(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211004066.9 (22)申请日 2022.08.22 (71)申请人 辽宁工程技术大学 地址 123000 辽宁省阜新市中华路47号 (72)发明人 李鑫　李昊　杨桢　王雪娇　 李洪珠　李航　左辉　 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监 测装置 (57)摘要 本发明提出了一种基于物联网的受载煤岩 多能量状态监测装置， 装置由感知层、 网络层、 应 用层组成， 感知层的岩石压力系统与传感器完成 对受载煤岩应力、 应变、 表面温度、 磁场强度、 振 动强度特征参数的测量， 之后网络层的数据转换 模块完成模数转换、 TTL转RS485的数据转换工 作， 并通过 RS‑485网络完成感知层从机与应用层 上位机主机的通信。 应用层循环读取感知层数 据， 并利用TVFEMD算法完成对除应力数据外其他 原始数据去噪， 提高数据的信噪比， 并计算出总 能量、 弹性应变能、 耗散能、 红外辐射能、 电磁辐 射能、 振动能共六种能量数据； 最终， 利用受载煤 岩多能量状态监测平台完成对结果的显示、 存 储、 查询、 导出等人机交互功能， 从而实现同时监 测煤岩加载 过程中多能量状态的目的。 权利要求书4页 说明书12页 附图7页 CN 115307685 A 2022.11.08 CN 115307685 A 1.一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在于， 该装置主要由感知 层、 网络层、 应用层三部 分组成， 感知层在供电电路的支持下通过岩石压力系统和传感器采 集煤岩加载过程中的应力、 应变、 表面 温度、 微振强度、 磁场强度等物理参数原始数据， 之后 通过网络层的数据转换模块和RS ‑485网络传输至应用层， 由应用层的上位机完成数据处理 与人机交 互功能。 2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述感知层的所述岩石压力系统由直流电机、 SA NS万能试验台、 固定垫片、 动力柜、 控制 柜组成， 通过对控制柜的设置可实现对直线电机的运动控制， 从而完成煤岩试样的加载实 验， 并对固定在垫片之间的受载煤岩应力数据进行采集， 并同步通过数据端口将其上传到 上位机中。 3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述感知 层的传感器包括： 应变传感器， 用于检测煤岩加载时煤岩整体的应 变变化， 输出为模拟信号； 温度传感器， 用于检测煤岩加载时煤岩表面温度的变化， 输出为模拟信号； 微振传感器， 用于检测煤岩加载 过程中的煤岩体的振动信号变化， 输出为模拟信号； 磁场传感器， 用以检测煤岩加载过程中外部空间的磁场变化， 输出为485结构的数字信 号。 4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述感知层的供电电路具有+5V、 ‑5V和+3.3V三种输出电压， 其用以为感知层中应变传 感器、 温度传感器、 微振传感器、 磁场传感器以及网络层中的相应部分进行可靠供电， 保证 装置的稳定运行。 5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述网络层的数据转换模块可分为数模转换电路和转换电路两部分， 其存在于应变传 感器、 温度传感器、 微振传感器与RS ‑485通信网络之间， 其一方面用以将感知层传感器的模 拟电压信号数模转换成16位的串行数字信号方便后续上位机处理， 另一方面 实现数据的临 时存储及传输过程的数据T TL与RS485信号 转换的功能， 切实保障信号的传输距离 长度。 6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述网络层的RS ‑485网络用以连接感知层的应变传感器、 温度传感器、 微振传感器、 磁 场传感器这些从机与网络层的上位机主机， 通信网络利用Modbus ‑RTU通讯协议数据传输， 主机通过以循环的方式 向从机发送读取数据的请求数据帧， 对应从机收到读数据指令后将 按照主机指令发送含有最新数据的数据帧， 主机 收到数据后将进行校验， 若通过则存储数 据并向另外一个从机发出读取指 令， 反之将重新向现有从机发出指 令读取数据， 若 连续3次 均无法校验成功， 则可判定对应传感器损坏， 结果将在人机界面对应位置通过 “灭灯”予以 工作人员警示， 此时需要及时停机并对相应模块检查与维修。 7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述应用层的数据 处理可分为数据降噪和能量数值计算两部分， 其 目的分别是提高原 始数据信噪比与结果 直观展示。 8.根据权利要求6所述的一种基于物联网的受载煤岩多能量状态监测装置， 其特征在 于， 所述数据降噪针对的感知层中除通过岩石压力系统的应力数据外其他4个传感器采集权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115307685 A 2获得的数据， 其均采用TVFE MD算法进行降噪， 其包 含如下具体步骤： 步骤1： 开通装置， 独立稳定运行1分钟， 对这段时间内4个传感器采集获得的数据分别 求平均值ai， i＝1、 2、 3、 4； 步骤2： 之后开始煤岩加载采集相关数据， 设定各传感器通过网络层传播进入应用层的 原始数据为yi(t)， i＝1、 2、 3、 4， 分别代表应变、 温度、 微振、 磁场传感器的原始数据， 之后令 fi(t)＝yi(t)‑ai， 用于去除环境底噪； 步骤3： fi(t)可表示 为一个双分量信号， 首 先对其进行H HT变换， 可 得： 步骤4： 确定Ai(t)极大值Aimax和极小值Aimin及其所在时刻timax与timin， 并分别对极值点 处进行插值计算， 获得的曲线分别为bi1(t)和bi2(t)： 步骤5： 计算局部截止频率 为： 其中 为式中 的导数， 其中γi1和γi2的计算方法如下： 步骤6： 对 截止频率进行调整； 步骤7： 根据 重构信号fi(t)， 并将重构后的信号分为步长为m的n等份， 每个等份 称为B样条函数， 其中n为其阶数， 利用式(5)对原始信号进 行B样条值逼近计算， 并将结果记 为m(t)； 式中， []↓m为每隔m个点进行降采样， []↑m为在两个采样点间插 入m个采样点； 步骤8： 对fi(t)进行EMD分解， 将其分解为n个imf函数， 分解停止条件如式(6)， 其中ε为 给定带宽阈值：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115307685 A 3