專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波載波信息通訊系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬應(yīng)急通訊系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種礦業(yè)超聲波載波信息通訊系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，隨著能源問(wèn)題的突出，煤礦事故攀升，煤礦救援設(shè)備突顯出來(lái)。煤礦發(fā)生事 故后井上井下通訊問(wèn)題已成為一個(gè)世界難題。瓦斯爆炸、塌方、水、火事故發(fā)生后，所有的通 訊手段全部失去效力，在能源問(wèn)題突出，礦難無(wú)法遏制的形式下，強(qiáng)化救援、救生設(shè)備的同 時(shí)，井下事故后的通訊保障系統(tǒng)早已擺在煤炭、礦業(yè)、國(guó)家安全監(jiān)管、煤炭科研部門(mén)面前。井 下事故后的通訊困難在于有線(xiàn)系統(tǒng)的線(xiàn)路遭到破壞而信號(hào)中斷，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)、小靈通系統(tǒng)的 信號(hào)在巷道堵塞、中繼站破壞、電源中斷等任何一種情況下都會(huì)造成通訊系統(tǒng)癱瘓。時(shí)有線(xiàn) 系統(tǒng)中斷、無(wú)線(xiàn)信號(hào)無(wú)法傳遞的情況下，如何進(jìn)行井上井下雙向通訊問(wèn)題一直困擾了科研 部門(mén)幾十年。解決井下事故后的通訊，已經(jīng)想盡了一切辦法，但是收效甚微?，F(xiàn)在井下通訊手段有有線(xiàn)電話(huà)、無(wú)線(xiàn)電話(huà)、小靈通系統(tǒng)、讀卡器人員井下定位系統(tǒng) 等等，在正常生產(chǎn)中使用是沒(méi)有問(wèn)題的。一但發(fā)生事故，特別是瓦斯爆炸事故，上述設(shè)備難 以抵御爆炸力的摧毀，使得通訊全部中斷。在事故后的應(yīng)急通信手段目前應(yīng)用的如電磁感 應(yīng)通訊、長(zhǎng)波通訊等。電磁感應(yīng)通訊是依靠已經(jīng)被事故后破壞的殘余電纜，利用原有的通訊 設(shè)備感應(yīng)通訊，這種方法并不是100%可靠。長(zhǎng)波通訊以美國(guó)為例，美國(guó)投入巨資，建立大功 率長(zhǎng)波通訊發(fā)射裝置，雖然信號(hào)能夠穿透到地下1000多米深處，但是在井下僅僅是單向接 受，而不能向地上傳遞信息。恰恰相反，事故發(fā)生后，不是井下要了解井上的信息而是井上 急切想知道井下的信息。另外建立大功率長(zhǎng)波電臺(tái)，地面上需要架設(shè)數(shù)十以至數(shù)百公里的 天線(xiàn)才能夠達(dá)到穿透到地下幾百米深處的井下。因此，美國(guó)的大功率長(zhǎng)波單向通訊也不是 最佳解決辦法。在井下事故發(fā)生后，一切通訊手段都癱瘓的情況下，井下情況不明，待救人員數(shù) 量、位置，事故發(fā)生位置、井下各處的空氣質(zhì)量都是救援前必須了解清楚的事項(xiàng)，冒然救援 有可能發(fā)生再次事故，花費(fèi)時(shí)間了解井下情況則延誤救援的寶貴時(shí)間，事故后的井下通訊 一直是井下事故救援的首要問(wèn)題。為了有效的降低煤礦井下發(fā)生災(zāi)害時(shí)的死亡人數(shù)，尋求 解決一種能夠抗御井下事故的通訊技術(shù)是目前世界各國(guó)都沒(méi)有解決的問(wèn)題。急需研制出具 有有效抵御井下災(zāi)害事故對(duì)通訊系統(tǒng)的破壞，能夠雙向通訊的事故后通訊保障系統(tǒng)，這對(duì) 我國(guó)煤礦生產(chǎn)安全將產(chǎn)生積極的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種能夠在礦業(yè)和其它行業(yè)突發(fā)事 故后，在一切通訊手段失效后，不受爆炸、塌方等環(huán)境因素影響的超聲波載波信息通訊系 統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在爆炸、塌方等事故后能夠滿(mǎn)足井上、井下雙向通訊，而且能自動(dòng)傳遞氧氣、 二氧化碳、一氧化碳、甲烷、溫度等傳感器的數(shù)字信號(hào)和圖片圖像信號(hào)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其包括主叫控制部分、超聲波能量傳輸系統(tǒng)及被叫控制部分；所述主叫控制部分包括模擬信號(hào)處理模塊、 A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/圖像信息處理模塊、FPGA模塊及超聲波功率放大器模塊；所述模擬信 號(hào)處理模塊的輸出端口經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA模塊的輸入端口相接；所述數(shù)字/圖像信息 處理模塊的輸出端口接FPGA模塊的輸入端口 ；所述FPGA模塊的輸出端口經(jīng)超聲波功率放 大器模塊與超聲波能量傳輸系統(tǒng)的超聲波發(fā)射傳感器的端口相接；所述被叫控制部分包括 頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、音頻信號(hào)處理模塊及數(shù)字/圖像信息輸出模塊； 所述超聲波能量傳輸系統(tǒng)的超聲波接收傳感器的端口接頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊的端口 ； 所述頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊的輸出端口一路接數(shù)字/圖像信息輸出模塊，另一路經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換模塊接音頻信號(hào)處理模塊的輸入端口。作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述超聲波能量傳輸系統(tǒng)包括超聲波傳遞介質(zhì)、超聲 波發(fā)射傳感器及超聲波接收傳感器；所述超聲波發(fā)射傳感器與超聲波接收傳感器的端口分 別與超聲波傳遞介質(zhì)的端口固定相接。作為另一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述超聲波傳遞介質(zhì)可選擇金屬。進(jìn)一步地，本發(fā)明所述超聲波發(fā)射傳感器包括發(fā)送端本體；在所述發(fā)送端本體的 一端固接發(fā)送端超聲波振子；在所述發(fā)送端本體的另一端固接超聲波傳遞介質(zhì)；所述超聲 波接收傳感器包括接收端本體；在所述接收端本體的一端固接接收端超聲波振子；在所述 接收端本體的另一端固接超聲波傳遞介質(zhì)。更進(jìn)一步地，本發(fā)明在所述發(fā)送端超聲波振子及接收端超聲波振子的端部依次分 別固接發(fā)送端匹配器及接收端匹配器。另外，本發(fā)明所述超聲波傳遞介質(zhì)根據(jù)需要可選擇圓柱型，其橫截面的直徑為 4mm 70mmο本發(fā)明所述發(fā)送端超聲波振子所發(fā)射的超聲波為縱波；所述接收端超聲波振子所 接收的超聲波為縱波。本發(fā)明系統(tǒng)采用能夠抵御爆炸、塌方、冒水、燃燒等強(qiáng)井下事故，即使扭曲、掩埋、 高溫、水浸不影響正常通訊的鋼質(zhì)材料為信號(hào)通道，傳遞超聲波信號(hào)。在井下發(fā)生礦難事故 后，在一切通訊裝置癱瘓的情況下，本發(fā)明系統(tǒng)會(huì)發(fā)揮重要的應(yīng)急通訊作用。本系統(tǒng)不僅在 爆炸、塌方等事故后能夠滿(mǎn)足井上、井下雙向通訊，而且能自動(dòng)傳遞氧氣、二氧化碳、一氧化 碳、甲烷、溫度等傳感器的數(shù)字信號(hào)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明發(fā)送端換能器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明接收端換能器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。圖中1為超聲波傳遞介質(zhì)；2為超聲波發(fā)射傳感器；3為超聲波接收傳感器；401 為發(fā)送端超聲波振子；402為接收端超聲波振子；501為發(fā)送端本體；502為接收端本體； 601為發(fā)送端匹配器；602為接收端匹配器；701為振子極片；702為振子極片。
具體實(shí)施例方式如圖所示，超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其特征在于，包括主叫控制部分、超聲波能 量傳輸系統(tǒng)及被叫控制部分；所述主叫控制部分包括模擬信號(hào)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù) 字/圖像信息處理模塊、FPGA模塊及超聲波功率放大器模塊；所述模擬信號(hào)處理模塊的輸 出端口經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊與FPGA模塊的輸入端口相接；所述數(shù)字/圖像信息處理模塊的輸出 端口接FPGA模塊的輸入端口 ；所述FPGA模塊的輸出端口經(jīng)超聲波功率放大器模塊與超聲 波能量傳輸系統(tǒng)的超聲波發(fā)射傳感器的端口相接；所述被叫控制部分包括頻率跟蹤/數(shù)字 解碼模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、音頻信號(hào)處理模塊及數(shù)字/圖像信息輸出模塊；所述超聲波能量 傳輸系統(tǒng)的超聲波接收傳感器的端口接頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊的端口 ；所述頻率跟蹤/ 數(shù)字解碼模塊的輸出端口一路接數(shù)字/圖像信息輸出模塊，另一路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊接音頻 信號(hào)處理模塊的輸入端口。模擬信號(hào)處理模塊主要處理音頻信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換模塊主要將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)。數(shù)字/圖像信息處理模塊與儀表輸出接口相匹配。FPGA模塊為執(zhí)行處理模擬信號(hào)、 數(shù)字信號(hào)、信號(hào)編碼、壓縮、解調(diào)、糾錯(cuò)、運(yùn)算的系統(tǒng)。超聲波功率放大器模塊對(duì)載波信號(hào)提 供推動(dòng)功率。頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊具有接收超聲波頻率變化跟蹤功能并可對(duì)接收的數(shù)字 信號(hào)進(jìn)行解碼還原。D/A轉(zhuǎn)換模塊主要將解碼還原的音頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。音頻 信號(hào)處理模塊對(duì)還原的音頻信號(hào)進(jìn)行放大。數(shù)字/圖像信息輸出模塊將儀表信號(hào)數(shù)碼顯 示，將圖形/圖像信號(hào)還原為可視信號(hào)。本發(fā)明所述超聲波能量傳輸系統(tǒng)包括超聲波傳遞介質(zhì)1、超聲波發(fā)射傳感器2及 超聲波接收傳感器3 ；所述超聲波發(fā)射傳感器2與超聲波接收傳感器3的端口分別與超聲 波傳遞介質(zhì)1的端口固定相接。本發(fā)明所述超聲波傳遞介質(zhì)1為金屬。本發(fā)明所述超聲波發(fā)射傳感器2包括發(fā)送端本體501 ；在所述發(fā)送端本體501的 一端固接發(fā)送端超聲波振子401 ；在所述發(fā)送端本體501的另一端固接超聲波傳遞介質(zhì)1 ； 所述超聲波接收傳感器3包括接收端本體502 ；在所述接收端本體502的一端固接接收端 超聲波振子402 ；在所述接收端本體502的另一端固接超聲波傳遞介質(zhì)1。本發(fā)明在所述發(fā)送端超聲波振子401及接收端超聲波振子402的端部依次分別固 接發(fā)送端匹配器601及接收端匹配器602。本發(fā)明所述超聲波傳遞介質(zhì)1為圓柱型，其橫截面的直徑為4mm 70mm。目前應(yīng)用壓電陶瓷電轉(zhuǎn)力特性的有測(cè)距、探傷、清洗、焊接、醫(yī)療B超等；應(yīng)用力 轉(zhuǎn)電特性的有壓電點(diǎn)火器、移動(dòng)X光電源、炮彈引爆裝置等。但是這些都是單一的利用壓 電陶瓷的電轉(zhuǎn)力或者力轉(zhuǎn)電單一特性。本發(fā)明是利用壓電陶瓷的電轉(zhuǎn)力，力轉(zhuǎn)電綜合電特 性，采用超聲波電轉(zhuǎn)力特性使產(chǎn)生超聲波機(jī)械振動(dòng)，這些特性已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到測(cè)距、探 傷、焊接、電火、魚(yú)群探測(cè)、醫(yī)療B超等各個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)槌暡ǖ念l帶相對(duì)較窄，不適宜做音 頻和數(shù)據(jù)載波，在應(yīng)用于通訊領(lǐng)域認(rèn)為不可能，所以不予考慮，沒(méi)有被應(yīng)用到通訊領(lǐng)域。本發(fā)明利用超聲波的綜合特性應(yīng)用于信息通訊，傳輸音頻信號(hào)和圖像、圖形、數(shù)據(jù) 等新領(lǐng)域。本發(fā)明方法是將拾音器音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮，經(jīng)超聲波功率放大載波，推動(dòng)安裝在金屬介質(zhì)一端的超聲波發(fā)射/接收換能器，輸出到金屬介 質(zhì)。因?yàn)榻饘俳橘|(zhì)的超聲波傳輸速度快、損耗低，所以可以傳輸?shù)?000米到10000米的距 離，如果延長(zhǎng)傳輸距離可以采用中繼站的方式無(wú)限加長(zhǎng)。在接收端同樣安裝超聲波發(fā)射/ 接收換能器接收通過(guò)金屬介質(zhì)傳輸過(guò)來(lái)的機(jī)械振動(dòng)波。經(jīng)過(guò)解壓縮解碼、糾錯(cuò)、輸出數(shù)字?jǐn)?shù) 據(jù)信號(hào)，還原數(shù)據(jù)或者圖像、圖形。經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換將音頻信號(hào)還原，經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器輸出。本發(fā)明通過(guò)金屬介質(zhì)的一端將產(chǎn)生的載有經(jīng)處理信息信號(hào)的超聲波機(jī)械振動(dòng)傳 輸?shù)竭h(yuǎn)距離的另一端，在另一端經(jīng)超聲波換能器(超聲波接收傳感器)將接收到載有信息的 超聲波機(jī)械振動(dòng)能量經(jīng)還原轉(zhuǎn)換為信息信號(hào)，達(dá)到遠(yuǎn)距離金屬導(dǎo)體超聲波載波輸送信息的 目的。而且發(fā)射/接收是互換的，所以可以單工雙向通訊。如果雙工雙向通訊要敷設(shè)兩條 金屬介質(zhì)線(xiàn)。超聲波傳遞介質(zhì)為金屬體，傳遞速度最快，效率最高。金屬體傳遞縱波能量集中， 遠(yuǎn)距離傳輸中損耗小是傳輸載體的最佳選擇，金屬體更具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。傳輸金屬體 可以通往地下礦井、海底深水、燃燒的火焰、行駛各種車(chē)輛的路面、塌方巖石掩埋，在爆炸現(xiàn) 場(chǎng)只要不炸斷任何扭曲和變型都不會(huì)影響正常傳輸超聲波縱波功能。金屬體的兩端分別連接發(fā)送端與接收端(超聲波發(fā)射傳感器及超聲波接收傳感 器)，發(fā)送端通過(guò)換能器(超聲波發(fā)射傳感器)將電磁波轉(zhuǎn)換為機(jī)械波，機(jī)械波在金屬體內(nèi)向 接收端傳輸，接收端將機(jī)械波再轉(zhuǎn)換為電磁波。這種方法在傳輸電能的同時(shí)，信息信號(hào)通過(guò) 編碼由超聲波載波傳遞，經(jīng)解碼還原信息信號(hào)達(dá)到通訊目的。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其特征在于，包括主叫控制部分、超聲波能量傳輸系統(tǒng)及 被叫控制部分；所述主叫控制部分包括模擬信號(hào)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/圖像信息處理模塊、 FPGA模塊及超聲波功率放大器模塊；所述模擬信號(hào)處理模塊的輸出端口經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊與 FPGA模塊的輸入端口相接；所述數(shù)字/圖像信息處理模塊的輸出端口接FPGA模塊的輸入 端口 ；所述FPGA模塊的輸出端口經(jīng)超聲波功率放大器模塊與超聲波能量傳輸系統(tǒng)的超聲 波發(fā)射傳感器的端口相接；所述被叫控制部分包括頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、音頻信號(hào)處理模塊及 數(shù)字/圖像信息輸出模塊；所述超聲波能量傳輸系統(tǒng)的超聲波接收傳感器的端口接頻率跟 蹤/數(shù)字解碼模塊的端口 ；所述頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊的輸出端口一路接數(shù)字/圖像信 息輸出模塊，另一路經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊接音頻信號(hào)處理模塊的輸入端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波能量傳 輸系統(tǒng)包括超聲波傳遞介質(zhì)(1)、超聲波發(fā)射傳感器(2)及超聲波接收傳感器(3)；所述超 聲波發(fā)射傳感器(2)與超聲波接收傳感器(3)的端口分別與超聲波傳遞介質(zhì)(1)的端口固 定相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波傳遞介 質(zhì)(1)為金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波發(fā)射傳感器(2)包括發(fā)送端本體(501);在所述發(fā)送端本體(501)的一端固 接發(fā)送端超聲波振子(401)；在所述發(fā)送端本體(501)的另一端固接超聲波傳遞介質(zhì)(1)； 所述超聲波接收傳感器(3)包括接收端本體(502);在所述接收端本體(502)的一端固接接 收端超聲波振子(402)；在所述接收端本體(502)的另一端固接超聲波傳遞介質(zhì)(1)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，其特征在于在所述發(fā)送端超聲 波振子(401)及接收端超聲波振子(402)的端部依次分別固接發(fā)送端匹配器(601)及接收 端匹配器(602)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 4之任一所述的超聲波能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波 傳遞介質(zhì)(1)為圓柱型，其橫截面的直徑為4mm 70mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述發(fā)送端超聲波振子 (401)所發(fā)射的超聲波為縱波；所述接收端超聲波振子(402)所接收的超聲波為縱波。
全文摘要
本發(fā)明屬煤礦井下通訊系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤礦井下超聲波載波信息通訊系統(tǒng)，包括主叫控制部分、超聲波能量傳輸系統(tǒng)及被叫控制部分；主叫控制部分包括模擬信號(hào)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/圖像信息處理模塊、FPGA模塊及超聲波功率放大器模塊；所述被叫控制部分包括頻率跟蹤/數(shù)字解碼模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、音頻信號(hào)處理模塊及數(shù)字/圖像信息輸出模塊；本發(fā)明能夠在井下發(fā)生事故后，在一切通訊手段失效后，不受爆炸、塌方等環(huán)境因素影響的超聲波載波信息通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅在爆炸、塌方等事故后能夠滿(mǎn)足井上、井下雙向通訊，而且能自動(dòng)傳遞氧氣、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、溫度等傳感器的數(shù)字信號(hào)。
文檔編號(hào)H04B11/00GK102136872SQ201110054149
公開(kāi)日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者袁崇禮 申請(qǐng)人:上海鵬燕礦業(yè)安全設(shè)備制造有限公司