基于力电耦合的定向定位技术

光电耦合器也称为光电隔离器或光耦合器，有时简称光耦。这是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输人与输出间电隔离的器件，可在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。近年来，随着半导体技术、光电子学的深入发展，光耦的结构设计、封装制作技术也不断创新，各种类型产品相继问世，数千种型号构成几百个品种系列，研发成为一个独立的种类繁多、性能优良的半导体器件门类，广泛应用于计算机及其外设接口、工控、电信、仪器仪表、数据总线、高速数字系统、数字I／O口、模／数转换、数据发送、单片机接口、电平转换、信号及级间隔离、脉冲放大等范围，甚至在电源技术的线性隔离、电量反馈、电流传感、电量变换等各个场合都有成功的应用，市场需求量持继增长，发展极其迅速

1．转矩耦合方式 转矩耦合系统的输出转速与发动机及电机转速之间成固定比例关系，而系统的输出转矩是发动机和电动汽车电机转矩的线性组合。转矩耦合方式可以通过齿轮耦合、磁场耦合、链或带耦合等多种方式实现，如东风公司EQ7200 HEV车型是基于机械式自动变速器(AMT)的耦合系统，日本五十铃公司小型混合动力载货车ELF是基于动力输出轴的耦合系统，福特汽车公司开发了基于主减速器的动力耦合系统。利用电机进行动力耦合也是目前采用较多的动力耦合方式，即利用电机磁场实现动力耦合，最为典型的是本田Insight混合动力汽车的IMA系统，长安汽车公司的ISG系统等也属于这类耦合方式。 转矩耦合方式的特点是发动机的转矩可控，而发动机转速不可控。通过控制电机转矩的大小来调节发动机转矩，使发动机工作在最佳油耗曲线附近。转矩耦合方式结构简单，传动效率高，而且无需专门设计耦合机构，便于在原车基础上改装。 2．转速耦合方式 北京理工大学与华沙工业大学联合研制的紧凑型行星传动混合动力装置属于转速耦合方式。转速耦合系统的输出转矩与发动机和电机转矩成固定比例关系，系统的输出转速是发动机和电机转速的线性组合，其特点是发动机的转矩不可控，发动机的转速可以通过对电机的转速调整而得到控制。 在行驶过程中采用转速耦合方式的混合动力汽车，可以通过调整电机转速来调节发动机转速，使发动机在最佳油耗曲线附近工作。即使在发动机的工作点不变的情况下，通过连续调整电动汽车电机转速，也可以使车速连续变化，因此采用转速耦合方式的混合动力汽车无需无级变速器便可以实现整车的无级变速。 3．功率耦合方式 丰田普锐斯混合动力汽车采用的单／双行星排混合动力系统、雷克萨斯RX400h混合动力汽车采用的双行星排混合动力系统，及中国汽车技术研究中心开发的双行星排混合动力系统和双转子电机耦合系统，能同时满足转矩耦合条件和转速耦合条件，因此它们都属于功率耦合方式。功率耦合方式的输出转矩与转速分别是发动机与电机转矩和转速的线性和，因此发动机的转矩和转速都可控。 在采用功率耦合方式的混合动力汽车中，发动机的转矩和转速都可以自由控制，而不受汽车工况的影响。因此，理论上可以通过调整电机的转速和转矩，使发动机始终处在最佳油耗点工作。但实际上，频繁调整发动机工作点也可能会使经济性有所下降，因此通常的做法是将发动机的工作点限定在经济区域内，缓慢调整发动机的工作点，使发动机工作相对稳定，经济性能提高。采用功率耦合方式的混合动力电动汽车理论上不需要离合器和变速器，而且可实现无级变速。与前两种耦合系统相比，功率耦合方式无论是对发动机工作点的优化，还是在整车变速方面，都更具优越性。

定位定向技术在通讯、军事等领域有着广泛的应用，国内外众多学者对此进行了许多的研究，并取得了较好的成果。但是这些定位定向有一个共同的特点，就是电磁辐射的频率和发射的功率是可以控制的，因而可以发射一定频率的电磁波，通过对接收的反射波进行分析和数据处理，从而达到定位和定向的目的。但是，煤岩变形破裂过程产生的电磁波其频率和强度是不断变化的，是一个随着时间变化的动态过程，其变化的大小和频度反映了煤岩动态的变形破坏程度，也就是反映了煤岩动力灾害的危险性，并且其电磁辐射源分布很广。因此利用监测到的信号直接对煤岩变形破坏产生的电磁辐射源进行定位和定向是非常困难的。

采用电磁辐射方法的目的是达到准确、方便、快捷地预测预报煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩灾害动力现象而不影响现场生产。利用数值模拟的方法来间接研究煤岩破裂电磁辐射产生、传播和接收过程的最终目的也是为了将此项技术更好地应用于解决现场实际问题，并初步实现煤岩变形破裂电磁辐射的定向定位。

8.1.1 现场预测方向的选择和有效预测距离的确定

（1）现场预测方向的选择

矿山巷道掘进时，煤岩变形破裂会产生电磁辐射信号，而电磁辐射场是一个矢量场，具有方向性，因此在现场利用电磁辐射监测仪对煤岩动力灾害现象进行预测预报时必须考虑天线接收的方向，预测方向选择的合理与否，对监测结果具有重要的影响。为此，中国矿业大学对此进行了研究，初步确定了现场电磁辐射监测仪监测方向的一般原则并应用于实践，取得了一定的效果^{［186～188］}。

在现场利用KBD-5型电磁辐射监测仪进行煤与瓦斯突出、冲击矿压、岩爆危险性预测预报时，可对同一煤层同一地点进行同步监测，也可进行动态跟踪监测。定点监测就是在巷道中选定某一测点，监测选定区域内采掘过程中电磁辐射的变化。动态跟踪监测就是随着工作面的进尺，在工作面迎头布置测点，监测进尺后工作面前方煤体的电磁辐射，以预测工作面前方煤体突出危险程度。

如图8.1所示，在巷道掘进迎头一般布置3个测点，分别位于左、中、右方，天线分别朝向左前方、正前方和右前方。在每一个测点，天线有两种布置方式，一种是天线轴向朝向煤层（如图8.2a），另一种是天线轴向垂直于巷道顶、底板（如图8.2b）。安装好支架和天线，并连接好主机及电源。然后打开仪器，先根据经验设置初步的临界值、门限值和组数等；按开始键进行测试，测定电磁辐射强度和脉冲数。测试结束后，将便携式监测仪带到井上，将数据传输到微机中，结合常规预测方法的测定数据来进行趋势分析。

图8.1 电磁辐射探头布置示意图

图8.2 天线布置方式

因为掘进工作面在掘进过程中周围煤岩体内（包括两帮和迎头）的应力分布是不均匀的，应力集中区的位置也是不固定的，导致电磁辐射源的位置也在不断的变化，本文通过前面的应力场数值模拟和力电耦合模型的研究，得出电磁辐射信号在煤岩中的分布规律不仅与煤岩电性参数有关，而且与应力集中区的位置、区域大小有关，将应力集中区看作电磁辐射源是合理的，同时考虑到天线接收的方向性，对于KBD-5矿用本安型电磁辐射监测仪采用的是线圈天线，其主接收方向为天线轴向两边各30°，通过改变天线朝向就可以接收来自不同方向煤岩变形破裂产生的电磁辐射信号，本文在进行计算时规定：监测巷道迎头时，规定天线轴向与垂直迎头壁面方向一致时为0°；监测两帮时，规定天线轴向与垂直两帮壁面方向一致时为0°，顺时针方向为负，逆时针为正；如图8.3所示。这样就可以借助于力电耦合模型计算出在天线的各个朝向电磁辐射信号的变化规律，最后通过对某一个固定监测点结果的比较，就可以确定出某一个监测点的最佳监测方向以及应力变化最大（即危险性最大）的方向。如图8.4和图8.5分别为在巷道迎头壁面处左前方和正前方监测点电磁辐射模拟计算值与天线监测方向的关系曲线，采深为700 m，取开挖16 m迭代500步和1500步后的数据值，其他条件为：取潘三矿1452工作面煤岩力学性质，电磁波在其中的衰减系数为0.2 dB/m，转换成非分贝值为0.0460；根据第3章的分析，衰减系数受介电常数影响不大，并且测定时频率为500 kHz，待测煤岩层的电导率为0.002～0.01 S/m，即电阻率为500～100 Ω·m，相对介电常数均取为4，取定耦合公式中的系数a=0.0063，b=0.0246，c=0.2494，d=9.4737。从图中可见：在正前方，天线轴向方向偏转角度为-60°～+60°时EME值变化不大，正对着壁面时最大；在左边角时，天线轴向方向偏转角度为+60°时EME值最大，较正对着迎头壁面为大，说明在左边角前方煤岩层内部应力场变化较大的缘故，且比正前方EME的最大值还要大一些，因此在现场进行监测时必须主要监测巷道两边角的区域，且可以适当增加测点。

图8.3 电磁辐射监测方向和范围示意图

图8.4 EME模拟值与方向的关系（左前方）

图8.5 EME模拟值与方向的关系（正前方）

因此对于现场预测方向的选择，根据前面的分析与研究，本文认为：

1）对待预测巷道或工作面进行采掘过程中的应力场数值模拟，在应力场模拟过程中，必须结合现场围岩变形破坏参数的测定结果如顶底板移近量、巷道两帮的位移量等对程序进行调试；

2）程序调试好后，根据数值模拟出的应力场分布，确定应力集中区范围，然后根据监测天线的方向角度（60°）提取出该范围的应力值，利用力电耦合模型计算出待监测点在各个方向电磁辐射模拟计算值的变化规律，其中最大值的方向就可以看作是最佳的预测方向。

（2）有效预测距离的确定

根据何学秋、王恩元等^［41］的研究结果，对于实际现场煤岩，当电磁辐射频率f≤1.0 MHz时，则煤岩体中电磁波传播的有效距离即电磁辐射仪监测的有效预测距离L由下式确定

煤岩动力灾害力电耦合

煤岩动力灾害力电耦合

式中参数物理意义同前所述。对于岩石和矿物，磁导率可看作为真空中的磁导率；煤岩电阻率为10～1000 Ω·m。若选择电磁波频率为500 kHz，则L为7.12～22.5 m。

由于煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射频率不是单一的，并且不同煤岩层对不同频率电磁波的衰减也是不同的，根据前面分析将煤岩变形破裂过程的应力集中区看作电磁辐射源是可行的前提，本文认为可以通过应力场数值模拟得出的应力集中区来确定有效预测距离的范围。

（3）现场预测测定位置的选择

现场巷道掘进过程中进行电磁辐射动态监测，预测位置一般选择在迎头左、中、右三个点和巷道两帮。但是，由于现场的复杂性，不同矿区不同煤岩层以及不同的工作面或掘进面，应力集中程度和应力集中区的位置是不同的，产生的电磁辐射信号在监测空间的分布也是不同的，因此合理选择监测的位置，才能使监测到的电磁辐射信号变化更加准确的反映掘进过程中煤岩变形破裂时应力变化的规律，提高预测预报的有效性和准确性。

本文前面利用基于应力场模拟的力电耦合模型对煤岩变形破裂产生的电磁辐射信号在巷道空间和煤岩内部的分布情况进行了计算与分析，计算结果表明：天线朝向迎头垂直壁面方向进行监测时，在巷道空间沿着高度方向电磁辐射信号强度分布规律是中间大、两端小；在煤岩体内部是随着与巷道壁面距离的增加先是逐渐增加，达到峰值后再逐渐降低，其分布曲线呈现出与煤岩内部应力分布曲线相同的规律；但在迎头与两帮相连的边角处，若天线方向朝向边角，则电磁辐射信号较大，说明在该处方向应力变化较大，属于重点监测的区域。

因此，在巷道掘进过程中，根据前面应力场的三维数值模拟以及力电耦合计算结果可知，在巷道迎头进行电磁辐射动态监测时，天线测定的位置应该放置在巷道高度方向的中部，并对着煤层层理方向，通过不断改变天线朝向来监测巷道迎头和两帮煤岩层的突出危险性。

8.1.2 煤岩变形破裂危险区域的定向定位

根据对煤岩体裂隙扩展过程的讨论可以知道，煤岩材料中裂纹的扩展是不均匀的、间歇式的，扩展的路径是曲折的，而且常常分岔为两个或两个以上的裂纹，由此产生的EME也是脉冲式的和具有方向性。而电磁辐射产生源主要分布在应力集中区，根据变形破裂过程中裂纹的大小和方向以及辐射的电子数，结合变化的煤岩电性参数，就可以数值计算出电磁辐射参数在煤岩中的时空分布，从而可以准确确定监测的方位和方向。同时也可以根据在各个地点的监测数据，利用数值模拟来反演煤岩在应力作用下主破裂区域（或者说是应力集中区），这可以通过现场钻孔实测煤岩内应力分布来验证模型的准确性。因此必须对此进行实验研究和数值模拟。赵阳升^［189］，孟祥跃等^［190］对岩石破裂过程以及煤与瓦斯突出等进行了数值模拟研究。余运超^［191］对震前电磁辐射提出了一种理想化震源物理模型，并据此模型提出了一种定位方法。

根据前面的分析研究，要利用非接触电磁辐射方法有效监测煤岩灾害动力现象，初步实现煤岩变形破裂危险区域的定向定位，可以采取基于应力场模拟的力电耦合方法，本文提出以下步骤：

1）首先在现场提取待预测巷道或工作面原煤或做成型煤，在实验室进行单轴压缩电磁辐射信号的测定，初步了解其电磁辐射信号随加载应力的变化规律，以及通过频谱分析了解其主频率的分布；

2）接着在实验室进行煤的电性参数主要是电导率在不同频率下的测定，在现场则可以利用坑透仪进行待预测煤岩体中电磁波衰减系数的测定，以确定力电耦合计算模型中的衰减系数；

3）然后对待预测巷道或工作面进行采动影响或掘进过程中的应力场进行数值模拟，在应力场模拟过程中，必须结合现场的实际情况加以处理，包括：煤岩力学参数的正确选择，煤岩电性参数的合理确定，还有应结合现场围岩变形破坏参数的测定结果如顶底板移近量、巷道两帮的位移量等对程序进行调试；

4）程序调试好后，根据数值模拟的应力分布，确定应力集中区范围，该区域就决定预测的范围；

5）最后通过改变天线的朝向，提取出不同天线方向的应力集中区域的最大主应力值，作为力电耦合计算的应力数据来源；通过力电耦合模型计算电磁辐射信号模拟计算值，并分析其在煤岩内部和巷道空间以及不同天线朝向的分布，从而确定某一监测点的最佳监测方向。