一种三分量拾音系统的制作方法

本发明涉及煤矿安全生产的技术领域，具体涉及一种三分量拾音系统。

背景技术：

矿震是采矿诱发的矿井地震，矿震发生时，围岩迅速释放能量，煤岩被瞬间突然破坏，可形成强大的冲击气流，造成冒顶片帮，支架折断，巷道堵塞，地面震动，房屋损坏和人身伤亡等灾害。

近年来，微震监测技术得到了迅速发展，在国内外矿山中得到广泛应用，成为煤矿煤岩体能量监测的重要手段，然而目前的微震传感器不论是单分量传感器还是三分量传感器，其定位精度却很难进一步提高，无法实时有效地验证实时定位的准确程度。

技术实现要素：

针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种能够提高声音拾取精度和能量计算准确性的三分量拾音系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种三分量拾音系统，包括：三分量拾音传感器，以及与三分量拾音传感器通信连接的和处理装置；

所述三分量拾音传感器，用于获取相互垂直的三个方向上，煤岩体产生的微震信号；

所述处理装置，用于分析微震信号，识别波形数据，对煤岩体的微震类型进行判定，并输出预警信号。

优选地，所述处理装置包括：

数据库单元，用于建立微震事件数据库，所述的微震事件数据库包括：微震类型，以及与所述微震类型对应的波形数据，以及分别与所述微震类型和波形数据对应的应急预案；

识别单元，用于接收微震信号，分别记录每个方向上微震信号的多个波形周期数据；

计算单元，用于计算每个方向上微震信号的波峰能量值和波谷能量值，根据所述波峰能量值和波谷能量值，对微震事件发生的位置及能量进行计算，得到微震事件的三维坐标和能量分布；

匹配单元，用于根据微震事件的三维坐标和能量分布，提取微震数据库单元中的应急预案；

预警单元，用于发布应急预案。

优选地，所述三分量拾音传感器包括：

拾音探头，用于根据控制信号，采集相互垂直的三个方向上的声音信号；

信号处理模块，用于对所述拾音探头拾取的声音信号进行滤波、降噪、信号放大，输出修改后的有效语音信号；

控制模块，用于接收外部启停控制指令，使电源模块处于工作模式或低功耗模式，以及用于接收有效语音信号，将有效语音信号发送至处理装置；

电源模块，用于在低功耗模式下，为控制模块和通讯模块提供电源供给，以及用于在工作模式下，为整个拾音传感器提供电源供给；

通讯模块，与控制模块双向连接，用于负责整个拾音传感器的网路通信。

优选地，所述拾音探头包括：相互垂直设置在三个方向上的第一拾音部件、第二拾音部件和第三拾音部件。

优选地，所述电源模块包括：电源转换电路和电源启停控制电路，所述电源转换电路的输出入与外接电源输入接头相连，所述电源转换电路包括：5v电源输出端和3.3v电源输出端；

所述电源启停控制电路的输入端与控制模块的启停控制指令输出端相连，所述电源启停控制电路的控制端串接在5v电源输出端和3.3v电源输出端之间的连线上。

优选地，所述电源启停控制电路的电路结构为：包括：三极管q1和场效应管q2，所述三极管q1的基极分别与电阻r1的一端、电阻r2的一端相连，所述电阻r1的另一端与控制模块的启停控制指令输出端gpio1相连，所述电阻r2的另一端接地，所述三极管q1的发射级接地，所述三极管q1的集电极串接电阻r3后与电阻r4的一端、场效应管q2的g极相连，所述场效应管q2的s极与电阻r4的另一端、二极管d2的负极、电源启停控制电路的控制端相连，所述二极管d2的正极与场效应管q2的d极、电源转换电路的3.3v电源端相连。

优选地，所述电源转换电路的电路结构为：包括：芯片u1,所述芯片u1的输入端vin分别与5v电源输出端、电阻r6的一端、电容c1的一端、外接电源输入接头相连，所述电容c1的另一端接地，所述电阻r6的另一端与二极管d1的正极相连，所述二极管d1的负极分别与芯片u1的接地端、电容c7的一端、电容c8的一端连接后接地，所述电容c7的另一端分别与芯片u1的输出端out、电容c8的一端、电源启停控制电路的控制端相连。

优选地，所述芯片u1的型号为asm1117。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明一种三分量拾音系统，通过三分量拾音传感器获取相互垂直的三个方向上、煤岩体产生的微震信号，并通过处理装置识别波形数据的特征，根据波形特征，判定出微震类型，发布预警信号，极大的提高了井下作业的安全性；同时，本发明通过对三个方向上的声音信号进行拾取，不仅能够有效增加拾音传感器的拾音范围，也能够达到信号便于分解与合成的目的，提高了声音拾取的精度，实用性极强。

2、本发明结构简单，使用方便，在停产停工期间，控制模块接收到外部的停止指令，使所述的三分量拾音传感器的电源模块处于低功耗模式，电源模块为控制模块和通讯模块提供电源供给；当控制模块接收到外部启动指令时，控制模块输出一个控制信号，使电源模块转换为工作模式，为整个三分量拾音传感器提供电源供给；在工作模式下，拾音探头采集相互垂直的三个方向上的声音信号并发送至信号处理模块进行处理，所述的信号处理模块对拾音探头拾取的声音信号进行滤波、降噪、信号放大，输出修改后的有效语音信号，控制模块接收有效语音信号，将有效语音信号发送至地面播放设备供工作人员参考，通过控制模块能够在接收到外部启停指令后，控制电源模块的输出，为拾音探头和信号处理模块供电，能够有效降低三分量拾音传感器的功耗。

3、本发明中，电源转换电路通过输入接头j1输入+5v的电源为控制模块和通讯模块供电，电源转换电路将+5v的电源电压转换为3.3v的电压为拾音探头供电，其中：控制模块的启停控制指令输出端gpio1通过控制电源启停控制电路，进而控制电源转换电路的通断，实现了电源模块在工作模式和低功耗模式之间的切换。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种三分量拾音系统的电路结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的三分量拾音传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的三分量拾音传感器的电路结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的电源模块的电路原理图；

图5是本发明实施例三提供的拾音探头的电路原理图；

图中：1为三分量拾音传感器，2为处理装置，3为壳体；

11为拾音探头，12为信号处理模块，13为控制模块，14为电源模块，15为通讯模块；

21为数据库单元，22为识别单元，23为计算单元，24为匹配单元，25为预警单元；

31为出线孔，32为接线孔，34为线缆接头，35为安装基座，36为电路板；

111为第一拾音部件，112为第二拾音部件，113为第三拾音部件；

141为电源转换电路，142为电源启停控制电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

以下结合附图详细说明本发明的一个实施例。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种三分量拾音系统的电路结构示意图，如图1所示，一种三分量拾音系统，包括：三分量拾音传感器1，以及与三分量拾音传感器1通信连接的和处理装置2；

所述三分量拾音传感器1，用于获取相互垂直的三个方向上，煤岩体产生的微震信号；

所述处理装置2，用于分析微震信号，识别波形数据，对煤岩体的微震类型进行判定，并输出预警信号。

具体地，所述处理装置2包括：

数据库单元21，用于建立微震事件数据库，所述的微震事件数据库包括：微震类型，以及与所述微震类型对应的波形数据，以及分别与所述微震类型和波形数据对应的应急预案；

识别单元22，用于接收微震信号，分别记录每个方向上微震信号的多个波形周期数据；

计算单元23，用于计算每个方向上微震信号的波峰能量值和波谷能量值，根据所述波峰能量值和波谷能量值，对微震事件发生的位置及能量进行计算，得到微震事件的三维坐标和能量分布；

匹配单元24，用于根据微震事件的三维坐标和能量分布，提取微震数据库单元中的应急预案；

预警单元25，用于发布应急预案。

本实施例中，根据煤矿实际采矿工艺、地质条件，建立微震事件数据库，对煤矿开采活动先进行数值分析，作为微震监测的布置区域，所述微震监测中包括多个三分量拾音传感器1，每个三分量拾音传感器1均与设置在地面上的处理装置2通信连接，使地面工作人员能够及时的了解煤岩层的活动信息；本发明中的微震事件数据库，通过对波形数据、能量数据进行归纳，能够建立多种微震源的事件信息，以及每种微震源对应的应急预案，实现及时、有效的指导井下作业人员的撤离，安全性高。

具体地，本发明通过三分量拾音传感器获取相互垂直的三个方向上、煤岩体产生的微震信号，并通过处理装置识别波形数据的特征，根据波形特征，判定出微震类型，发布预警信号，极大的提高了井下作业的安全性；同时，本发明通过对三个方向上的声音信号进行拾取，不仅能够有效增加拾音传感器的拾音范围，也能够达到信号便于分解与合成的目的，提高了声音拾取的精度，实用性极强。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的三分量拾音传感器的结构示意图，图3是本发明实施例二提供的三分量拾音传感器的电路结构示意图；如图2、图3所示，在实施例一的基础上，一种三分量拾音系统，所述三分量拾音传感器1包括：拾音探头11，用于根据控制信号，采集相互垂直的三个方向上的声音信号；信号处理模块12，用于对所述拾音探头11拾取的声音信号进行滤波、降噪、信号放大，输出修改后的有效语音信号；控制模块13，用于接收外部启停控制指令，使电源模块14处于工作模式或低功耗模式，以及用于接收有效语音信号，将有效语音信号发送至处理装置2；电源模块14，用于在低功耗模式下，为控制模块13和通讯模块15提供电源供给，以及用于在工作模式下，为整个拾音传感器提供电源供给；通讯模块15，与控制模块13双向连接，用于负责整个拾音传感器的网路通信。

具体地，所述拾音探头11包括：相互垂直设置在三个方向上的第一拾音部件111、第二拾音部件112和第三拾音部件113。

本实施例中的三分量拾音传感器1还包括：壳体3，所述壳体3上设置有线缆接头34，所述拾音探头11设置在壳体3内；所述信号处理模块12、控制模块13、电源模块14、通讯模块15均设置在电路板36上；所述壳体3上对应第一拾音部件111、第二拾音部件112和第三拾音部件113的位置分别开设有第一透音孔、第二透音孔和第三透音孔；所述第一拾音部件111、第二拾音部件112和第三拾音部件113的接触面上设置有出线孔31，所述第一拾音部件111的出线端、第二拾音部件112的出线端、第三拾音部件113的出线端穿过出线孔31后与电路板36电连接；所述线缆接头34与壳体3之间设置有接线孔32；所述接线孔32与出线孔31相连通；所述电路板36的出线端穿过出线孔31后与接线头的一端电连接，所述线缆接头34的另一端与信号线33电连接。

本实施例中，所述壳体3为柱形结构，所述壳体3的底部设置有安装基座35，所述壳体3为不锈钢壳体，所述壳体3上设置有防尘透音网。

本实施例中，通过三个方向拾音部件的布置，使得信号处理模块12的声音信号存在一定的时延，所述的信号处理模块12能够把接收到的拾音探头11的声音信号进行频域转换，计算拾音部件号各个频率子带的相位差，并由相位差计算出各个拾音部件的相对延时；根据各频率子带的相对延时计算出拾音部件信号的入射角度；根据所述入射角度进行目标信号成分的统计，区分得到目标信号成分和噪声成分，从而对噪声进行滤除处理，通过三个方向拾音部件的布置，使得利用拾音部件直接得到声音的空间方位信息，充分利用方位信息更准确控制自适应滤波器的更新滤波，有效降低噪声同时很好的保护语音信号，提高三分量拾音传感器的拾音精度。

本实施例提供的三分量拾音传感器在使用时：在停工停产期间，控制模块13接收到外部的停止指令，使所述的三分量拾音传感器的电源模块14处于低功耗模式，电源模块14为控制模块13和通讯模块15提供电源供给；当控制模块13接收到外部启动指令时，控制模块13输出一个控制信号，使电源模块14转换为工作模式，为整个三分量拾音传感器提供电源供给；在工作模式下，拾音探头11采集相互垂直的三个方向上的声音信号并发送至信号处理模块12进行处理，所述的信号处理模块12对拾音探头11拾取的声音信号进行滤波、降噪、信号放大，输出修改后的有效语音信号，控制模块13接收有效语音信号，将有效语音信号发送至地面播放设备6供工作人员参考。

本实施例中，通过控制模块13能够在接收到外部启停指令后，控制电源模块41的输出，为拾音探头11和信号处理模块12供电，能够有效降低三分量拾音传感器的功耗。

本实施例中的信号处理模块12能够对拾音探头11拾取的声音信号进行滤波、降噪、信号放大，输出修改后的有效语音信号，便于后端设备对声音信号的处理，同时也增强了每个拾音单元的抗干扰能力。

实施例三

图4是本发明实施例三提供的电源模块的电路原理图，如图4所示，在实施例一的基础上，一种三分量拾音系统，所述电源模块14包括：电源转换电路141和电源启停控制电路142，所述电源转换电路141的输出入与外接电源输入接头相连，所述电源转换电路141包括：5v电源输出端和3.3v电源输出端；所述电源启停控制电路142的输入端与控制模块13的启停控制指令输出端相连，所述电源启停控制电路142的控制端串接在5v电源输出端和3.3v电源输出端之间的连线上。

具体地，所述电源启停控制电路142的电路结构为：包括：三极管q1和场效应管q2，所述三极管q1的基极分别与电阻r1的一端、电阻r2的一端相连，所述电阻r1的另一端与控制模块13的启停控制指令输出端gpio1相连，所述电阻r2的另一端接地，所述三极管q1的发射级接地，所述三极管q1的集电极串接电阻r3后与电阻r4的一端、场效应管q2的g极相连，所述场效应管q2的s极与电阻r4的另一端、二极管d2的负极、电源启停控制电路142的控制端相连，所述二极管d2的正极与场效应管q2的d极、电源转换电路141的3.3v电源端相连。

本实施例中，电源转换电路141通过输入接头j1输入+5v的电源为控制模块13和通讯模块15供电，电源转换电路141将+5v的电源电压转换为3.3v的电压为拾音探头供电，其中：控制模块13的启停控制指令输出端gpio1通过控制电源启停控制电路142，进而控制电源转换电路141的通断，实现了电源模块14在工作模式和低功耗模式之间的切换。

本实施例中，所述的三极管q1和场效应管q2起到了开关作用，其中：电阻r1和电阻r2能够起到限流作用，减少三极管q1受噪声的影响，当启停控制指令输出端gpio1为低电平时，三极管q1不导通，场效应管q2不导通，当启停控制指令输出端gpio1为高电平时，三极管q4导通、场效应管q5导通，电源电压转换为3.3v输出3.3v电源。

具体地，所述电源转换电路141的电路结构为：包括：芯片u1,所述芯片u1的输入端vin分别与5v电源输出端、电阻r6的一端、电容c1的一端、外接电源输入接头相连，所述电容c1的另一端接地，所述电阻r6的另一端与二极管d1的正极相连，所述二极管d1的负极分别与芯片u1的接地端、电容c7的一端、电容c8的一端连接后接地，所述电容c7的另一端分别与芯片u1的输出端out、电容c8的一端、电源启停控制电路142的控制端相连，所述芯片u1的型号为asm1117，所述的电容c7和电容c8为输出滤波电容，能够减小输出电压波纹并抑制asm1117的自激振荡。

图5是本发明实施例三提供的拾音探头的电路原理图，本实施例中，第一拾音部件111、第二拾音部件112和第三拾音部件113的结构相同，以第一拾音部件111为例，对第一拾音部件111的电路说明如下：

所述的第一拾音部件111包括：拾音mic_1和偏置电压电路，所述的拾音mic_1的vdd端分别与电容c11的一端、电容c12的一端、电阻r1的一端相连，所述电阻r1的另一端分别与电容c13的一端、第一拾音部件31的偏置电压输入端mic_bas1相连，所述电容c11的另一端并接电容c12的另一端、电容c13的另一端后接地，所述拾音mic_1的clk端串接电阻r12后与第一拾音部件31的输入端clk1相连，所述拾音mic_1的data端串接电阻r12后与第一拾音部件31的输出端data1相连，所述拾音mic_1的l/r端与电源转换电路431的3.3v电源端相连相连。

本实施例中，能够通过调节偏置电压电路来改变所述第一拾音部件31的输出幅度、调整第一拾音部件111的灵敏度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

可以理解的是，上述方法、装置及系统中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。

所述领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其他设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定的编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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