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!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389在煤矿安全生产领域，随钻轨迹测量仪是钻探过程中验证钻孔是否按照预计轨迹进行钻进的重要仪器。目前大多钻孔轨迹仪使用磁阻或磁通门传感器来测量地球磁场参数，使用加速度计测量地球重力场参数，得到钻孔+个重要参数：倾角和方位角，从而计算出钻孔轨迹。这种测量方式电路较为复杂，功耗较高:,;+。为此针对煤矿井下特殊的使用条件，采用基于磁感式传感器和(=(.加速度传感器的硬件系统，并对仪器低功耗测量模式进行研究。,!#$,$,硬件系统组成设计的轨迹测量仪硬件系统主要由防爆手机和测量单元构成。工作时，先将防爆手机与测量单元通过蓝牙连接并进行同步，之后将测量单元安装在钻机前端。在钻机钻进过程中，测量钻进轨迹的倾角、方位角和工具面向角，防爆手机上的轨迹测量软件记录测点的有效性。钻进结束后，测量单元重新通过蓝牙与手机连接，将测量数据传输至手机进行计算和显示。,$+测量单元轨迹仪测量单元的主要功能是在钻进过程中采集磁传感器和加速度传感器的模拟信号。测量单元总体结构如图,。?@A,&$,BBCDEF$G3H2$IH5J$+&,-$&%$&+K%&’()*+,-./0宫浩（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安D,&&DD）摘要：设计了一种基于磁感传感器和(=(.加速度传感器的矿用随钻轨迹测量仪，重点论述了轨迹仪测量单元的设计，给出了利用磁传感器和加速度传感器测量地球磁场和重力场的测量方案。对仪器低功耗模式进行了研究，论述了采用实时时钟芯片对单片机校时的设计方案。通过精度检测试验和应用实例，证明了随钻轨迹测量仪具有精度高、功耗低、体积小的特点，完全满足实际钻探工艺中对钻孔轨迹测量的要求。关键词：钻孔测量；数据采集；磁感式传感器；加速度传感器；低功耗中图分类号：LKD-文献标志码：M文章编号：,&&B;C-KN（+&,-）&%;&,&%;&C!#$#%&’()*+,-.(/&01%2-&34%0)*&.(56()-&*+%(-78.9%:&.99.(5.(;.(%O?’OP5（!#$%!&%’()*$&’&+,%$-.$+#$))/#$+0/&123#’%$4)5)%/*6$57#717)83#’%$D,&&DDQ!#$%）=)-&02-R1S5F8G1S*I859TS23U2391STI831VSI238WX268YS26623Z[598Y3I5U3812G9839S53Y(=(.5GG868S51239839S29Y892U38YQ1\8Y892Z3VI859TS23ZT321V1S5F8G1S*I859TS23Z2391STI83129I5236*Y29GT998Y$L\8I859TS23Z9G\8I8VI859TS23Z85S1\I5Z3812GV286Y53YZS5]21*V286Y[*T923ZI5Z3812G9839S53Y5GG868S51239839S29Z2]83$LX86W^W8SG39TI^173IY8V1X87391STI8317991TY78YQ53Y1X8Y897Z39GX8I8V17I8G567[S5173[*T973ZS856;17I8G6GHGX7^79Y79GT998Y$LXSTZX^S8G7973189153Y5^^67G51738_5I^689Q7179^S]8Y1X511X81S5F8G1S*I859TS73Z7391STI831X591X8GX5S5G18S7917G9VX7ZX^S8G7973Q6W^W8SG39TI^17353Y9I56697‘053aG53/T66*I0011\0S0JT2S0I0319/aS26623U1S5F0G1S*I059TS0I031235G1T56aS26623U10G\36U*$?%3#&@)aS26623UI059TS0I031ba5155GJT292123bI5U3012G9039Sb5GG060S51239039Sb6W^W0SG39TI^123图,测量单元总体结构,&%!!第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%图:加速度传感器电路图8磁传感器电路方位角测量选用:个;6公司的&=6单轴磁感式传感器配合:1’?.采集芯片采集地磁场信息。磁感式传感器感应量与平行于传感器测量轴的磁场成比例关系，驱动的振荡电路的频率则会随环境磁场的不同发生变化，通过测量特定个数振荡周期的时间，就能够推导出被测磁场的大小@:A。设计时尽可能近地布置:个单轴传感器，可减小磁场梯度的影响。传感器相互垂直构成一个标准的正交系，可减小安装误差。同时，每只传感器都连接有偏置电阻，有效降低了各轴传感器灵敏度和放大电路特性不完全相同引起的测量误差@BCDA。磁传感器电路如图8。倾角和工具面向角测量是通过三轴1=1&加速度计感知重力场实现的@EA。采用的加速度计为模拟量输出，其测量范围为!8!，每!灵敏度系数为!D9F3，非线性度为97$GH&，工作电压范围为84I:4:3。并且其内部对外部温度变化和电压波动引起的偏差进行了补偿。同时配合JD位KL转换芯片将加速度计输出的模拟量转换为数字量输入至单片机进行计算。加速度测量电路如图:。$4:防爆手机及测量软件轨迹测量仪采用防爆手机作为测量主机，由普通智能手机改造而来，通过将手机电源部分本安化，并进行三防改造，从而达到适用于煤矿井下使用的目的。轨迹测量软件基于安卓系统，采用M’N’语言进行编写。软件采用模块化编程思路，通过手机蓝牙与测量单元通讯后，可实现对测量单元检测、测量、绘图等功能。J7B本安电源电路由于仪器使用环境为煤矿井下含有甲烷、煤尘爆炸等危险场所，因此，必须对仪器的供电电源电路进行防爆设计@IC%A。设计时，对电源部分采用双重限流保护措施，采用8片O公司的O;&8!!:CJ可调节限流配电开关串联。电流调节范E!J:99FK，工作电压范围为87!D7!3，并具有过流响应速度快、输入L输出电压反向保护、内置软启动功能等特点@J9A。根据防爆要求P设计的电源保护电流为$K。本安电源电路如图B。8!#$%&’()*钻孔轨迹测量仪采集单元软件系统开发环境为Q=R1Q，主要完成的功能包括：定时同步采集、连续采集以及数据传输。由于煤矿井下钻孔施工时，单个钻孔施工时间较长，因此，对仪器的续航能力提出了更高要求；另一方面，由于钻孔内部空间狭小，因此要求仪器的体积和质量尽可能小。基于上述8点原因，钻孔轨迹仪采用单节锂电池作为采集单元电源，最大限度地降低了仪器的体积。与此同时，对仪器的低功耗模式进行了研究，最大限度降低了仪器工作时的功耗。具体思路为：在钻机钻进过程中，使单片机进入休眠状态，此时采用单片机内部SO.J9D!!!#$%&’$%()*+&,-第%&卷第%期+&,-年%月.)/01*23456(7389图:本安电源电路图%软件系统流程图时钟进行休眠计时；当到达测量点时刻前，唤醒单片机，进行数据采集。但是由于.;(+=,&内部低速时钟.?时钟频率误差较大（约为:&@AB）C,,D，因此，休眠时间无法精确计算，这就造成了测量时间与同步规定时间不一致，从而造成测量点并未按照规定时刻测量的情况。针对该问题的解决方法是：在测量单元中加入实时时钟芯片E.+,，该芯片&!F:&范围内时钟精度为#+$,&GH，完全满足仪器需求。同时该芯片还具有可编程方波输出接口以及通用?+4接口，使电路设计变得更加简洁。这样，在仪器测量时，采用可编程方波输出接口输出,AB方波，进行计时；由于单片机休眠时，时钟芯片正常供电，因此，单片机唤醒后，利用?+4总线读取当前时刻，对单片机进行校时，这样就避免了由单片机内部时钟不准带来的时间误差。低功耗模式下，仪器整机功耗由原来:&IJ降低为+&IJ，单次使用时间由原来%K提升至L%M。软件系统流程图如图%。!#$$,精度检测试验精度检测试验包括标定过程和检验过程+个部分。首先将测量单元管固定在标定台上，按照标定软件规定的倾角、方位角和工具面向角进行旋转，标定完成后将标定软件计算出的测量参数通过串口传入测量单元并进行存储，完成标定过程C,+N,%D。标定过程中，每旋转至一个点，通过标定软件读取测量单元在该点的实际测量值与标准值进行对比，验证仪器测量精度。标定点数为L+点，标定完成后计算出标定系数并下载。检验过程为：将标定台在倾角N-&%&-&%，方位角&%&H&%范围内，每隔,&%进行旋转，将仪器实际测量值与标定台标准值进行对比。经测试，倾角误差绝对值最大为&$%，方位角误差绝对值最大为&$OO%，测量精度到达设计要求。$+应用实例+&,O年%月该仪器在山西晋能集团某矿进行了现场工业性试验。钻进时钻机搭载随钻轨迹测量仪，矿方提前对钻孔开孔坐标用全站仪进行了测量，钻孔开孔倾角,$H%、方位角:-%，钻孔进尺+&I。钻孔施工完成后，将测量数据传入计算和显示软件，得到实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹。经测试，实钻终孔位置为倾角N+$&L%，方位角为%H$,-%，与设计终孔位置存在明显偏差。其中左右偏差,$H-I，上下偏差N&$%+I。证明该仪器对钻探施工起到了指导性作用。:#%论述了基于磁感传感器和(P(.加速度传感器的矿用轨迹测量仪的研制，包括硬件测量单元和软件系统，对仪器的低功耗模式进行了研究。试验表明，研制的轨迹测量仪具有精度高、功耗低、稳定性好的特点，可对实际钻进过程给出有效地评价，,&L!!第!卷第!期#$%年!月&’()*+,-./’01,-)23/04!56/7!1’+89$%下一个准运行的压风机。当前设置出口压力低于4:1;’时，每隔!!=,-周期性巡检，启动$台准运行压风机，当运行压风机出口压力超过94%1;’时，自动执行停止压风机程序。因压风机不固定，根据生产需求随时移动，可在上位机上参数设置压风机台数，自动组合联动控制，从而达到区域联动控制效果。?!采用区域联动控制，对重庆能源投资集团公司永荣矿业有限公司中心桥煤矿矿井综合自动化系统中的压风机监控系统进行自动化改造@基于;A.单片机为核心的BCD889控制器，选用西门子EA6..为上位机软件核心F并且利用工业以太网平台进行数据通信F实现了矿用压风机系统的远程监测与控制@区域联动控制为实现无人值守，有人巡检的压风机监控系统提供了安全可靠、节能的保障。#$%&’［］唐超礼，黄友锐，凌六一#煤矿压风机监控系统的设计与实现［$］#煤炭工程，%&&’（(）：&)*&+［%］汪芬，陈永生，张寿明+基于,-.和组态王的煤矿压风机监控系统［$］+煤矿机械，%&&’，%)（）：/0*//+［1］胡峰，薛彦波，曾祥林+基于,-.的压风机在线监控系统研究［$］+能源与环保，%&’（2）：/(+［(］张喜萍+煤矿压风机自动控制系统的应用研究［$］+中州煤炭，%&0（%）：)0*))+［2］王勇+基于远程监控的压风机自动运行系统研究［$］+中州煤炭，%&0（%）：’/*)+［0］金敏+基于,-.和345..的压风机组自动控制系统［$］+煤矿机械，%&1，1(（%）：%0*%’+［/］张威+煤矿压风机远程监控系统设计［$］+现代商贸工业，%&2，10（%）：%&1*%&(+［’］张建荣+基于6789:;通信方式的煤矿压风机集控系统优化研究［$］+煤炭技术，%&2，1(（/）：%’*%%&+［)］李晓光+关于,-.的煤矿压风机自动控制系统［$］+机械管理开发，%&0（’）：)0*)’+［&］王卫东，田金云，张成联+基于/*1&&,-.的煤矿压风机控制系统［$］+矿山机械，%&&（%）：12*1/+!!!!!!()*+’谭成（)’1—），重庆人，工程师，硕士，%&%年毕业于重庆大学，主要从事煤矿仪器仪表及自动化技术的研究工作。（收稿日期G89$HI9%JK；责任编辑G李力欣）（上接第$5?页）后期结果成图后可反映出实际钻进轨迹。#$%&’［］马学东，吴傍斌，林培立，等+基于,54传感器的电子指南针［$］+电子设计工