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基于虚拟仪器的微震实时监测系统
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在详细介绍96路前端微震信号处理单元、PCI数据采集卡DAQ2208和LabVIEW平台下软件设计的基础上，提出了一种基于虚拟仪器微震实时检测的设计方案。
系统通过软、硬件技术结合，实现了对多路模拟量的微震信号采集及其先进的小波变换处理算法，充分发挥了虚拟仪器的优势，很好地完成了对微震的实时监测及分析。
随着社会与科学技术的发展，能源问题成了世界关注的焦点，而时常发生的煤矿矿难，使得矿区的安全问题成为了企业与政府关注的重点。这些事故的发生一般与开采后应力的重新分布引起的覆岩破裂有关系，岩石破裂会伴随产生强度较弱的地震波，称为“微震”。
微震安全监测系统是通过监测岩体破裂产生的震动或其他物体的震动，对监测对象的破坏状况、安全状况等做出评价，从而为预报和控制灾害提供依据。微震检测系统可广泛应用于矿山岩体破裂的定位监测，是预报矿山压力、矿井突水、煤与瓦斯突出、冲击地压的有效工具，也可根据监测到的岩体破裂的范围和程度，确定导水裂隙带高度、开采上限、巷道布置的合理位置等。因此，设计开发出一套安全有效的微震安全监测系统，成为当务之急。
目前，有的微震监测系统是基于DSP[1]或其他单片机的，其资源的有限性很难达到理想的采集效果，也难以完成先进算法的实现。本文设计的微震安全监测系统在工控机的基础上，通过96路PCI采集卡进行微震信号数据采集，同时利用LabVIEW软件强大的图形化编程能力以及灵活多样的数据处理功能，结合先进的小波变换等数字信号处理技术，完成微震信号的采集与滤波处理、记录分析等，从而可确定裂隙带的高度和空间位置，以反演出破裂源的空间位置和破裂时刻破裂源的性质，为矿山的地下安全检测提供可能。
1 系统组成
从地下深、浅层界面反射的微地震信号，其能量相差很大，由此系统设计了不同位置的96路采集点以保证把深、浅层反射的微地震信号都记录下来，以便确定震源位置，充分分析地质结构，将采集到的96路信号送给PC工控机进行数据处理与分析，如图1所示。
1.1 硬件总体设计
微震信号是一种低频微弱信号，它的主频率约为100Hz，本系统是基于LabVIEW平台下的微震信号采集与处理系统，它主要由微震检波器、前置放大器、低通滤波器、PCI数据采集卡、工控机组成。系统硬件组成原理如图2所示。
1.2 前置信号处理单元
系统的前置信号处理单元包括放大电路和滤波电路。
(1)放大电路
在一般信号放大的应用中，通常只要透过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路中变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个信号放大精确度的原因就更加复杂。仪表放大电路则无上述缺点。本文采用AD620仪表放大IC进行前端信号的放大处理。AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标;具有高共模抑制比、高输入阻抗、低功耗等优点，并且放大倍数只需要调节一个电阻就可设定，如图3所示。
(2)滤波电路
微震信号是低频信号，它的有效频率范围大约在 20Hz～300Hz之间，针对采集信号的特点，本文采用6阶巴特沃斯低通滤波器，如图4所示。考虑实际情况，调整电路中的电阻电容参数，将该滤波电路的截止频率设置为500Hz。
1.3 发爆器
地震发爆器是一种专用雷管引爆器，它不仅是要触发雷管，而且必须在触发雷管的同时发出一个爆炸信号传递到微震监测仪。爆炸信号标准电压一般为±5V。
本系统采用MFB-100防爆型煤矿专用发爆器。但是，该发爆器只能引发雷管，作为地震发爆器使用需要进行改造。图5是发爆器的改造原理图，其主要目的是从雷管触发电压输出端并联引出一路标准爆炸信号，作为系统开始微震信号采集的外部触发信号。
本文采用电阻分压法引出爆炸信号，优点是电路简单，计时比较准确。图5中R2为大功率限流电阻，R3为分压输出电阻，用以调节输出爆炸信号电压。
1.4 PCI采集卡DAQ2208
PCI 总 线 是一种高性能32/64位地址数据线复用的局部总线，可以支持多种外围设备，其设计独立于微处理器，为CPU及高速外围设备的通信提供了一座桥梁，提高了数据传输率。此外，PCI总线采用线性突发的数据传输模式，确保总线不断满载数据，完全兼容现有PC机软硬件能力。因此在CPU与高速缓冲存储器(Cache)、高速图像处理及高速数据采集等需要高速传输信息的场合得到了广泛应用。
在本系统中，为了实现96路模拟信号的输入，采用了AD-LINK公司生产的DAQ-2208系列PCI板卡进行设计与研究，完成数据采集。DAQ-2208具有96路模拟量输入接口，同步采样率达3MSps, A/D分辨率为12位，板卡上载有1K采样点A/D FIFO。另外该板卡附带有与LabVIEW接口的驱动程序，可以方便地在LabVIEW平台下实现对信号的实时采集与处理。
2 系统软件设计
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言。它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。本文应用美国NI 公司LabVIEW 系统开发平台并结合PCI数据采集卡(DAQ)，对微震信号进行实时采集和波形的再现和分析。由于LabVIEW 强大的数据处理能力、丰富的数据表达方式和高效率，有力地支持和加快了系统的研制速度。
监测系统的主要功能包括：
(1)通过PCI采集卡经由工控机实时监测微震信号随时间变化的过程，并将波形在PC机上显示。
(2)对采集信号进行数字处理。本系统采用小波变换的分析方法，将微震信号中带入的噪声滤除。
(3)显示和打印采集到的微震信号和分析获得的数据、图形，并存储归档。
系统的软件设计框图如图6所示。
根据上述虚拟仪器功能的需要，本系统程序包含以下模块：
(1)数据采集模块
信号的采集部分在整个程序中至关重要。其参数设置正确与否,直接影响到后面的分析、处理、显示等功能能否实现。LabVIEW本身提供了大量的控制对象，包含有专门用于设计数据采集程序和控制程序的功能库和开发工具库。其中，LabVIEW的数据采集程序库包括了许多NI公司数据采集卡的驱动控制程序，本文采用的就是NI公司的LabVIEW PnP 1.24驱动程序。
数据采集部分的参数设置主要包括：
①Device：用来控制PCI2208数据采集板在计算机内的初始化信息;
②Channels：用来设置所有定义的数据采集通道的工作情况;
③Scan Rate：用来控制系统的采样频率;
④Buffer Size：用来控制数据缓存区的大小;
⑤Trigger：用来控制采集卡开始采集的触发方式。
数据采集程序框图如图7所示。
(2)波形显示模块
该部分可选择时域信号显示或频域信号显示,可选择原始采集信号和消噪后的信号显示，还可根据需要进行线性或对数显示。
(3)数据存储读取模块
将通过PCI采集卡96路AI口采集来的信号存储到工控PC机上,本系统采用的是EXCEL文件存储，可以方便地将多路微震信号同时记录或保存到一个文件中，便于以后的波形再现和分析，也可以接打印机直接将数据或再现的波形打印出来，供将来对数据进行严密的后期分析。
图8是微震信号的波形数据存储和读取部分程序框图。
4)数据分析模块
这部分主要是针对采集的信号中带入的高频噪声的去除与原始信号的还原来进行的，本系统采用的是小波变换的分析方法。在基于LabVIEW平台下的小波去噪系统采用了以下三种消噪处理方法：
①强制消噪处理：将采集到的微震信号数据进行小波分解，把分解结构中的高频系数全部变为0，即把高频部分全部滤除掉，然后对信号进行重构处理。
②默认阈值消噪处理：对微震信号利用Matlab中默认阈值确定函数产生信号的默认值，对信号进行消噪处理，由系统产生的默认参数有：软硬阈值的选取、阈值的确定、信号低频部分的处理方式。
③自定义自动消噪处理：由默认产生的参数进行信号消噪有时不如根据经验获得参数消噪具有可信度，本文同时设计了利用Matlab中自动消噪函数来自定义确定消噪的参数,如:阈值选取规则、软硬阈值的选取、阈值的调整形式等。信号消噪的前面板的设计如图9所示。
本系统在LabVIEW平台下实现的小波算法是采用与Matlab接口的编程技术，通过在Matlab模块中编写消噪程序并发布COM组件，再通过LabVIEW引用其生成的COM对象，从而使开发复杂的先进算法的周期大大缩短，并且采用这种方法有效地保证了系统的信号分析的准确及可靠性。
本文设计的基于虚拟仪器的微震检测系统，信号处理功能强大，信息表达丰富、多样，人机界面友好，同时实时性好，准确性高，在实际应用中取得了很好的效果，在矿区的安全事业上有着广阔的应用前景。另外，系统的软件部分在LabVIEW上有很好的可扩展性，为系统的完善开发与设计提供了一个良好的平台。
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