一种基于声波共振腔频率变化率的瓦斯积聚探测装置及方法

本发明涉及一种基于声波共振腔频率变化率的瓦斯积聚探测装置及方法，属于矿山安全监测技术及气体传感领域。

背景技术：

1、我国煤矿开采松软低透气性高瓦斯煤层约占60%，瓦斯（主要成分为甲烷ch4）灾害危及我国大部分矿区，瓦斯（主要成分为甲烷）积聚是煤矿井下重大安全隐患之一。当瓦斯浓度达到一定阈值时，遇明火即可能引发爆炸事故，严重威胁矿工生命安全和矿井生产安全，其中瓦斯异常涌出或喷出因具有突发性、短时性、强度大的特点，如何在煤矿安全生产过程中更加有效的安全监测预警，进而降低瓦斯灾害，防患于未然，对瓦斯积聚过程的快速、准确探测提出了极高要求。

2、目前，煤矿井下常用的瓦斯探测技术主要包括催化燃烧式、红外吸收式、热导式及光干涉式等，这些以静态测量瓦斯浓度为主的探测技术存在着一定的缺陷：催化燃烧式探测响应时间通常≥5s，且易受井下高湿、高尘、硫化物干扰，无法快速捕捉瞬态瓦斯涌出；红外吸收式探测精度较高，设备成本较高，光学镜片易受粉尘污染导致性能衰减，吸收弱，需要对光源进行调制成本高，设备复杂；热导式的瓦斯探测仅适用于高浓度瓦斯区域，低浓度时输出小，零点漂移难控制，受水蒸气和二氧化碳气体的影响较大，也无法满足低浓度瓦斯瞬态涌出的探测需求。历史无数次瓦斯事故数据再次表明，瓦斯积聚引起异常涌出或突出现有的仪器及技术难以及时探测，检测到超限报警为时已晚，因此，发展动态快速响应的瓦斯积聚探测装置与方法具有重要的科学意义和经济应用前景。

3、声学共振传感技术因其响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，已逐步应用于气体检测领域，与传统瓦斯探测方法相比，声学共振法具备毫秒级响应的潜力，尤其适合用于捕捉气体瞬态释放和动态变化过程。

4、因此，研发一种快速响应、动态测量能力强、精度高的瓦斯积聚探测装置与方法，在瓦斯灾害防控方面具有广阔的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于声波共振腔频率变化率的瓦斯积聚探测装置及方法，该方法适用于煤矿井下采掘工作面、巷道、采空区等区域的瓦斯涌出、异常涌出、喷出以及突出实时监测与快速预警，可广泛应用于各类高瓦斯、突出矿井的安全生产监测工作，尤其适用于瞬态、突发瓦斯涌出事件的快速捕捉。

2、本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于声波共振腔频率变化率的瓦斯积聚探测装置，包括开放直通式声波共振腔模块、信号发生与驱动模块、信号采集处理模块；

3、包括开放直通式声波共振腔模块、信号发生与驱动模块、信号采集处理模块；

4、所述开放直通式声波共振腔模块包括共振腔体、扬声器和微音器，所述微音器安装于共振腔体的内腔中心处，所述扬声器安装于微音器轴对称处，用于在腔体内建立驻波场和检测声波共振信号；

5、所述信号发生与驱动模块包括依次电连接的微处理器、d/a转换器、信号发生器和功率放大器；所述扬声器与功率放大器电连接；

6、所述信号采集处理模块包括依次电连接的信号放大器、带通滤波器和a/d转换器，所述a/d转换器与微处理器电连接，所述信号放大器与微音器电连接；

7、所述微处理器用于控制发射声波信号、采集接收信号、执行快速傅里叶变换、解算实时共振频率，并执行频率变化率算法，调用预先建立的瓦斯积聚与共振频率变化率表征关系，实现瓦斯积聚动态监测。

8、进一步的技术方案是，所述共振腔体为圆柱形管状直通腔体，其圆柱形管状直通腔体由不锈钢、纯铜或聚四氟乙烯中的一种材料制成。

9、进一步的技术方案是，所述共振腔体内壁设有防积尘防吸附复合涂层；

10、进一步的技术方案是，该装置还包括与微处理器电连接的报警与输出单元。

11、一种基于声波共振腔频率变化率的瓦斯积聚探测方法，具体包括以下步骤：

12、s1、激励信号生成与驱动：信号发生与驱动模块生成覆盖共振腔共振频率的宽频激励信号，驱动共振腔内的扬声器产生声波，使腔体处于共振状态；

13、s2、信号采集与处理：信号采集处理模块通过微音器采集共振腔内共振响应信号，并进行放大、滤波和模数转换；

14、s3、共振频率求解：微处理器对共振响应信号依次进行快速傅里叶变换（fft）和3阶相位差分算法解算当前时刻的共振频率；

15、s4、构建时间序列数据：计算共振频率随时间的变化率；

16、s5、动态频率变化率获取：对共振频率随时间的变化率进行高通滤波处理，滤除低于预设截止频率的低频分量，得到去噪后的动态频率变化率；

17、s6、瓦斯积聚趋势判定：微处理器将动态频率变化率与预设的瓦斯积聚变化率阈值进行比较，判定发生瓦斯积聚趋势，分级触发预警信号；

18、s7、输出分级报警：根据不同瓦斯普通涌出、异常涌出或喷出以及突出对应状态，分级报警。

19、进一步的技术方案是，所述步骤s3中提取共振频率的过程为：以fft变换得到的频谱为基础，在覆盖共振腔本征共振频率的一定范围内搜索最大谱峰，输出峰值频率及相位，然后，利用3阶相位差分算法和频谱相位差信息对初估计共振频率进行精细校正，提高共振频率的测量精度，为后续变化率计算提供更高精度的频率序列。

20、进一步的技术方案是，所述s4中变化率的计算公式为：

21、

22、式中：为采样时间间隔；为当前时刻的共振频率；为前一时刻的共振频率；为共振频率随时间的变化率。

23、进一步的技术方案是，所述采样时间间隔的取值范围为0.01s至1s。

24、进一步的技术方案是，所述步骤s5中截止频率设定依据为：矿井环境温度自然漂移和干扰噪声最高频率的分量与瓦斯积聚事件的特征频率分量之间的频段带宽。

25、进一步的技术方案是，所述步骤s6中所采用的逻辑判据为：

26、当动态频率变化率≤瓦斯积聚变化率阈值，维持常规报警或降低报警优先级；

27、当2倍瓦斯积聚变化率阈值≥动态频率变化率＞瓦斯积聚变化率阈值，发出瓦斯积聚趋势预警，提示瓦斯浓度正在快速上升；

28、当3倍瓦斯积聚变化率阈值≥动态频率变化率＞2倍瓦斯积聚变化率阈值，发出紧急超限报警，提示瓦斯正快速涌出；

29、当动态频率变化率≥3倍瓦斯积聚变化率阈值，发出紧急超限报警，提示瓦斯异常涌出、喷出或突出。

30、进一步的技术方案是，所述方法还包括对表征关系模型进行实时校准的步骤：定期采集煤矿现场的瓦斯浓度数据，结合对应共振频率及其变化率，对微处理器控制模块内预存的表征关系模型进行修正，进一步提升瓦斯积聚探测精度，确保装置长期稳定工作。

31、进一步的技术方案是，所述方法还包含环境突变噪声的剔除：当接收信号的远远大于预设值时，根据系统预设的阈值，判断是否为干扰信号，并进行剔除，防止突发噪声引起的误判。

32、进一步的技术方案是，所述方法还包含气体交叉敏感判断：当二氧化碳或其他气体的快速涌出时，会引起共振频率基频的负相关变化，根据甲烷基频正相关变化情况判定气体交叉敏感并剔除干扰。

33、本发明具有以下有益效果：

34、1、结构简单：采用直通式和内壁喷涂不沾层的开放共振腔设计，气流自由进出，气体更新快，无复杂密封结构，耐冲击、耐振动，适合井下恶劣环境，且不易因积尘堵塞而失效，本质安全，长期运行维护简单。

35、2、响应快：利用声学共振的瞬时响应特性，通过fft、频谱拟合与高阶相位差分算法，结合嵌入式微处理器的快速运算能力，实现了共振频率及其变化率的毫秒级测量，与现有催化燃烧式、红外吸收式探测技术，响应速度提升至少一个数量级。

36、3、动态实时感知：与现有技术测量静态瓦斯浓度相比，本发明重点关注瓦斯动态变化趋势，能够实时捕捉瓦斯积聚动态信息，实现动态测量。

37、4、抗干扰能力强：利用共振频率变化率时间微分算法，能够滤除温度、压力漂移和缓慢气压波动的影响，无需复杂的恒温控制或额外的补偿气室，结合共振频率的物理隔离和阈值剔除算法，实现软硬件一体化抗干扰。

38、5、智能场景识别：逻辑判据能有效区分背景高浓度（频率变化率为0，不触发趋势报警）和瓦斯浓度突变（频率变化率大，触发报警），解决了传统静态浓度测量方法在瓦斯浓度快速变化时因响应滞后难以及时报警的难题。