[发明专利]一种岩体自电位传感器

说明书

技术领域

本发明属于岩体测试仪器领域，具体涉及一种岩体自电位传感器。

背景技术

冲击地压是矿井的严重自然灾害，随着采掘强度和深度的加大，开采条件越来越复杂， 原来没有冲击危险的矿井也出现了冲击现象，冲击地压等矿山动力灾害已经成为矿区安全生 产的主要威胁。因此对冲击地压的发生做出准确、及时的预测预报，进而采取措施，防治灾 害的发生就变的尤为重要，成为科技工作者和矿山工程技术人员的重要任务，是国民经济和 社会发展中迫切需要解决的关键科学问题。

岩石变形破裂过程自电位和电荷变化的研究是从地震工作者发现震前地震电信号异常开 始的。依据自电位(self-potential)前兆信号预报地震的方法，近年在许多国家受到了特别 的重视，有大量报道地震前的地电变化。作为正在探索的地震预报手段之一，自电位法应是 一种很具潜力的方法，值得深入研究。冲击地压是采矿诱发的矿井灾害，自电位法可以作为 冲击地压预报手段之一，值得深入研究。采用自电位监测技术对冲击地压动力灾害进行预测， 就需要弄清煤岩体变形破裂过程自电位信号的变化规律和信号的产生机理。

煤岩体的物质结构决定了煤岩体变形破裂过程产生的自电位信号极小，需要研制高性能 的自电位传感器为监测煤岩变形破裂过程的自电位信号提供必要的测试手段。在授权公告号 CN101490564B的授权专利中，公开了一种电位传感器，该电位传感器主要应用在医学和显微 镜领域，比如显微成像和光谱分析，以及核磁共振应用。在公布号为CN1678901的专利申请 中，公开了一种电位传感器，该电位传感器主要PH传感器或氧化还原传感器，或者PH电极 或氧化还原电极，用于连接至变送器。显然这两种电位传感器不适合监测煤岩变形破裂过程 的自电位信号。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于检测煤岩变形破裂过程自电位信号的 岩体自电位传感器，对煤岩变形破裂过程产生的极小自电位信号进行采集并进行转换为易于 测量、传输和处理的信号，以便于对煤岩变形破裂过程自电位信号的监测。

本发明的技术方案：

一种岩体自电位传感器，包括：第一电极、第二电极和传感放大器；

所述传感放大器包括电荷灵敏级和放大输出级；

所述电荷灵敏级主要由第一运算放大器构成；所述放大输出级主要由滤波器和第二运算 放大器构成；

所述电荷灵敏级，即第一运算放大器的两个输入端作为传感放大器的两个输入端分别连 接第一电极的一端和第二电极的一端，用于接收第一电极和第二电极传送来的自电位信号并 将其放大为第一电压信号，且将该第一电压信号传送至放大输出级；所述电荷灵敏级，即第 一运算放大器的输出端连接作为放大输出级输入端的滤波器输入端；滤波器的输出端连接第 二运算放大器的输入端；即，所述放大输出级首先通过滤波器对接收的第一电压信号进行滤 波处理；然后通过第二运算放大器将第一电压信号进一步放大为第二电压信号，并通过作为 传感放大器输出端的第二运算放大器的输出端对其进行输出；

所述第一电极的另一端和第二电极的另一端分别用于布置在岩体试件表面的两个相应位 置上，与岩体试件进行电容耦合(即，所述第一电极、岩体试件部分与第二电极构成电容， 第一电极与第二电极之间的岩体试件部分为该电容的介质)，采集该两个相应位置之间产生 的自电位信号，并将该自电位信号传送给传感放大器进行放大；

所述第一电极和第二电极的材质均为铜；

所述第一电极的一端和第二电极的一端分别通过屏蔽电缆直接连接到传感放大器的两个 输入端上；

具体应用时，所述第一电极的另一端表面和第二电极的另一端表面分别与岩体试件表面 直接接触，接触面涂有一层导电铜胶或导电银胶作为耦合剂进行耦合；

所述第一运算放大器的一个输入端和输出端之间分别并联反馈电容和反馈电阻；所述反 馈电容向传感放大器提供高输入阻抗，以增加电极对微弱的自电位信号的灵敏度；所述反馈 电阻向传感放大器输入相应的反馈信号，以提高传感器的信噪比；

通过在第二运算放大器的增益调节端并联外部电阻调节第二运算放大器的放大倍数，可 在1～101倍之间任意调节输出运算放大器的放大倍数，既提高了模块的输出电压摆幅范围， 又提高了整个传感放大器模块的输入灵敏度，即使输入非常小的自电位信号，也能得到较大 的输出电压信号；