利用振动信号对矿难被困人员进行定位的方法研究

发布时间：2017-09-23 11:18

  本文关键词：利用振动信号对矿难被困人员进行定位的方法研究

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【摘要】：随着我国经济的快速发展,对能源的需求进一步加大。煤矿资源在我国能源格局中占主导地位,对我国有着重要的战略意义。然而,近年来,随着煤矿开采深度与强度的日益加大,煤矿安全事故频频发生。在世界各主要产煤国中,我国矿井开采条件最差、灾害最严重,同时煤矿企业在生产设备和安全防护设施方面的缺陷也是矿难频发的一大原因。矿井事故的发生常常伴有坍塌、冒顶、透水,致使逃生通道被阻塞,通信中断,施工人员无法及时逃出。由于密闭空间内空气不足,可能含有害气体,被困人员的生命安全受到严重威胁,实施迅速有效的救援能提高被困人员存活率。但灾害现场的通信设备被损坏,建立及时可靠的应急救援通信,对及时了解被困人员信息,进行定位,开展救援具有重要意义。事故发生后,井下铺设的钢轨不易断裂。以钢轨作为载体的通信方式,可在灾后现场快速建立应急通信,从而对被困人员进行定位。本文通过分析声波与振动波的相似与不同之处,得出对振动波传播特性的研究可沿用声波的研究方法与理论。通过在钢轨上进行敲击实验并对振动信号进行检测,证明了振动信号在钢轨上传播的可行性。研究了振动波在均匀钢轨上传播的频散特性、群速和相速、衰减特性,分析了钢轨的热传导吸收、粘滞性对振动波传播特性的影响,以及振动波在非均匀钢轨上传播时,其损伤程度对传播特性的影响。除此,外界因素也会对振动波的传播造成影响,本文主要分析了温度的非均匀变化对振动波的影响。针对矿井事故发生后井下通信瘫痪的情况,设计了基于钢轨的应急救援通信系统。被困人员可将随身携带的设备安置在钢轨上,利用手持设备按键发送求救信号。救援人员将同样的救援设备安置在钢轨上,利用高灵敏度振动加速度传感器检测振动信号,提取有用信息。同时建立钢轨的半解析模型,计算钢轨的等效阻尼损耗因子和衰减率,并绘制其衰减曲线。根据发送端振动信号的幅值、救援人员接收到的振动信号幅值以及其衰减率,可计算出被困人员到矿井口的距离,从而可对被困人员进行定位。在实验室中,在长1m的大理石上进行应急通信系统的测试。结果表明,利用该通信系统可发送求救信号,而振动信号在钢轨上的传输优于大理石,这说明基于钢轨的应急通信系统具有可实践性。利用模态力锤作用于钢轨,施加一个激励,利用加速度传感器采集响应信号。通过钢轨的半解析有限元模型,计算钢轨的等效阻尼损耗因子和振动波的衰减率。实验结果表明,采用该定位系统能将约为900m处的振源定位。基于振动信号对被困人员进行定位是利用井下铺设的钢轨传输振动信号,既降低了救援成本,克服了灾后被困人员定位难。同时也减少救援人员的救援危险系数与工作量,提高救援效率,为井下定位提供了新思路、新方法。该定位系统在国内的研究仍属空白,具有良好的市场前景,能产生较大的社会效益。
【关键词】：钢轨 振动波 半解析有限元模型 衰减率 定位
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD76
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-15
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 研究现状及意义11-13
• 1.2.1 国外研究现状11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.2.3 研究意义12-13
• 1.3 研究内容13-14
• 1.4 章节组织14-15
• 第2章 振动波在钢轨上的传播特性研究15-43
• 2.1 振动波与声波的区别15-16
• 2.2 振动信号在钢轨上传播的可行性分析16-19
• 2.3 振动波在均匀钢轨上的传播特性研究19-28
• 2.3.1 矩形波导19-23
• 2.3.2 钢轨的粘滞特性对振动波的影响23-24
• 2.3.3 热传导吸收对振动波的影响24
• 2.3.4 频散特性24-25
• 2.3.5 群速和相速25-27
• 2.3.6 衰减特性27-28
• 2.4 振动波在非均匀钢轨中的传播特性28-37
• 2.4.1 损伤介质的力学模型28
• 2.4.2 介质损伤度对振动波的影响及实例分析28-31
• 2.4.3 实例解析31-37
• 2.5 其他因素对振动波传播特性的影响37-42
• 2.5.1 非均匀温度计算区域37-38
• 2.5.2 振动波频率、入射角和空气温度分布参数对其传播特性的影响38-42
• 2.6 小结42-43
• 第3章 应急救援通信系统设计43-50
• 3.1 煤矿应急通信技术的现状43-44
• 3.2 系统总体设计44-45
• 3.3 发送端硬件电路设计45-47
• 3.4 接收端硬件电路设计47-48
• 3.5 振动信号的检测48-49
• 3.6 小结49-50
• 第4章 振源定位方法研究50-63
• 4.1 现有振源定位技术50-51
• 4.2 半解析有限元理论51-52
• 4.3 钢轨的半解析有限元模型52-56
• 4.4 钢轨的衰减率计算56-61
• 4.4.1 阻尼因子的测试56-61
• 4.4.2 钢轨衰减曲线61
• 4.5 被困人员的定位61-62
• 4.6 小结62-63
• 第5章 测试及分析63-67
• 5.1 应急通信系统实验63-66
• 5.2 定位实验66-67
• 结论67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-72
• 攻读学位期间取得学术成果72

【参考文献】

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1 刘联会;煤矿井下应急通信的实现方案[J];煤矿安全;2002年11期

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本文编号：904958