礦用本安數字化地質羅盤儀的設計與應用

岳晉平

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

地質羅盤儀是根據古代的指南針改進設計的，被廣泛地應用于地質勘查、野外勘測等領域，也常被用于對礦井地質條件的分析。地質羅盤儀從最初發明應用到現在已經有上百年的時間，常規采用的均為指針式機械羅盤儀，這種儀器輕巧便攜，但使用時存在操作麻煩、誤差較大且測量效率低等顯著問題。隨著當前電子化、信息化的不斷普及發展，傳統的低效機械式羅盤儀已經很難滿足工作需要，亟需與數字化進行結合改進[1]。目前，國內外已經有很多專家學者及研發機構在研究數字電子指南針，但對于地質常用的羅盤尤其是礦用本安型數字羅盤儀很少出現。基于此，根據多年的礦井地質工作經驗和大量的試驗，結合市場上現有的數字羅盤儀，研發出具有顯著特色的礦用本安型數字地質羅盤儀。本羅盤儀已經過礦用設備檢測檢驗中心防爆檢測認證，并獲得了煤安認證。

1 結構和原理

1.1 結構組成

本羅盤儀中電路設計結構圖如圖1所示，其核心數字控制主要由方位角及傾角信息采集處理部分、激光發射部分、存儲控制部分、電源部分及顯示部分五部分組合而成；羅盤儀的外觀等整體設計主要包括LCD顯示器、開關、按鍵、非金屬殼體、激光發射指向區域等。

1）數字控制結構。方位角及傾角信息采集處理部分原理是A/D轉換器對磁感應器、加速度感應器采集到的數據信息進行整理后傳輸到存儲控制部分。磁感應器的地磁方向和激光發射的激光線一致，加速度感應器感應的X或Y軸與激光線一致或平行。

圖1 電路設計結構圖

2）外形結構。本地質羅盤儀采用非金屬防靜電外殼；設置可調亮度液晶LCD彩色顯示屏；儀器右上方設開關按鈕；右下角設置數據傳輸與充電一體孔，并設置防塵防水蓋；儀器側端設有激光指向發射孔，可發射激光輔助指向及傾角測量；儀器上方布置不同功能的按鍵區，使操作更加舒適便捷。

3）數字顯示界面。顯示界面結合了現有的數字羅盤優點及人們的使用習慣，使數字顯示和界面仿真同步實現。例如方位角的顯示設置類似于機械指針式，可以直觀、形象地顯示方位，為了更精確地描述，表盤旁邊同時設有數值顯示；在橫縱兩個側邊依次設置橫滾和俯仰兩個方向的刻度顯示，實時顯示當時的傾斜角度，同時也有數值顯示，如下頁圖2所示。

1.2 工作原理

本地質羅盤儀的工作原理是利用磁阻傳感器來感應測出地磁場變化。地磁場磁感線由南極指向北極，在赤道附近磁感線與地面平行，故北半球磁場沿地面傾斜走向。一般來說地磁場強度通常在0.4～0.6 A/m之間。地磁場是矢量，其可以分解為與水平平行及與水平垂直的兩個分量。在測量時將電子羅盤與實際現場的水平面保持水平，則羅盤的磁力計中的三維軸即和空間中三個分量一一對應，三維空間中地磁場的坐標系矢量分解如圖3所示。

圖2 顯示界面設計

圖3 磁場矢量分解圖

X，Y方向上的兩個磁場分量矢量和方向總指向北方。α是指當前所處方向與磁場北方之間的夾角大小，也就是羅盤中所顯示的航向角。在羅盤保持水平時，使用磁力計對X軸和Y軸的數據進行監測即可算出當前航向角的大小。隨著羅盤在水平方向旋轉，航向角也會在0°～360°之間調整變化，故根據公式（1）：

僅需知道在X，Y方向上的兩個磁場分量值便可確定出方位角。但本式只有在儀器和當地水平面保持平行時才準確，若儀器有所傾斜，則計算出值準確性會受到很大影響。因此，為了減小傾角帶來的誤差影響，筆者對側傾角度及俯仰角度利用雙軸傾角感應器進行測量，羅盤感應到左右方向上傾角變化或前后方向角度變化，對數據進行采集并利用公式（2）進行轉換計算，將其三個空間軸上的位置進行校正。

式中：Xr、Yr為轉換后在水平位置的值；α為前后方向傾斜角度；β為左右方向傾斜角度。

對于在地質測繪領域使用的數字羅盤儀，必須至少含有可以測出地磁場數據的三軸磁力計和測量羅盤儀傾斜角度的三軸加速計，然后所采集的數據經過傳感器傳輸到處理器終端。處理器對得到的磁場數據和空間重力分布數據進行處理和計算，得到最終精確方位角，如圖4所示。此種方法大大減小了因羅盤儀傾斜造成的誤差。

圖4 雙軸傾角感應法補償原理

本文介紹的羅盤儀利用LSM305型芯片將上述加速傳感器、磁力傳感器、A/D轉換器及處理器終端組合集成在一起。實現了低成本、小巧化的設計，只需一個小芯片即可實現數據的監測和輸出。本芯片可以實現小于1 mm精度的測量[2]，在不使用時加速計自動變為睡眠模式，使用時自動喚醒，大大降低了能耗。同時，加速計上設置了可編程的中斷接口，保證了后期的維護和更新。

2 性能特點

為了全面考察本數字化礦用本安地質羅盤儀各方面的性能是否合格，委托國家安全生產礦用設備檢驗中心對本設備進行監測，結果顯示本設備測量方位角誤差范圍為1.8°，傾斜角度測量誤差范圍為0.1°～0.4°，完全可以達到地質工作者的使用要求。

本設備具有測量方位角、傾斜角、激光指向測斜、產狀自動測量等多重功能，且具有時間、秒表，可以進行數據存儲輸出、警報磁場異常。與傳統常用的機械指針羅盤相比，有許多顯著優勢：表盤數字結合顯示，直觀準確。利用表盤顯示可以直觀地感受判斷出方向，結合數字精確顯示數字，有效地消除了讀數時產生的誤差，快速獲取產狀信息。本設備針對礦山地質產狀監測進行針對性的算法編制和設計，根據現場地質狀況僅需一次測量即可得到有效數據，避免了冗雜的反復測量，減小了工作量同時提高了測量效率和精確度，激光指向測斜。利用激光指向測斜有助于精確標定、指向被測對象方位，有效降低了被測對象局部形變或對被測對象標定不準而出現的誤差。本設備兩側均有激光指向投線，若在測量時出現斷層或巷道異常等情況時可直接進行測量。此外，如需測量井下危險場所、無法進入區域或構造面不完全、不具備代表性等情況時，利用激光器顯示的線即可實現不接觸測量，保證了測量的精度。雙軸傾斜補償。利用雙軸傾角感應法補償原理對方位角進行測量，不需完全放置水平也可很精確地測出角度，有效地減小了操作難度和操作誤差。實時數據存儲與導出[3]。羅盤儀芯片可存儲最近測量出的120組結果，且含有較為詳細全面的信息及測量時間，便于先測量后統計計算。具有浮標法流量測量功能。磁干擾報警裝置。當所處測量環境中存在強磁場或有干擾磁場出現時儀器會自動發出警報，提示數據有錯誤，提醒用戶查找原因或離開干擾磁場。

3 結論

本羅盤儀具有小巧便捷、高精度、本安防爆、便捷操作等顯著優點，功能全面，經在礦山、地質勘測考察中多次試驗使用后反映良好，具有很好的推廣價值。同時，對其他礦用測量設備的數字化設計也具有很好的參考意義。