礦用本安數(shù)字化地質(zhì)羅盤儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

岳晉平

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

地質(zhì)羅盤儀是根據(jù)古代的指南針改進(jìn)設(shè)計(jì)的，被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)勘查、野外勘測(cè)等領(lǐng)域，也常被用于對(duì)礦井地質(zhì)條件的分析。地質(zhì)羅盤儀從最初發(fā)明應(yīng)用到現(xiàn)在已經(jīng)有上百年的時(shí)間，常規(guī)采用的均為指針式機(jī)械羅盤儀，這種儀器輕巧便攜，但使用時(shí)存在操作麻煩、誤差較大且測(cè)量效率低等顯著問題。隨著當(dāng)前電子化、信息化的不斷普及發(fā)展，傳統(tǒng)的低效機(jī)械式羅盤儀已經(jīng)很難滿足工作需要，亟需與數(shù)字化進(jìn)行結(jié)合改進(jìn)[1]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多專家學(xué)者及研發(fā)機(jī)構(gòu)在研究數(shù)字電子指南針，但對(duì)于地質(zhì)常用的羅盤尤其是礦用本安型數(shù)字羅盤儀很少出現(xiàn)。基于此，根據(jù)多年的礦井地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)，結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有的數(shù)字羅盤儀，研發(fā)出具有顯著特色的礦用本安型數(shù)字地質(zhì)羅盤儀。本羅盤儀已經(jīng)過礦用設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心防爆檢測(cè)認(rèn)證，并獲得了煤安認(rèn)證。

1 結(jié)構(gòu)和原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本羅盤儀中電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其核心數(shù)字控制主要由方位角及傾角信息采集處理部分、激光發(fā)射部分、存儲(chǔ)控制部分、電源部分及顯示部分五部分組合而成；羅盤儀的外觀等整體設(shè)計(jì)主要包括LCD顯示器、開關(guān)、按鍵、非金屬殼體、激光發(fā)射指向區(qū)域等。

1）數(shù)字控制結(jié)構(gòu)。方位角及傾角信息采集處理部分原理是A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)磁感應(yīng)器、加速度感應(yīng)器采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理后傳輸?shù)酱鎯?chǔ)控制部分。磁感應(yīng)器的地磁方向和激光發(fā)射的激光線一致，加速度感應(yīng)器感應(yīng)的X或Y軸與激光線一致或平行。

圖1 電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2）外形結(jié)構(gòu)。本地質(zhì)羅盤儀采用非金屬防靜電外殼；設(shè)置可調(diào)亮度液晶LCD彩色顯示屏；儀器右上方設(shè)開關(guān)按鈕；右下角設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸與充電一體孔，并設(shè)置防塵防水蓋；儀器側(cè)端設(shè)有激光指向發(fā)射孔，可發(fā)射激光輔助指向及傾角測(cè)量；儀器上方布置不同功能的按鍵區(qū)，使操作更加舒適便捷。

3）數(shù)字顯示界面。顯示界面結(jié)合了現(xiàn)有的數(shù)字羅盤優(yōu)點(diǎn)及人們的使用習(xí)慣，使數(shù)字顯示和界面仿真同步實(shí)現(xiàn)。例如方位角的顯示設(shè)置類似于機(jī)械指針式，可以直觀、形象地顯示方位，為了更精確地描述，表盤旁邊同時(shí)設(shè)有數(shù)值顯示；在橫縱兩個(gè)側(cè)邊依次設(shè)置橫滾和俯仰兩個(gè)方向的刻度顯示，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)時(shí)的傾斜角度，同時(shí)也有數(shù)值顯示，如下頁圖2所示。

1.2 工作原理

本地質(zhì)羅盤儀的工作原理是利用磁阻傳感器來感應(yīng)測(cè)出地磁場(chǎng)變化。地磁場(chǎng)磁感線由南極指向北極，在赤道附近磁感線與地面平行，故北半球磁場(chǎng)沿地面傾斜走向。一般來說地磁場(chǎng)強(qiáng)度通常在0.4～0.6 A/m之間。地磁場(chǎng)是矢量，其可以分解為與水平平行及與水平垂直的兩個(gè)分量。在測(cè)量時(shí)將電子羅盤與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的水平面保持水平，則羅盤的磁力計(jì)中的三維軸即和空間中三個(gè)分量一一對(duì)應(yīng)，三維空間中地磁場(chǎng)的坐標(biāo)系矢量分解如圖3所示。

圖2 顯示界面設(shè)計(jì)

圖3 磁場(chǎng)矢量分解圖

X，Y方向上的兩個(gè)磁場(chǎng)分量矢量和方向總指向北方。α是指當(dāng)前所處方向與磁場(chǎng)北方之間的夾角大小，也就是羅盤中所顯示的航向角。在羅盤保持水平時(shí)，使用磁力計(jì)對(duì)X軸和Y軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可算出當(dāng)前航向角的大小。隨著羅盤在水平方向旋轉(zhuǎn)，航向角也會(huì)在0°～360°之間調(diào)整變化，故根據(jù)公式（1）：

僅需知道在X，Y方向上的兩個(gè)磁場(chǎng)分量值便可確定出方位角。但本式只有在儀器和當(dāng)?shù)厮矫姹３制叫袝r(shí)才準(zhǔn)確，若儀器有所傾斜，則計(jì)算出值準(zhǔn)確性會(huì)受到很大影響。因此，為了減小傾角帶來的誤差影響，筆者對(duì)側(cè)傾角度及俯仰角度利用雙軸傾角感應(yīng)器進(jìn)行測(cè)量，羅盤感應(yīng)到左右方向上傾角變化或前后方向角度變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并利用公式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，將其三個(gè)空間軸上的位置進(jìn)行校正。

式中：Xr、Yr為轉(zhuǎn)換后在水平位置的值；α為前后方向傾斜角度；β為左右方向傾斜角度。

對(duì)于在地質(zhì)測(cè)繪領(lǐng)域使用的數(shù)字羅盤儀，必須至少含有可以測(cè)出地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的三軸磁力計(jì)和測(cè)量羅盤儀傾斜角度的三軸加速計(jì)，然后所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器傳輸?shù)教幚砥鹘K端。處理器對(duì)得到的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和空間重力分布數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，得到最終精確方位角，如圖4所示。此種方法大大減小了因羅盤儀傾斜造成的誤差。

圖4 雙軸傾角感應(yīng)法補(bǔ)償原理

本文介紹的羅盤儀利用LSM305型芯片將上述加速傳感器、磁力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及處理器終端組合集成在一起。實(shí)現(xiàn)了低成本、小巧化的設(shè)計(jì)，只需一個(gè)小芯片即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和輸出。本芯片可以實(shí)現(xiàn)小于1 mm精度的測(cè)量[2]，在不使用時(shí)加速計(jì)自動(dòng)變?yōu)樗吣Ｊ?，使用時(shí)自動(dòng)喚醒，大大降低了能耗。同時(shí)，加速計(jì)上設(shè)置了可編程的中斷接口，保證了后期的維護(hù)和更新。

2 性能特點(diǎn)

為了全面考察本數(shù)字化礦用本安地質(zhì)羅盤儀各方面的性能是否合格，委托國家安全生產(chǎn)礦用設(shè)備檢驗(yàn)中心對(duì)本設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示本設(shè)備測(cè)量方位角誤差范圍為1.8°，傾斜角度測(cè)量誤差范圍為0.1°～0.4°，完全可以達(dá)到地質(zhì)工作者的使用要求。

本設(shè)備具有測(cè)量方位角、傾斜角、激光指向測(cè)斜、產(chǎn)狀自動(dòng)測(cè)量等多重功能，且具有時(shí)間、秒表，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)輸出、警報(bào)磁場(chǎng)異常。與傳統(tǒng)常用的機(jī)械指針羅盤相比，有許多顯著優(yōu)勢(shì)：表盤數(shù)字結(jié)合顯示，直觀準(zhǔn)確。利用表盤顯示可以直觀地感受判斷出方向，結(jié)合數(shù)字精確顯示數(shù)字，有效地消除了讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差，快速獲取產(chǎn)狀信息。本設(shè)備針對(duì)礦山地質(zhì)產(chǎn)狀監(jiān)測(cè)進(jìn)行針對(duì)性的算法編制和設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況僅需一次測(cè)量即可得到有效數(shù)據(jù)，避免了冗雜的反復(fù)測(cè)量，減小了工作量同時(shí)提高了測(cè)量效率和精確度，激光指向測(cè)斜。利用激光指向測(cè)斜有助于精確標(biāo)定、指向被測(cè)對(duì)象方位，有效降低了被測(cè)對(duì)象局部形變或?qū)Ρ粶y(cè)對(duì)象標(biāo)定不準(zhǔn)而出現(xiàn)的誤差。本設(shè)備兩側(cè)均有激光指向投線，若在測(cè)量時(shí)出現(xiàn)斷層或巷道異常等情況時(shí)可直接進(jìn)行測(cè)量。此外，如需測(cè)量井下危險(xiǎn)場(chǎng)所、無法進(jìn)入?yún)^(qū)域或構(gòu)造面不完全、不具備代表性等情況時(shí)，利用激光器顯示的線即可實(shí)現(xiàn)不接觸測(cè)量，保證了測(cè)量的精度。雙軸傾斜補(bǔ)償。利用雙軸傾角感應(yīng)法補(bǔ)償原理對(duì)方位角進(jìn)行測(cè)量，不需完全放置水平也可很精確地測(cè)出角度，有效地減小了操作難度和操作誤差。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與導(dǎo)出[3]。羅盤儀芯片可存儲(chǔ)最近測(cè)量出的120組結(jié)果，且含有較為詳細(xì)全面的信息及測(cè)量時(shí)間，便于先測(cè)量后統(tǒng)計(jì)計(jì)算。具有浮標(biāo)法流量測(cè)量功能。磁干擾報(bào)警裝置。當(dāng)所處測(cè)量環(huán)境中存在強(qiáng)磁場(chǎng)或有干擾磁場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)儀器會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤，提醒用戶查找原因或離開干擾磁場(chǎng)。

3 結(jié)論

本羅盤儀具有小巧便捷、高精度、本安防爆、便捷操作等顯著優(yōu)點(diǎn)，功能全面，經(jīng)在礦山、地質(zhì)勘測(cè)考察中多次試驗(yàn)使用后反映良好，具有很好的推廣價(jià)值。同時(shí)，對(duì)其他礦用測(cè)量設(shè)備的數(shù)字化設(shè)計(jì)也具有很好的參考意義。