矿用本安数字化地质罗盘仪的设计与应用

2018-09-18岳晋平

机械管理开发 2018年9期

岳晋平

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西寿阳 045400）

引言

地质罗盘仪是根据古代的指南针改进设计的，被广泛地应用于地质勘查、野外勘测等领域，也常被用于对矿井地质条件的分析。地质罗盘仪从最初发明应用到现在已经有上百年的时间，常规采用的均为指针式机械罗盘仪，这种仪器轻巧便携，但使用时存在操作麻烦、误差较大且测量效率低等显著问题。随着当前电子化、信息化的不断普及发展，传统的低效机械式罗盘仪已经很难满足工作需要，亟需与数字化进行结合改进[1]。目前，国内外已经有很多专家学者及研发机构在研究数字电子指南针，但对于地质常用的罗盘尤其是矿用本安型数字罗盘仪很少出现。基于此，根据多年的矿井地质工作经验和大量的试验，结合市场上现有的数字罗盘仪，研发出具有显著特色的矿用本安型数字地质罗盘仪。本罗盘仪已经过矿用设备检测检验中心防爆检测认证，并获得了煤安认证。

1 结构和原理

1.1 结构组成

本罗盘仪中电路设计结构图如图1所示，其核心数字控制主要由方位角及倾角信息采集处理部分、激光发射部分、存储控制部分、电源部分及显示部分五部分组合而成；罗盘仪的外观等整体设计主要包括LCD显示器、开关、按键、非金属壳体、激光发射指向区域等。

1）数字控制结构。方位角及倾角信息采集处理部分原理是A/D转换器对磁感应器、加速度感应器采集到的数据信息进行整理后传输到存储控制部分。磁感应器的地磁方向和激光发射的激光线一致，加速度感应器感应的X或Y轴与激光线一致或平行。

图1 电路设计结构图

2）外形结构。本地质罗盘仪采用非金属防静电外壳；设置可调亮度液晶LCD彩色显示屏；仪器右上方设开关按钮；右下角设置数据传输与充电一体孔，并设置防尘防水盖；仪器侧端设有激光指向发射孔，可发射激光辅助指向及倾角测量；仪器上方布置不同功能的按键区，使操作更加舒适便捷。

3）数字显示界面。显示界面结合了现有的数字罗盘优点及人们的使用习惯，使数字显示和界面仿真同步实现。例如方位角的显示设置类似于机械指针式，可以直观、形象地显示方位，为了更精确地描述，表盘旁边同时设有数值显示；在横纵两个侧边依次设置横滚和俯仰两个方向的刻度显示，实时显示当时的倾斜角度，同时也有数值显示，如下页图2所示。

1.2 工作原理

本地质罗盘仪的工作原理是利用磁阻传感器来感应测出地磁场变化。地磁场磁感线由南极指向北极，在赤道附近磁感线与地面平行，故北半球磁场沿地面倾斜走向。一般来说地磁场强度通常在0.4～0.6 A/m之间。地磁场是矢量，其可以分解为与水平平行及与水平垂直的两个分量。在测量时将电子罗盘与实际现场的水平面保持水平，则罗盘的磁力计中的三维轴即和空间中三个分量一一对应，三维空间中地磁场的坐标系矢量分解如图3所示。

图2 显示界面设计

图3 磁场矢量分解图

X，Y方向上的两个磁场分量矢量和方向总指向北方。α是指当前所处方向与磁场北方之间的夹角大小，也就是罗盘中所显示的航向角。在罗盘保持水平时，使用磁力计对X轴和Y轴的数据进行监测即可算出当前航向角的大小。随着罗盘在水平方向旋转，航向角也会在0°～360°之间调整变化，故根据公式（1）：

仅需知道在X，Y方向上的两个磁场分量值便可确定出方位角。但本式只有在仪器和当地水平面保持平行时才准确，若仪器有所倾斜，则计算出值准确性会受到很大影响。因此，为了减小倾角带来的误差影响，笔者对侧倾角度及俯仰角度利用双轴倾角感应器进行测量，罗盘感应到左右方向上倾角变化或前后方向角度变化，对数据进行采集并利用公式（2）进行转换计算，将其三个空间轴上的位置进行校正。

式中：Xr、Yr为转换后在水平位置的值；α为前后方向倾斜角度；β为左右方向倾斜角度。

对于在地质测绘领域使用的数字罗盘仪，必须至少含有可以测出地磁场数据的三轴磁力计和测量罗盘仪倾斜角度的三轴加速计，然后所采集的数据经过传感器传输到处理器终端。处理器对得到的磁场数据和空间重力分布数据进行处理和计算，得到最终精确方位角，如图4所示。此种方法大大减小了因罗盘仪倾斜造成的误差。

图4 双轴倾角感应法补偿原理

本文介绍的罗盘仪利用LSM305型芯片将上述加速传感器、磁力传感器、A/D转换器及处理器终端组合集成在一起。实现了低成本、小巧化的设计，只需一个小芯片即可实现数据的监测和输出。本芯片可以实现小于1 mm精度的测量[2]，在不使用时加速计自动变为睡眠模式，使用时自动唤醒，大大降低了能耗。同时，加速计上设置了可编程的中断接口，保证了后期的维护和更新。

2 性能特点

为了全面考察本数字化矿用本安地质罗盘仪各方面的性能是否合格，委托国家安全生产矿用设备检验中心对本设备进行监测，结果显示本设备测量方位角误差范围为1.8°，倾斜角度测量误差范围为0.1°～0.4°，完全可以达到地质工作者的使用要求。

本设备具有测量方位角、倾斜角、激光指向测斜、产状自动测量等多重功能，且具有时间、秒表，可以进行数据存储输出、警报磁场异常。与传统常用的机械指针罗盘相比，有许多显著优势：表盘数字结合显示，直观准确。利用表盘显示可以直观地感受判断出方向，结合数字精确显示数字，有效地消除了读数时产生的误差，快速获取产状信息。本设备针对矿山地质产状监测进行针对性的算法编制和设计，根据现场地质状况仅需一次测量即可得到有效数据，避免了冗杂的反复测量，减小了工作量同时提高了测量效率和精确度，激光指向测斜。利用激光指向测斜有助于精确标定、指向被测对象方位，有效降低了被测对象局部形变或对被测对象标定不准而出现的误差。本设备两侧均有激光指向投线，若在测量时出现断层或巷道异常等情况时可直接进行测量。此外，如需测量井下危险场所、无法进入区域或构造面不完全、不具备代表性等情况时，利用激光器显示的线即可实现不接触测量，保证了测量的精度。双轴倾斜补偿。利用双轴倾角感应法补偿原理对方位角进行测量，不需完全放置水平也可很精确地测出角度，有效地减小了操作难度和操作误差。实时数据存储与导出[3]。罗盘仪芯片可存储最近测量出的120组结果，且含有较为详细全面的信息及测量时间，便于先测量后统计计算。具有浮标法流量测量功能。磁干扰报警装置。当所处测量环境中存在强磁场或有干扰磁场出现时仪器会自动发出警报，提示数据有错误，提醒用户查找原因或离开干扰磁场。