Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ исследований в области разработки методов и средств прогнозирования газодинамических явлений при разработке угольных пластов подземным способом 10
1.1. Газодинамические явления, как объект исследований, и их особенности на угольных шахтах России и стран СНГ 10
1.2. Горные удары как объект исследований, и их особенности на угольных шахтах России и стран СНГ 12
1.3. Прогноз гео- и газодинамических явлений экспресс - методами 14
1.4. Способы автоматического текущего прогноза выбросоопасности 21
1.5. Акустический контроль состояния призабойной области угольного пласта 27
1.5.1. Физические основы метода активного акустического контроля опасности ГДЯ 32
1.5.2. Спектральный состав сейсмоакустических колебаний 33
1.6. Анализ нормативных методов прогноза опасности внезапных выбросов угля (породы) и газа, применяемых на шахтах Российской Федерации 37
1.7. Выводы и постановка задач исследований 40
2. Спектрально-акустический контроль изменения напряженного состояния призабойной области угольного пласта 44
2.1. Формировании напряженного состояния и процессов разрушения призабойной области угольных пластов 44
2.2. Обобщенные сейсмогеологические свойства угольных пластов и вмещающих пород. Выбор и обоснование объектов исследований 49
2.3. Исследования акусто-вибрационных процессов углепородного массива в зонах ведения горных работ 56
2.4. Исследование энергетических и спектральных характеристик колебательных процессов угольного пласта и вмещающих пород при проходке горных выработок 68
2.5. Влияние нарушенности на спектральные и амплитудные характеристики колебаний углепородного массива в зоне горных работ 74
2.6. Информативные параметры акусто-вибрационных процессов в зонах ведения горных работ при подземной разработке угольных месторождений 82
2.7. Выводы 86
3. Исследование акусто-вибрационных процессов в призабойной области угольного пласта и разработка комплекса критериев прогнозирования изменения напряженного состояния 89
3.1 Амплитудно-частотные спектры колебаний углепородного массива в призабойной зоне, формируемые взрывными работами. 89
3.2 Амплитудно-частотные спектры колебаний, формируемых импульсами при геомеханических разрушениях в призабойной зоне углепородного массива . 94
3.3 Контроль, анализ и прогноз выбросоопасности по амплитудно-частотным спектрам при проходке штрека 370 бис по пласту XXVII (ш. Первомайская, ОАО «Кузбассуголь») 97
3.4. Выводы 101
4. Конструкторская разработка основных узлов модульной цифровой аппаратуры (акавп) автоматизированного прогнозирования безопасности горных работ по горным ударам и внезапным выбросам на шахтах 103
4.1. Необходимость разработки 103
4.2. Предъявляемые технические требования 104
4.3. Основные технические характеристики разработанного опытного образца 107
4.4. Основные характеристики измерительного тракта 108
4.5. Методика измерения электрических характеристик усилителей 112
4.6. Предварительные стендовые испытания 114
4.7. Методика проведения испытаний и полученные результаты 116
4.8. Программный комплекс автоматизированного прогнозирования изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах 119
4.9. Выводы 129
5. Методика автоматизированного прогноза изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах 131
5.1. Общие положения 131
5.2. Методические указания по автоматизированному прогнозу опасности изменения напряженного состояния углепородного массива в шахтах 135
Заключение 141
Литература 143
- Горные удары как объект исследований, и их особенности на угольных шахтах России и стран СНГ
- Обобщенные сейсмогеологические свойства угольных пластов и вмещающих пород. Выбор и обоснование объектов исследований
- Амплитудно-частотные спектры колебаний, формируемых импульсами при геомеханических разрушениях в призабойной зоне углепородного массива
- Основные технические характеристики разработанного опытного образца
Введение к работе
Актуальность работы. Угольная промышленность в современных условиях поставлена перед необходимостью резкого увеличения темпов подвигания подготовительных выработок до 5 - 15 м/сутки и нагрузок на лавы до 3 - 10 и более тысяч тонн угля в сутки. При высоких скоростях подвигания очистных и подготовительных забоев все геомеханические процессы, происходящие в массиве горных пород, связанные с проявлениями горного давления, деформациями, разрушением, газовыделением, приобретают более резкий динамичный характер, повышается риск возникновения внезапных выбросов угля, породы и газа, горных ударов, разломов почвы с выбросом газа и других динамических явлений.
Увеличение скорости подвигания забоев (более 4 м/сутки) входит в неразрешимое противоречие с традиционными, еще широко применяемыми шпуровыми методами контроля опасности внезапных выбросов и горных ударов, явлющимися дискретными и требующими недопустимо много времени на бурение контрольных шпуров. Кроме того, для повышения надежности методов прогноза и определения эффективных мероприятий по предотвращению газодинамических явлений необходимо переходить от применяемой оценки «опасно - неопасно» к количественной оценке степени опасности различных типов этих явлений с учетом природных условий и технологии ведения горных работ.
Дистанционные методы текущего прогноза выбросоопасности, отвечающие требованиям высокой скорости подвигания очистных и подготовительных забоев горных выработок: автоматизированный прогноз с применением аппаратуры контроля метана АКМ, метод прогноза по амплитудно-частотным характеристикам аппаратурой АК-1, метод текущего контроля выбросоопасности по акустической эмиссии пласта аппаратурой ЗУА - признаны нормативными и применяются в определенных горно-технических условиях шахт. Однако эти методы пока имеют ограниченное применение вследствие недостаточной научно-методической проработки и на сегодня морально устаревшей аппаратуры.
Перечисленные задачи могут быть решены на основе создания и внедрения спектрально-акустического метода контроля изменения напряженного состояния углепородного массива, основанного на комплексном анализе спектрального состава колебаний генерируемых горным оборудованием или буровзрывными работами.
Цель работы - разработка метода и аппаратуры автоматизированного контроля и анализа в режиме реального времени спектров акусто-вибрационных колебаний углепородного массива от горного оборудования или буровзрывных работ, обеспечивающих повышение информативности и надежности прогнозирования изменения напряженного состояния углепородного массива, степени опасности горных ударов и внезапных выбросов в зонах ведения горных работ.
Основная идея работы - заключается в установлении закономерностей влияния горных выработок, строения и напряженного состояния угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ на спектральный состав, амплитудные и энергетические характеристики регистрируемых акусто-вибрационных колебаний от горного оборудования или буровзрывных работ. Разработке на базе установленных закономерностей информативных спектрально-акустических критериев, методики текущего контроля и прогнозирования зон изменения напряженного состояния и степени их выбросоопасности при ведении проходческих работ, а также аппаратуры нового технического уровня.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе применен комплекс методов исследований:
анализ и обобщение результатов, полученных в данной области;
численные и аналитические методы моделирования акусто-вибрационных процессов в массиве горных пород при горных работах;
компьютерная обработка, анализ и интерпретация шахтной сейсмоакустической информации.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
1. Сейсмогеологическая модель угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ представляется в виде вертикального геологического разреза с горной выработкой, техногенно нарушенным углепородным массивом и позволяет на этапе моделирования учитывать геологическое строение, изменение напряженного состояния, упругих и акустических свойств горных пород;
2. Математическая модель, отражающая влияние горной выработки, строения, изменения упругих и акустических свойств углепородного массива на спектрально- акустические параметры регистрируемых колебаний от горного оборудования и буровзрывных работ адекватно описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами в плоскости геологического разреза. Наиболее общее корректное решение может быть получено численным конечно-разностным методом по явной схеме;
3. Зависимости спектрального состава и динамических параметров регистрируемых колебаний от мощности и акустических свойств угольного пласта, параметров горной выработки, степени нарушенности горных пород вокруг нее, а также от изменения напряженного состояния углепородного массива являющиеся базовыми для разработки информативных критериев;
4. Критериями спектрально-акустического контроля изменения напряженного состояния в зонах ведения проходческих работ являются: максимум модуля амплитуды для низко и высоко частотных составляющих спектра, полная энергия сигнала, отношение максимум модуля амплитуды высоко частотной составляющей спектра к низко частотной. Комплексная методика, учитывающая физико-механические и акустические свойства горных пород, позволяет повысить достоверность и надежность прогнозирования входа горных работ в аномально напряженные зоны.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана физико-математическая модель и алгоритмы расчетов формирования и развития акусто-вибрационных процессов в зоне ведения горных работ углепородного массива при наличии влияния зон повышенного горного давления, зон трещиноватости и ряда других нарушений;
- установлены закономерности влияния горной выработки, строения и состояния угольного пласта и вмещающих пород в зоне ведения горных работ на структуру, спектральный состав, амплитудные и энергетические характеристики регистрируемых колебаний;
- разработаны информативные спектрально-акустические критерии прогнозирования зон изменения напряженного состояния и степени их выбросопасности при ведении проходческих работ;
- разработана аппаратура нового технического уровня и методика спектрально-акустического контроля изменения напряженного состояния в зонах ведения горных работ и прогнозирования выбросоопасности в комплексе с нормативными методами.
Достоверность разработанных научных положений и выводов подтверждается хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных, в том числе полученных другими исследователями и использованных в качестве исходного материала, а также применением современных компьютерных технологий при моделировании и расчетах.
Практическая ценность диссертации состоит в разработке на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований методики и аппаратуры мониторинга напряженного состояния угольного пласта и вмещающих пород в зонах ведения горных пород в шахтных условиях, позволяющих повысить достоверность и надежность прогнозирования входа горных работ в аномально напряженные зоны.
Реализация работы. Полученные зависимости, методика и результаты обработки данных использованы:
- при разработке проекта "Разработка автоматизированной системы прогнозирования безопасности горных работ по фактору риска горных ударов и внезапных выбросов ", 2006 г.
- при разработке проекта «Системы комплексного мониторинга безопасности - СКМБ, обеспечивающей оперативное распознавание и предотвращение взрывов метано-пылевоздушной смесей, контроль и прогноз гео- и газодинамических проявлений на горных предприятиях», 2005.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГТУ, 2004,2005,2006 гг.), на XV сессии РАО (Москва, 2005 г.)
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 4 печатные работы, две из которых опубликованы в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 152 страницы машинописного текста, в том числе 52 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 100 наименований.
Горные удары как объект исследований, и их особенности на угольных шахтах России и стран СНГ
Горные удары представляют собой хрупкое разрушение предельно напряженной части пласта, возникающее в условиях, когда скорость изменения напряженного состояния пласта превышает предельную скорость релаксации напряжений вследствие пластических деформаций.
Горные удары на угольных пластах происходят как в очистных, так и в подготовительных выработках. В Кузбасе горные удары отмечаются в лавах шахт "Аларда" и "Распадская". Горные удары на пласте 3-За ш. Аларда при этом происходят в лавах по первому слою в виде толчков при падении кливажа на выработанное пространство или в виде микроударов при падении кливажа на массив. Самый распространенный тип горных ударов в лавах шахты "Распадская", которая разрабатывает мощные пологие пласты не слоями, а на полную мощность, - толчки и стреляния, которые являются как бы предвестниками будущих (на более глубоких горизонтах) собственно горных ударов. Толчки происходят, как правило, в зонах ПГД от целиков или краевых частей вышележащих пластов и проявляются чаще всего в глубине массива со стороны почвы в верхних частях лавы. Стреляния происходят в забое лавы.
Более остро на шахтах стоит проблема борьбы с горными ударами, происходящими в подготовительных и капитальных выработках. Наиболее опасным в этом отношении является Томь-Усинский район Южного Кузбасса. На шахтах рассматриваемого района "Аларда", "Усинская", "Томская", им. Ленина, "Распадская" разрабатывается целый ряд угрожаемых и опасных по горным ударам мощных пологих пластов. Породы основной кровли на этих пластах представлены мощными слоями (30-50 м) весьма прочного (100 Мпа и более при одноосном сжатии) песчаника, склонного к зависаниям на больших площадях. Пласты на шахтах вскрыты и подготовлены к выемке без учета удароопасности. В результате в процессе развития горных работ образуются весьма опасные очаги горных ударов в охранных целиках угля около выработок, особенно капитальных (уклоны, бремсберги). В декабре 1978 г. на ш, "Усинская" в охранных целиках центрального уклона по мощному пласту III произошел горный удар большой разрушительной силы, в результате которого шахта в течение нескольких месяцев бездействовала. Опасность центральных уклонов (бремсбергов) состоит в том, что они по всем пластам свиты расположены один под другим, охраняются большими целиками угля и являются в связи с этим самыми опасными очагами горных ударов.
Горные удары небольшой силы в виде толчков или стреляний происходят в забоях подготовительных выработок, проводимых вприсечку к выработанному пространству или отделенных от него узкими (5-10 м) целиками на шахте "Распадская". При нисходящем порядке отработки столбов (основной порядок отработки на этой шахте) примыкающими выработками являются вентиляционные штреки вновь подготавливаемых лав. В выработках, проводимых в нетронутом массиве, толчков, стреляний или других ГДЯ не наблюдалось.
Горные удары на шахтах Воркуты начали происходить в 60-е годы на глубине 400 м и происходили в основном в охранных целиках уклонов и пластовых штреков. За 1967-1980 гг. в подготовительных выработках только пласта "Мощный" произошло 25 горных ударов. В 80-е годы, в связи с переходом на бесцеликовую охрану подготовительных выработок, число горных ударов значительно уменьшилось.
Прогноз ГДЯ на современном этапе развития горной науки заключается в выявлении особенностей угольных пластов или их участков, в пределах которых могут происходить ГДЯ, и в своевременном оповещении работников шахт о таких пластах или участках.
По своему назначению различают региональный прогноз ГДЯ (прогноз опасности пластов по ГДЯ на стадии геологоразведочных работ), прогноз перед вскрытием шахтопластов, локальный прогноз на действующем горизонте (определение критической глубины, на которой возможно появление ГДЯ) и текущий прогноз опасных по ГДЯ зон в лавах или подготовительных выработках. В наибольшей степени эти прогнозы разработаны для пластов, опасных по внезапным выбросам и горным ударам. На пластах, угрожаемых и опасных по внезапным выбросам угля и газа, наибольшее распространение получил текущий прогноз выбросоопасности по начальной скорости газовыделения и выходу бурового штыба 121. Начальная скорость газовыделения в этом прогнозе косвенным образом характеризует давление газа в пласте и его газоносность, а выход бурового штыба - горное давление и прочность угля.
Для осуществления данного прогноза в забое подготовительной (нарезной) выработки бурят поинтервально контрольный шпур на глубину 5,5 м. Длина первого интервала составляет 0,5 м, а всех последующих - 1 м. Первый интервал шпура бурят диаметром 55 мм для установки в нем штыбомера, второй и последующие - диаметром 43 мм через канал штыбомера. Продолжительность бурения второго и каждого последующего интервала должна составлять 2 мин. Показатель выбросоопасности пласта R впереди забоя выработки на участке протяженностью 4 м (длина контрольного шпура минус 1,5 м) определяется по формуле
Обобщенные сейсмогеологические свойства угольных пластов и вмещающих пород. Выбор и обоснование объектов исследований
Геологическое строение углепородного массива основных угольных бассейнов характеризуется сплошностью угленосных отложений со случайным чередованием пластов угля, алевролитов, аргиллитов, песчаников, известняков, а также конгломератов (глинистые сланцы, песчаные сланцы и т.п.) /84,85/. Вместе с тем акустические и физико-механические свойства углепородного массива имеют ряд закономерностей, которые позволяют выделить ограниченное количество обобщенных сейсмогеологических моделей, описывающих геолого - геофизическую ситуацию. Так, например известно, что угольные пласты в подавляющем своем большинстве имеют более низкие сейсмоакустические показатели по сравнению с вмещающими породами. Анализ физико-механических и акустических свойств углепородного массива по оси Z позволяет утверждать, что пласты и вмещающие породы образуют волноводы различного строения, границы которых определяют структуру волнового поля. Степень каналирования энергии колебательного процесса при распространении волнового поля в общем случае зависит от мощности волновода, резкости акустических границ угля и вмещающих пород, частотного спектра источника колебаний и расстояния источник- приемник. Экспериментальные исследования показывают возрастание резкости акустических границ с ростом степени метаморфизма углей.
Для углей низкой степени углефикации (Б,Д) границы являются средними (Vpy/Vpn=0,72-0,82 ), а для высокометаморфизированных углей ( Г-А6 ) - сильными (Vpy/Vpn =0,52-0,72) /86/. Плотности углей по отношению к вмещающим породам также имеют значения порядка ру/рп=0,58 - 0,8. За редким исключением для месторождений, бурых углей, когда в кровле или в почве залегают пески, эти условия могут не соблюдаться, то есть скорости и плотности песков могут быть меньше, чем скорости и плотности углей (Vpy/Vpn 1, Ру/рп 1). Кроме того, необходимо учитывать еще и такие важные особенности колебательного процесса (проверенные в многочисленных экспериментальных исследованиях и приводимые в работах), как: 1) отношение продольных и поперечных волн для различных типов пород изменяется в интервале Vp/Vs =1,7-1,9; 2) скорость поперечных волн Vs при изменении давления изменяется в 2-4 раза меньше, чем скорость продольных волн Vp; 3) наиболее чувствительной характеристикой к изменению напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств горного массива является затухание а всех типов волн. Предварительный (качественный) анализ влияния давления и трещинной пористости на эффективные упругие константы показывает изменение скорости продольных волн в сторону возрастания до 40-60% при увеличении давления до 0,8асж /87/. При увеличении же трещинной пористости, вплоть до разрушения пород, скорость может уменьшаться в 3-4 раза /88/. Амплитуда распространяющихся колебаний, в зависимости от величины напряжений и степени трещиноватости, изменяется на порядок и более. Резюмируя приведенные особенности горно-геологического строения углепородного массива и характер изменения физико-механических свойств угля и пород как при спокойном залегании, так и при наличии нарушений типа зоны ПГД и зоны трещиноватости, моделирование участка геологического разреза при описании колебательного процесса массива горных пород в зонах ведения горных работ можно описать системой дифференциальных уравнений в частных производных с переменными по плоскости геологического разреза коэффициентами.
В соответствии с постановкой задачи, сейсмоакустическое волновое поле в углепородном массиве может быть описано системой линейных дифференциальных уравнений предложенной и развитой в работах Био, Толстого, Захарова: волны Р, SV и Релея где u, v, w - смещения по x,y и z- координатам; a=V2p - скорость P- волн в квадрате; b= V2P -V2S- разность квадратов скоростей Р и S волн; с= V2S - скорость S - волн в квадрате; g - ускорений свободного падения; Р - коэффициент затухания, передающий эффекты диссипации и рассеяния колебаний; индексы tt, t, XZ) х и 2при переменных и коэффициентах уравнений (2.2) и (2.3) обозначают тип и порядок частной производной. Для получения решения уравнений (2.2) и (2.3) в работе использовалась явная конечно-разностная трехслойная схема вычисления функций смещений по х,у и z- координатам в плоской постановке. Явная схема требует жесткого соблюдения условий устойчивости вычислительного процесса, которое накладывает ограничения на величину шага дискретизации модели по времени и по координатам плоскости xoz. Если обозначить шаг по времени через т, а шаг по координатам х и z считать одинаковым и обозначить через h, то условие устойчивости вычислительного процесса по явной конечно-разностной схеме согласно [14] выглядит следующим образом
Амплитудно-частотные спектры колебаний, формируемых импульсами при геомеханических разрушениях в призабойной зоне углепородного массива
При завершении процесса отбойки происходит, как правило, передвижка обнажения горной выработки в зону максимума опорного давления (рисунок 2.3). Тем самым в краевой части угольного пласта за счет повышенных вертикальных и горизонтальных составляющих тензора напряжений уголь и вмещающие породы релаксируют (подвергаются частичному разрушению). Данный процесс сопровождается излучением сейсмоакустической эмиссии. Регистрация, анализ и интерпретация параметров пассивной акустической эмиссии дает дополнительную информацию не только о скорости разрушения углепородного массива, но и об изменении его НДС в зонах проходческих работ. В работе выполнен анализ спектрального состава регистрируемых импульсов пассивной акустической эмиссии, сопровождающих геомеханическое разрушение призабойной зоны угольного пласта и вмещающих пород для горно-геологических условий, рассмотренных в разделе 3.1, таблица 3.1. На рисунке 3.3а,б показаны амплитудно-частотные характеристики импульсов пассивной акустической эмиссии, зарегистрированных в зоне неопасной по горным ударам и внезапным выбросам угля, породы и газа. По форме кривые имеют схожий вид. По частотному составу наблюдается отличие. Амплитудно-частотный спектр на рисунке 3.3а имеет более высокие значения частот для колебаний одной природы. Это может характеризовать меньшую степень нарушенности пород призабойной зоны и горных пород вокруг выработки при спокойном (не повышенном) НДС углепородного массива впереди горной выработки. На рисунке 3.4а,б,в показаны амплитудно-частотные спектры импульсов, на которых прослеживается нарастание отношений максимума модуля амплитуд высокочастотной составляющей к низкочастотной в четко выделяемых частотных диапазонах, что свидетельствует о входе горных работ в зону ПГД. Абсолютные значения амплитуд в данном варианте регистрации и анализа рассматриваться не могут, так как мощность исходного импульса может отличаться на порядки, а вот отношение амплитуд максимумов в высоко и низкочастотных интервалах вполне допустимо. Отношение амплитуд возросло более чем на 20%.
Таким образом, в ряде случаев удается получить информацию об изменении НДС из амплитудно-частотных характеристик импульсов пассивной акустической эмиссии. На ш. "Первомайская" ОАО «Кузбассуголь» при проходке вентиляционного штрека 370 бис, пласт XXVII были выполнены учеными Кузбасса исследования по оценке выбросоопасности угольного пласта спектрально-акустическим методом. Угольный пласт мощностью 1,84-2,41 м, углом падения 14-18, крепостью 0,9-1,1 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. В исследуемой зоне влажность угля составляла 3,5%, глубина горных работ порядка 300 м. Горногеологическая обстановка оценивается, как выбросоопасная, поэтому проходка ведется с обязательным комплексом противовыбросных мероприятий, включающих поинтервальное бурение разгрузочных шпуров. В таблице 3.2 представлены литологическая колонка и основные физико-механические и акустические свойства угля и вмещающих пород на участке исследований. Настройки аппаратуры по частотам среза имели следующие показатели: - частота среза фильтра нижних частот F„=160 Гц; - частота среза фильтра верхних частот FB=600 Гц. Регистрация колебаний углепородного массива велась при проведении профилактических мероприятий (бурение разгрузочных шпуров).
Для детального анализа и последующего прогноза выбросоопасности призабойной зоны угольного пласта были проведены исследования изменения спектрального состава регистрируемых колебаний углепородного массива по методике предложенной в гл. 2. В соответствии с горно-геологическими условиями, физико-механическими и акустическими свойствами угольного пласта и вмещающих пород (табл. 3.2) разработана сейсмогеологическая модель и выполнено моделирование входа горных работ в зону повышенного горного давления.
Основные технические характеристики разработанного опытного образца
В соответствии с выше изложенным на начальном этапе был разработан макет, предназначенный для оценки работоспособности выбранной схемы работы аппаратуры. Функционально макет представлен на рисунке 4.1 и состоит из блока предварительных усилителей, АЦП и процессоров (2), которые расположены в непосредственной близости от сейсмодатчика (1) (не более двух метров). Такое малое расстояние необходимо соблюдать для того, чтобы уменьшить шум, возникающий в линии связи между сейсмодатчиком и предварительным усилителем. Предварительные усилители поднимают уровень сигнала до величины, необходимой для обработки АЦП. Передаточный частотный диапазон предварительных усилителей лежит в пределах от 1 Гц до 10 кГц. АЦП, разрядность которого составляет 16 единиц, преобразуют входные усиленные аналоговые сигналы в цифровой формат и подают их на входы процессоров-формирователей стандартного протокола обмена RS-485. Предварительные усилители и АЦП поддерживают динамический диапазон датчиков равный 100 Дб. После этого информация с датчиков в цифровом формате в режиме реального времени поступает в основной модуль - это восьмиразрядный микроконтроллер ATMEGA128 фирмы ATMEL (3).
Программное обеспечение микроконтроллера позволяет обрабатывать сигналы (фильтрация, вычисление спектральных характеристик, вычисление К). Эта информация передается в компьютер (4). К важнейшим показателям, характеризующим свойства усилителя, относятся величины, выражающие его способность усиливать сигнал и степень его искажения, а также входные и выходные данные: 1) Коэффициент усиления Коэффициент усиления К определяется отношением выходного напряжения Ui к входному напряжению 1 : Значение коэффициента усиления приводятся либо в относительных единица, либо в децибелах по форме G=201gK. 2) Рабочий диапазон частот Рабочий диапазон частот представляет собой некоторый интервал значений частоты, внутри которого в общем случае коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной степенью точности, например, поддерживается неизменным. 3) Характеристики усилителя и искажения сигнала Под искажением сигнала понимают его изменение, вызванное отношением показателей или характеристик усилителя от идеальных. Искажения часто принято делить на линейные и нелинейные. К линейным искажениям относятся частотные, фазовые и переходные. Амплитудно-частотная характеристика и частотные искажения. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость коэффициента усиления К или усиления G=201gK от частоты. Неравномерное усиление в рабочем диапазоне частот, обусловленное влиянием реактивных параметров -емкостей и индуктивностей, вызывает частотные искажения. Из-за этих искажений изменяется форма кривой выходного сигнала: например, при меньшем усилении верхних частот сглаживаются высшие гармоники, очертания сигнала становятся более плавными.
Оценивают частотные искажения, сравнивая реальную АЧХ с идеальной зависимостью, за которую обычно принимают горизонтальную прямую. Отклонение от идеальной зависимости является мерой частотных искажений. Фазовые характеристики и фазовые искажения. Реактивные параметры создают также и частотно-зависимый фазовый сдвиг между составляющими выходного и входного напряжения. Зависимость фазового сдвига от частоты называется фазовой характеристикой. Сдвиг по фазе связан со сдвигом во времени: если составляющие спектра частот сигнала сдвигаются на неравные промежутки времени, то изменяется форма кривой выходного сигнала - это и есть фазовые искажения.
Похожие диссертации на Разработка спектрально-акустического метода контроля изменения напряженного состояния углепородного массива при горных работах
