项目编号：2023TSGC0106
产业领域：高端设备
项目名称：深井地压灾害智能微震监测预警关键技术及装备研发与示范
企业名称：山东盛隆安全技术有限公司
合作单位：山东省科学院
主管部门：济南市科技局
起止年限： 2023-07 至2025-07
项目主要研究内容
本着突出重点、综合设计、分步实施的原则，紧密围绕微震监测预警的重大需求，抓住严重制约微震监测技术总体水平的重点、难点问题，以微震智能传感、震源精确定位、地压风险智能预警等关键问题为切入点，从以下三个方面设置了本项目的研究内容。（一）智能高性能微震传感器研发；（二）井地联合微震精确定位技术研发；（三）地压灾害风险智能判识与预警方法及应用。
课题1：智能高性能微震传感器研发
拟解决的关键技术问题主要包括：
- 高性能的微震传感与采集；
- 微震传感器的智能化。
课题研究内容主要包括：
- 智能高性能微震传感器研制；
- 微震传感器的智能化设计。
1）智能高性能微震传感器研制
拟研制的智能高性能微震传感器的整体结构如图 1所示，其主要由速度检波器、信号调理电路、ADC、ARM处理器、信号发生器、MEMS加速度计、存储器、PTP从时钟、以太网交换机(带POE)、供电单元以及看门狗电路等部分构成。检波器包含有低频和高频两种类型，保证了深层、浅层微震信号的探测能力。传感器可搭配单分量或三分量检波器。三分量检波器相比单分量检波器可感知更丰富的震动波信息，有利于微震事件震源机制准确分析和微震事件定位精度的提高。传感器配置了独立的硬件看门狗，为系统提供了极高的可靠性,即使系统死锁,也可以及时的自动恢复系统。
根据井下和地面的应用环境，传感器配套的监测分站内部配置有所区别。井下应用时，监测分站仅需要光纤交换机（带POE）和供电单元，其完成多个传感器节点的数据通讯和远程供电。地面应用时，监测分站需要配置4G/5G路由器，GPS/北斗模块以及太阳能电池管理单元，其完成GPS授时、无线通讯和太阳能供电。整个网络时钟同步采用PTP技术，其原理为：PTP主时钟接收GPS/北斗授时器发出的串口时间信息及1PPS，并转化为IEEE-1588协议数据包；PTP从时钟可从局域网络中解析IEEE 1588协议数据包，恢复串口时间信息和1PPS，精度可达亚微秒级，确保各采集分站同步工作，从而减小处理器在对信号采集过程中的准确记录波形的到达时刻的时间误差。
2）微震传感器的智能化设计
在智能化方面，微震传感器应具有智能调平、自校准（如幅频特性、传递函数）、自诊断以及状态的实时监测等功能。为此传感器内部需要配置倾角传感器进行传感器姿态的精确实时测量并开发辅助调平软件，显示传感器当前姿态并给出调整方案辅助用户进行调平。此外，传感器还配置了信号发生器，采用交流激励法实现传感器的在线标校和传感器状态的自我监测和反馈。
a）传感器智能调平
利用MEMS加速度计对检波器姿态进行原位测量（见图 2），其结果输出至手持仪表显示和存储，以供安装误差校准和辅助调平之用。
b）传感器在线测试
采用交流激励法实现传感器的在线测试，图 4为测试电路示意图。正弦扫频信号由高精度信号源提供，以固定电阻的端电压作为输入，检波器信号作为输出，测试其幅频特性。
检波器的特性参数有固有频率 f0、阻尼比 Bt、灵敏度G和直流电阻r等，这些参数都可通过对测量的幅频响应函数进行曲线拟合获得。拟合以公式（1）为目标函数，利用最小二乘法实现
式中，r 和 L 为检波器等效直流电阻和电感，
在信号源扫频测量时，采集得到U0和 UADC，还可以得到信号调理电路的传递函数
除了可以验证系统是否被正确的建模和设计，还可以跟踪检波器到微震波形中的信号转换。
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