一種基于磁諧振的井下礦工搜救系統及方法
【專利摘要】本發明公開一種基于磁諧振的井下礦工搜救系統及方法。本發明的系統由地上搜救端與地下礦工穿戴感應端組成，地上搜救端通過感應線圈發射特定頻率磁場，地下礦工穿戴感應端內置感應線圈，其固有頻率與地面搜救端產生磁場頻率相同。當礦工穿戴的感應線圈處于地上搜救端發射的磁場中時，產生磁耦合諧振，從而給地上搜救端與地下的礦工穿戴端同時反饋信號，輔助搜救。本發明無需復雜的信號處理算法，系統構成簡單。基于磁耦合諧振原理，磁場攜帶較高的能量，利于穿透較厚的地質層，并在搜救時能給礦工傳達簡單的信息，彌補了傳統搜救裝置不能給被搜救者傳達信息的不足。
【專利說明】
一種基于磁諧振的井下礦工搜救系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及電磁場技術、信息技術等領域，具體涉及一種基于磁耦合諧振的井下礦工搜救方法與礦工服裝置。
[0002]
【背景技術】
[0003]礦井事故或礦難發生時，對礦工的搜救是一項重要而艱巨的任務。現有的搜救設備主要有探地雷達和生命探測儀等對地探測裝置，主要是利用電磁波的反射原理制成，通過對反射回波的分析處理，對搜救目標進行定位。但是這種搜救設備受地層介質對信號的干擾影響大，且這些設備需復雜的信號處理算法及高性能的處理硬件，設備組成精密，專業性強，成本也較高。再者，這些搜救方法只能幫助搜救人員了解被救礦工的位置情況，而井下的被困礦工卻無法收到相應的反饋信息，比如:被困礦工很難獲知搜救人員是否到達、被困礦工自己是否已被搜救人員找到、以及搜救人員距離自己遠近等的信息。這些信息雖然簡單，但對被困礦工來說，是積極的刺激因素，會給其困難條件下的生存幾率帶來積極影響。
[0004]磁耦合諧振技術，最初是一種無線能量傳輸技術，該技術的基本原理為:發射端感應線圈通入交變電流，產生振蕩頻率的感應磁場，當接收裝置的固有頻率與振蕩頻率相同時，接收線圈會產生最強的感應電流，從而將磁能轉化為電能。在本專利中，我們基于磁耦合諧振技術，利用次耦合諧振現象中的一些特點，給出一種對地探測的方法，進而提出一種可用于井下礦工搜救方法與裝備。
[0005]
【發明內容】
[0006]為實現上述目的，本發明給提供一種基于磁諧振的井下礦工搜救系統及方法。其具體特征如下。
[0007]一種基于磁諧振的井下礦工搜救系統，由地上搜救端與地下礦工穿戴感應端組成，地上搜救端產生設定頻率的磁場，地下礦工穿戴感應端內置感應線圈，其固有頻率與地上搜救端產生磁場頻率相同；當地下礦工穿戴感應端內置的感應線圈處于該磁場中時，會產生耦合諧振，從而給地上搜救端和地下礦工穿戴感應端發出提示信號。
[0008]進一步地，地上搜救端包括發射模塊、處理模塊、反饋模塊及顯示輸出模塊;其中發射模塊包括感應線圈；處理模塊負責產生發射磁信號，以及處理反饋模塊監測的電流信號完成對礦工方位的確定;反饋模塊含有電流監測元件，用于監測發射端電流信息，并反饋給處理模塊，處理模塊判斷是否有接收線圈達到耦合諧振;顯示輸出模塊用于將反饋信息處理后，輸出結果給搜救人員，輸出結果包括是否發現目標，以及目標方位，距離的估計值。
[0009]進一步地，地下礦工穿戴感應端的感應線圈分布在礦工服和礦工帽的各個方向和位置，從而保證接收感應線圈有盡量大的感應面積和盡量多的有效感應方向；位于礦工服的線圈為平面線圈，通過柔性PCB電路板布置;礦工服還配備地下礦工穿戴感應端的通知模塊，通知模塊包括LED燈和/或蜂鳴器，當感應線圈與地上搜救端產生諧振后，能完成無線輸能，得到的電能用來觸發蜂鳴器或LED燈以給礦工傳達搜救人員是否已經找到被困礦工，另夕卜，感應電流的強弱對應蜂鳴器聲音及LED亮度的強弱，用于傳達搜救人員距離的遠近的信息;并且礦工服和礦工帽不需要攜帶額外電源。
[0010]利用所述基于磁諧振的井下礦工搜救系統的地下礦工搜救方法，其包括如下步驟:
步驟I:控制參數設置，地上搜救端設置的參數包括:發射功率，發射頻率，初始方向，反饋電流信息檢測門限；
步驟2:根據步驟I的參數，處理模塊給發射模塊通入信號，發射模塊發射設定頻率和功率的磁場；
步驟3:若發射模塊中在當前方向感應到檢測門限以上的電流變化，發出警報聲提示，則判定該方向有礦工，應指示搜救人員在該方向進行搜尋;如發射端在當前方向無明顯反饋電流變化，則調整方向后，按步驟2和3繼續完成對空間區域的掃描。
[0011]上述的搜救方法中，當地面搜救端與地下的礦工服及礦工帽內的線圈達到耦合諧振后，觸發LED燈和/或蜂鳴器，告知礦工已被地面搜救端發現，礦工也能根據LED燈的亮度或蜂鳴器的聲音強度判斷搜救人員距離的遠近。
[0012]本發明根據磁親合諧振技術原理，發射端產生特定振蕩頻率的感應場，當接收的感應線圈的固有頻率與振蕩頻率相同時，接收端會產生最強的感應電流，從而將磁能轉化為電能。同時，達到耦合諧振后，于發射端來說，相當于實現了負載匹配，從而發射端電路的電流會產生變化，并且能量向負載傳輸。因此，通過監測發射端電流的變化，可以知道是否有接收端與發射端達到耦合諧振狀態。另外，由于磁場是是矢量場，本身攜帶有方向信息，當接收端感應線圈正對發射感應線圈時感應電流最大。根據以上原理，本發明考慮在地面上放置一電磁發射裝置，在地下，礦工配備內置有特定固有頻率感應線圈的礦工服和礦工帽，這樣，發射端在某一方向發射交變電磁場時，如果有反饋電流的變化，便可以判斷這個方向是否有礦工存在，進而指導搜救的進行。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下優點和技術效果:
(I)無需復雜信號處理算法，本發明以磁耦合諧振為基本原理，軟、硬件構成簡單，無需傳統雷達探測儀復雜的信號處理算法及高性能運算模塊。
[0014](2)發明基于磁耦合諧振原理，最初是一種無線能量傳輸方法，用于井下搜救，高能量的磁場利于穿透各種地質結構，實現更有效的探測。
[0015](3)可以給礦工反饋搜救信息。本發明在實施搜救時，當地上搜救端與地下礦工服(帽)中的感應線圈產生諧振時，不但搜救端會收到提示，而且地下的礦工服(帽)也會收到能量從而觸發LED和蜂鳴器等，給礦工反饋信息。還可以通過信號的強弱頻率等信息判斷搜救人員距離礦工的距離遠近，并反饋給礦工。
【附圖說明】
[0016]圖1是實施例中的基于磁諧振的井下礦工搜救系統的原理框圖；
圖2是基于磁諧振的井下礦工搜救系統的一種實例示意圖； 圖3是實例中基于磁諧振的井下礦工搜救方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步描述說明，但本發明的實施方式和保護不限于此。
實施例
[0018]如圖1所示，是本發明所述的一種基于磁耦合諧振的礦工搜救系統原理框圖。系統分為地面搜救系統與地下礦工穿戴感應系統。
[0019]如圖2，地面的搜救系統主要組成包括:發射模塊、處理模塊，反饋模塊以及顯示輸出模塊104。發射模塊101主要包含發射線圈，功放等硬件，負責向外發射低頻磁場。發射線圈的尺寸和功放的功率影響搜救系統的有效距離，應根據礦井的深度選用尺寸足夠大的線圈和足夠高功率的功放模塊;處理模塊102包含數字信號的產生、采集與處理終端，負責提供發射模塊的激勵信號，接收反饋模塊的電流信息并進行處理;反饋模塊可以為霍爾電流計等電信號傳感器103，負責感知地面系統內電流的變化。輸出顯示模塊104用于將處理模塊處理后得到的信息輸出給搜救者，包括是否發現目標，以及目標的方位信息等。
[0020]地下的礦工穿戴系統內置在礦工帽以及礦工服中，主要組成包括:感應線圈105以及通知模塊106。感應線圈應具有與地面發射系統相同的諧振頻率，并且分布在礦工帽與礦工服盡量多的地方，使其覆蓋盡量多的感應方向，達到任意方向來的磁場，都會有至少一個感應線圈與之達到諧振。通知模塊含有LED燈或蜂鳴器等裝置，當感應線圈與地面搜救端形成諧振后，利用諧振后所供應的電能觸發LED燈或蜂鳴器，從而向礦工傳達已經被搜救端找到以及距離搜救人員的遠近等信息。
[0021]地下礦工穿戴感應系統主要為內置有感應線圈的礦工服和礦工帽，其感應線圈分布在礦工服和礦工帽的各個方向和位置，從而保證接收感應線圈有盡量大的感應面積和盡量多的有效感應方向。礦工服的線圈一般應為平面線圈，可以由柔性PCB電路板布置，從而保證內嵌在礦工服后整體良好的柔性。礦工服(帽)可以配備LED燈和蜂鳴器等通知模塊，當感應線圈與地上搜救端產生諧振后，可以完成無線輸能，得到的電能可以用來觸發蜂鳴器或LED燈用來給礦工傳達搜救人員是否已經找到被困礦工，另外感應電流的強弱(蜂鳴器的聲音及LED等亮度的強弱)也可以用于傳達搜救人員距離的遠近等簡單的信息。并且礦工服(帽)不需要攜帶額外電源。
[0022]圖2為一種礦工搜救方法的工作流程圖。首先探測端的信號發生器要持續不斷的供給發射線圈掃頻信號，也要持續不斷的檢測發射線圈上反饋電信號幅度變化，一旦出現波動，就可能有被困人員在附近，通過移動探測端的方位，使的信號波動范圍進一步增強，便可實現探測定位。
[0023]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于磁諧振的井下礦工搜救系統，其特征在于由地上搜救端與地下礦工穿戴感應端組成，地上搜救端產生設定頻率的磁場，地下礦工穿戴感應端內置感應線圈，其固有頻率與地上搜救端產生磁場頻率相同；當地下礦工穿戴感應端內置的感應線圈處于該磁場中時，會產生耦合諧振，從而給地上搜救端和地下礦工穿戴感應端發出提示信號。2.根據權利要求1所述的基于磁諧振的井下礦工搜救系統，其特征在于地上搜救端包括發射模塊、處理模塊、反饋模塊及顯示輸出模塊;其中發射模塊包括感應線圈；處理模塊負責產生發射磁信號，以及處理反饋模塊監測的電流信號完成對礦工方位的確定;反饋模塊含有電流監測元件，用于監測發射端電流信息，并反饋給處理模塊，處理模塊判斷是否有接收線圈達到耦合諧振;顯示輸出模塊用于將反饋信息處理后，輸出結果給搜救人員，輸出結果包括是否發現目標，以及目標方位，距離的估計值。3.根據權利要求1所述的基于磁諧振的井下礦工搜救系統，其特征在于地下礦工穿戴感應端的感應線圈分布在礦工服和礦工帽的各個方向和位置，從而保證接收感應線圈有盡量大的感應面積和盡量多的有效感應方向；位于礦工服的線圈為平面線圈，通過柔性PCB電路板布置;礦工服還配備地下礦工穿戴感應端的通知模塊，通知模塊包括LED燈和/或蜂鳴器，當感應線圈與地上搜救端產生諧振后，能完成無線輸能，得到的電能用來觸發蜂鳴器或LED燈以給礦工傳達搜救人員是否已經找到被困礦工，另外，感應電流的強弱對應蜂鳴器聲音及LED亮度的強弱，用于傳達搜救人員距離的遠近的信息；并且礦工服和礦工帽不需要攜帶額外電源。4.利用權利要求1?3任一項所述基于磁諧振的井下礦工搜救系統的地下礦工搜救方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟I:控制參數設置，地上搜救端設置的參數包括:發射功率，發射頻率，初始方向，反饋電流信息檢測門限； 步驟2:根據步驟I的參數，處理模塊給發射模塊通入信號，發射模塊發射設定頻率和功率的磁場； 步驟3:若發射模塊中在當前方向感應到檢測門限以上的電流變化，發出警報聲提示，則判定該方向有礦工，應指示搜救人員在該方向進行搜尋;如發射端在當前方向無明顯反饋電流變化，則調整方向后，按步驟2和3繼續完成對空間區域的掃描。5.根據權利要求4所述的搜救方法，其特征在于:當地面搜救端與地下的礦工服及礦工帽內的線圈達到耦合諧振后，觸發LED燈和/或蜂鳴器，告知礦工已被地面搜救端發現，礦工也能根據LED燈的亮度或蜂鳴器的聲音強度判斷搜救人員距離的遠近。
【文檔編號】G01V3/10GK105846553SQ201610290989
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】韋崗, 李 杰, 馬碧云, 劉嬌蛟, 楊萃, 曹燕, 王歌, 王一歌, 趙明劍
【申請人】華南理工大學