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01V1/20
• 分類號: G01V1/20;G01V1/22;G08B21/10
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本發明涉及地下工程施工安全領域，特別涉及一種隧道等地下工程施工過程中的多通道聲發射監測系統和相應的聲發射震源點定位方法。

背景技術

在隧道等地下工程施工過程中，當開挖揭穿導水斷層、富水溶洞等含水構造時，可能引發突水災害，造成人員傷亡和財產損失，有時還會引起地表水干涸、地面塌陷等次生災害。我國是地下工程突水災害最為嚴重的國家之一，突水災害所造成的人員傷亡和經濟損失在各類地下工程地質災害中居于前列，給地下工程施工安全帶來重大安全隱患。因此，在地下工程施工期，如何提前預測突水災害的發生、并采取相應的預防措施是十分重要的研究課題。

地下工程突水事故發生時，隔水層首先遭到破壞，導致突水通道產生，進而引起突水災害。而突水通道的產生往往是由于巖體受到外力作用時產生應力集中、發生突發性破裂，在這一過程中，能量以應力波的形式釋放，此時會產生聲發射現象，聲發射信號中包含大量關于巖體受力變形破壞以及巖體裂紋活動的有用信息，能夠反映隔水層巖體的破壞情況。因此，通過聲發射手段對隔水層巖體進行實時監測，有助于及時發現突水前兆信息，為突水災害的預防提供技術支持。

在聲發射監測系統的發明中存在以下關鍵難題：

①聲發射信號遠距離傳輸和高速并行采集是關鍵難題；

②為實現聲發射震源點的實時定位需要在隧道邊墻上布置由多個聲發射傳感器構成的三維監測傳感器陣列，需要研制多通道聲發射數據自動化并行采集裝置，即多通道并行高速采集板；

③該設備需要實時測量三維傳感器陣列的大量數據，在保證采集實時性的前提下，同時進行實時聲發射震源點定位是一個亟待解決的難題，因此需要設計聲發射三維定位算法；

④該設備需要具備多通道聲發射信息實時采集和定位功能，包括聲發射信號強度、聲發射信號頻率、聲發射信號源具體位置、聲發射信號源分布情況等。

發明內容

本發明為了解決上述問題，提出了一種地下工程施工過程中多通道聲發射監測系統及定位方法，它性能穩定、靈敏度高、方便實用且能批量生產，能夠實時采集地下工程中聲發射震源產生的聲發射信號，并實時定位聲發射震源位置、計算聲發射信號強度，根據預先設置的聲發射信號報警閾值，發出報警信號。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種地下工程施工過程中多通道聲發射監測系統，包括：若干三維聲發射傳感裝置、多通道聲發射同步數據采集裝置、第一光電轉換器、光纖網絡交換機、第二光電轉換器和上位機；

所述若干三維聲發射傳感裝置分別與多通道聲發射同步數據采集裝置連接，所述多通道聲發射同步數據采集裝置通過第一光電轉換器與光纖網絡交換機連接，所述光纖網絡交換機通過第二光電轉換器與上位機連接；

所述三維聲發射傳感裝置分別布置在地下工程邊墻上，三維聲發射傳感裝置采集現場實時三維聲發射信號數據并傳送給多通道聲發射同步數據采集裝置，多通道聲發射同步數據采集裝置通過光纖網絡將接收到的實時三維聲發射信號數據發送至上位機；上位機實時顯示當前聲發射波形，并根據接收到的三維聲發射信號數據對現場聲發射震源進行實時定位。

進一步地，所述上位機與顯示器、打印機和報警裝置分別連接。

進一步地，所述多通道聲發射同步數據采集裝置包括：多通道同步數據采集單元、多通道聲發射信號調理單元和嵌入式工控機；

每一個所述多通道聲發射信號調理單元與對應的三維聲發射傳感裝置連接，所述多通道聲發射信號調理單元分別與多通道同步數據采集單元連接，所述多通道同步數據采集單元與嵌入式工控機連接。

進一步地，所述多通道聲發射信號調理單元包括：依次連接的靜電抑制電路、第一50HZ限波器、放大器、第二50HZ限波器、100HZ限波器和低通濾波器；

進一步地，所述多通道同步數據采集單元包括：若干同步數據采集模塊以及FPGA；所述同步數據采集模塊分別采集預期相連的多通道聲發射信號調理單元的信號，并將信號傳送至FPGA；所述FPGA控制同步數據采集模塊分別采集與其相連的多通道聲發射信號調理單元的信號，并將采集到的信號通過USB口傳輸給嵌入式工控機。

進一步地，所述三維聲發射傳感裝置包括：三維傳感器工裝以及分別固定在三維傳感器工裝上的聲發射傳感器；所述聲發射傳感器分別接收x軸、y軸、z軸三個方向上聲發射信號，并將其轉換成電壓信號，所述電壓信號通過同軸電纜接入多通道聲發射同步數據采集裝置。

進一步地，所述上位機內設置數據處理單元，包括：